[发明专利]一种基于无人艇的激光雷达水面杂波处理方法和装置

权利要求书

1.一种基于无人艇的激光雷达水面杂波处理方法，其特征在于，包括：

步骤S1：利用激光雷达获取无人艇水面环境的点云数据；

步骤S2：对获得的点云数据进行坐标系转换，并进行点云校正；

步骤S3：对经过所述点云校正后的数据进行栅格分割得到激光雷达点云簇；

步骤S4：对分割出的所述激光雷达点云簇进行多项特征提取完成点云簇的分类；

步骤S5：利用提取得到的特征向量和点云簇的定位信息完成无人艇水上目标的逐帧实时匹配和目标跟踪，计算目标的运动要素，并利用目标的连续性及浪花的随机性完成杂波点的去除和目标的精确跟踪。

2.如权利要求1所述的激光雷达水面杂波处理方法，其特征在于，

所述步骤S2具体包括:

步骤S2.1：所述坐标系转换，是将三维激光雷达实时扫描获取的球坐标系下角度和距离信息转换为笛卡尔坐标系下(x，y，z)，X轴为船首方向，Y轴为船体横向方向，Z轴为垂直向上方向；三维激光雷达实时扫描获取目标点返回的球坐标(d,θ_vertical,θ_horizon)，其分别为返回点的距离、垂直角和水平偏移角，转换公式如下：

步骤S2.2：所述点云校正，是因为随着无人艇的俯仰和摇摆，三维激光雷达所获得的数据与真实数据存在偏差，影响障碍物的定位和杂波的抑制；可利用姿态角传感器实时获取无人艇运动姿态(α,β,θ)，分别为无人艇的横滚角、俯仰角、航向角，点云校正的姿态变换矩阵为：

3.如权利要求1所述的激光雷达水面杂波处理方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括:

步骤S3.1：根据激光雷达量程将地图划为数行、数列一系列的栅格单元，无人艇始终为栅格地图的中心，栅格的分辨率可调节设置；然后根据点云数据的坐标将点云投影到栅格中，并赋予每个栅格一个属性，栅格属性包括栅格坐标、返回点数量、平均高度差、平均反射强度、最大高度差，定义为{(x,y),S,NumPoint,AvgHeight,AvgInten,HeightDiff}，其中S表示该栅格是否有障碍物，其通过对每个栅格设置特定的阈值来判断，将栅格中点数量大于阈值的栅格表示为障碍物，反之为离群点杂波，阈值通过激光雷达的点云空间分辨率来设置，激光雷达水平方向空间分辨率的计算公式如下：

其中N为激光雷达每秒获取的数据总量，为固定值；M为激光雷达的线束个数；f为雷达扫描频率；d为点的探测距离；分析可知，在雷达扫描频率一定的情况下，激光雷达的水平距离分辨率与栅格和中心点之间的距离成线性正比关系，距离中心点越远，该栅格是否有障碍物的判断阈值越小；

步骤S3.2：由水面浮游生物或水质浑浊反射形成的杂波去除，其利用校正后的高度值Z和激光雷达安装在无人艇的高度信息去除；

步骤S3.3：栅格分割，利用八邻域膨胀的快速区域标记法实现对栅格的分割，将连在一起的栅格作为一组，识别为一个点云簇；由于尾浪及浪花引发的杂波点与真实目标相比一般具有反射强度较高、高度差小、平均高度较低的现象，为防止分割过程中出现过分割和欠分割的情况，在分割过程中根据S3.1所得的栅格属性最大高度差、平均高度、平均反射强度设置强度和高度阈值，将船舶等目标与尾浪分割为不同的点云簇。

4.如权利要求3所述的激光雷达水面杂波处理方法，其特征在于，所述步骤3.1中三维坐标点投影到栅格地图中和栅格属性的判定包括：

步骤3.1.1：输入所有三维数据点；遍历每个三维数据点，根据x，y坐标投影到栅格地图的对应栅格；对于该栅格，将其个数加一，并判断该点是否为最高点或最低点，若是，更新该栅格的最高高度或最低高度；将该点的三维坐标、反射强度加入该栅格类中的数据向量中；输出栅格地图；

步骤3.1.2：随后输入所有栅格和栅格是否为障碍物的二维数组阈值，遍历每个栅格；若该栅格内点数N大于对应的阈值，则认为该栅格为障碍物，并计算该栅格内所有点的平均强度值和平均高度值；反之确定该栅格内点为离群点杂波，去除该栅格内点。