[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

说明书

本发明提出一种基于无人艇的激光雷达水面杂波处理方法和装置，该方法包括：利用激光雷达获取无人艇水面环境的点云数据；对获得的点云数据进行坐标系转换，并进行点云校正；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；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；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，通过该方法可滤除离群点和浮游生物造成的杂波点，并同时实现尾浪和浪花滤除。

技术领域

本发明属于无人艇水面环境感知和三维激光雷达的信息处理，具体涉及一种基于无人艇的激光雷达水面杂波处理方法装置。

背景技术

无人艇安全自主地完成各项任务，必须具备良好的环境感知能力。激光雷达作为一种主动测量传感器，具有较强的环境适应能力和较高的测距精度，在无人车中应用较为广泛，并且取得了较好的效果。针对无人艇复杂的航行环境，激光雷达在近年来也逐渐开展了一些应用，然而，在利用激光雷达扫描水面目标时，点云数据中常常存在杂波点，会被环境感知算法误判为水面障碍物，影响无人艇的正常航行，需要一定的算法对杂波点进行滤除。

激光可穿透水体，故在水体平静及干净时，水面基本上不会产生有效回波，但是船舶航行造成的尾浪及风浪所形成的白浪花，会将激光反射回雷达接收器，形成水面杂波；激光光束在传播过程中，遇到如云、烟雾、雨雪等干扰造成了离群点的产生，同时，当远距离目标受到近距离目标的严重遮挡，也会出现杂乱的高稀疏无意义点；当海水中存在大量的浮游生物时，会在无人艇周围形成一圈圈的水面杂波。因此，如何滤除离群点和浮游生物造成的杂波点，并同时实现尾浪和浪花滤除是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于无人艇的激光雷达水面杂波处理方法，该方法可用于滤除离群点和浮游生物造成的杂波点，并同时实现尾浪和浪花滤除，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。

特别地，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：

特别地，所述步骤S3具体包括: