CN108873013B - 一种采用多线激光雷达的道路可通行区域获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多线激光雷达的道路可通行区域获取方法，将单个栅格中点云按照高度进行排序，分割平面块，得到平面块高度特征以及强度特征，求解最底层表面块高度均值，由高度均值及平面强度判断将平面块分为地面或障碍物，最终获取道路可通行区域。本发明可解决激光雷达道路环境感知中障碍物、非障碍物、路面等道路环境元素感知判断不准确的问题，具有计算量小、实时性高的优点。

Description

一种采用多线激光雷达的道路可通行区域获取方法

技术领域

本发明属于电子信息、自动化领域，面向行业为无人驾驶车辆、智能交通系统、智能农机等行业。

背景技术

自动驾驶车辆又称无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车或轮式移动机器人，是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车。在20世纪已有数十年的历史，21世纪初呈现出接近实用化的趋势。自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人类主动的操作下，自动安全地操作机动车辆。

准确的道路环境感知是自动驾驶车辆功能得以实现的基础。目前，多线激光雷达已经越来越普遍的用于自动驾驶汽车，成为必不可少的环境感知传感器之一。多线激光雷达发射多线激光束，激光束遇到地面、障碍物等反射物体产生反射，通过对反射回的激光点云进行处理，获取反射物的空间信息，即可对周边道路环境进行感知。将多线激光雷达安装于自动驾驶车辆上，并对采用多线激光雷达返回的点云数据进行处理，准确的获得车辆前后及周边可通行区域，一直以来是激光雷达感知的重要任务之一。

目前，面向多线激光雷达数据，采用栅格投影的方法因为其计算量小，实时性好的原因，最为主流。但是，现有方法也存在易受悬挂障碍物干扰、地面区域误检较多的缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种采用多线激光雷达的道路可通行区域获取方法,可解决激光雷达道路环境感知中障碍物、非障碍物、路面等道路环境元素感知判断不准确的问题，且具有计算量小、实时性高的优点。

一种采用多线激光雷达的道路可通行区域获取方法，包括以下步骤：

步骤1)，设置栅格

将激光雷达接收到的点云，根据x、y轴坐标向栅格平面进行投影，使得栅格的单元格内包含一系列点云数据，点云中的每一个激光返射点均包含有三维坐标及强度信息(x_p，y_p，z_p，I_p)，其中，x_p、y_p、z_p是单个激光返射点的世界坐标系下坐标，I_p是返射点的反射强度。

步骤2)，栅格点云分割

首先将位于同一个栅格内的激光反射点按照高度从小到大进行排序，得到了同一个栅格内的数据点列表List_P ^ij，ij为栅格坐标；以排序后相邻两数据点在垂直高度间隔的大小为判据，判断两点是否属于同一个障碍物；以两点间隔高度阈值H_T为依据判断两点分属不同的平面块，遍历整个栅格，分割所有的平面块；

步骤3)，地面层检测

对于每个栅格ij，提取最下层的平面块P₁，计算高度差ΔH，根据高度差ΔH及平面强度判断该平面块为障碍物或是地面：当ΔH>b时，认为此平面块为障碍物；a<ΔH<b时，单纯依靠高度特征难以判定该平面块为障碍物或是地面，需要引入强度特征，强度特征包括强度均值MeanI_k、强度方差σ_k，强度均值在阈值MeanIa、MeanIb之间且强度方差小于方差阈值VarIt时，判定此平面块为地面平面块，否则是障碍物或悬挂物平面块；ΔH<a时，认为此平面块为地面，a、b分别是高度阈值；栅格ij中的每个平面块P_k，都包含有如下特征：点云最大高度MaxH_k、最小高度MinH_k、高度均值MeanH_k、强度均值MeanI_k、强度方差σ_k，最大高度MaxH_k、最小高度MinH_k、高度均值MeanH_k表征了平面块内点云的几何特征，强度均值MeanI_k、强度方差σ_k表征了点云的反射强度特征。

步骤4)，障碍物层及悬挂层检测

在判断并得到所有地面层平面块后，计算其中所有激光反射点高度的平均值获取地面层的高度H_G，由公式H_F＝H_G+H_V+H_S计算悬挂物体层高度H_F，判定高度均值在H_G至H_F之间的平面块为障碍物层，而大于H_F的平面块为悬挂层；H_V为无人驾驶车辆高度，包括了车辆本体高度以及车顶激光雷达的高度，H_S为设定的车辆行驶中障碍物离车顶的安全高度。

步骤5)，道路可通行区域获取

所有不含有障碍物层平面块的栅格即为可通行区域。

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种多特征多分层的道路可通行区域获取方法，通过栅格地图多特征提取，多阈值判断，将道路环境准确的分类为地面层、障碍物层和悬挂层；可解决激光雷达道路环境感知中障碍物、非障碍物、路面等道路环境元素感知判断不准确的问题，具有计算量小、实时性高的优点。

附图说明

图1为点云分层示意图；

图2为可通行区域栅格示意图；

图3为本发明总流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图3所示，本发明的具体步骤如下：

1)设置栅格

令栅格地图大小为320x 160，单个栅格大小为20cm x 20cm，整个地图包含了车前方48米以内、左右各16米以内、后方16米以内的矩形范围；将激光雷达接收到的点云根据x、y轴坐标向栅格平面进行投影，使得栅格的单元格内包含有一系列的点云数据；点云中的每一个激光返射点都包含有三维坐标及强度信息(x_p，y_p，z_p，I_p)，其中，x_p、y_p、z_p是单个激光返回点的世界坐标系下坐标，I_p是返射点的反射强度。

2)栅格点云分割

首先将位于同一个栅格内的激光反射点按照z轴高度从小到大进行排序，得到了同一个栅格内的数据点列表List_P ^ij，ij为栅格坐标；以排序后相邻两数据点在垂直高度间隔的大小为判据，判断两点是否属于同一个障碍物；设定两点间隔高度阈值H_T，当上点与下点的间隔大于间隔高度阈值H_T时，这两点分属不同的平面块；遍历整个栅格图，分割所有的平面块，并设所分割出的平面块从低到高依次为P₁,P₂,…,P_k，P_k+1，如图1所示；本实施例中，H_T的大小按照激光雷达线束多少设置，以64线激光雷达为例，H_T设为20厘米。

对于栅格ij中的每个平面块P_k，都包含有如下特征：点云最大高度MaxH_k、最小高度MinH_k、高度均值MeanH_k、强度均值MeanI_k、强度方差σ_k五个特征，其中最大高度MaxH_k、最小高度MinH_k、高度均值MeanH_k表征了平面块内点云的几何特征，强度均值MeanI_k、强度方差σ_k表征了点云的反射强度特征。

3)地面层检测

对于每个栅格ij，提取最下层的平面块P₁，计算最大、最小高度差ΔH＝MaxH_k-MinH_k，当ΔH>b时，认为此平面块为障碍物；a<ΔH<b时，单纯依靠高度特征难以判定该平面块为障碍物或是地面，需要引入强度特征；ΔH<a时，认为此平面块为地面。a的取值较小，同时b的取值较大，这是因为当高度差在a与b之间时，比较有可能出现的是坡度较大的路面或是垂直高度较小的物体，本实施例中，a、b取值分别为3厘米和10厘米。

通过统计发现，无论是车辆还是行人，由于物体表面材料及颜色不统一，障碍物表面强度分布比较散乱，导致强度方差比较大；路面属性比较单一，强度分布比较规律，方差较小，所以通过强度均值以及强度方差来判定平面块，有较高的准确性。平面块强度均值在强度均值阈值MeanIa、MeanIb之间，强度方差小于方差阈值VarIt时，判定此平面块为路面平面块。本实施例中，强度均值阈值MeanIa、MeanIb设为50和130，强度方差阈值设为VarIt设为300。

4)障碍物层及悬挂层检测

在判断并得到所有地面层平面块后，对其中所有激光反射点的高度进行平均值计算，即得到地面层的高度H_G；

在得到地面层的高度H_G之后，接着通过地面层高度来计算悬挂物体层高度H_F，

H_F＝H_G+H_V+H_S

其中：H_V为无人驾驶车辆高度，包括了车辆本体高度以及车顶激光雷达的高度，H_S为设定的车辆行驶中障碍物离车顶的安全高度。本实施例中，取无人驾驶车辆高度H_V为1.73米，安全高度H_S为0.3米。判定在高度H_G至H_F中的平面块为障碍物层，也就是车辆行驶区域中障碍物区域的高度范围，而大于H_F的平面块为悬挂层。

5)道路可通行区域获取

对于步骤1)中的320x 160栅格地图，所有不含有障碍物层平面块的栅格即为可通行区域。可通行区域栅格示意图如图2所示。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用多线激光雷达的道路可通行区域获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，设置栅格；

步骤2)，栅格点云分割

首先将位于同一个栅格内的激光反射点按照高度从小到大进行排序，得到了同一个栅格内的数据点列表List_P ^ij，ij为栅格坐标；以排序后相邻两数据点在垂直高度间隔的大小为判据，判断两点是否属于同一个障碍物；以两点间隔高度阈值H_T为依据判断两点分属不同的平面块，遍历整个栅格，分割所有的平面块；

步骤3)，地面层检测

对于每个栅格ij，提取最下层的平面块P₁，计算高度差ΔH，根据高度差ΔH及平面强度判断该平面块为障碍物或是地面；

对于栅格ij中的每个平面块P_k，都包含有如下特征：点云最大高度MaxH_k、最小高度MinH_k、高度均值MeanH_k、强度均值MeanI_k、强度方差σ_k，最大高度MaxH_k、最小高度MinH_k、高度均值MeanH_k表征了平面块内点云的几何特征，强度均值MeanI_k、强度方差σ_k表征了点云的反射强度特征；强度均值在阈值MeanIa、MeanIb之间且强度方差小于方差阈值VarIt时，判定此平面块为地面平面块；否则是障碍物或悬挂物平面块；

步骤4)，障碍物层及悬挂层检测

获取地面层的高度H_G、悬挂物体层高度H_F，判定高度均值在H_G至H_F之间的平面块为障碍物层，而大于H_F的平面块为悬挂层；

步骤5)，道路可通行区域获取

所有不含有障碍物层平面块的栅格即为可通行区域。

2.如权利要求1所述的一种采用多线激光雷达的道路可通行区域获取方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：将激光雷达接收到的点云，根据x、y轴坐标向栅格平面进行投影，使得栅格的单元格内包含一系列点云数据，点云中的每一个激光返射点均包含有三维坐标及强度信息(x_p，y_p，z_p，I_p)，其中，x_p、y_p、z_p是单个激光返射点的世界坐标系下坐标，I_p是返射点的反射强度。

3.如权利要求1所述的一种采用多线激光雷达的道路可通行区域获取方法，其特征在于，所述步骤3)中判断平面块为障碍物或地面的具体过程为：当ΔH>b时，认为此平面块为障碍物；a<ΔH<b时，单纯依靠高度特征难以判定该平面块为障碍物或是地面，需要引入强度特征；ΔH<a时，认为此平面块为地面，a、b分别是高度阈值。

4.如权利要求1所述的一种采用多线激光雷达的道路可通行区域获取方法，其特征在于，所述地面层的高度H_G的获取方法为：在判断并得到所有地面层平面块后，计算其中所有激光反射点高度的平均值。

5.如权利要求4所述的一种采用多线激光雷达的道路可通行区域获取方法，其特征在于，所述悬挂物体层高度H_F＝H_G+H_V+H_S，其中：H_V为无人驾驶车辆高度，包括了车辆本体高度以及车顶激光雷达的高度，H_S为设定的车辆行驶中障碍物离车顶的安全高度。

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