CN112629548A - 一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法，所述方法包括：步骤一、基于路侧激光雷达构建三维栅格地图；步骤二、确定障碍物在空间栅格中的坐标；步骤三、基于贝叶斯公式的对空间栅格地图中的障碍物状态进行判断与更新；步骤四、在更新空间栅格地图障碍物的同时确定非障碍物的三维栅格集。通过上述方法，能够准确地快速地建立一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图并且在场景发生变化时，可以及时准确地利用路侧数字地图更新障碍物和非障碍物的坐标位置，以支撑无人驾驶车辆的正常行驶。

Description

一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法

技术领域

本发明属于车联网和辅助驾驶技术领域，具体涉及一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法。

背景技术

无人驾驶车辆的正常行驶依赖对道路信息的全方位感知。城市场景中，道路开放，结构复杂，交通流量大，行为差异显著，这些变化对无人驾驶车辆的环境感知能力有着更高的要求。目前，无人驾驶车载核心传感器感知距离有限，无法满足恶劣天气、遮挡区等非视距环境感知需求。

作为一种以激光束探测目标位置、速度等特征的雷达系统，激光雷达具有较远的探测距离、较高的角度和速度分辨率，因此被广泛地用作车载传感器，为车辆对周边障碍物的感知提供助力。随着V2X与5G通信技术的发展，将激光雷达部署于路侧，进而构建动态更新的高精度地图成为可能。与部署在车辆上相比，将激光雷达部署在路侧一方面可以通过较高的部署位置保证视野不被复杂的城市道路场景遮挡，另一方面可以为多辆网联汽车服务，有效降低成本。

针对以上情况，本发明提出了一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法，旨在赋能无人驾驶，辅助实现实时、精准的道路环境全方位感知。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法，实现在场景发生变化时，路侧数字地图可以及时更新以支撑无人驾驶车辆的正常行驶。

为此，本发明提供的技术方案包括：

一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一、基于路侧激光雷达构建三维栅格地图；其包括，通过道路两侧交替布设的激光雷达获得测量，并将所述空间设定为由若干大小相等的小立方体构成的空间栅格；步骤二、确定障碍物在空间栅格中的坐标，其包括，根据激光束的发射方向β、激光束的俯仰角γ以及激光发射点距障碍物的距离d，据此计算障碍点的实际位置，并根据障碍点实际位置与空间栅格中的栅格的对应关系确定障碍点在空间栅格中的坐标；步骤三、基于贝叶斯公式的对空间栅格地图中的障碍物状态进行判断与更新，其包括，使用A⁺(s)＝A(s)+M_j更新单个栅格A的状态A(s)，其中A⁺(s)为测量之后的单个栅格A的状态，M_j表示测量值m的状态，j∈0，1，M₀＝-1，M₁＝1。步骤四、在更新空间栅格地图障碍物的同时确定非障碍物的三维栅格集，当已经确定了栅格内激光束在x-y坐标系投影到障碍物之间的第I个栅格I(X_i，Y_i)的位置，激光束的发射方向与x轴呈β角时，确定第I+1个栅格(X_i+1，Y_i+1)的位置；当光束在X_i+1点的实际纵向位置Y＝X_itanβ，l₁＝Y-Y_i，l₂＝Y_i+1时；若l₁＞l₂，则Y_i+1＝Y_i+1，第I+1个非障碍物的栅格取(X_i+1，Y_i+1)；若l₁＜l₂，则Y_i+1＝Y_i第I+1个非障碍物的栅格取(X_i+1，Y_i)；若l₁＝l₂，栅格(X_i+1，Y_i)和栅格(X_i+1，Y_i+1)均入选下一个非障碍物的栅格。

优选地，当激光雷达中的激光器具有最大俯仰角±α、具备最小量程r_min，则，在路侧布设时的最小量程r_min＝q+(h/2+H)/tanα；其中，H为激光雷达支架的高度、h为激光雷达自身高度、q为激光雷达自身半径；r_min＝q+(h/2+H)/tanα。

优选地，当激光雷达的最大量程为R，道路宽度为D时，两个相邻的激光雷达布设点位沿道路方向的距离：

激光雷达布设位置为道路两侧交替布设，距离道路边缘距离：r≥r_min。

优选地，碍物点b(x₁，y₁，z₁)，在栅格坐标系内，其坐标为

通过上述方法，能够准确地快速地建立一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图并且在场景发生变化时，可以及时准确地利用路侧数字地图更新障碍物和非障碍物的坐标位置，以支撑无人驾驶车辆的正常行驶。

附图说明

图1为激光雷达的激光束发射图；

图2为最短量程计算方法；

图3为路侧激光雷达的布设方法；

图4为空间栅格化示意图；

图5为坐标计算方法；

图6为坐标转化示意图；

图7为在确定了栅格I后确定栅格I+1的算法图解；

图8为可通行区域确定算法流程图。

具体实施方式

为更好地说明本发明所提出地三维栅格地图地创建与更新方法，结合专利附图对具体实施方式进行详细说明：

Step1：路侧激光雷达的布设：如图2与3所示，因激光雷达中的激光器具有最大俯仰角±α，故其具备最小量程r_m，即距离r以内的障碍物将无法被检测。在路侧布设时，最小量程r_min会随着激光雷达支架的高度H而发生变化，假设激光雷达自身高度为h，半径为q即：

r_min＝q+(h/2+H)/tanα

此外，路侧布设还需保证激光雷达无盲区，因此采用间隔的方式在道路两侧进行布设。假设激光雷达的最大量程为R，道路宽度为D，则如图2所示，两个相邻的激光雷达布设点位沿道路方向的距离应为：

布设位置为道路两侧交替布设，距离道路边缘距离：

r≥r_min

Step2：空间的栅格化：本发明需将激光雷达的测量空间栅格化，即将其视为由若干大小相等的小立方体构成，如图4所示。立方体的棱长由使用场景决定，棱长越小则地图精确度越高，同时占用的计算资源也越多。假设其棱长为a，则地图分辨率为

Step3：障碍物坐标计算及坐标转换：如图5所示，以激光雷达朝向道路方向的切面中点为原点建立坐标系；当激光雷达捕获障碍物时，对于其中一束激光，所获取的信息为：激光束的发射方向β，激光束的俯仰角γ以及激光发射点距障碍物的距离d，据此计算障碍点b(x₁，y₁，z₁)的实际坐标为：

x₁＝dcosγcosβ；y₁＝dcosγsinβ；z₁＝dsinγ

为将障碍物完整的反映在三维栅格地图中，需将真实坐标转化为栅格坐标。如图6所示，对于真实坐标系中的一个障碍点，假设其x轴坐标为x，若na＜x≤(n+1)a(即该点的x轴坐标位于第n至第n+1个栅格之间)，则在栅格坐标系中，其x轴坐标X为n+1，即

故对上述障碍物点b(x₁，y₁，z₁)，在栅格坐标系内，其坐标为：

按上述逻辑，即可根据激光雷达扫描到的障碍点完成3D栅格地图的构建，并完成对障碍物轮廓的标注。

Step4：基于贝叶斯公式的栅格状态判断与更新规则：本发明基于概率分布对三维栅格是否被障碍物占据进行判断。在实现了三维栅格对道路的全覆盖后，对于足够小单个立方体A而言，其状态具有两种可能：未被障碍物占据(s＝0)与被障碍物占据(s＝1)，用概率可以表示为：

p(s＝0)+p(s＝1)＝1

进一步使用二者比值反映A的状态

对于该立方体，若获取了新的测量值m～{0，1}，则需要更新该点的状态，仍旧使用概率表示：

根据贝叶斯公式：

带入A(s)可得：

等号两边取对数：

等式右侧

为测量值，lo.gA(s)为已知值。

使用M_j表示测量值m的状态，对于一个立方体，m存在两种情况，即为0或1，即j∈0，1因此该测量值也有两种情况：

其中，M₀表示未检测到障碍物，M₁表示检测到障碍物。

进一步的，立方体A的状态A(s)更新规则可以写作：

A⁺(s)＝A(s)+M_j

其中，A⁺(s)为测量之后的立方体A的状态，当没有测量值的初始状态下，A₀(s)＝0。

在实际使用中，每一台激光雷达的检测精度是固定的，因此M_j也是定值，为了便于判断立方体是否被障碍物占据，规定M₀＝-1，M₁＝1，则对于一个立方体，其状态A(s)的越大，说明该立方体处被障碍物占据的可能性越高；相反，A(s)值越小，则说明该立方体未被障碍物占据的可能性越小；当A(s)为0时，需重新对该处进行检测，并依据式x进行状态更新。

Step5：基于改进的Bresenham法的可通行三维栅格的确定：为了为道路上行驶的车辆提供参考，本发明在更新三维栅格地图障碍物的同时使用改进的Bresenham法确定可通行区域，即非障碍物的三维栅格集。图7所示为在确定了栅格I后确定栅格I+1的算法图解，假设已经确定了栅格内激光束在x-y坐标系投影到障碍物之间的第I个栅格I(X_i，Y_i)的位置，要进一步确定第I+1个栅格(X_i+1，Y_i+1)的位置，因已知激光束的发射方向β，在x-y坐标系内，该直线方程可以写作y＝xtanβ，假设X_i+1＝X_i+1，则激光束在X_i+1的实际纵向位置为Y＝X_itanβ，令l₁＝Y-Y_i，l₂＝Y_i+1，则l₁、l₂分别反应的是沿着该直线，栅格(X_i+1，Y_i)和栅格(X_i+1，Y_i+1)距该直线的距离。比较l₁、l₂的大小，若：l₁＞l₂，则Y_i+1＝Y_i+1，下个栅格取(X_i+1，Y_i+1)；若：l₁＜l₂，则Y_i+1＝Y_i下个栅格取(X_i+1，Y_i)；若l₁＝l₂，则为了保证安全，栅格(X_i+1，Y_i)和栅格(X_i+1，Y_i+1)均入选。此后该方法对每一束激光光束的周边的可通行栅格进行标注，直到条邻近路径之间不存在其他障碍物，则中间区域即为可通行区域，划分结果如图8所示。

Claims (4)

1.一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、基于路侧激光雷达构建三维栅格地图；其包括，通过道路两侧交替布设的激光雷达获得测量，并将所述空间设定为由若干大小相等的小立方体构成的空间栅格；

步骤二、确定障碍物在空间栅格中的坐标，其包括，根据激光束的发射方向β、激光束的俯仰角γ以及激光发射点距障碍物的距离d，据此计算障碍点的实际位置，并根据障碍点实际位置与空间栅格中的栅格的对应关系确定障碍点在空间栅格中的坐标

步骤三、基于贝叶斯公式的对空间栅格地图中的障碍物状态进行判断与更新，其包括，使用A⁺(s)＝A(s)+M_j更新单个栅格A的状态A(s)，其中A⁺(s)为测量之后的单个栅格A的状态，M_j表示测量值m的状态，j∈0，1，M₀＝-1，M₁＝1。

步骤四、在更新空间栅格地图障碍物的同时确定非障碍物的三维栅格集，当已经确定了栅格内激光束在x-y坐标系投影到障碍物之间的第I个栅格I(X_i，Y_i)的位置，激光束的发射方向与x轴呈β角时，确定第I+1个栅格(X_i+1，Y_i+1)的位置；当光束在X_i+1点的实际纵向位置Y＝X_itanβ，l₁＝Y-Y_i，l₂＝Y_i+1时；若l₁＞l₂，则Y_i+1＝Y_i+1，第I+1个非障碍物的栅格取(X_i+1，Y_i+1)；若l₁＜l₂，则Y_i+1＝Y_i第I+1个非障碍物的栅格取(X_i+1，Y_i)；若l₁＝l₂，栅格(X_i+1，Y_i)和栅格(X_i+1，Y_i+1)均入选下一个非障碍物的栅格。

2.根据权利要求1所述的一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法，其特征在于，当激光雷达中的激光器具有最大俯仰角±α、具备最小量程r_min，则，在路侧布设时的最小量程r_min＝q+(h/2+H)/tanα；其中，H为激光雷达支架的高度、h为激光雷达自身高度、g为激光雷达自身半径；r_min＝q+(h/2+H)/tanα。

3.根据权利要求2所述的一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法，其特征在于，

当激光雷达的最大量程为R，道路宽度为D时，两个相邻的激光雷达布设点位沿道路方向的距离：

激光雷达布设位置为道路两侧交替布设，距离道路边缘距离：r≥r_min。

4.根据权利要求3所述的一种基于路侧激光雷达的三维栅格地图的创建与更新方法，其特征在于，碍物点b(x₁，y₁，z₁)，在栅格坐标系内，其坐标为

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