多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法和雷达系统技术方案

本发明专利技术涉及一种多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法和雷达系统；方法包括确定多台协同工作的激光雷达的空间固定位置及基础坐标系，基于基础坐标系原点与雷达间相互位置关系确定各雷达坐标与基础坐标之间的坐标变换矩阵；通过测量在空间固定位置设置的标准被测物，进行各雷达坐标变换矩阵的修正；将各激光雷达时钟同步后，进行数据采集；将采集到的测量数据依照修正的坐标变换矩阵进行坐标变换和赋予时间戳后形成多雷达点云数据；对多雷达点云数据进行互扰滤波、逐点比对核校以及点云数据整体核校后完成数据拼接融合。本发明专利技术消除了内部组件间干扰，拓展了单一雷达的测量范围和测量精度，提升整体测量能力。提升整体测量能力。提升整体测量能力。

【技术实现步骤摘要】
多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法和雷达系统


[0001]本专利技术涉及激光雷达
，尤其涉及一种多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法和雷达系统。

技术介绍

[0002]激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达通过向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而实现对目标的探测、跟踪和识别。
[0003]在实际应用中，采集的信息越多，对空间的还原越真实，由此获取到的位姿信息、周边轮廓信息、行进路径信息等也越准确。受限于激光雷达的光探测机理，单个激光雷达在视场范围、探测距离、扫描分辨率、扫描精度和可靠性等方面都存在一定的限制，为获取更完整更准确可靠的测量信息，通常需要采用多台激光雷达配合使用以弥补单雷达测量的不足。多台雷达同时工作又会引出新的问题：
①
相同光波段雷达之间的互相干扰引发的测量失真，在将多个雷达放置在同一水平面上时，光学互扰尤为严重；
②
多雷达分散放置，其输出点云数据的坐标基准不统一，后续中控系统数据拼接融合操作的计算压力大；
③
多个雷达的系统时间不同步造成的数据匹配障碍，在针对移动被测目标时问题尤为突出，具体表现为被测目标的点云影像交错，目标轮廓模糊等。
[0004]对于雷达互扰，常见的处理方法是错层摆放或相位控制，错层摆放只解决了雷达对射干扰问题，不同雷达之间特定时刻收发视场重叠引起的干扰问题仍然存在。相位控制多为统一调控不同雷达的扫描相位，实现扫描相位差的锁定，但需增加相位监测及反馈控制锁定相位单元，增加雷达自身硬件系统及多雷达系统交联控制的复杂度。

技术实现思路

[0005]鉴于上述的分析，本专利技术旨在公开了一种多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法和雷达系统；解决多激光雷达的同步扫描和点云数据融合问题。
[0006]本专利技术公开了一种多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法，包括以下步骤：步骤S1、确定多台协同工作的激光雷达的空间固定位置及基础坐标系，基于基础坐标系原点与雷达间相互位置关系确定各雷达坐标与基础坐标之间的坐标变换矩阵；步骤S2、通过测量在空间固定位置设置的标准被测物，进行各雷达坐标变换矩阵的修正；步骤S3、将各激光雷达时钟同步后，进行数据采集；将采集到的测量数据依照修正后的坐标变换矩阵进行坐标变换和赋予时间戳后形成多雷达点云数据；步骤S4、对多雷达点云数据进行互扰滤波、逐点比对核校以及点云数据整体核校后完成数据拼接融合。
[0007]进一步地，在步骤S2中，采用ICP算法进行变换矩阵的修正；采用ICP算法修正变换
矩阵的方法包括：步骤S201、在测量空间固定位置设置标准被测物，令各激光雷达逐一工作，确保同一时刻只有一台雷达工作，得到各激光雷达的点云数据；步骤S202、提取各激光雷达的点云数据的关键点数据得到关键点数据集；步骤S203、以一台激光雷达为基准雷达A，其余激光雷达为被校准雷达B；根据基准雷达A和每一台被校准雷达B的雷达点云的关键点数据，采用ICP算法得到修正矩阵，叠加到被校准雷达B各自存储的坐标变换矩阵，实现对被校准雷达B的雷达坐标变换矩阵修正。
[0008]进一步地，在步骤S203中，被校准雷达B相对与基准雷达A的雷达坐标变换矩阵修正过程包括：1）基准雷达A和被校准雷达B分别扫描固定的标准被测物，在测量结果中分别任取一帧点云数据提取关键点数据得到关键点数据集a和b；其中，a=（a1,a2,
…
,a
i
,
…
,a
n
）；b=（b1,b2,
…
,b
i
,
…
,b
n
）；2）对于关键点数据集a和b，采用特征匹配的方式找出关键点数据集a和b的对应关系，通过使匹配误差最小，求解出包括旋转矩阵R和平移矩阵t的修正矩阵；所述求解出的旋转矩阵R和平移矩阵t为被校准雷达B相对于基准雷达A的修正矩阵；其中，旋转矩阵；平移矩阵；U、V分别为对匹配的特征进行SVD分解得到左奇异向量矩阵和右奇异向量矩阵；为关键点数据集a数据的质心；为关键点数据集b数据的质心；3）通过在被校准雷达B的坐标变换矩阵基础上叠加修正矩阵，完成被校准雷达B变换矩阵的修正。
[0009]进一步地，在步骤S4中，基于干扰原因，采用对应的点云数据滤波方式来进行互扰滤波；在所述互扰滤波中，根据两台雷达之间的扫描相位差α所在范围的不同进行固定点互扰和非固定点互扰滤波。
[0010]进一步地，当基准雷达A和被校准雷达B扫描相位差α=0
°
或180
°
≤α＜360
°
时，判断基准雷达A和被校准雷达B之间发生固定点互扰；基准雷达A在实现一个周期360扫描的时间范围内，仅有一个时刻对被校准雷达B产生光学干扰为固定点互扰；当基准雷达A和被校准雷达B扫描相位差为0
°
＜α＜180
°
时，判断基准雷达A和被校准雷达B之间发生非固定点互扰；两雷达出射光线相交于交点P，且随扫描过程时间推移，交点P在空间中位置发生连续变化形成一条互扰曲线；互扰曲线上的点引起的干扰为非固定点互扰。
[0011]进一步地，针对于固定点互扰，通过将造成单点互扰的特定扫描角时刻的雷达测量点及临近设定角度扫描区域的数据进行筛选过滤完成滤波。
[0012]进一步地，在进行非固定点互扰滤波时，包括以下步骤：1）建立两雷达互扰位置计算坐标系，确定两雷达出射激光光线相交的交点P坐标；当被测目标物与交点P位置重合时，进入步骤2），否则在雷达测量过程中重复判断被测目标物与交点P是否位置重合；2）判断雷达扫描过程中扫描相位差α在设定时间间隔内是否为趋近于定值，是，则
进入步骤3），否，则进入步骤4）；3）根据三角余弦定理，计算出交点P所在的干扰曲线，通过设置临近点阈值，将干扰曲线上以及符合邻近阈值条件的线外临近点作为干扰点进行筛选滤除；4）对同时接收到的基准雷达A和B的点云数据逐点进行位置解算，得到两雷达出射激光光线相交的交点P坐标值；根据交点P坐标值计算交点P到计算坐标系原点的距离L；5）将计算的距离L替换测量的距离值。
[0013]进一步地，步骤S4中，点云数据逐点比对核校包括固定被测目标的核校和非固定被测目标的核校；固定被测目标的核校，采用二至三倍的雷达测距误差作为互相核校的基准，对于超出此基准的点云数据做出滤除或降权重处理；非固定被测目标的核校，采用畸变量设定阈值，进行不同雷达相同时刻测量帧数据间相同被测位置点云数据的比对和处理；对于超出畸变量设定阈值的点云数据做出滤除或降权重处理。
[0014]进一步地，步骤S4中，在点云数据整体比对核校中，提取同一时刻的各雷达点云帧数据的关键点，判断点云帧数据的关键点是否重合，是，则判断各雷达工作正常，否，则本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、确定多台协同工作的激光雷达的空间固定位置及基础坐标系，基于基础坐标系原点与雷达间相互位置关系确定各雷达坐标与基础坐标之间的坐标变换矩阵；步骤S2、通过测量在空间固定位置设置的标准被测物，进行各雷达坐标变换矩阵的修正；步骤S3、将各激光雷达时钟同步后，进行数据采集；将采集到的测量数据依照修正后的坐标变换矩阵进行坐标变换和赋予时间戳后形成多雷达点云数据；步骤S4、对多雷达点云数据进行互扰滤波、逐点比对核校以及点云数据整体核校后完成数据拼接融合。2.根据权利要求1所述的多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法，其特征在于，在步骤S2中，采用ICP算法进行变换矩阵的修正；采用ICP算法修正变换矩阵的方法包括：步骤S201、在测量空间固定位置设置标准被测物，令各激光雷达逐一工作，确保同一时刻只有一台雷达工作，得到各激光雷达的点云数据；步骤S202、提取各激光雷达的点云数据的关键点数据得到关键点数据集；步骤S203、以一台激光雷达为基准雷达A，其余激光雷达为被校准雷达B；根据基准雷达A和每一台被校准雷达B的雷达点云的关键点数据，采用ICP算法得到修正矩阵，叠加到被校准雷达B各自存储的坐标变换矩阵，实现对被校准雷达B的雷达坐标变换矩阵修正。3.根据权利要求2所述的多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法，其特征在于，在步骤S203中，被校准雷达B相对于基准雷达A的雷达坐标变换矩阵修正过程包括：1）基准雷达A和被校准雷达B分别扫描固定的标准被测物，在测量结果中分别任取一帧点云数据提取关键点数据得到关键点数据集a和b；其中，a=（a1,a2,
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）；b=（b1,b2,
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）；2）对于关键点数据集a和b，采用特征匹配的方式找出关键点数据集a和b的对应关系，通过使匹配误差最小，求解出包括旋转矩阵R和平移矩阵t的修正矩阵；求解出的旋转矩阵R和平移矩阵t为被校准雷达B相对于基准雷达A的修正矩阵；其中，旋转矩阵；平移矩阵；U、V分别为对匹配的特征进行SVD分解得到左奇异向量矩阵和右奇异向量矩阵；为关键点数据集a数据的质心；为关键点数据集b数据的质心；3）通过在被校准雷达B的坐标变换矩阵基础上叠加修正矩阵，完成被校准雷达B变换矩阵的修正。4.根据权利要求1所述的多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法，其特征在于，在步骤S4中，基于干扰原因，采用对应的点云数据滤波方式来进行互扰滤波；在所述互扰滤波中，根据两台雷达之间的扫描相位差α所在范围的不同进行固定点互扰和非固定点互扰滤波。5.根据权利要求4所述的多激光雷达的同步扫描及点云数据处理方法，其特征在于，当基准雷达A和被校准雷达B扫描相位差α=0
°
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【专利技术属性】
技术研发人员：付晨，张强，赵建宇，陈浩，张小富，
申请(专利权)人：山东富锐光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：