无人机协同的无人车辆定位导航方法及其相关设备与流程

本发明涉及定位导航领域，尤其涉及一种无人机协同的无人车辆定位导航方法、装置、电子设备及其存储介质。

背景技术：

1、随着无人驾驶技术和机器人技术的发展，无人车逐渐应用于厂区物流、园区巡检、应急救援及野外勘探等场景。无人车实现自主导航通常需要依赖目标区域的环境地图、车辆定位信息和路径规划结果。无人机具有覆盖范围大、采集速度快且受地面通行条件影响较小的特点，能够通过搭载激光雷达采集目标区域的三维点云数据，为无人车导航地图的构建提供数据基础。

2、现有无人车导航地图通常由地面采集车辆在目标区域内行驶采集，建图周期较长且地图更新成本较高。采用无人机采集三维点云数据时，点云数据通常以无人机局部坐标系或者点云地图坐标系表示，而无人车的实时动态差分定位信息通常以世界坐标系表示，容易造成建图数据、路径规划结果与无人车定位信息的坐标基准不一致。此外，三维点云数据量较大，直接用于车载存储和路径规划会增加无人车的存储负担与计算负担；将三维点云压缩为高程地图时，又容易丢失地图栅格与世界坐标之间的对应关系，使基于高程地图生成的路径难以直接用于无人车定位导航。

3、因此，如何在降低无人车地图存储和计算负担的同时，使无人机建图数据、路径规划结果与无人车实时定位信息保持统一的坐标基准，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种无人机协同的无人车辆定位导航方法，以解决现有车辆导航方案中无人机建图数据与无人车实时动态差分定位信息的坐标基准不一致，且三维点云数据量较大，导致建图、路径规划与无人车定位导航之间的数据难以统一传递和复用的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供一种无人机协同的无人车辆定位导航方法，所述方法包括以下步骤：

3、获取无人机在目标区域中采集的三维点云数据以及与所述三维点云数据对应的无人机实时动态差分定位信息，并生成带有定位标签的原始三维点云地图；

4、基于所述原始三维点云地图中的点云地图坐标与所述无人机实时动态差分定位信息表征的世界坐标之间的对应关系，确定点云地图坐标系与世界坐标系之间的坐标变换参数；

5、对所述原始三维点云地图进行点云压缩处理，生成以所述点云地图坐标系作为表示的2.5维高程地图，并基于所述坐标变换参数在所述2.5维高程地图中确定出各地图栅格对应的世界坐标标签；

6、响应于导航任务，调取所述2.5维高程地图，根据所述导航任务对应的起点坐标、终点坐标以及各所述地图栅格对应的世界坐标标签确定起点栅格和终点栅格，并基于各所述地图栅格对应的高程信息生成所述点云地图坐标系下的目标路径；

7、基于所述坐标变换参数，将所述目标路径中的路径点坐标转换为世界坐标，得到世界坐标系下的导航路径；

8、获取无人车在行驶过程中的车载实时动态差分定位信息，根据所述车载实时动态差分定位信息和所述导航路径确定横向偏差和航向偏差，并根据所述横向偏差和所述航向偏差，控制所述无人车沿所述导航路径行驶。

9、可选的，所述获取无人机在目标区域中采集的三维点云数据以及与所述三维点云数据对应的无人机实时动态差分定位信息，并生成带有定位标签的原始三维点云地图，包括：

10、控制所述无人机在所述目标区域上空按照预设航线飞行，并通过机载激光雷达连续采集多个点云帧以及记录各所述点云帧对应的点云时间戳；

11、通过机载实时动态差分定位模块连续获取多组所述无人机实时动态差分定位信息以及记录各组所述无人机实时动态差分定位信息对应的定位时间戳，所述无人机实时动态差分定位信息包括经度、纬度、高程和定位精度因子；

12、根据各所述点云时间戳与各所述定位时间戳之间的时序对应关系，确定与各所述点云帧对应的无人机实时动态差分定位信息；

13、将各所述点云帧与对应的无人机实时动态差分定位信息进行关联，并将所述无人机实时动态差分定位信息作为对应点云帧的定位标签，得到多个带有定位标签的点云帧；

14、基于多个所述带有定位标签的点云帧，生成所述原始三维点云地图。

15、可选的，所述基于所述原始三维点云地图中的点云地图坐标与所述无人机实时动态差分定位信息表征的世界坐标之间的对应关系，确定点云地图坐标系与世界坐标系之间的坐标变换参数，包括：

16、从所述原始三维点云地图中选取间隔设置的第一参考点和第二参考点；

17、分别获取所述第一参考点和所述第二参考点在所述点云地图坐标系下的点云地图坐标；

18、基于对应的无人机实时动态差分定位信息，确定所述第一参考点和所述第二参考点在所述世界坐标系下的世界坐标；

19、根据所述第一参考点和所述第二参考点的点云地图坐标，确定所述点云地图坐标系下的第一方向向量；

20、根据所述第一参考点和所述第二参考点的世界坐标，确定所述世界坐标系下的第二方向向量；

21、根据所述第一方向向量与所述第二方向向量之间的旋转关系，确定所述点云地图坐标系相对于所述世界坐标系的旋转矩阵；

22、基于所述旋转矩阵，对任一所述参考点的点云地图坐标进行旋转变换，并根据旋转变换后的点云地图坐标与对应的世界坐标之间的坐标差，确定平移向量；

23、将所述旋转矩阵和所述平移向量作为所述坐标变换参数。

24、可选的，所述对所述原始三维点云地图进行点云压缩处理，生成以所述点云地图坐标系作为表示的2.5维高程地图，包括：

25、对所述原始三维点云地图进行高度阈值滤波，得到地面及近地面点云；

26、按照预设栅格尺寸，将所述地面及近地面点云投影至对应的地图栅格；

27、根据各所述地图栅格内点云点的最大高程值、最小高程值和平均高程值，生成所述2.5维高程地图。

28、可选的，所述基于所述坐标变换参数在所述2.5维高程地图中确定出各地图栅格对应的世界坐标标签，包括：

29、获取各所述地图栅格在所述点云地图坐标系下的栅格坐标；

30、基于所述坐标变换参数，对各所述栅格坐标进行旋转变换和平移变换，得到各所述地图栅格在所述世界坐标系下的全局坐标；

31、将各所述全局坐标对应的经度、纬度和高程作为对应地图栅格的世界坐标标签。

32、可选的，所述响应于导航任务，调取所述2.5维高程地图，根据所述导航任务对应的起点坐标、终点坐标以及各所述地图栅格对应的世界坐标标签确定起点栅格和终点栅格，包括：

33、响应于所述导航任务，获取所述导航任务对应的起点坐标和终点坐标，所述起点坐标和所述终点坐标均位于所述世界坐标系下；

34、调取所述目标区域对应的2.5维高程地图，并读取各所述地图栅格对应的世界坐标标签；

35、将所述起点坐标与各所述世界坐标标签进行坐标匹配，并将与所述起点坐标相匹配的世界坐标标签所对应的地图栅格确定为所述起点栅格；

36、将所述终点坐标与各所述世界坐标标签进行坐标匹配，并将与所述终点坐标相匹配的世界坐标标签所对应的地图栅格确定为所述终点栅格。

37、可选的，所述基于所述坐标变换参数，将所述目标路径中的路径点坐标转换为世界坐标，得到世界坐标系下的导航路径，包括：

38、从所述目标路径中依次提取多个路径点以及各所述路径点在所述点云地图坐标系下的路径点坐标；

39、从所述坐标变换参数中获取所述点云地图坐标系相对于所述世界坐标系的旋转矩阵和平移向量；

40、基于所述旋转矩阵对各所述路径点坐标进行旋转变换，并基于所述平移向量对旋转变换后的路径点坐标进行平移变换，得到各所述路径点对应的世界坐标；

41、按照各所述路径点在所述目标路径中的排列顺序，对各所述世界坐标进行组合，得到所述导航路径。

42、第二方面，本发明实施例还提供一种无人机协同的无人车辆定位导航装置，所述无人机协同的无人车辆定位导航装置包括：

43、获取模块，用于获取无人机在目标区域中采集的三维点云数据以及与所述三维点云数据对应的无人机实时动态差分定位信息，并生成带有定位标签的原始三维点云地图；

44、确定模块，用于基于所述原始三维点云地图中的点云地图坐标与所述无人机实时动态差分定位信息表征的世界坐标之间的对应关系，确定点云地图坐标系与世界坐标系之间的坐标变换参数；

45、生成模块，用于对所述原始三维点云地图进行点云压缩处理，生成以所述点云地图坐标系作为表示的2.5维高程地图，并基于所述坐标变换参数在所述2.5维高程地图中确定出各地图栅格对应的世界坐标标签；

46、响应模块，用于响应于导航任务，调取所述2.5维高程地图，根据所述导航任务对应的起点坐标、终点坐标以及各所述地图栅格对应的世界坐标标签确定起点栅格和终点栅格，并基于各所述地图栅格对应的高程信息生成所述点云地图坐标系下的目标路径；

47、转换模块，用于基于所述坐标变换参数，将所述目标路径中的路径点坐标转换为世界坐标，得到世界坐标系下的导航路径；

48、导航模块，用于获取无人车在行驶过程中的车载实时动态差分定位信息，根据所述车载实时动态差分定位信息和所述导航路径确定横向偏差和航向偏差，并根据所述横向偏差和所述航向偏差，控制所述无人车沿所述导航路径行驶。

49、第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例提供的无人机协同的无人车辆定位导航方法中的步骤。

50、第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现发明实施例提供的无人机协同的无人车辆定位导航方法中的步骤。

51、本发明实施例中，获取无人机在目标区域采集的三维点云数据及对应的实时动态差分定位信息，生成带定位标签的原始三维点云地图；根据点云地图坐标与世界坐标的对应关系确定坐标变换参数；压缩原始三维点云地图，生成各地图栅格关联高程信息和世界坐标标签的2.5维高程地图；响应导航任务，根据起点坐标、终点坐标、世界坐标标签及高程信息生成目标路径，并利用坐标变换参数将路径点转换为世界坐标，得到导航路径；根据无人车实时动态差分定位信息与导航路径确定横向偏差和航向偏差，控制无人车沿导航路径行驶。通过上述方法能够统一无人机建图与无人车导航的坐标基准，提高地图规划的处理效率。