用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法及装置

1.本发明涉及同步定位与地图构建技术领域，具体而言，涉及一种用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法及装置。


背景技术：

2.将机器人放入未知环境中移动，在移动过程中需要根据自身进行定位，同时也需要在自身定位基础上构建增量式地图(机器人不受障碍进入到场景的每个角落)，那么便需要借助于同步定位与建图技术(simultaneous localization and mapping,slam)。slam技术包含很多模块，其中一个重要模块便是建图，建图是指增量式地创建周围环境的模型，可以用于slam的其他环节，如：导航(需要进行路径规划，知道地图中哪些地方可以通过，哪些不可以)、避障(与导航类似，也需要稠密地图，用以动态规避障碍物)、交互(人与地图之间互动也需要地图构建)，因此地图构建的好坏直接影响整个机器人智能导航的效果。栅格地图(grid map)和机器学习算法都被广泛使用在地图构建模块中，而在构建栅格地图时需要实时获取激光雷达传感器数据，但获得的数据可能由于外部原因如场景中的干扰或者传感器本身噪声干扰等原因，导致数据中出现异常点。总之地图构建是机器人利用外部传感器理解周围环境的能力，机器人必须识别障碍并避开这些障碍，在使用激光雷达lidar作为传感器时，如果直接使用原始激光雷达数据将会导致噪声点或异常点影响地图重建效果，如何处理这些异常点并同时保留环境的信息就显得尤为关键。
3.目前大多数基于激光雷达的slam方案并不包含数据平滑技术。但仍有部分使用拉普拉斯平滑、机器学习的方法。目前的数据平滑技术大多基于固定参数，需要在使用前进行配准，例如最小二乘支持向量机ls-svm的方法时间复杂度高，对于需要实时性较强的地图构建任务实用性有限。fpdem方法需要手动调节部分参数，不能达到自适应的效果。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法及装置，以至少解决现有方法对激光雷达数据处理不能达到自适应效果的技术问题。
5.根据本发明的一实施例，提供了一种用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法，包括以下步骤：
6.s100:使用自适应平滑算法对激光雷达数据进行数据平滑；
7.s200:使用数据平滑后的激光雷达数据构建网格地图。
8.进一步地，步骤s100具体包括：
9.使用自适应平滑算法对激光雷达数据进行数据平滑，去除激光雷达数据中的异常点，并检测异常点个数。
10.进一步地，步骤s200具体包括：
11.使用数据平滑后的激光雷达数据构建网格地图，在计算得到障碍物坐标和机器人坐标位置后，根据该两个坐标使用bresenham算法计算非障碍物的格点的集合。
12.进一步地，在根据该两个坐标使用bresenham算法计算非障碍物的格点的集合之后，步骤s200还包括：
13.通过计算更新网格地图新格点状态。
14.进一步地，将savgol滤波引入到地图构建模块中来对激光雷达数据进行平滑处理。
15.进一步地，将savgol滤波进行改进获得自适应的效果后引入到地图构建模块中来对激光雷达数据进行平滑处理。
16.进一步地，自适应savgol滤波能自动应用到生物信号或时序数据流的不同场景中。
17.根据本发明的另一实施例，提供了一种用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑装置，包括：
18.数据平滑单元，用于使用自适应平滑算法对激光雷达数据进行数据平滑；
19.网格地图构建单元，用于使用数据平滑后的激光雷达数据构建网格地图。
20.一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法。
21.一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法。
22.本发明实施例中的用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法及装置，使用自适应平滑算法对激光雷达数据进行数据平滑，使用数据平滑后的激光雷达数据构建网格地图，使得本发明使用自适应的平滑技术，能自动拟合最佳滑动窗口大小，同时保证地图构建能在相对较少的时间复杂度内完成，保证构建的地图尽可能接近真实场景。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
24.图1为本发明用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法的流程图；
25.图2为现有技术中构建地图出现异常点的示意图；
26.图3为本发明实施例用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法中windows_size＝5平滑后得到的地图；
27.图4为本发明实施例用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法中windows_size＝21平滑后得到的地图；
28.图5为本发明用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法中使用本发明平滑后得到的地图；
29.图6为本发明用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑装置的模块图。
具体实施方式
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
31.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
32.实施例1
33.根据本发明一实施例，提供了一种用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法，参见图1，包括以下步骤：
34.s100:使用自适应平滑算法对激光雷达数据进行数据平滑；
35.s200:使用数据平滑后的激光雷达数据构建网格地图。
36.本发明实施例中的用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法，使用自适应平滑算法对激光雷达数据进行数据平滑，使用数据平滑后的激光雷达数据构建网格地图，使得本发明使用自适应的平滑技术，能自动拟合最佳滑动窗口大小，同时保证地图构建能在相对较少的时间复杂度内完成，保证构建的地图尽可能接近真实场景。
37.其中，步骤s100具体包括：
38.使用自适应平滑算法对激光雷达数据进行数据平滑，去除激光雷达数据中的异常点，并检测异常点个数。
39.其中，步骤s200具体包括：
40.使用数据平滑后的激光雷达数据构建网格地图，在计算得到障碍物坐标和机器人坐标位置后，根据该两个坐标使用bresenham算法计算非障碍物的格点的集合。
41.其中，在根据该两个坐标使用bresenham算法计算非障碍物的格点的集合之后，步骤s200还包括：
42.通过计算更新网格地图新格点状态。
43.其中，将savgol滤波引入到地图构建模块中来对激光雷达数据进行平滑处理。
44.其中，将savgol滤波进行改进获得自适应的效果后引入到地图构建模块中来对激光雷达数据进行平滑处理。
45.其中，自适应savgol滤波能自动应用到生物信号或时序数据流的不同场景中。
46.下面以具体实施例，对本发明的用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法进行详细说明：
47.本发明使用自适应的平滑技术，能自动拟合最佳滑动窗口大小，同时保证地图构建能在相对较少的时间复杂度内完成。继而本发明提出了一种能自适应解决激光雷达数据中异常点并统计异常点个数的技术方案，另外该技术方案也能推广到其他需要做数据平滑的领域。
48.在构建地图时本发明提出了一种自适应平滑算法用以将激光雷达的数据进行动态平滑。相较于传统的直接将激光雷达数据用于地图构建，本发明将savgol滤波引入到地
图构建模块中以此来对激光雷达数据进行平滑处理，同时本发明并非只是将savgol滤波进行简单应用而是对其进行改进从而达到了一种自适应的效果。在激光雷达数据中如果存在异常点时，将savgol滤波中的滑动窗口增大，固然能平滑掉部分异常点，但是对于场景中的棱角也会被平滑从而导致构建的地图失真，但如果滑动窗口过小则又会导致这些异常点不能被平滑掉，从而导致构建的地图中出现一些异常点，具体详见图2。因此本发明用于解决这一矛盾问题，提出了自适应savgol滤波的方式用来解决地图构建中消除异常点的问题，同时保证构建的地图尽可能接近真实场景。另外该方式也能用以统计异常点个数。具体包括：
49.读取公开数据集数据，将读取后的数据使用本发明中的自适应平滑算法进行数据平滑，去除数据中的异常点，并检测异常点个数；
50.构建网格地图，在计算得到障碍物坐标和机器人坐标位置后，根据这两个坐标使用bresenham算法计算非障碍物的格点的集合，再通过计算更新新格点状态。
51.图3-4为使用savgol滤波不同滑动窗口平滑后得到的地图，其中左图可见当使用较小(windows_size＝5)滑动窗口时更接近真实场景但部分噪声仍可见(图中突出的异常点)，右图使用较大(windows_size＝21)滑动窗口，无明显可见异常点，但构建地图已失真，真实环境中棱角已被平滑。
52.使用自适应savgol滤波后能自动应用到不同场景中，使得地图构建模型更具鲁棒性。经本发明统计图3中异常点数为8，图4和图5异常点个数为0，基本与事实一致。
53.本发明的技术方案目前已经过实验、模拟，该实验数据使用网上公开数据集进行测试。本发明也可用于其他任务的数据平滑中，如生物信号或其他时序数据流。
54.实施例2
55.根据本发明的另一实施例，提供了一种用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑装置，参见图6，包括：
56.数据平滑单元201，用于使用自适应平滑算法对激光雷达数据进行数据平滑；
57.网格地图构建单元202，用于使用数据平滑后的激光雷达数据构建网格地图。
58.本发明实施例中的用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑装置，使用自适应平滑算法对激光雷达数据进行数据平滑，使用数据平滑后的激光雷达数据构建网格地图，使得本发明使用自适应的平滑技术，能自动拟合最佳滑动窗口大小，同时保证地图构建能在相对较少的时间复杂度内完成，保证构建的地图尽可能接近真实场景。
59.下面以具体实施例，对本发明的用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑装置进行详细说明：
60.本发明使用自适应的平滑技术，能自动拟合最佳滑动窗口大小，同时保证地图构建能在相对较少的时间复杂度内完成。继而本发明提出了一种能自适应解决激光雷达数据中异常点并统计异常点个数的技术方案，另外该技术方案也能推广到其他需要做数据平滑的领域。
61.在构建地图时本发明提出了一种自适应平滑算法用以将激光雷达的数据进行动态平滑。相较于传统的直接将激光雷达数据用于地图构建，本发明将savgol滤波引入到地图构建模块中以此来对激光雷达数据进行平滑处理，同时本发明并非只是将savgol滤波进行简单应用而是对其进行改进从而达到了一种自适应的效果。在激光雷达数据中如果存在
异常点时，将savgol滤波中的滑动窗口增大，固然能平滑掉部分异常点，但是对于场景中的棱角也会被平滑从而导致构建的地图失真，但如果滑动窗口过小则又会导致这些异常点不能被平滑掉，从而导致构建的地图中出现一些异常点，具体详见图2。因此本发明用于解决这一矛盾问题，提出了自适应savgol滤波的方式用来解决地图构建中消除异常点的问题，同时保证构建的地图尽可能接近真实场景。另外该方式也能用以统计异常点个数。具体包括：
62.读取公开数据集数据，将读取后的数据使用本发明中的自适应平滑算法进行数据平滑，去除数据中的异常点，并检测异常点个数；
63.构建网格地图，在计算得到障碍物坐标和机器人坐标位置后，根据这两个坐标使用bresenham算法计算非障碍物的格点的集合，再通过计算更新新格点状态。
64.图3-4为使用savgol滤波不同滑动窗口平滑后得到的地图，其中左图可见当使用较小(windows_size＝5)滑动窗口时更接近真实场景但部分噪声仍可见(图中突出的异常点)，右图使用较大(windows_size＝21)滑动窗口，无明显可见异常点，但构建地图已失真，真实环境中棱角已被平滑。
65.使用自适应savgol滤波后能自动应用到不同场景中，使得地图构建模型更具鲁棒性。经本发明统计图3中异常点数为8，图4和图5异常点个数为0，基本与事实一致。
66.本发明的技术方案目前已经过实验、模拟，该实验数据使用网上公开数据集进行测试。本发明也可用于其他任务的数据平滑中，如生物信号或其他时序数据流。
67.实施例3
68.一种存储介质，存储介质存储有能够实现上述任意一项用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法的程序文件。
69.实施例4
70.一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的用于激光雷达构建栅格地图的自适应平滑方法。
71.与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：
72.最小二乘支持向量机ls-svm的方法时间复杂度高，对于需要实时性较强的地图构建任务实用性有限。fpdem方法需要手动调节部分参数，不能达到自适应的效果。本发明可以解决上述问题，能自适应达到快速平滑数据。
73.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
74.在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
75.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
76.作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元
上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
77.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
78.集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
79.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。