一、激光雷达简介
通过持续不断的发射激光束,激光束遇到障碍物会产生反射,部分反射会被激光雷达(Lidar)传感器再次接收到,通过测量激光束发送和返回传感器的耗时(Round Trip Time)可以获得周围物体距离激光雷达的距离。除了距离(Distance)之外,激光雷达(Lidar)还返回反射值强度(Intensity),不同的障碍物材质反射的激光束的强度(Intensity)不同。
激光雷达的测量模型为距离-方位角-俯仰角模型(Range-Azimuth-Elevation, RAE)。
P是激光雷达的观测点,r是P点距离激光雷达(Lidar)传感器的距离,它通过激光脉冲传播的时间乘以光速除以2获得。
α \alpha α是方位角(Azimuth), ϵ \epsilon ϵ是俯仰角(Elevation), α \alpha α和 ϵ \epsilon ϵ是激光束的发射角度。
点P在激光雷达坐标系 F s F_s Fs下的坐标为 ( x , y , z ) (x,y,z) (x,y,z),其坐标值与测量值之间的关系为:
[ x y z ] = [ r ⋅ cos ( α ) cos ( ϵ ) r ⋅ sin ( α ) cos ( ϵ ) r ⋅ sin ( ϵ ) ] \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} r \cdot \cos(\alpha) \cos(\epsilon) \\ r \cdot \sin(\alpha) \cos(\epsilon) \\ r \cdot \sin(\epsilon) \end{bmatrix} ⎣⎡xyz⎦⎤=⎣⎡r⋅cos(α)cos(ϵ)r⋅sin(α)cos(ϵ)r⋅sin(ϵ)⎦⎤
[ r α ϵ ] = [ x 2 + y 2 + z 2 tan − 1 ( y x ) sin − 1 ( z x 2 + y 2 + z 2 ) ] \begin{bmatrix} r \\ \alpha \\ \epsilon \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \sqrt{x^2 + y^2 + z^2} \\ \tan^{-1}(\frac{y}{x}) \\ \sin^{-1}(\frac{z}{\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}}) \end{bmatrix} ⎣⎡rαϵ⎦⎤=⎣⎢⎡x2+y2+z2 tan−1(xy)sin−1(x2+y2+z2 z)⎦⎥⎤
简化到二维平面,即当P在xy平面时, z = 0 , ϵ = 0 z = 0,\epsilon = 0 z=0,ϵ=0,此时RAE模型可以简化为距离-方位角模型:
[ r α ] = [ x 2 + y 2 tan − 1 ( y x ) ] \begin{bmatrix} r \\ \alpha \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \sqrt{x^2 + y^2} \\ \tan^{-1}(\frac{y}{x}) \end{bmatrix} [rα]=[x2+y2 tan−1(xy)]
误差来源
激光雷达发送和接收激光束的精确耗时误差。受限于激光雷达配备的计时设备的精度,耗时统计存在精度上限。激光雷达激光束的朝向误差。受限于激光雷达朝向测量设备的测量精度,朝向测量存在精度上限。目标材质的反射值特性。比如全黑的材料吸收了光的大部分能量,使得反射量极低;或者像镜子一样的材料会将大部分光反射到其它地方,从而使得激光雷达无法测量到这些物体的位置。运动畸变。由于激光雷达在跟随自动驾驶车辆前进的同时,对周围环境进行扫描建模,也就是说车辆相对于周围的环境是运动的,导致对环境测量的实际位置与真实位置存在偏差。
二、数据解析
大部分算法按照Velodyne的数据协议进行开发,因此以此为标准进行解析。
其他雷达(速腾,镭神)其相关格式和精确时间的计算存在一定差别,但基本框架一致。
雷达采用UDP协议传输数据,激光雷达每一帧的数据包含76个UDP数据包,每一帧发送数据为 76 ∗ ( 12 ∗ 16 ∗ 2 ) = 29184 76*(12*16*2)=29184 76∗(12∗16∗2)=29184,按10hz16线雷达(水平分辨率为0.2度)单回波模式计算,一帧需要数据为 10 ∗ 16 ∗ 1800 = 28800 10*16*1800=28800 10∗16∗1800=28800。
每个UDP数据包长度固定为1248(有效数据为1206)字节,UDP数据包的组成为:
数据包标识:42字节数据包:12组数据包(Data Block)时间戳:4字节雷达型号参数:2字节
数据包组成为:
Flag(开始标识):0xFFEEAzimuth(当前旋转角度):2字节距离和强度信息:2字节距离值+1字节强度值,总共2*16(channel 0-15)组,旋转角度指前16组数据的角度,后16组数据对应的旋转角度通过前后两次旋转角度计算平均值获得
单回波模式
单回波模式时,一次单点激光发射测量一次回波数据,每个数据块包含了2组按照打包顺序(不同雷达不一样)测量的16个通道点云数据,每个数据块只返回一个方位角。
双回波模式
当使用双回波模式时,一次单点激光发射测量两次回波数据。数据包包含6个奇偶数据块对(类似0,1;2,3),每2个数据块包含2组按照打包顺序测量的16个通道两次回波值。
Block(0,1)数据块为第一个2组16个点云数据的两次回波数据,奇数块为一次回波数据,偶数块为二次回波数据,每个奇偶数据块对只返回一个方位角。
精确时间计算
16线激光发光一次的时间为 2.304 μ s ∗ 16 2.304\mu s * 16 2.304μs∗16,然后需要 18.432 μ s 18.432 \mu s 18.432μs时间充电,因此一个发射周期(Sequence)时间为 2.304 ∗ 16 + 18.432 = 55.296 μ s 2.304 * 16 + 18.432 = 55.296 \mu s 2.304∗16+18.432=55.296μs。
在计算精确时间时,先获取当前帧的时间,然后加上时间偏置:
E x a c t P o i n t T i m e = T i m e s t a m p + T i m e O f f s e t ExactPointTime = Timestamp + TimeOffset ExactPointTime=Timestamp+TimeOffset
时间通过点的位置计算获得,其中DataPointIndex为channel位置,并不是和垂直角度对应:
T i m e O f f s e t = ( 55.296 μ s ∗ S e q u e n c e I n d e x ) + ( 2.304 μ s ∗ D a t a P o i n t I n d e x ) TimeOffset = (55.296 \mu s * SequenceIndex) +(2.304 \mu s * DataPointIndex) TimeOffset=(55.296μs∗SequenceIndex)+(2.304μs∗DataPointIndex)
参考
自动驾驶硬件系统(十二)-激光雷达(Lidar)测量模型
激光雷达运动畸变去除
Windows下VLP16激光雷达数据解析
【激光雷达】velodyne VLP-16线激光雷达驱动程序、相位锁、时钟同步测试总结