我們希望架起一座定位傳感器的橋梁，在導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)化的道路上，起到一點(diǎn)點(diǎn)促進(jìn)作用

作者：馮喆

編輯：周平

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目錄

FSG-歐洲汽車(chē)頂級(jí)工程師的搖籃

針對(duì)FSG場(chǎng)景的激光雷達(dá)測(cè)試方案和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

卡爾斯魯厄理工（KIT）ka-raceing車(chē)隊(duì)的“核武器”

SLAM pipeline

感知算法工作原理

多傳感器校準(zhǔn)方案

關(guān)于 卡爾斯魯厄理工（KIT）ka-raceing車(chē)隊(duì)

02

針對(duì)FSG場(chǎng)景的激光雷達(dá)測(cè)試方案和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

FSG賽場(chǎng)由藍(lán)?兩種顏色的樁桶標(biāo)出邊界，藍(lán)?樁桶和??樁桶分別保持在賽?行駛方向的左右兩側(cè)。

賽場(chǎng)上黃、藍(lán)樁桶設(shè)定的賽道邊界

所以獲取場(chǎng)地landmark，提取特征的方法就是對(duì)這些樁桶進(jìn)行檢測(cè)，獲取他們的位置和種類信息（藍(lán)或者黃），從而在SLAM中表達(dá)出賽道邊界與行駛方向。

展開(kāi)全文

在熟悉了雷達(dá)的使用和配置后，我們圍繞“雷達(dá)對(duì)于35cm的黃藍(lán)兩種顏色樁桶的感知能力”設(shè)計(jì)了一套針對(duì)FSG場(chǎng)景的測(cè)試方案和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。其中，雷達(dá)的精度、測(cè)遠(yuǎn)、反射率、抗干擾能力是我們重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。

1.精度

Hesai給我們提供了通過(guò)精密光學(xué)儀器測(cè)量的雷達(dá)絕對(duì)精度，數(shù)據(jù)顯示，Pandar40P的測(cè)距精度在正負(fù)2厘米以內(nèi)，作為獨(dú)立傳感器的靜態(tài)精度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足我們用于比賽的要求。但事實(shí)上無(wú)人車(chē)上安裝有多種傳感器，組合起來(lái)的整體精度會(huì)一定程度上弱于單個(gè)雷達(dá)的精度， 考慮到比賽過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，因此我們選擇做更有意義的動(dòng)態(tài)環(huán)境下SLAM精度測(cè)試，考察SLAM算法精度是否能滿足比賽要求。

我們?cè)谲?chē)的起點(diǎn)處做上標(biāo)記，并以此作為歐幾里得坐標(biāo)系的原點(diǎn)構(gòu)建我們測(cè)試時(shí)的WCS（World Coordinate System)，接著用差分GPS（DGPS）的方法，記錄場(chǎng)地中每一個(gè)樁桶的位置，并將數(shù)據(jù)記錄并整合成地圖作為Ground Truth。接著我們使用SLAM進(jìn)行建圖，因?yàn)楸荣悰](méi)有GPS基站，所以這里的位置輸入信息就沒(méi)有使用GPS數(shù)據(jù)了。

SLAM運(yùn)動(dòng)地圖示意

體積較大的點(diǎn)是Ground Truth，體積較小點(diǎn)是測(cè)試過(guò)程中累積結(jié)果的中點(diǎn)值。我們?cè)谶@里的定位還沒(méi)有使用SLAM進(jìn)行每一幀的更新修正，而是直接累積的原始探測(cè)結(jié)果，并將結(jié)果的中心位置與Ground Truth位置進(jìn)行比較分析。計(jì)算誤差后發(fā)現(xiàn)整體精度能夠滿足比賽要求。

SLAM的平均運(yùn)動(dòng)誤差和最大運(yùn)動(dòng)誤差

最大誤差是SLAM構(gòu)建出的樁桶位置和DGPS測(cè)繪的參考樁桶位置的當(dāng)前最大距離差距。

平均誤差是SLAM構(gòu)建出的樁桶位置和DGPS測(cè)繪的參考樁桶位置從開(kāi)始測(cè)量累積到當(dāng)前時(shí)間的平均距離差距。

這是我們?cè)谀壳坝邢薜挠布l件下，構(gòu)思出的對(duì)SLAM質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判的一個(gè)方法。 需要說(shuō)明的是SLAM的精度除了與LiDAR本身的精度有關(guān)之外，還與LiDAR與IMU的標(biāo)定、LiDAR與Tachometer（輪速傳感器）的標(biāo)定、IMU的精度、Tachometer的精度、以及相應(yīng)的點(diǎn)云畸變運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償有關(guān)。同樣，Ground Truth的質(zhì)量也受到GPS品質(zhì)的約束。

2.測(cè)遠(yuǎn)

雷達(dá)安裝在不同高度下對(duì)樁桶的測(cè)遠(yuǎn)結(jié)果

測(cè)遠(yuǎn)結(jié)果如上圖，顯示的是下雨天（藍(lán)色框內(nèi)）和晴天（紅色框內(nèi)）雷達(dá)安裝在車(chē)不同高度下至少探測(cè)到樁桶兩個(gè)點(diǎn)的距離， 一般我們認(rèn)為利用傳統(tǒng)方法，至少探測(cè)到兩個(gè)點(diǎn)才能被檢測(cè)為樁桶，所以我們最終大致確定Pandar40P在我們的場(chǎng)景下最遠(yuǎn)探測(cè)樁桶可以到47m左右，并在充分考慮了安裝點(diǎn)對(duì)于賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的影響后，選在了395mm高的安裝點(diǎn)。

3.反射率

左圖：黃、藍(lán)兩種樁桶在禾賽雷達(dá)點(diǎn)云中明顯的反射率差異

右圖：樁桶反射回來(lái)的intensity信息沿z軸（高度軸）呈現(xiàn)出來(lái)的直方圖分布

4.抗干擾能力

這是禾賽的Pandar40P的一大獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，他們聲稱用了一個(gè)神秘的光束加密黑科技用來(lái)區(qū)分自身雷達(dá)發(fā)出的光和其他光。而對(duì)于賽車(chē)現(xiàn)場(chǎng)，幾十家比賽隊(duì)伍同時(shí)打開(kāi)雷達(dá)的情況下，雷達(dá)能夠抗干擾是個(gè)真香功能了。我們對(duì)于某普通雷達(dá)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，普通雷達(dá)有雜點(diǎn)增加，Pandar40P幾乎沒(méi)有。無(wú)奈測(cè)試匆忙，沒(méi)有留下數(shù)據(jù)素材，殘念。感興趣的小伙伴可以去禾賽官網(wǎng)看下，類似下圖這個(gè)效果。

抗干擾示意圖

左：禾賽抗干擾雷達(dá)點(diǎn)云 右：無(wú)抗干擾雷達(dá)點(diǎn)云

03

卡爾斯魯厄車(chē)隊(duì)的“核武器”-禾賽Pandar40P

安裝禾賽Pandar40P雷達(dá)的賽車(chē)和雷達(dá)感知的點(diǎn)云

這是一款40線的機(jī)械激光雷達(dá)，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下圖。根據(jù)使用手冊(cè)，首先連接電源和電腦的數(shù)據(jù)傳輸接口（Ethernet線）。

禾賽Pandar40P激光雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

Pandar40P連接示意圖

根據(jù)手冊(cè)設(shè)置PC端的局域網(wǎng)IP，并在LiDAR的html網(wǎng)頁(yè)控制頁(yè)面設(shè)置LiDAR的IP和其他端口參數(shù)。在這里可以設(shè)置雷達(dá)所有線束的水平發(fā)光FOV（0-360度），還可以進(jìn)一步單獨(dú)設(shè)置每一根線束的水平發(fā)光FOV。除此之外，觸發(fā)模式（時(shí)間觸發(fā) or 角度觸發(fā)）、時(shí)間來(lái)源（GPS or PTP)、單雙回波、待機(jī)模式等均可在網(wǎng)頁(yè)控制頁(yè)面相應(yīng)設(shè)置。

Pandar40P設(shè)置水平FOV的網(wǎng)頁(yè)控制界面

Pandar40P保留了GPS輸入的串聯(lián)數(shù)據(jù)口，用來(lái)支持GPS直接授時(shí)模式。

當(dāng)然，我們?cè)谶x擇時(shí)間同步模式時(shí)直接選擇了PTP協(xié)議，原因有二：

1.精確UTC時(shí)間并不是我們賽車(chē)工況下的必需品，減小傳感器與計(jì)算機(jī)相對(duì)時(shí)間戳誤差才是我們追求的目標(biāo)。

2.一款足以給我們的localization性能提供加成的GPS過(guò)于昂貴。

隨后的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間對(duì)齊模塊，會(huì)介紹我們構(gòu)思的傳感器時(shí)序?qū)R方案。

在Hesai官網(wǎng)下載頁(yè)面，我們可以找到雷達(dá)對(duì)應(yīng)的SDK頁(yè)面，Pandar40P分別提供了普通版和基于Baidu Apollo和ROS框架的開(kāi)發(fā)套件。通過(guò)官方Github，我們可以git clone獲取他們并創(chuàng)建自己的工作空間，編譯通過(guò)后，可以用SDK解析雷達(dá)，通過(guò)以太網(wǎng)UDP/IP發(fā)送出來(lái)的數(shù)據(jù)包，獲取可讀的點(diǎn)云信息。ka-raceing的軟件架構(gòu)基于ROS melodie開(kāi)發(fā)，雖說(shuō)理論上也可以基于普通的SDK去寫(xiě)適合自己開(kāi)發(fā)目的的ROS register。我們?cè)谶@里還是偷了個(gè)懶，直接使用了禾賽Pandar40P提供的ROS SDK，在ROSlaunch指定node后，接著使用ROS自帶的可視化Gui rviz，就可以看到Pandar40P感知的結(jié)果。

禾賽Github主頁(yè)

值得注意的是，Pandar40P提供了支持windows和Ubuntu兩個(gè)版本的pcap（一種數(shù)據(jù)流格式）可視化軟件PandarView（這個(gè)軟件在這里把UDP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了pcap的格式），個(gè)人推薦可以用這個(gè)軟件看LiDAR是否在成功地設(shè)置了IP地址，并能夠穩(wěn)定通過(guò)Ethernet接口向pc端發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)然，如果開(kāi)發(fā)環(huán)境是Ubuntu，也可以使用Wireshark抓包工具輕量化地實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

雷達(dá)配套的可視化軟件

這里有一個(gè)使用感悟，就是雷達(dá)的Manual不能像汽車(chē)說(shuō)明書(shū)那樣，需要用才看，而是應(yīng)該像考雅思時(shí)候的紅寶書(shū)那樣，通覽一遍后時(shí)不時(shí)還要拿出來(lái)看看細(xì)節(jié)。雖然只有60頁(yè)，但熟悉了雷達(dá)的Manual后對(duì)于后續(xù)的感知方案開(kāi)發(fā)真的大有裨益。筆者機(jī)械工程畢業(yè)，仔細(xì)讀了里面關(guān)于雷達(dá)數(shù)據(jù)包的細(xì)節(jié)知識(shí)，再查了相關(guān)資料后，真的是耳目一新，學(xué)到了很多東西。

無(wú)論是使用SDK還是PandarView，如果得到的可視化點(diǎn)云與眼前場(chǎng)景明顯不符，不要緊張， 雷達(dá)包裝內(nèi)都有一支U盤(pán)，內(nèi)含點(diǎn)云標(biāo)定修正csv文件。里面記錄了工廠經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)后雷達(dá)實(shí)際的線束分布，導(dǎo)入這個(gè)參數(shù)文件后，重新加載時(shí)候就可以得到準(zhǔn)確的點(diǎn)云輸出數(shù)據(jù)。值得欣慰的是，Hesai在后續(xù)的雷達(dá)批次中已經(jīng)把這個(gè)修正值嵌入雷達(dá)的內(nèi)部軟件層面，使用者可以更加方便地使用雷達(dá)數(shù)據(jù)。

雷達(dá)支架

Matlab線束分布與安裝位置模擬圖

賽方對(duì)于傳感器安裝位置的要求

中國(guó)智造給予的底氣

能夠在德國(guó)這樣一個(gè)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的大學(xué)生方程式車(chē)隊(duì)，天天樂(lè)呵呵地使用國(guó)產(chǎn)的激光雷達(dá)，憑借地是什么？

- 產(chǎn)品性能穩(wěn)定強(qiáng)大

- 團(tuán)隊(duì)管理扁平高效

- 生產(chǎn)供應(yīng)健康充足

對(duì)，我說(shuō)的是Hesai，和我本人其實(shí)關(guān)系不太大…

故事的開(kāi)端，要從2019年9月黑森林山谷里的一通電話說(shuō)起，

當(dāng)時(shí)車(chē)隊(duì)新人在斯圖加特北邊的山區(qū)團(tuán)建拉練。

車(chē)隊(duì)在美麗的斯圖加特黑森林團(tuán)建

剛剛加入自動(dòng)駕駛部門(mén)的負(fù)責(zé)感知算法的我一邊啃著肘子一邊和自動(dòng)駕駛部門(mén)的組長(zhǎng)Simon討論明年比賽的激光雷達(dá)方案。

雷達(dá)選型參數(shù)對(duì)比

他和我抱怨傲嬌的老牌大廠V家贊助申請(qǐng)流程復(fù)雜，當(dāng)時(shí)遲遲不給回復(fù)，以前的贊助商Ib家因?yàn)橘Y金問(wèn)題不想提供除了4線以上的雷達(dá)設(shè)備。我忽然想起自己有朋友就在國(guó)內(nèi)一家激光雷達(dá)公司工作，便想幫組長(zhǎng)打電話咨詢了解一下情況。結(jié)果朋友直接給我聯(lián)系了營(yíng)銷(xiāo)部的領(lǐng)導(dǎo)James。James在知道我是中國(guó)人和Ka-Raceing車(chē)隊(duì)去年的成績(jī)后（FSG NO.2)后，當(dāng)即決定贊助車(chē)隊(duì)一臺(tái)四十線雷達(dá)。

禾賽雷達(dá)之印象

沒(méi)過(guò)多久，我們就收到了這顆顏值和性能都非?！澳艽颉钡募す饫走_(dá)-Hesai Pandar40P。其實(shí)，當(dāng)時(shí)在車(chē)隊(duì)內(nèi)部，對(duì)于是否使用Hesai雷達(dá)，德國(guó)人的反應(yīng)比較消極，在后來(lái)的具體方案討論中，他們就差點(diǎn)把“中國(guó)制造質(zhì)量都不好”這種偏見(jiàn)當(dāng)成論據(jù)直接說(shuō)出口了。 令人欣喜的是，相比于其他歐美公司，Hesai的產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中展現(xiàn)了明顯的性能優(yōu)勢(shì)，并且Hesai營(yíng)銷(xiāo)和供應(yīng)鏈部門(mén)的執(zhí)行效率實(shí)在驚人，不到30天就讓我們拿到了一臺(tái)嶄新的四十線雷達(dá)。與之相比，日薄西山的V廠在今年二月才慢慢悠悠，一點(diǎn)不像科技公司地以郵件形式詢問(wèn)我，想不想要一臺(tái)16線雷達(dá)（嫌棄臉。。。）我只能表示遺憾了。新時(shí)代的中國(guó)速度和中國(guó)品質(zhì)讓我不得不告知德國(guó)童鞋一個(gè)事實(shí)：好好珍惜這次贊助，錯(cuò)過(guò)了這次，下一次成績(jī)不好就得買(mǎi)了……

這個(gè)小故事切實(shí)讓我對(duì)Hesai的產(chǎn)品及服務(wù)的水準(zhǔn)有發(fā)言權(quán)。

【泡泡傳感器評(píng)測(cè)】禾賽Pandar40P激光雷達(dá)評(píng)測(cè)（一）挑戰(zhàn)FSG世界頂級(jí)無(wú)人車(chē)賽

下期評(píng)測(cè)內(nèi)容預(yù)告：FSG感知算法詳解

下周二，不見(jiàn)不散。

泡泡機(jī)器人SLAM的原創(chuàng)內(nèi)容均由泡泡機(jī)器人的成員花費(fèi)大量心血制作而成，希望大家珍惜我們的勞動(dòng)成果，轉(zhuǎn)載請(qǐng)務(wù)必注明出自【泡泡機(jī)器人SLAM】微信公眾號(hào)，否則侵權(quán)必究！同時(shí)，我們也歡迎各位轉(zhuǎn)載到自己的朋友圈，讓更多的人能進(jìn)入到SLAM這個(gè)領(lǐng)域中，讓我們共同為推進(jìn)中國(guó)的SLAM事業(yè)而努力！

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