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。
是方位角(Azimuth),是俯仰角(Elevation),和是激光束的发射角度。
点P在激光雷达坐标系 下的坐标为,其坐标值与测量值之间的关系为:
简化到二维平面,即当P在xy平面时,,此时RAE模型可以简化为距离-方位角模型:
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,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。
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):0xFFEE
- Azimuth(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,然后需要时间充电,因此一个发射周期(Sequence)时间为。
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:
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: