我們希望架起一座定位傳感器的橋梁，在導航定位技術(shù)進化的道路上，起到一點點促進作用

作者：馮喆

編輯：周平

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目錄

FSG-歐洲汽車頂級工程師的搖籃

針對FSG場景的激光雷達測試方案和評估標準

卡爾斯魯厄理工（KIT）ka-raceing車隊的“核武器”

SLAM pipeline

感知算法工作原理

多傳感器校準方案

關(guān)于 卡爾斯魯厄理工（KIT）ka-raceing車隊

02

針對FSG場景的激光雷達測試方案和評估標準

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

賽場上黃、藍樁桶設(shè)定的賽道邊界

所以獲取場地landmark，提取特征的方法就是對這些樁桶進行檢測，獲取他們的位置和種類信息（藍或者黃），從而在SLAM中表達出賽道邊界與行駛方向。

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在熟悉了雷達的使用和配置后，我們圍繞“雷達對于35cm的黃藍兩種顏色樁桶的感知能力”設(shè)計了一套針對FSG場景的測試方案和評估標準。其中，雷達的精度、測遠、反射率、抗干擾能力是我們重點關(guān)注的指標。

1.精度

Hesai給我們提供了通過精密光學儀器測量的雷達絕對精度，數(shù)據(jù)顯示，Pandar40P的測距精度在正負2厘米以內(nèi)，作為獨立傳感器的靜態(tài)精度，遠遠滿足我們用于比賽的要求。但事實上無人車上安裝有多種傳感器，組合起來的整體精度會一定程度上弱于單個雷達的精度， 考慮到比賽過程是動態(tài)的，因此我們選擇做更有意義的動態(tài)環(huán)境下SLAM精度測試，考察SLAM算法精度是否能滿足比賽要求。

我們在車的起點處做上標記，并以此作為歐幾里得坐標系的原點構(gòu)建我們測試時的WCS（World Coordinate System)，接著用差分GPS（DGPS）的方法，記錄場地中每一個樁桶的位置，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進行建圖，因為比賽沒有GPS基站，所以這里的位置輸入信息就沒有使用GPS數(shù)據(jù)了。

SLAM運動地圖示意

體積較大的點是Ground Truth，體積較小點是測試過程中累積結(jié)果的中點值。我們在這里的定位還沒有使用SLAM進行每一幀的更新修正，而是直接累積的原始探測結(jié)果，并將結(jié)果的中心位置與Ground Truth位置進行比較分析。計算誤差后發(fā)現(xiàn)整體精度能夠滿足比賽要求。

SLAM的平均運動誤差和最大運動誤差

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

平均誤差是SLAM構(gòu)建出的樁桶位置和DGPS測繪的參考樁桶位置從開始測量累積到當前時間的平均距離差距。

這是我們在目前有限的硬件條件下，構(gòu)思出的對SLAM質(zhì)量進行評判的一個方法。 需要說明的是SLAM的精度除了與LiDAR本身的精度有關(guān)之外，還與LiDAR與IMU的標定、LiDAR與Tachometer（輪速傳感器）的標定、IMU的精度、Tachometer的精度、以及相應(yīng)的點云畸變運動補償有關(guān)。同樣，Ground Truth的質(zhì)量也受到GPS品質(zhì)的約束。

2.測遠

雷達安裝在不同高度下對樁桶的測遠結(jié)果

測遠結(jié)果如上圖，顯示的是下雨天（藍色框內(nèi)）和晴天（紅色框內(nèi)）雷達安裝在車不同高度下至少探測到樁桶兩個點的距離， 一般我們認為利用傳統(tǒng)方法，至少探測到兩個點才能被檢測為樁桶，所以我們最終大致確定Pandar40P在我們的場景下最遠探測樁桶可以到47m左右，并在充分考慮了安裝點對于賽車空氣動力學的影響后，選在了395mm高的安裝點。

3.反射率

左圖：黃、藍兩種樁桶在禾賽雷達點云中明顯的反射率差異

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

4.抗干擾能力

這是禾賽的Pandar40P的一大獨特優(yōu)勢，他們聲稱用了一個神秘的光束加密黑科技用來區(qū)分自身雷達發(fā)出的光和其他光。而對于賽車現(xiàn)場，幾十家比賽隊伍同時打開雷達的情況下，雷達能夠抗干擾是個真香功能了。我們對于某普通雷達進行了實測，普通雷達有雜點增加，Pandar40P幾乎沒有。無奈測試匆忙，沒有留下數(shù)據(jù)素材，殘念。感興趣的小伙伴可以去禾賽官網(wǎng)看下，類似下圖這個效果。

抗干擾示意圖

左：禾賽抗干擾雷達點云 右：無抗干擾雷達點云

03

卡爾斯魯厄車隊的“核武器”-禾賽Pandar40P

安裝禾賽Pandar40P雷達的賽車和雷達感知的點云

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

禾賽Pandar40P激光雷達技術(shù)參數(shù)

Pandar40P連接示意圖

根據(jù)手冊設(shè)置PC端的局域網(wǎng)IP，并在LiDAR的html網(wǎng)頁控制頁面設(shè)置LiDAR的IP和其他端口參數(shù)。在這里可以設(shè)置雷達所有線束的水平發(fā)光FOV（0-360度），還可以進一步單獨設(shè)置每一根線束的水平發(fā)光FOV。除此之外，觸發(fā)模式（時間觸發(fā) or 角度觸發(fā)）、時間來源（GPS or PTP)、單雙回波、待機模式等均可在網(wǎng)頁控制頁面相應(yīng)設(shè)置。

Pandar40P設(shè)置水平FOV的網(wǎng)頁控制界面

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

當然，我們在選擇時間同步模式時直接選擇了PTP協(xié)議，原因有二：

1.精確UTC時間并不是我們賽車工況下的必需品，減小傳感器與計算機相對時間戳誤差才是我們追求的目標。

2.一款足以給我們的localization性能提供加成的GPS過于昂貴。

隨后的傳感器網(wǎng)絡(luò)時間對齊模塊，會介紹我們構(gòu)思的傳感器時序?qū)R方案。

在Hesai官網(wǎng)下載頁面，我們可以找到雷達對應(yīng)的SDK頁面，Pandar40P分別提供了普通版和基于Baidu Apollo和ROS框架的開發(fā)套件。通過官方Github，我們可以git clone獲取他們并創(chuàng)建自己的工作空間，編譯通過后，可以用SDK解析雷達，通過以太網(wǎng)UDP/IP發(fā)送出來的數(shù)據(jù)包，獲取可讀的點云信息。ka-raceing的軟件架構(gòu)基于ROS melodie開發(fā)，雖說理論上也可以基于普通的SDK去寫適合自己開發(fā)目的的ROS register。我們在這里還是偷了個懶，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

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

雷達配套的可視化軟件

這里有一個使用感悟，就是雷達的Manual不能像汽車說明書那樣，需要用才看，而是應(yīng)該像考雅思時候的紅寶書那樣，通覽一遍后時不時還要拿出來看看細節(jié)。雖然只有60頁，但熟悉了雷達的Manual后對于后續(xù)的感知方案開發(fā)真的大有裨益。筆者機械工程畢業(yè)，仔細讀了里面關(guān)于雷達數(shù)據(jù)包的細節(jié)知識，再查了相關(guān)資料后，真的是耳目一新，學到了很多東西。

無論是使用SDK還是PandarView，如果得到的可視化點云與眼前場景明顯不符，不要緊張， 雷達包裝內(nèi)都有一支U盤，內(nèi)含點云標定修正csv文件。里面記錄了工廠經(jīng)過標準方法檢測后雷達實際的線束分布，導入這個參數(shù)文件后，重新加載時候就可以得到準確的點云輸出數(shù)據(jù)。值得欣慰的是，Hesai在后續(xù)的雷達批次中已經(jīng)把這個修正值嵌入雷達的內(nèi)部軟件層面，使用者可以更加方便地使用雷達數(shù)據(jù)。

雷達支架

Matlab線束分布與安裝位置模擬圖

賽方對于傳感器安裝位置的要求

中國智造給予的底氣

能夠在德國這樣一個制造業(yè)強國的大學生方程式車隊，天天樂呵呵地使用國產(chǎn)的激光雷達，憑借地是什么？

- 產(chǎn)品性能穩(wěn)定強大

- 團隊管理扁平高效

- 生產(chǎn)供應(yīng)健康充足

對，我說的是Hesai，和我本人其實關(guān)系不太大…

故事的開端，要從2019年9月黑森林山谷里的一通電話說起，

當時車隊新人在斯圖加特北邊的山區(qū)團建拉練。

車隊在美麗的斯圖加特黑森林團建

剛剛加入自動駕駛部門的負責感知算法的我一邊啃著肘子一邊和自動駕駛部門的組長Simon討論明年比賽的激光雷達方案。

雷達選型參數(shù)對比

他和我抱怨傲嬌的老牌大廠V家贊助申請流程復雜，當時遲遲不給回復，以前的贊助商Ib家因為資金問題不想提供除了4線以上的雷達設(shè)備。我忽然想起自己有朋友就在國內(nèi)一家激光雷達公司工作，便想幫組長打電話咨詢了解一下情況。結(jié)果朋友直接給我聯(lián)系了營銷部的領(lǐng)導James。James在知道我是中國人和Ka-Raceing車隊去年的成績后（FSG NO.2)后，當即決定贊助車隊一臺四十線雷達。

禾賽雷達之印象

沒過多久，我們就收到了這顆顏值和性能都非?！澳艽颉钡募す饫走_-Hesai Pandar40P。其實，當時在車隊內(nèi)部，對于是否使用Hesai雷達，德國人的反應(yīng)比較消極，在后來的具體方案討論中，他們就差點把“中國制造質(zhì)量都不好”這種偏見當成論據(jù)直接說出口了。 令人欣喜的是，相比于其他歐美公司，Hesai的產(chǎn)品在實際使用過程中展現(xiàn)了明顯的性能優(yōu)勢，并且Hesai營銷和供應(yīng)鏈部門的執(zhí)行效率實在驚人，不到30天就讓我們拿到了一臺嶄新的四十線雷達。與之相比，日薄西山的V廠在今年二月才慢慢悠悠，一點不像科技公司地以郵件形式詢問我，想不想要一臺16線雷達（嫌棄臉。。。）我只能表示遺憾了。新時代的中國速度和中國品質(zhì)讓我不得不告知德國童鞋一個事實：好好珍惜這次贊助，錯過了這次，下一次成績不好就得買了……

這個小故事切實讓我對Hesai的產(chǎn)品及服務(wù)的水準有發(fā)言權(quán)。

【泡泡傳感器評測】禾賽Pandar40P激光雷達評測（一）挑戰(zhàn)FSG世界頂級無人車賽

下期評測內(nèi)容預告：FSG感知算法詳解

下周二，不見不散。

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