激光雷达坐标系、方向角和仰角

激光雷达介绍

单线的激光雷达Lidar，通过发射和接收激光束来计算与观测物体精确距离。
光速测距：通过飞行时间TOF，首先激光发射器发射激光脉冲，计时器记录发射时间；脉冲经物体反射后由接收器接受，计时器记录接受时间；时间差乘上光速即得到距离的两倍。

三维扫描点云：通过TOF时间差获得距离，通过水平旋转扫描测角度，并根据这两个参数建立二维的极坐标系，再通过获取不同俯仰角度获得三维的高度信息。
Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E排列着64个激光发射器和接收器，也就是说每次发射、接收会得到一列竖直的64个点，采集过程中这一列发射接收机绕着竖直方向旋转，采集一圈得到4500列激光点。如下图所示，这64个发射器沿着不同的角度发射，最大的水平角为2度，最小水平角为-24.8度，相邻发射器的垂直角分辨率为0.4度，一圈4500个激光点，水平角分辨率为0.08度。

竖直方向分辨率是0.4°，水平方向上分辨率是0.08°，即竖直方向间隔要比水平方向大很多，所以我们看到的点云都是一圈一圈的。

下图每一个圆圈代表一个激光束产生的数据，激光雷达的线束越多，对物体的检测效果越好。这么多圆圈的高度是不同的，即发射机的发射角度在-24.8~~2度之间。

下图所示为4线激光雷达，4中颜色代表不同的4个激光发射器，四线激光雷达将四个激光发射器进行轮询，一个轮询周期后，得到一帧的激光点云数据。四条点云数据可以组成面状信息，这样就能够获取障碍物的高度信息。
激光雷达实物
Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E，多线的配置使得激光雷达在每秒内可构建高达百万的数据点。

雷达前端上下分布有四组激光发射器（每组16个发射机，共64个）和两组激光接受器（每组32个激光接收机，对应64个）。
一般来说，用以下八个技术指标来评价激光雷达：

最大辐射功率：决定是否需要防护
水平视场：是否360度全视角旋转
垂直视场：俯仰角角度（30度/15度）
光源波长：光学参数（纳米级别）
测量距离：是否满足长距离探测（100~200米）
测量时间和帧频率：激光返回一圈的时间
纵向和水平分辨率：对算法影响大，精度越高越贵
测距精度：厘米级

雷达坐标系

无论是哪种传感器：相机、激光雷达、毫米波雷达，都有自己的坐标系，也就是所有的传感器产生的数据都是基于传感器自身的坐标系的，然而，一辆自动驾驶汽车，车上会安装许多传感器，为了方便算法研究、测试，都需要将各自传感器获得的数据转换到车体坐标系下，也就是base坐标系，那么这个过程就叫做传感器的外参标定。

激光雷达安装在移动的平台，GNSS 和 IMU 配合使用，可以将激光雷达测量点由相对坐标系转换为绝对坐标系上的位置点，从而应用于不同的系统中。

如下图所示，velodyne lidar被安装为x轴向前,y轴向左,z轴向上的右手坐标系，从雷达坐标系转移到车辆坐标系，车辆坐标系为z轴向前,x轴向左,y轴向上的右手坐标系。

下面的KITTI采集车上，分别呈现了两种坐标系，坐标系转换其实就是传感器的外参标定，传感器坐标系通过一些刚体变换转换到车体坐标系，变换矩阵由旋转矩阵和平移矩阵组成，通过求解6个量（X，Y，Z，Roll， Pitch，Yaw ）：前3个值代表分别沿x,y,z方向平移的距离；后3个值代表分别沿x,y,z方向旋转的角度。

方向角和仰角

仰角和方位角描述了物体在天空相对于观察者的位置。
球面坐标系中，点是由距离和两个角度定义：方向角和仰角。

方位角 $\phi$是X-Y平面上水平罗盘方向。
仰角$\theta$ 用来描述被观察物体相对于观测点的角度。

在LOAM源码中对于仰角的定义为：
$\theta =arctan(z/\sqrt{x^2+y^2})$

与方位角和仰角息息相关的是角分辨率，分为水平分辨率和垂直分辨率，表明相邻两个点的角度。
水平分辨率指水平方向上扫面线之间的最小间隔度数。由于一秒钟打出激光束的频率固定，所以转速越快，水平方向上扫描线的间隔越大，水平角分辨率越大，两条线的间隔度数越大。
垂直分辨率指的是垂直方向上两条扫描线的间隔度数。

激光雷达的数据

激光雷达数据的处理顺序一般为：

1、数据预处理（坐标转换，去噪声）
2、聚类（根据点云距离或反射强度）
3、提取聚类后的特征，根据特征进行分类等后处理工作。

参考：
https://blog.csdn.net/zhoucoolqi/article/details/105167717
https://zhuanlan.zhihu.com/p/90852852
https://zhuanlan.zhihu.com/p/103579656
https://zhuanlan.zhihu.com/p/33792450