大三小学期进阶课程第六课：无人车定位技术入门与应用

第6课、无人车定位技术入门与应用

1. 无人车的自动定位系统，简单来说，就是相对一个坐标系，无人车的自定位系统知道汽车的位置和姿态。
2. 这个坐标系可以是一个局部的坐标系，比如一个园区.采集这个园区的一些地图，随便定一个原点，这个局部坐标系已经建好，相对于这个坐标系来得到车辆的位置和姿态。
3. 坐标系也可以是一个全局的坐标系，比如全球坐标系，可以知道一个很精确的位置。
4. 位置和姿态分别有三个自由度。
   (1)位置对应X，Y，Z，即相当于某个坐标系，汽车的平移是多少。
   (2)姿态是三个方向的一个旋转，一般会用欧拉角来表示。包括横滚、俯仰和航向，分别相对于X，Y，Z三个坐标轴。
5. 如果本地坐标系已经定义好，现在有一个车上的坐标系，它相对于本地坐标系的变化（即姿态的变化），就可用三个角度来表示，也就是本地坐标系的三个轴和相对坐标系的这三个轴之间的夹角。
6. 除了位置和姿态这两个维度，自定位系统还要输出很多信息。除去速度、加速度和角速度外，自定位系统还需要对位置和姿态加上一个置信度，表示这次输出的定位结果好不好。
7. 对于自动驾驶汽车，定位的指标要求大概分为三个部分：
   (1)精度：定位精度必须控制在10厘米以内，才能使行驶中的自动驾驶车辆避免出现碰撞/车道偏离的情况。
   (2)鲁棒性：鲁棒性一般情况下用最大值来衡量。也就是最大的误差不要超过30厘米。但是在有些时候，纵向误差稍微大一点点，只要没有偏离车道就没有太大影响。
   (3)场景
8. 无人车需要精准的定位系统。否则，它无法获悉自己在什么地方，前方是什么情况，哪里是行驶区等。
9. 感知和决策本身的能力并没有达到像人类这样聪明的程度，所以需要定位和地图。
10. 定位模块还有一些其他的用处，比如速度，在开车的时候，人就看到前面有限速之类的路标，这时候我们马上就会慢一点。或者有最低限速，我们需要快一点。
11. 对于车来讲，速度信息来源于定位模块。定位模块告诉车辆现在的速度是多少。
12. 定位模块告知前面可能要开慢一点。控制模块接收到指令之后会控制车辆慢一点。
13. 此外，定位模块还输出加速度和角速度，加速度和角速度是相对于车体本身的，告知车辆当时瞬时的加速度和角速度，对人的乘坐体验非常重要。控制模块根据这些信息做一些控制上的优化，让人的体感更好。
14. 定位的方法大体上可以分为三个部分
    (1)基于电子信号的定位：基于电子信号的定位方法中最有特点的就是GNSS（全球导航卫星系统）。它的作用机制是通过一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量，以及用户钟差，得知你现在大概的位置。
    (2)航迹的推算：航迹推算最有特点的就是IMU。航迹推算就是根据上一时刻“我“的”位置“和”姿态“，叠加一些测量信息可以知道现在的”位置“和”姿态“。IMU是一个惯性测量单元。它包含了加速度计和陀螺仪。加速度计会输出加速度的信息。但是不止加速度，它还包含重力加速度。陀螺仪是一个旋转，即是前面所讲到三个轴上的一个旋转。
    (3)环境特征的匹配：环境特征匹配相对较多，比如LiDAR的匹配。在建好了点云定位的地图，将LIDAR的数据和已建好的地图做匹配，以此来计算自己的位置。或者通过摄像头，知道了一些车道线，红绿灯的标志，然后确定自身的位置。
15. 差分技术分为物理差分和距离差分两种。距离差分又分为伪距差分和载波相位差分。
    (1)伪距差分的精度不会特别的高，大概在米级的这么一个量级，还不能满足要求。因此发展出实时动态的载波相位差分。
    (2)载波相位差分最主要的是要估计一个载波相位的一个整周，定位精确基本上是在厘米级（小于5厘米）。
16. 载波相位差分的缺点：
    (1)它需要硬件成本。比如基站的设置，人力的维护。
    (2)它还需要对可视卫星的依赖。即在这个场景下面能看到的卫星是必须比较多的，否则就差分不出来误差。
    (3)另外，该方法也容易受到一些电磁环境的干扰。电磁环境不好会干扰精准度。
    (4)最后，如果在一下市中心楼宇比较多的地方，会引起一些多径效应，多次传播，计算出来距离的误差会很大。
17. 激光定位：
    (1)激光定位是预先制作一个地图，不管是3D的Voxel地图或者是点云地图，又或者是2D的概率地图。
    (2)2D概率地图是把所有的这个点云数据铺到一块，压成了一个2D地图。2D地图分成很多小格子，每个格子里面存储了颜色信息，位置。位置上面可能只存Z的这个维度，因为2D地图有XY。
    (3)另外，还包括一些概率，概率和点云的数量以及分布相关。拿实时的激光点云和这个地图去做匹配。
18. 视觉定位：
    (1)对于视觉定位，如果照明环境变化越大，例如这次跑过去的光照度和下次跑过去的光照度不一样，视觉所受到的影响就越大。
    (2)所以基于这种特征点的定位，比如SLAM里面用Relocalization并不是很合适用于车的视觉定位。因为下次可能检测不到那些特征，比如SIFT特征或者别的特征就会造成定位的失败。
    (3)但是有一些特征具有明显Semantic意义，比如车道线或者旁边立的这些柱子，红绿灯的柱子或者红绿灯本身或者一些Traffic Sign之类的，对于定位而言非常有用。
19. 车道线检测：
    (1)需要先做好这种高精度地图，它里面包含车道线的信息，然后把每个线段两个端点拿出来。
    (2)在线去跑的时候，车上这个摄像头会用深度学习的方式检查出这些车道线。
    (3)车道线也是一段一段的，然后我们会去做匹配。匹配的方法有很多种。
20. 惯性导航：
    (1)惯性导航是基于IMU的，里面包含有加速度计和陀螺仪。
    (2)加速度计会给提供瞬时的加速度，陀螺仪提供瞬时角速度。加速度计提供的不仅是加速度，还测量了重力加速度，所以用的时候需要先把重力加速度剔除掉。
    (3)IMU的工作过程：首先是角速度通过积分后得到一个姿态，并把它应用到加速度上，对加速度积分得到速度，再得到最后的位置。
    (4)优点是可以得到一个六自由度的信息，不光是XYZ yaw之类，还有Roll和Pitch，是一个全量的信息。另外，它的短时精度非常高，比如十来万级别的设备，坚持五六百毫秒是没有问题的，它是很准的，包括在大机动的时候。
    (5)IMU的出频率非常的高，基本上都是200赫兹以上，这样有助于同步。因为它有精准的时间戳，它检测的数据传输过来之后可以精准知道它的时间戳，有精准的时间戳就可以给出精准的位姿，即它在全局坐标系下有自己的位置。
    (6)可以把它投到3D坐标系下，大家融合成一块。
    (7)IMU是一个很独立的一个设备，没有外部依赖，使用自己的输入就可以。但是缺点也很明显，例如十几万的设备也就坚持几百毫秒，对于自动驾驶汽车是远远不够的。
    (8)前面介绍了GNSS定位、激光定位、视觉定位还有惯性导航，这四种定位方式都有各自的特点。如果把它们放到一块就可以做到一个很好的系统——多传感器融合定位。
21. 多传感器融合定位：
    (1)多传感器融合定位的核心是中间的卡尔曼滤波器，这是一个状态误差的卡尔曼滤波器。
    (2)该滤波器接收惯性导航输出的递推，作为它的时间更新，保证滤波器往前走和高频的输出。还接受GPS、激光点云定位，或者是视觉定位的输出去做低频的状态更新。