导航系统中坐标系介绍

日常开发中常用到八大坐标系：

1. 惯性坐标系

圆心是地球的原点，Z轴沿地轴方向朝向北极， X轴和Y轴位于赤道平面内，与Z轴满足右手法则，并且X轴和Y轴分别指向两个恒星。也就是说不随着地球的自转而发生变化。它是一个非常固定的坐标系。IMU测量得到的加速度，角速度都是相对于这个坐标系的。

特点：xy不动，不随着地球的自转而转动，可以作为地球附近传感器输出的惯性坐标系。

在导航中，有：
载体在导航系下的角速度 = 载体相对惯性系的角速度 – 导航系相对于惯性系的角速度

2. 地球坐标系

地球坐标系用oxeyeze表示，也称地固坐标系。原点是地球中心；oxe与oye在地球赤道平面内相互垂直，oze指向格林威治子午线（本初子午线 / 0°经线）， 是地球的自转轴。e系和地球固连，随着地球自转以角速度7.2921151467e-5相对i系旋转。在实际使用中，通过变换，用经度、纬度和海拔高度表示载体在地球中的位置。如图中绿色直角坐标系所示。

地心地固坐标系也称为e系，它的原点也是地球的原点， Z轴指向北极， 它与前面的ECI的区别就在于它的XY随着地球的自转而转动，它是以地球为基准的。它的X轴指向格林威治的子午面的交线， Y轴在赤道平面内与X轴、Z轴满足右手系法则，常用的如WGS84坐标系。

特点：与地球固定在一起，随地球一起转动。

3. 地理坐标系

地理坐标系用oxgygzg表示。地理坐标系也称当地水平坐标系，通常使用的有 “东北天”坐标系和“北东地”坐标系。“北东地”坐标系的原点是站心（一般初始位置）；oxg指向北方；oyg指向东方；ozg指向是铅锤方向。一般的，载体的姿态描述是横滚角、俯仰角和偏航角。它们均定义在地理坐标系下。如图中蓝色坐标系所示。
当地水平坐标系，一般也称为L系。如下图所示，它的原点位于载体所在的地球表面，X轴和Y轴在当地水平面内，分别指向东向和北向，Z轴垂直向上，与X轴和Y轴满足右手法则。在导航解算过程中通常也把该坐标系选取为导航坐标系（n系），也称为“东-北-天（E-N-U）”坐标系。
当地水平坐标系一般称之为l系，前面的地心地固坐标系涉及到wgs84坐标系，用于导航的时候，很不好用。

因为是以地心为原点，与平时用的地图不大匹配，所以要引入当地水平坐标系。当地水平坐标系的特点是他的原点一般定义在载体上面，它的朝向xyz经常定义为enu，就是东向北向和天向，相反就是三个轴相反就是北东地，但一般情况下用enu坐标系。

坐标系在导航中称之为n系，它的特点是原点在载体上面，朝向是enu。并且和地球固链在一起，也随着地球转动。E系的旋转关系，是和当地坐标系所在位置有关，大地坐标系很多时候有xyz表示，也有经纬度表示，经纬度可以一对一转换为xy。
大地的xy怎么去得到它？怎么从e系到l系：
通过z轴的旋转，在绕道经度的旋转，再到纬度的旋转，然后在绕到z轴的一个旋转，最后得到当地坐标系。

4. utm坐标系

utm地图是根据经纬度做的划分，通过经度吧地球分成60个区域，每6度一个区域，北京在第50的区域，南北也做了划分，相当于把地球分成了很多很多块。
在高纬度，因为地球像一个球，到最高纬度的时候，变换（误差）特别大，所以它有个限定，到了北纬（高纬度），用的换算公式不一样。

我们用这个坐标系做输出，它的坐标xy，再加上刚才所说的投影带的代号，就是0到59或者1到60，一般情况下1到60，加一个代号，就知道xy坐标，就可以换算成大地坐标系xyz，也换算成经纬度。

5. 车体坐标系

车体是个刚体，imu经常安装在两个车轴中间，后面车轴的中间，这么做是为了保证它的稳定性，因此这个点我们称之为车的原点，然后我们再建一个包围盒，就知道车的每一位置的坐标了。

我们建立这个坐标系是为了和当地坐标系匹配起来，然后去做计算，这个坐标系需要在我们所依赖的导航坐标系下知道它的位姿的变换，在utm坐标系

下知道它的位置情况。

这个坐标系是与载体固连在一起，它随着载体运动而运动，它是一个局部坐标系
，它与n系（导航坐标系），或者当地水平坐标系，通过旋转关系来表示现在车的姿态。因为前面讲enu东向北向天向，那这个车如果在这个坐标系下面，我们是一个什么样的姿态。我们就知道它的三个角度，和现在车体坐标系的三个坐标轴和原来坐标系之间角度的差异，就是它的姿态。

6. imu坐标系

imu就装在车体车轴中心的一个点上，imu坐标系和载体坐标系一样，安装的时候有小误差，比如说现在存在安装精度问题，有可能体现在yaw角度上有一些误差，这些误差如果通过外参的方式把它补偿之后，它的坐标系和前面载体坐标系其实是一样的。它也是和载体固定连在一起，和n系有一个旋转关系。

理想的imu参考坐标系就是世界坐标系，n系

7. 相机坐标系

如果将相机坐标系中的点坐标转换为世界坐标系，通常imu坐标系的原点在世界坐标系的位置已知，通过imu坐标系到相机坐标系的外参，以及imu坐标系的姿态，可以得到相机坐标系到世界坐标系的转换）
大家对相机比较熟悉，这个坐标系比较简单，就是以自己的光心为原点，xy一般有相平面决定，x朝右，y轴朝下建立一个局部坐标系。相机坐标系不会和其他全局坐标系直接连接起来，因为车已经选了一个原点，就是imu原点，把相机坐标系和imu坐标系关联起来，可以通过一个外参，它两个之间其实就差一个旋转和平移，如果把它算出来，我们就知道他们之间的一个刚性变化，比如我们知道imu坐标系世界坐标系的姿态和位置，就可以转化为相机坐标系。

8. 激光雷达坐标系

激光雷达坐标系和相机坐标系很相似，但是它的局部坐标系的定义不一样，我们可以看到64线激光是往前走的话是x，相当于z朝上。如果平时我们也不会这么做，做完点云定位得到位置姿态，也是转化到imu下面去，所以他只是和imu之间有外参的变换，并不是说直接用于世界坐标系的作用。

无人车定位信息中所涉及到的坐标系

在我们日常的开发中有imu坐标系，有enu坐标系，有车体坐标系。其实他们之间都是一个转换关系，所有的坐标系都是输出umt坐标系下的xy，imu的姿态，四元数相对于当地水平坐标系（n系），具体表现是姿态的四元数。速度可以理解为如它在gps下有一个速度分解到了enu坐标系，也可以说是enu坐标系的投影。

另外还输出一些和车体相关的信息，比如说车体姿态四元数，车体姿态我们提到imu，imu和车体安装会有小的偏差，虽然误差很小，比如说1度2度，这对控制来说有问题，我们需要很精准，要把这些补偿到车体上去。

具体用那种坐标系进行转换，我们需要在数采之前对需要保存的rosbag进行消息定义。