自动驾驶标定基础知识

基础概念

1. 缩略语

VCS：Vehicle Coordinate System 自车坐标系
CAN：Controller Area Network 控制器局域网络
EOL：End of Line 车辆下线，一般指工厂标定

2. 为什么需要外参标定

在汽车设计的时候，结构工程师会提供设计的参数，用来安装传感器，所以初始外参在汽车被设计完成的时候就被基本固定。
但是有两个因素会导致外参变化：

• 安装过程有安装误差
• 汽车在行驶过程中由于胎压，载荷，形变等改变，导致外参的变化

3. 基于使用场景的标定分类

名称	使用场景	方法	初始参数
EOL标定	车辆生产时，在产线中的一个工位，基于诊断仪触发标定，标定传感器外参，初始化域控制器内部参数，及诊断车辆的软硬件基本状况	基于标定间的方法	车辆设计参数
售后标定	车辆售出后，由于外部问题返修，更换域控制器，或者调整，更换传感器后，重新标定传感器的参数	基于标定间或在线数据	车辆设计参数
背景式标定	车辆在使用过程中，由于载荷变化，胎压变化，车体形变等原因，传感器的外参会有微小的变化，所以需要在软件的后台，进行一组标定进程，用于实时计算传感器外参，并刷新之前在售后或者EOL阶段写入的外参	基于在线数据的方法	上一次标定落盘的参数

4. 基于方法的分类

• 基于标定间的方法
  建立标定间，在标定间布局一定数量的标靶，标靶形式包含但不限于棋盘格，AprilTag，品字格等。精确测量标靶关键点的位置信息输入给标定算法模块，同时输出传感器的初始外参数据。
• 基于在线数据的方法
  在车辆运行过程中，基于实时观测到的数据（包含但不限于的语义分割，目标检测，特征点检测，里程计，GNSS等），通过对齐传感器与车辆底盘之间，传感器之间的观测一致性，实现对于外参的精确修正。

5. 基础坐标系

• vcs坐标系
  
  右手系，原点位于后轴中心的地面投影点，
  X,Y,Z分别为车辆的前、左、上方向
• camera坐标系
  原点为相机光心，x朝前，y朝左，z朝上

6. 超差

一般基于传感器的功能，对传感器的角度有一定的阈值要求，比如不可超过设计角度2°以上。
传感器工厂/4S店安装过程中，或者车辆使用过程中，传感器的外参与设计外参的差有一定概率超过阈值。此时，标定就算可以标出这个具体的角度值，也需要在系统内报错，以告知当前角度超过了可以正常开启功能的范围。这个错误称为“超差”。

EOL标定

1.EOL特点

EOL标定的会在每辆车下线时执行，用于在车辆前初始化，车辆的外参等初始参数，检查传感器安装角度误差是否符合要求。

• 功能发布时间早
  在车辆下线时，ECU就需要具备完整稳定的EOL标定功能，因此，EOL功能的开发和测试需要完成的时间非常早。需要有严格的开发周期管控。基本在产线试产车开始前，就要完成开发和测试工作，发布稳定版本，然后在产线持续一个月左右的产线试车测试。
• 版本稳定性要求高
• 链路长，涉面广
  标定涉及从工厂诊断仪，到MCU，到SOC内的系统软件，状态机，感知软件，应用软件，算法等诸多开发模块，开发测试链路长，协作的功能模块多，且这些链路可能有多家供应商及OEM协作完成。总体联调复杂度高
• 与OEM及工厂耦合度高
  EOL标定依赖了工厂的标定间基础设置，功能开发过程中，需要对标定间可用性，标定间的设计，标定间设备验收严格把关。
  EOL标定可能需要一个软件版本支持多个标定间，多个车型等情况，与OEM车型，工厂设施等耦合。需要在标定算法上做好兼容设计。

2. EOL标定流程

1. 驾驶员驾驶完成四轮定位及胎压匹配车辆进入标定工位，准备产线标定
2. 产线操作员操作OBD接口连接诊断仪，通过诊断仪下发命令进入标定数据（需考虑车辆在有驾驶员以及空载、满载等不同负载条件下的车辆数据，如底盘高度数据，悬架数据）
   2.1 诊断仪完成和车辆域控制器的连接（通过MCU）
   2.2 诊断仪完成和上位机的连接（可通过WIFI）
3. 产线操作员通过车辆VIN码关联车辆信息
4. 上位机控制标定间设备进入产线标定要求位置；
5. 上位机给诊断仪下发产线标定任务
6. 诊断仪给车辆域控制器下发产线标定任务；
7. 车辆域控制器通过DTC/DID返回产线标定状态结果给诊断仪
8. 诊断仪上传产线标定状态结果到上位机，产线标定结束

3. EOL标定软件约束

1. 算力
   EOL阶段，自动驾驶功能未开启，可以占用SOC的大部分计算资源
2. 时间
   由产线生产标定流程及软件执行效率共同决定，一般会被约束在1分钟以内
3. 精度指标
   由于标定间标靶位置误差或者整齐误差，工厂标定精度一般等于或者低于背景式标定精度，基本达到下游功能要求的精度指标

4. EOL标定软件流程

5. 算法设计原则

• 需要支持多车型和多标定间
• 不同的项目需要支持不同的标靶配置
• 简单有效的算法设计
  考虑到产线测试资源和调整时间优先，EOL算法需要尽量在保证精度的前提下做的简单，降低出错的风险

6. 算法基本原理

针对相机类sensor，EOL标定算法原理基本类似，首先摆正器定位车辆在标定间中的位置，再通过相机检测到Ariltag、棋盘格等标志物，提取图像中的角点像素信息，已知相机内参以及角点在车体坐标系（后轴中心或者其他位置）中的3D坐标，通过3D-2D姿态求解算法计算相机与车体坐标的相对位姿。
6.1 标定流程

6.2 标定状态与诊断

• 角点提取失败
• 检测失败，检测到的标定板不符合预期
• 内参校验失败（过大或接近0）
• 重投影误差过大（棋盘格位置移动）
• 标定出的rpy超差
• 标定超时

背景式标定

1.背景式标定的特点

背景式标定的会在车辆行驶时执行，用于在车辆标定参数的更新，车辆的初始外参的检查，同时检查传感器安装角度误差是否符合要求，以及对软硬件功能个做初步的诊断，其具有一下特点：

• 功能常驻后台
  在车辆上电时，背景式标定功能就随着系统的启动而被开启了。在车辆的运行过程中，背景式标定始终在运行与处理数据，因此对于它的CPU与内存占用提出了严格的要求。同时它会在后台不断检查传感器的参数与安装状态，确保车辆功能安全。
• 稳定性
• 精度要求好
• 连续性
  背景式标定需要持续运行，在下电时，需要保存当前背景式标定的中间结果，以便下次上电继续基于这个断点运行。

2. 背景式标定运行流程

背景式标定全程实现自动化处理，无需进行人为干预；
软件流程：

1. 标定软件检查各个依赖数据是否满足。在观测数据都满足条件后进入算法处理
2. 当车辆在平坦直道上行驶把，算法会收集当下的观测数据
3. 在观测数据满足一定数量限制是，算法会停止收集数据
4. 此时软件会启动求解线程。对收集到的数据进行解算，得到一组外参标定值，
5. 算法会对此次计算的外参标定值进行验证，若外参标定值超过传感器设计安装角度时，会触发错误警告。
6. 当外参计算值符合标定要求时，软件会保存当次计算结果
7. 软件等待车辆下电信号，在车辆下电时，将最新的外参标定值进行参数落盘

3. 背景式标定软件约束

• 算力
  背景式标定一般占用SOC的小部分计算资源
• 时间
  由车辆行驶环境决定，一般会被约束在30分钟以内完成一次背景式标定
• 精度指标
  一般等于或略高于EOL标定的精度指标，基本达到下游功能要求的精度指标

4.背景式标定软件流程

5. 算法设计准则

• 常驻后台标定
  因此需要算法有足够少的cpu占用，有足够稳定的运行性能
• 准确性与精度

6.算法基本原理

原理：
数据检查：检查输入数据是否异常，
数据处理：根据算法的需要，过滤输入的数据，例如将车道线轮廓点降采样，利用极限约束特征点的离群点
特征匹配：传感器间进行特征匹配，构建共视约束关系
求解：利用传感器间的约束关系，求解相机外参
统计分布：数据统计模块接受不同时间段的求解结果，统计他们的均值与方差，当方差满足一定要求后则认为外参收敛
状态管理：接收各个算法子模块的错误码，将错误码发送到标定服务

7. 标定指标

绝对精度： 0.2°~0.3°
绝对精度是指测量值与真值之差的绝对值，其中真值来源于基于lidar或者人工选择的
重复精度：约0.1°
标定时长：30min

售后标定

1. 售后标定的特点

售后标定标定会在车辆出售后，由于外部问题返修中更换域控制器，以及调整或者更换传感器后执行，用于重新标定传感器的参数，检查传感器安装角度是否符合要求，以及对软硬件功能做初步诊断，其功能特点与EOL标定类似。

售后标定分为基于标定间的方法和基于在线数据的方法，基于在线数据的方法包含以下特点：

• 版本稳定性要求高
• 链路长，涉面广
  标定设计从诊断仪，到MCU，到SOC内的系统软件，状态机，感知软件，应用软件，算法等诸多模块，开发测试链路长，协作的功能模块多，且这些链路可能由多家供应商及OEM协作完成。总体联调复杂度高。
• 对标定时间与场景有限制
  对标定场景有一定限制，需要在较为空旷和结构化（多车道要求）场景下进行，同时为了保证标定效率也对标定时间做出了限制。
  对收敛时间要求高，若标定无法在标准时间内收敛，则会影响使用体验，及增加车辆卖出前的行驶里程。

2. 售后标定运行流程

1. 驾驶员驾驶胎压匹配车辆进入售后标定道路环境，准备售后标定
2. 售后标定操作操作员通过OBD接口连接诊断仪，诊断仪完成和车辆域控制器的连接（通过MCU）
3. 通过诊断仪下发命令进入标定模式，一般情况下，车辆是静止状态才能下发诊断命令
4. 操作员按照售后诊断仪屏幕上的提示进行操作，然后驾驶车辆到标定道路上。
5. 车辆域控制器将标定结果与标定进度发送到诊断仪
6. 可以通过诊断仪实时看到标定进度，当标定进度达到100%，停下车辆到安全区域。
7. 诊断仪通过诊断命令读取售后标定结果，显示在屏幕上，如果显示“标定成功”，售后标定结束

3. 售后标定软件约束

• 算力
  售后标定阶段，自动驾驶功能未开启，可以占用SOC的大部分计算资源
• 时间
  在符合售后标定需求的场景下，一般会被约束在20分钟内
• 进度指标
  一般等于EOL标定的精度指标，基本达到了下游功能要求的精度指标。

4. 标定指标

绝对精度：0.3°~0.6°
重复精度：约0.3°
重复精度是指在相似环境下进行多次标定，得到的测量值之间的差异，它可以用来衡量测量值的稳定性和可靠性。
标定时长：10min
标定时长是指标定系统完成一次标定需要的时间