传感器激光雷达（二）

时间戳和编码信息

LiDAR 通常从硬件层面支持授时，即有硬件trigger触发LiDAR数据，并支持给这一帧数据打上时间戳。

通常会提供支持三种时间同步接口，

1.IEEE 15882008同步，遵循精确时间协议，通过以太网对测量以及系统控制实现精确的时钟同步。

2.脉冲同步（PPS），脉冲同步通过同步信号线实现数据同步。

3. GPS同步（PPS+UTC），通过同步信号线和UTC时间（GPS时间）实现数据同步。

然后我们从LiDAR硬件得到一串数据包，需要过一次驱动才能将其解析成点云通用的格式，如ROSMSG或者pcl点云格式，以目前最普遍的旋转式激光雷达的数据为例，其数据为10hz，即LiDAR在0.1s时间内转一圈，并将硬件得到的数据按照不同角度切成不同的packet，以下便是一个 packet数据包定义示意图。

而每一个packet包含了当前扇区所有点的数据，包含每个点的时间戳，每个点的xyz数据，每个点的发射强度，每个点来自的激光发射机的id等信息。

而如最新的Livox Horizon激光雷达，也包含了多回波信息及噪点信息，格式如下：

每个标记信息由1字节组成：该字节中bit7和bit6为第一组，bit5和bit4为第二组，bit3和bit2为第三组，biti和bito为第四组。

第二组表示的是该采样点的回波次序。由于LivoxHorizon采用同轴光路，即使外部无被测物体，其内部的光学系统也会产生一个回波，该回波记为第0个回波。随后，若激光出射方向存在可被探测的物体，则最先返回系统的激光回波记为第1个回波，随后为第2个回波，以此类推。如果被探测物体距离过近（例如1.5m），第1个回波将会融合到第0个回波里,该回波记为第0个回波。

第三组基于回波能量强度判断采样点是否为噪点。通常情况下，激光光束受到类似灰尘、雨雾、雪等干扰产生的噪点的回波能量很小。目前按照回波能量强度大小将噪点置信度分为二档：01表示回波能量很弱：这类采样点有较高概率为噪点，例如灰尘点；10表示回波能量中等，该类采样点有中等概率为噪点，例如雨雾噪点。噪点置信度越低，说明该点是噪点的可能性越低。

第四组基于采样点的空间位置判断是否为噪点。例如：激光探测测距仅在测量前后两个距离十分相近的物体时，两个物体之间可能会产生拉丝状的噪点。目前按照不同的噪点置信度分为三档，噪点置信度越低，说明该点是噪点的可能性越低。

LiDAR的作用

感知

我们可以根据LiDAR能描绘出稀疏的三维世界的特点，而扫描得到的障碍物点云通常又比背景更密集，通过分类聚类的方法可以利用其进行感知障碍物。而随着深度学习带来的检测和分割技术上的突破，LiDAR已经能做到高效的检测行人和车辆，输出检测框，即3D bounding box，或者对点云中的每一个点输出 label，更有甚者在尝试使用LiDAR检测地面上的车道线。

在三维目标识别的对象方面，最初研究主要针对立方体、柱体、锥体以及二次曲面等简单形体构成的三维目标。然而，这类形体对现实世界的表达能力有限，绝大部分目标难以用这些形体或其组合来近似。后续研究主要集中于三维自由形态目标的识别，所谓自由形态目标，即表面除了顶点、边缘以及尖拐处之外处处都有良好定义的连续法向量的目标（如飞行器、汽车、轮船、建筑物、雕塑、地表等）。由于现实世界中的大部分物体均可认为是自由形态目标，因此三维自由形态目标识别算法的研究大大扩展了识别系统的适用范围。在过去二十余年间，三维目标识别任务针对的数据量不断增加，识别难度不断上升，而识别率亦不断提高。然而，如何在包含遮挡、背景干扰、噪声、逸出点以及数据分辨率变化等的复杂场景中实现对感兴趣目标的检测识别与分割，仍然是一个富有挑战性的问题。

配准

在三维模型重建方面，最初的研究集中于邻接关系和初始姿态均已知时的点云精配准、点云融合以及三维表面重建。在此，邻接关系用以指明哪些点云与给定的某幅点云之间具有一定的重叠区域，该关系通常通过记录每幅点云的扫描顺序得到。而初始姿态则依赖于转台标定、物体表面标记点或者人工选取对应点等方式实现。这类算法需要较多的人工干预，因而自动化程度不高。接着，研究人员转向点云邻接关系已知但初始姿态未知情况下的三维模型重建，常见方法有基于关键点匹配、基于线匹配、以及基于面匹配 等三类算法。在实际应用中，很多时候并不知道点云之间的邻接关系。针对此，研究人员开发了最小张树算法和连接图算法以实现邻接关系的计算。总体而言，三维模型重建算法的发展趋势是自动化程度越来越高，所需人工干预越来越少，且应用面越来越广。然而，现有算法依然存在运算复杂度较高、只能针对单个物体、且对背景干扰敏感等问题。研究具有较低运算复杂度且不依赖于先验知识的全自动三维模型重建算法，是目前的主要难点。

给定两个来自不同坐标系的三维数据点集，找到两个点集空间的变换关系，使得两个点集能统一到同一坐标系统中，这个过程便称为配准。配准的目标是在全局坐标框架中找到单独获取的视图的相对位置和方向，使得它们之间的相交区域完全重叠。对于从不同视图（views）获取的每一组点云数据，点云数据很有可能是完全不相同的，需要一个能够将它们对齐在一起的单一点云模型，从而可以应用后续处理步骤，如分割和进行模型重建。目前对配准过程最常见的主要是 ICP 及其变种算法，NDT 算法，和基于特征提取的匹配。

ICP算法最早由Chen and Medioni，and Besl and McKay提出。其算法本质上是基于最小二乘法的最优配准方法。该算法重复进行选择对应关系点对，计算最优刚体变换这一过程，直到根据点对的欧氏距离定义的损失函数满足正确配准的收敛精度要求。ICP是一个广泛使用的配准算法，主要目的就是找到旋转和平移参数，将两个不同坐标系下的点云，以其中一个点云坐标系为全局坐标系，另一个点云经过旋转和平移后两组点云重合部分完全重叠。

NDT算法的基本思想是先根据参考数据（reference scan）来构建多维变量的正态分布，如果变换参数能使得两幅激光数据匹配的很好，那么变换点在参考系中的概率密度将会很大。然后利用优化的方法求出使得概率密度之和最大的变换参数，此时两幅激光点云数据将匹配的最好。由此得到位资变换关系。

局部特征提取通常包括关键点检测和局部特征描述两个步骤，其构成了三维模型重建与目标识别的基础和关键。在二维图像领域，基于局部特征的算法已在过去十多年间取得了大量成果并在图像检索、目标识别、全景拼接、无人系统导航、图像数据挖掘等领域得到了成功应用。类似的，点云局部特征提取在近年来亦取得了部分进展

而当三维点较为稠密的时候，可以像视觉一样提取特征点和其周围的描述子，主要通过选择几何属性（如法线和曲率）比较有区分度的点，在计算其局部邻域的几何属性的统计得到关键点的描述子，而当处理目前市面上的激光雷达得到的单帧点云数据时，由于点云较为稀疏，主要依靠每个激光器在扫描时得到的环线根据曲率得到特征点。

里程计和定位

而有了两帧点云的数据根据配准得到了相对位姿变换关系后，我们便可以利用激光雷达传感器获得的数据来估计载体物体位姿随时间的变化而改变的关系。比如我们可以利用当前帧和上一帧数据进行匹配，或者当前帧和累计堆叠出来的子地图进行匹配，得到位姿变换关系，从而实现里程计的作用。

而当我们用当前帧和整个点云地图进行匹配的时候，我们便能得到传感器在整个地图中的位姿，从而实现在地图中的定位。

LiDAR的趋势

传感器车规化

固态激光雷达取消了机械结构，能够击中目前机械旋转式的成本和可靠性的痛点，是激光雷达的发展方向。除了这两大迫切解决的痛点外，目前量产的激光雷达探测距离不足，仅能满足低速场景（如厂区内、校园内等）的应用。日常驾驶、高速驾驶的场景仍在测试过程中。

当前机械式激光雷达的价格十分昂贵，Velodyne 在售的 64 线/32 线/16 线产品的官方定价分别为 8 万/4 万/8 千美元。一方面，机械式激光雷达由发射光源、转镜、接收器、微控马达等精密零部件构成，制造难度大、物料成本较高；另一方面，激光雷达仍未大规模进入量产车、需求量小，研发费用等固定成本难以摊薄。 量产100 万台 VLP-32后，那么其售价将会降至 400 美元左右。

多传感器融合

在环境监测传感器中，超声波雷达主要用于倒车雷达以及自动泊车中的近距离障碍监测，摄像头、毫米波雷达和激光雷达则广泛应用于各项 ADAS 功能中。四类传感器的探测距离、分辨率、角分辨率等探测参数各异，对应于物体探测能力、识别分类能力、三维建模、抗恶劣天气等特性优劣势分明。各种传感器能形成良好的优势互补，融合传感器的方案已成为主流的选择。