Apollo-无人驾驶平台中多传感器标定

本文章来自： Apollo开发者社区 原创：阿波君

传感器标定是无人车最基础也是最核心的模块之一。

作为软件层提供的第一项服务，标定质量和准确度极大地影响着感知、定位地图、PNC 等模块。

在 Apollo 开源自动驾驶平台中，我们提供了丰富的多传感器标定服务，如激光雷达、惯导、摄像头、多普勒雷达等多种传感器之间的标定。算法覆盖常规 Level 2-Level 4 级别自动驾驶的传感器配置和标定需求。

在本文中，我们将从 L4 传感器标定中两项核心服务（激光雷达到惯导的标定，摄像头到激光雷达的标定）入手，详细介绍 Apollo 标定服务的流程、相关注意事项和常见问题分析，希望 Apollo 开发者和合作伙伴可以参考学习并顺利完成高质量的传感器标定。

TIPS

本次分享，我们有请到百度美研Apollo感知团队，资深软件架构师——Chen Guang讲解百度Apollo无人驾驶平台中多传感器标定。

Chen Guang，百度美研Apollo感知团队，资深软件架构师。曾加入美国斯坦福国际研究院，担任计算机视觉研发科学家。以项目负责人身份（Co-PI）和技术负责人（tech lead）的身份，参与、负责了美国国防部高等技术研究署（DARPA，IARPA）的数个大型研发项目。2016年加入百度硅谷无人车感知团队，以高级科学家和资深架构师的身份从事计算机视觉的研发工作。目前学术上担任CVPR, ICCV，ICME等权威会议的委员会委员。

多传感器标定

多传感器标定是指对于拥有不同特性和不同观测范围的传感器，去准确地找到它们之间的相对位置关系。以上图为例，虽然它们分别来自于不同的传感器（摄像头和激光雷达），拥有不同的观测角度和不同的数据表达形式，但是我们也可以设计相应的算法，来准确找到他们的相对位置关系。

传感器之间的相对位置关系

传感器之间的相对位置关系，我们通常会用一个 4*4 的转换矩阵 M 来表示。通过这个转换矩阵 M，我们可以将一个传感器坐标系下的点 x 转换成另一个传感器坐标系下的点y。在一个典型的 3D 空间中，传感器的位移、旋转、尺寸变化都可以用一个 4*4 的转换矩阵来表示。以上图为例，左上角 3*3 的矩阵 R，表示传感器的旋转尺寸变化等。右上角的 3*1 的向量 T，表示传感器之间的位移关系。

传感器的标定问题

对于左上角 3*3 的矩阵 R，基于它的正交性和行列值为 1，我们可以将 3*3 共 9 个参数的 R，转换成 4 维的四元素向量。所以，传感器的标定问题，可以简化成寻找 7 个未知的参数，包括 4 维的 4 元数向量和 3 维的位移向量。和动辄上百万参数的深度学习相比，寻找 7 位未知的参数，听起来像是小菜一碟。

无人车中一个问题“黑洞”

但实际中，多传感器标定会遇到各种各样的问题，它们可能来自于硬件、车载 OS 和通信系统，这就导致多传感器标定成为了无人车中一个问题“黑洞”。

不同传感器的特性和不同的观测角度

那么，多传感器标定为什么会有这么多困难呢？

简单来说，因为不同传感器的特性和不同的观测角度，会导致标定算法有巨大的差异。例如，摄像机可以提供丰富的像素信息，但缺乏有用的 3D 信息，而激光点云可以提供非常准确的 3D 信息，但是信号比较稀疏，并且噪音较大。

而不同传感器的观测范围，观测角度不同，导致标定时不能充分的使用所有传感器的信号。另外，传感器标定是硬件和车载 OS 准备充分后的第一个模块，因此它需要容忍传感器的噪音，并对传感器的状态有足够灵敏的反应。

Apollo 将多传感器标定变得简单可依靠

为了解决这些困难，Apollo 开源平台通过任务分解和算法设计，将多传感器标定变得简单可依靠。

首先需要粗略的手量传感器之间的相对位置；

其次需要采集有用的传感器标定数据；最后通过 Apollo 平台的多传感器标定服务产生准确的标定参数。如同为标定任务建立一个“虫洞”，使得标定变得更高效。

Apollo 开源平台通过任务分解和算法设计

在本次分享中，我们将依次介绍以上所描述的各个步骤。在最后一个步骤中，外参的优化主要由 Apollo 服务提供，不在本次分享中叙述。

Apollo3.5 传感器方案示例图

图中是一个典型的 Apollo3.5 传感器方案示例图。我们可以看到多个激光雷达、摄像头以及多普勒雷达被安装在不同的位置，所以需要我们对传感器进行不同的标定服务。

Apollo3.5 中多传感器安装位置和坐标系的俯视图

这一张图是一个 Apollo3.5 中多传感器安装位置和坐标系的俯视图。不同颜色的箭头代表着不同的方向。例如，红色代表 x 轴方向，绿色代表 y 轴方向，蓝色代表 z 轴方向；实心圆代表垂直于纸面向外，空心圆代表垂直于纸面向里。我们可以发现，不同的传感器会有不同的坐标系，而相同的传感器在不同的位置也会有不同的坐标系。

传感器标定数值

在手量传感器标定初值时，一定要分清楚从哪一个源传感器到哪一个目标传感器。生成传感器参数时，一定要注意，这些数值是在目标传感器坐标系下，位移向量以米为单位，转换矩阵 4 元素以弧度值为单位。

采集有效的传感器标定数据

完成初值丈量之后，下一步就是采集有用的标定数据。它主要有两个步骤，分别是通过 Apollo Cyber RT 录取有用的数据，并用新开发的 Apollo 数据提取工具，从录取的数据中提取产生有用的信息。下面，我们为大家详解如何通过 Apollo Cyber RT 录取有用的数据。

cyber_monitor 命令来检查安装的传感器

在录取数据之前，我们有一些先行的效验步骤来检测传感器状态。在进入 Apollo Docker 之后，我们可以使用cyber_monitor命令来检查安装的传感器，有对应的 Cyber 信息。在图中cyber_monitor显示中，左右两列分别是Cyber 消息名称和对应的帧率。绿色代表消息正常收发，红色代表该消息没有出现。

检查相应传感器的帧率

通过 cyber_monitor，我们可以检查相应传感器的帧率是否正常。例如，激光雷达的帧率是 10 赫兹，而摄像机的帧率最低不能低于 15 赫兹，GPS 和惯导的信号帧率为 100 赫兹。

检查GPS 的信号

我们还要特别注意，GPS 的信号是否正常，质量是否够高。如图红色框中，Narrow_INT是正常状态，而三个方向上的标准方差应该处于 1~2 厘米级别。

cyber_visualizer 命令来查看传感器的原始数据

在安装 Apollo 平台的车辆上，我们还可以通过cyber_visualizer 命令来查看传感器的原始数据，保证数据质量，例如，图像是否模糊，激光雷达点云是否噪音过多。如果上述的检查有各种问题，通常是由于其硬件安装和 EOS 系统的配置不正确导致的。

按照 Apollo 的建议进行数据采集

在通过上述初步检查之后，我们可以按照 Apollo 的建议采集有用的传感器标定数据。

对于激光雷达，我们只需采集原始点云数据；对于摄像头，我们建议采集未压缩的原始图像信息；对于惯导和 GPS 需采集它的 odometry 信息。右图三个红框分别展示了典型的图像信息、点云信息以及 GPS 和惯导信息。

在使用 Apollo Dreamview 进行数据采集前，大家可以通过上述步骤修改相应脚本里消息列表，以适配你的传感器方案。

激光雷达到惯导的标定

例如激光雷达到惯导的标定，无人车以数字 8 的行车轨迹，进行数据采集。行驶速度在 5~10 英里每小时，需要行驶大概 8 圈。因为激光雷达到惯导的标定不需要摄像头图像信息，因此可以通过上一段中介绍的方法，更改脚本里消息列表来过滤掉图像消息，以减小采集数据包的大小。更详细的激光雷达到惯导的标定手册，请参照图中链接（https://github.com/ApolloAuto/apollo/blob/master/docs/specs/lidar_calibration.pdf）

在采集时，我们希望场景中没有过多的动态障碍物，且地面基本平整，而且场景中有类似于树木、电线杆、隔离墩、少量停放的汽车之类的静态障碍物。

摄像头到激光雷达的标定

而对于摄像头到激光雷达的标定，我们可以通过简单的“4 个 5”来进行开车模式的指导。在一个较为空旷的、拥有大量静态障碍物的场景中，无人车以大约 5 英里每小时的速度直线行驶大约5米后刹车，之后完全停止大约 5 秒。重复上述步骤 5 到 6 次。

摄像头到激光雷达的标定

如果不能找到上述那样的数据采集场景，也可以在一个停放较多车辆的停车场里完成数据采集。只需注意不要有过多的动态障碍物，例如行人和行驶的车辆。

数据采集之后的检测

当完成数据采集之后，可以运用图中的命令来查看每一个采集下来的数据包。通过计算每秒钟采集数据的帧率，可以大致了解数据是否完整的被存放下来。例如 GPS 惯导信号，我们可以看到 4 秒左右的数据包中，大约有 430 个数据消息，它的帧率基本在 100 赫兹，符合预期。而红框中所标示的摄像头，它的消息数量为 0，如果我们需要完成该摄像头的标定，那说明数据采集不成功，这多半是由于硬件和车载 OS 系统没有按照 Apollo 平台的要求来安装和配置。

通过 Apollo 工具提取有效数据

当完成数据采集之后，我们可以通过近期开发的 Apollo 平台中数据分析提取工具，来提取有用的标定信息。它是开源的提取工具，只需一行命令，就可以自动完成数据提取和数据压缩。在 Apollo 的 GitHub 上，这个工具相对应的目录如右图所示。

Apollo 工具的特性

和以前的一些工具相比，这个工具更加智能，而且会极大的减少标定所需上传的数据。

Apollo 工具相应的命令和配置

这个工具相应的命令和配置如图所示。它的配置主要包括三个部分，第 1 个是 IO 配置，主要是指定标定任务名称，以及相应的输出路径。第 2 个配置，主要为指定输入的数据包路径，它可以是完整的数据包路径列表，也可以是一个包含多个数据包的文件夹路径。最后一部分主要是指定所需要提取的消息名称以及采样率。对于小容量消息，我们建议完整的保留它，因此采样率为 1。

摄像头内参标定采集步骤

而对于摄像头的内参标定，在这里给大家一些基本的建议。摄像头内参标定需要采集棋盘格的图像，要求棋盘格的成像能够覆盖图像的各个区域，并且图片中的棋盘格必须完整。采集步骤如下：将设备固定在三脚架上，开启摄像头，观察标定板在摄像头上的成像。将图像分为图中所示 5 个区域，将标定板正对摄像头并移动标定板将成像置于这 5 个区域内。在每个区域内，分别绕标定板的 X、Y 轴旋转正负 30 度左右各一次，绕Z轴旋转正负 45 度左右各一次，并采集图像。