激光雷達座標系、方向角和仰角

激光雷達介紹

單線的激光雷達Lidar，通過發射和接收激光束來計算與觀測物體精確距離。
光速測距：通過飛行時間TOF，首先激光發射器發射激光脈衝，計時器記錄發射時間；脈衝經物體反射後由接收器接受，計時器記錄接受時間；時間差乘上光速即得到距離的兩倍。

三維掃描點雲：通過TOF時間差獲得距離，通過水平旋轉掃描測角度，並根據這兩個參數建立二維的極座標系，再通過獲取不同俯仰角度獲得三維的高度信息。
下圖每一個圓圈代表一個激光束產生的數據，激光雷達的線束越多，對物體的檢測效果越好。

下圖所示爲4線激光雷達，4中顏色代表不同的4個激光發射器，四線激光雷達將四個激光發射器進行輪詢，一個輪詢週期後，得到一幀的激光點雲數據。四條點雲數據可以組成面狀信息，這樣就能夠獲取障礙物的高度信息。
激光雷達實物
Velodyne公司的64線激光雷達HDL_64E，多線的配置使得激光雷達在每秒內可構建高達百萬的數據點。

雷達前端上下分佈有四組激光發射器（每組16個發射機，共64個）和兩組激光接受器（每組32個激光接收機，對應64個）。
一般來說，用以下八個技術指標來評價激光雷達：

最大輻射功率：決定是否需要防護
水平視場：是否360度全視角旋轉
垂直視場：俯仰角角度（30度/15度）
光源波長：光學參數（納米級別）
測量距離：是否滿足長距離探測（100~200米）
測量時間和幀頻率：激光返回一圈的時間
縱向和水平分辨率：對算法影響大，精度越高越貴
測距精度：釐米級

雷達座標系

無論是哪種傳感器：相機、激光雷達、毫米波雷達，都有自己的座標系，也就是所有的傳感器產生的數據都是基於傳感器自身的座標系的，然而，一輛自動駕駛汽車，車上會安裝許多傳感器，爲了方便算法研究、測試，都需要將各自傳感器獲得的數據轉換到車體座標系下，也就是base座標系，那麼這個過程就叫做傳感器的外參標定。

激光雷達安裝在移動的平臺，GNSS 和 IMU 配合使用，可以將激光雷達測量點由相對座標系轉換爲絕對座標系上的位置點，從而應用於不同的系統中。

如下圖所示，velodyne lidar被安裝爲x軸向前,y軸向左,z軸向上的右手座標系，從雷達座標系轉移到車輛座標系，車輛座標系爲z軸向前,x軸向左,y軸向上的右手座標系。

下面的KITTI採集車上，分別呈現了兩種座標系，座標系轉換其實就是傳感器的外參標定，傳感器座標系通過一些剛體變換轉換到車體座標系，變換矩陣由旋轉矩陣和平移矩陣組成，通過求解6個量（X，Y，Z，Roll， Pitch，Yaw ）：前3個值代表分別沿x,y,z方向平移的距離；後3個值代表分別沿x,y,z方向旋轉的角度。

方向角和仰角

仰角和方位角描述了物體在天空相對於觀察者的位置。
球面座標系中，點是由距離和兩個角度定義：方向角和仰角。

方位角 $\varphi$是X-Y平面上水平羅盤方向。
仰角$\theta$ 用來描述被觀察物體相對於觀測點的角度。

在LOAM源碼中對於仰角的定義爲：
$\theta =arctan(z/\sqrt{x^{2}+ y^{2}})$

與方位角和仰角息息相關的是角分辨率，分爲水平分辨率和垂直分辨率，表明相鄰兩個點的角度。
水平分辨率指水平方向上掃面線之間的最小間隔度數。由於一秒鐘打出激光束的頻率固定，所以轉速越快，水平方向上掃描線的間隔越大，水平角分辨率越大，兩條線的間隔度數越大。
垂直分辨率指的是垂直方向上兩條掃描線的間隔度數。

激光雷達的數據

激光雷達數據的處理順序一般爲：

1、數據預處理（座標轉換，去噪聲）
2、聚類（根據點雲距離或反射強度）
3、提取聚類後的特徵，根據特徵進行分類等後處理工作。

參考：
https://blog.csdn.net/zhoucoolqi/article/details/105167717
https://zhuanlan.zhihu.com/p/90852852
https://zhuanlan.zhihu.com/p/103579656
https://zhuanlan.zhihu.com/p/33792450