陳麗華

（廣州市機電技師學(xué)院，廣州 510000）

自動駕駛車作為智慧交通發(fā)展的重要組成，已成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的必然趨勢。目前，我國自動駕駛已進(jìn)入落地關(guān)鍵期，技術(shù)在全球占有重要地位，但量產(chǎn)依舊難以實現(xiàn)，除了不能上牌、法律政策等因素外，造車成本昂貴也是原因之一。激光雷達(dá)作為自動駕駛車的重要感知元件，有調(diào)查顯示，國外高端、價格昂貴的激光雷達(dá)品牌依舊占據(jù)我國較大的市場份額，為此提高國產(chǎn)品牌在自動駕駛車上的應(yīng)用比例，是降低我國造車成本，促進(jìn)自動駕駛車實現(xiàn)量產(chǎn)的有效途徑。

本文所涉及的Apollo自動駕駛競賽教學(xué)套件，原先配備的激光雷達(dá)是由美國Velodyne公司出品的VLP-16，為降低成本，助力國產(chǎn)品牌的發(fā)展，擬替換為國產(chǎn)品牌Robosense生產(chǎn)的RS-LiDAR-16，并完成其在自動駕駛競賽教學(xué)套件上的適配探究。

1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是將車聯(lián)網(wǎng)與智能車進(jìn)行有機聯(lián)合，搭載先進(jìn)的車載傳感器、控制器和執(zhí)行器等，融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)車、人、路及后臺等信息共享和協(xié)同控制，使車輛能夠安全、舒適、節(jié)能、高效行駛，并最終可替代人的操作的新一代無人駕駛汽車。

2 自動駕駛競賽教學(xué)套件

本文探究的自動駕駛競賽教學(xué)套件是由百度Apollo公司生產(chǎn)的，面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車技能競賽或教學(xué)的自動駕駛開發(fā)平臺，如圖1所示。該套件采用純線控底盤，搭載了自動駕駛計算平臺以及激光雷達(dá)、毫米波、超聲波和攝像頭等多種傳感器和GPS/IMU設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)循跡自動駕駛、基于激光雷達(dá)的封閉園區(qū)自動駕駛以及基于攝像頭的封閉園區(qū)自動駕駛等功能。

圖1 Apollo自動駕駛競賽教學(xué)套件

3 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)向目標(biāo)物體發(fā)射激光，根據(jù)接收-反射的時間間隔及激光發(fā)射的角度，通過計算確定物體的位置、大小及外部形貌等。激光雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中相當(dāng)于人的“眼睛”，能夠根據(jù)掃描到的點云數(shù)據(jù)快速繪制3D全景地圖，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中主要應(yīng)用于障礙物分類、障礙物跟蹤、路沿可行駛區(qū)域檢測和高精度定位等。

4 Robosense激光雷達(dá)的適配

4.1 Robosense激光雷達(dá)的安裝

RS-LiDAR-16出廠默認(rèn)接駁Interface BOX，具有電源指示燈及各類的接口，可接駁電源輸入、網(wǎng)線及GPS輸入線，如圖2所示。

圖2 Interface BOX

RS-LiDAR-16通過網(wǎng)口與工控機（電腦主機）相連，向電腦主機發(fā)送數(shù)據(jù)，通過SH1.0母座與GPS設(shè)備相連，實現(xiàn)PPS授時，如圖3所示。

圖3 Interface BOX連接示意圖

4.2 IP地址配置

激光雷達(dá)RS-LiDAR-16與工控機之間采用以太網(wǎng)通信，為了確保工控機能夠正常讀取激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，工控機的IP地址應(yīng)與激光雷達(dá)的目標(biāo)IP地址相一致。RS-LiDAR-16出廠默認(rèn)的IP地址是192.168.1.200，目標(biāo)IP地址是192.168.1.102。如果激光雷達(dá)的出廠設(shè)置已變更，可以連接工控機，使用Wireshark軟件抓取設(shè)備輸出包進(jìn)行分析，獲取IP地址信息，如圖4所示。

圖4 使用軟件Wireshark獲取數(shù)據(jù)

通過以上數(shù)據(jù)，可以判斷激光雷達(dá)的IP地址為192.168.1.123，目標(biāo)IP地址為192.168.1.200。如果工控機的IP地址與激光雷達(dá)目標(biāo)IP地址不一致，可通過更改激光雷達(dá)目標(biāo)IP地址或工控機IP地址解決。完成IP地址配置后，使用sudo tcpdump命令可以查看工控機能否正常接收激光雷達(dá)發(fā)送的點云數(shù)據(jù)。

4.3 Robosense激光雷達(dá)與組合導(dǎo)航系統(tǒng)的匹配

環(huán)境感知是自動駕駛的重要環(huán)節(jié)，目前環(huán)境感知的主流元件包括攝像頭、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等。單一傳感元件都有其自身的優(yōu)點和局限性，為給車輛行駛提供可靠、全面的環(huán)境信息，目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車大多采用多傳感器融合的感知技術(shù)方案。多傳感器融合技術(shù)的核心在于高精度的時間以及空間同步。為此，自動駕駛汽車中的激光雷達(dá)必須支持與主機或其他傳感器的時鐘同步，同步精度通常要達(dá)到毫秒級。

在激光雷達(dá)輸出的點云中，每個點除了（x，y，z）坐標(biāo)之外，還有一個重要的字段就是時間戳。激光雷達(dá)的發(fā)射組件旋轉(zhuǎn)的同時發(fā)射高頻率激光束對外界環(huán)境進(jìn)行持續(xù)性的掃描，經(jīng)過算法推導(dǎo)出三維空間的點云數(shù)據(jù)。相對于高速掃描設(shè)備，激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)速度相對較慢，每一幀點云中不同點的時間戳不一樣，以10幀每秒的激光雷達(dá)為例，完成每幀點云需要100 ms，那么每幀點云中的第一個點和最后一個點之間相差約100 ms。在掃描高速運動的物體時，這個時間差會導(dǎo)致原始點云“變形”，利用時間同步技術(shù)對點云進(jìn)行校正可以糾正點云“變形”，恢復(fù)被掃描物體的本來面貌。

目前主流的激光雷達(dá)時間同步技術(shù)有2種，一種是基于GPS的“PPS+NMEA”時鐘同步，另一種是基于以太網(wǎng)的時鐘同步協(xié)議。

本文探究的是基于GPS的“PPS+NMEA”的時鐘同步，激光雷達(dá)與GPS實現(xiàn)高精度的時鐘同步之后，會基于這個時鐘為每個激光點生成一個時間戳。GPS作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，基于GPS的“PPS+NMEA”的時鐘同步依賴于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出。本文涉及的自動駕駛競賽教學(xué)套件采用的是由上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司推出的CGI-410組合導(dǎo)航系統(tǒng)。CGI-410是將衛(wèi)星定位與慣性測量相結(jié)合，采用高精度定位定向技術(shù)，內(nèi)置高精度陀螺和加速度計，支持外接里程計信息進(jìn)行輔助，借助新一代多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能夠提供多種導(dǎo)航參數(shù)的厘米級組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

CGI-410組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用19PIN航空接插件與設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。19PIN數(shù)據(jù)線包括3個RS232，1個RJ45網(wǎng)口，1個CAN，1個SMA，1個電源口，如圖5所示。

圖5 19PIN數(shù)據(jù)線

19PIN航空接插件的部分?jǐn)?shù)據(jù)線接口定義見表1，其中A_RS232通過網(wǎng)頁配置，可給激光雷達(dá)提供5 Hz的GPRMC數(shù)據(jù)，GPRMC數(shù)據(jù)包括UTC時間、定位狀態(tài)、緯度、經(jīng)度、地面速率、地面航向和UTC日期等；SMA可給激光雷達(dá)提供PPS授時信號。

表1 DB9接口的針腳定義

由圖2和圖3可知，激光雷達(dá)RS-LiDAR-16是通過SH1.0母座與GPS設(shè)備相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和PPS授時，激光雷達(dá)SH1.0的部分針腳定義見表2。

表2 SH1.0的針腳定義

綜上所述，CGI-410組合導(dǎo)航提供的接頭是DB9和SMA端子，與RS-LiDAR-16的SH1.0母座不匹配，為此，可以設(shè)計一個轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)兩者之間的連接，設(shè)計的轉(zhuǎn)接板圖紙如圖6所示，激光雷達(dá)與慣導(dǎo)連接定義見表3。綜上所述，解決了RS-LiDAR-16與CGI-410組合導(dǎo)航系統(tǒng)在端口上的匹配問題。

表3 激光雷達(dá)與慣導(dǎo)連接定義

圖6 激光雷達(dá)與慣導(dǎo)轉(zhuǎn)接板圖紙

4.4 修改配置文件

完成RS-LiDAR-16的安裝與網(wǎng)絡(luò)配置，可以通過工控機接收激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)，但能否正常啟動Lidar感知模塊（Perception），DreamView上能否顯示出正確的障礙物運動方向、顏色以及速度信息，還與系統(tǒng)的配置文件有關(guān)。

在工控機上打開新終端，輸入/apollo/docker/scripts/dev_into.sh進(jìn)入docker環(huán)境，利用命令cyber_monitor查詢到與激光雷達(dá)相關(guān)的通道路徑如下：

（1）/apollo/sensor/rs16/PointCloud2

（2）/apollo/sensor/rs16/Scan

（3）/apollo/sensor/rs16/compensator/PointCloud2

以上通道路徑與感知模塊中設(shè)置的并不一致，查看激光雷達(dá)相關(guān)配置文件rs16.pb.txt、rs16_compensato r.pb.txt。將rs16.pb.txt中pointcloud_channel路徑修改為/apollo/sensor/lidar16/PointCloud2，scan_channel的路徑修改為/apollo/sensor/lidar16/Scan。將rs16_compens ator.pb.txt中out_channel的路徑修改為/apollo/sensor/lidar16/compensator/PointCloud2。同時打開與DreamView調(diào)用Lidar感知模塊相關(guān)的配置文件dev_kit_close_loop.pb.txt，將dag_files的路徑修改為apollo/modules/drivers/lidar/robosense/dag/rs16.dag。

4.5 測試結(jié)果

適配完成后，進(jìn)入docker環(huán)境，利用命令cyber_monitor檢查各channel信息，確認(rèn)各channel輸出正常后，在DreamView上啟動激光雷達(dá)和Lidar感知模塊（Perception），查看障礙物運動方向、顏色以及速度信息，顯示正常，如圖7所示。在封閉園區(qū)進(jìn)行道路測試，自動駕駛套件能夠通過激光雷達(dá)正確識別障礙物，提取動態(tài)障礙物信息，并將信息輸出給規(guī)劃決策控制模塊，實現(xiàn)自動駕駛車輛基于激光雷達(dá)的封閉園區(qū)自動駕駛。

圖7 感知模塊已正常啟動

5 結(jié)束語

Robosense激光雷達(dá)在Apollo自動駕駛競賽教學(xué)套件上的適配主要包括了IP地址的配置、激光雷達(dá)與組合導(dǎo)航系統(tǒng)的接口匹配以及系統(tǒng)配置文件的修改。Robosense生產(chǎn)的RS-LiDAR-16是目前國產(chǎn)品牌中市場占有率較高的產(chǎn)品，具有成本較低、測距精度高等優(yōu)點，能夠穩(wěn)定輸出障礙物信息，為定位、導(dǎo)航和避障等提供有力的保障。