Robosense激光雷達在Apollo自動駕駛競賽教學套件上的適配探究

陳麗華

（廣州市機電技師學院，廣州 510000）

自動駕駛車作為智慧交通發展的重要組成，已成為智能網聯汽車發展的必然趨勢。目前，我國自動駕駛已進入落地關鍵期，技術在全球占有重要地位，但量產依舊難以實現，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。激光雷達作為自動駕駛車的重要感知元件，有調查顯示，國外高端、價格昂貴的激光雷達品牌依舊占據我國較大的市場份額，為此提高國產品牌在自動駕駛車上的應用比例，是降低我國造車成本，促進自動駕駛車實現量產的有效途徑。

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

1 智能網聯汽車

智能網聯汽車是將車聯網與智能車進行有機聯合，搭載先進的車載傳感器、控制器和執行器等，融合現代通信與網絡技術，實現車、人、路及后臺等信息共享和協同控制，使車輛能夠安全、舒適、節能、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 自動駕駛競賽教學套件

本文探究的自動駕駛競賽教學套件是由百度Apollo公司生產的，面向智能網聯汽車技能競賽或教學的自動駕駛開發平臺，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、毫米波、超聲波和攝像頭等多種傳感器和GPS/IMU設備，能夠實現循跡自動駕駛、基于激光雷達的封閉園區自動駕駛以及基于攝像頭的封閉園區自動駕駛等功能。

圖1 Apollo自動駕駛競賽教學套件

3 激光雷達

激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統。激光雷達向目標物體發射激光，根據接收-反射的時間間隔及激光發射的角度，通過計算確定物體的位置、大小及外部形貌等。激光雷達在智能網聯汽車中相當于人的“眼睛”，能夠根據掃描到的點云數據快速繪制3D全景地圖，在智能網聯汽車中主要應用于障礙物分類、障礙物跟蹤、路沿可行駛區域檢測和高精度定位等。

4 Robosense激光雷達的適配

4.1 Robosense激光雷達的安裝

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

圖2 Interface BOX

RS-LiDAR-16通過網口與工控機（電腦主機）相連，向電腦主機發送數據，通過SH1.0母座與GPS設備相連，實現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RS-LiDAR-16與工控機之間采用以太網通信，為了確保工控機能夠正常讀取激光雷達數據，工控機的IP地址應與激光雷達的目標IP地址相一致。RS-LiDAR-16出廠默認的IP地址是192.168.1.200，目標IP地址是192.168.1.102。如果激光雷達的出廠設置已變更，可以連接工控機，使用Wireshark軟件抓取設備輸出包進行分析，獲取IP地址信息，如圖4所示。

圖4 使用軟件Wireshark獲取數據

通過以上數據，可以判斷激光雷達的IP地址為192.168.1.123，目標IP地址為192.168.1.200。如果工控機的IP地址與激光雷達目標IP地址不一致，可通過更改激光雷達目標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發送的點云數據。

4.3 Robosense激光雷達與組合導航系統的匹配

環境感知是自動駕駛的重要環節，目前環境感知的主流元件包括攝像頭、激光雷達和毫米波雷達等。單一傳感元件都有其自身的優點和局限性，為給車輛行駛提供可靠、全面的環境信息，目前智能網聯汽車大多采用多傳感器融合的感知技術方案。多傳感器融合技術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，同步精度通常要達到毫秒級。

在激光雷達輸出的點云中，每個點除了（x，y，z）坐標之外，還有一個重要的字段就是時間戳。激光雷達的發射組件旋轉的同時發射高頻率激光束對外界環境進行持續性的掃描，經過算法推導出三維空間的點云數據。相對于高速掃描設備，激光雷達旋轉速度相對較慢，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，這個時間差會導致原始點云“變形”，利用時間同步技術對點云進行校正可以糾正點云“變形”，恢復被掃描物體的本來面貌。

目前主流的激光雷達時間同步技術有2種，一種是基于GPS的“PPS+NMEA”時鐘同步，另一種是基于以太網的時鐘同步協議。

本文探究的是基于GPS的“PPS+NMEA”的時鐘同步，激光雷達與GPS實現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作為組合導航系統的重要組成部分，基于GPS的“PPS+NMEA”的時鐘同步依賴于組合導航系統的數據輸出。本文涉及的自動駕駛競賽教學套件采用的是由上海華測導航技術股份有限公司推出的CGI-410組合導航系統。CGI-410是將衛星定位與慣性測量相結合，采用高精度定位定向技術，內置高精度陀螺和加速度計，支持外接里程計信息進行輔助，借助新一代多傳感器數據融合技術，能夠提供多種導航參數的厘米級組合導航系統。

CGI-410組合導航系統采用19PIN航空接插件與設備實現數據交換。19PIN數據線包括3個RS232，1個RJ45網口，1個CAN，1個SMA，1個電源口，如圖5所示。

圖5 19PIN數據線

19PIN航空接插件的部分數據線接口定義見表1，其中A_RS232通過網頁配置，可給激光雷達提供5 Hz的GPRMC數據，GPRMC數據包括UTC時間、定位狀態、緯度、經度、地面速率、地面航向和UTC日期等；SMA可給激光雷達提供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RS-LiDAR-16是通過SH1.0母座與GPS設備相連，實現數據交互和PPS授時，激光雷達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，可以設計一個轉換模塊來實現兩者之間的連接，設計的轉接板圖紙如圖6所示，激光雷達與慣導連接定義見表3。綜上所述，解決了RS-LiDAR-16與CGI-410組合導航系統在端口上的匹配問題。

表3 激光雷達與慣導連接定義

圖6 激光雷達與慣導轉接板圖紙

4.4 修改配置文件

完成RS-LiDAR-16的安裝與網絡配置，可以通過工控機接收激光雷達點云數據，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，還與系統的配置文件有關。

在工控機上打開新終端，輸入/apollo/docker/scripts/dev_into.sh進入docker環境，利用命令cyber_monitor查詢到與激光雷達相關的通道路徑如下：

（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置的并不一致，查看激光雷達相關配置文件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調用Lidar感知模塊相關的配置文件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 測試結果

適配完成后，進入docker環境，利用命令cyber_monitor檢查各channel信息，確認各channel輸出正常后，在DreamView上啟動激光雷達和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。在封閉園區進行道路測試，自動駕駛套件能夠通過激光雷達正確識別障礙物，提取動態障礙物信息，并將信息輸出給規劃決策控制模塊，實現自動駕駛車輛基于激光雷達的封閉園區自動駕駛。

圖7 感知模塊已正常啟動

5 結束語

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