Apollo学习笔记_apollo融合定位方案
赞
踩
Apollo学习笔记
智能驾驶入门课程
无人驾驶概览
1、软件层分为三层：
实时操作系统(RTOS)：确保在给定时间内完成特定任务，实时时确保系统稳定性、驾驶安全性的重要要求。通过在Ubuntu Linux操作系统加入Apollo内核，使其成为RTOS
运行时框架：ROS的定制版，改进了共享内存的功能和性能(一次写入多次读取)加快数据传输速度、去中心化和数据兼容性(ROS需要所有节点通信消息格式相同，当一个节点消息升级后，需要修改其他所有节点，比较麻烦，于是改进protobuf通信，在消息尾部加入新成员，不会影响各节点通信)
应用程序模块层：定位、感知、预测、规划、控制、人机接口等应用程序
2、云服务器的作用：高精地图、仿真、数据平台、安全、OTA和DuerOS智能语音系统
高精地图
人通过知道自己大致位置，可以很快的识别行人、斑马线和红绿灯等信息，作出决策，但这对无人驾驶汽车比较有挑战性。需要借助包含大量驾驶辅助信息的高精地图，
1、地图：包括道路定义、交叉路口、交通信号、车道规则以及用于汽车导航的其他元素。如道路网的精确三维特征，交叉路口布局和左右转、斑马线等路标位置；语义信息，交通灯上不同颜色的含义、速度限制、左右转开始的位置。需达到厘米级精度。需要庞大车队绘制和更新地图，appollo已绘制了每条高速公路的地图，所有国道以及许多其他高等级公路，采用OpenDRIVE行业制图标准并进行改进，使其更使用无人驾驶，地图绘制流程实现90%自动化。
2、用于定位：通过当前传感器数据与高精地图匹配，确定当前位置。首先通过对各传感器数据进行预处理、坐标转换和数据融合，与地图路标匹配，预处理消除不准确或质量差的数据，坐标表换将不同视角数据转换为同一坐标系(利用外参转换到机体坐标系？)，数据融合将各传感器数据合并，确定汽车在地图中位置
3、用于感知：各传感器受遮挡、天气等影响，只能观测一定范围物体，地图能记录遮挡物之后的物体，提前作出决策；可以告知各传感器重点探测区域，如知道红绿灯、停车路标等大致位置后，提高检测精度和速度。
4、用于规划和预测：规划汽车行车路径，预测其他车辆在将来的位置，如辅助识别精确的中间线，可以靠中间线行驶，提前感知低速限制、人行道或减速带等信息，预先减速，根据障碍物信息变道，规划路径
5、地图构建：构建和更新过程中使用众包，向公众发布其数据采集工具，以便任何人都可以参与制作高精地图的任务，可通过手机、智能信息娱乐系统甚至无人驾驶车来实现
数据采集：300辆车采集GPS、lidar、相机、IMU等数据，用于维护和更新，保证道路因为拆建等因素及时更新
数据处理：整理、分类和清洗以获得没有任何语义信息或注释的初始地图模板，包括点云地图等
物体检测：检测静态对象并分类，包括车道线、交通标志、电线杆
人工确认：确保自动构建正确进行并及时发现问题，使用软件辅助标记和编辑
地图发布：包括高精地图、自上而下的高精定位地图和三维点云地图
定位
确定汽车在高精地图的位置，常用汽车传感器所见路标与地图路标比较，确定位置。Apollo基于GPS、IMU和lidar多传感器融合定位，GNSS定位输出位置和速度信息，lidar定位输出位置和行进方向信息，通过卡尔曼融合两者输出，惯性导航用于预测步，GNSS定位和lidar定位用于更新步
1、GNSS RTK：以GPS为例，其包括三部分：
卫星-有大约30颗卫星在离地面约2万公里外层空间运行
控制站：用于监视、控制卫星和验证GPS广播信号的精确度
GPS接收器：通过信号从卫星到接收器飞行时间乘光速计算距离（影响因素信号在不同介质传播速度有些差别，时间误差），至少需要检测到四颗卫星才能定位。由于光速很大，少量时间误差也会引起巨大误差，每颗卫星配备高精度的原子钟（两个时间怎么同步？），RTK利用地面基站得到更准确位置，基站已知自己精确位置，也通过卫星测量位置，从而得到测量误差，用于调整接收器位置，得到更精确的定位。手机GPS一般精度1-3m，被高楼、山脉等遮挡时只有10-50m，RTK可到达10厘米以内精度（要求附近16公里范围内有基站），有遮挡时定位精度也会降低，GPS的更新频率较低，为10HZ左右，较难满足快速运动汽车需求
2、惯性导航：已知初始位置后，通过IMU测得加速度和角速度定位，优点是更新频率可达到1000HZ，但长时间漂移较大。
3、激光雷达定位：使用点云匹配算法将当前激光雷达点云数据和高精地图进行匹配，得到初始位姿。优点是定位精度高，难点是高精度构建难度大，动态物体会影响匹配精度。点云匹配方法包括：
ICP：迭代最近点匹配
滤波算法：可去除冗余信息。卡尔曼滤波
直方图滤波算法：（Apollo使用，也叫SSD误差平方和算法SSD）。SSD方法通过传感器扫描的点云滑过地图上的每个位置，在每个位置计算扫描点与地图上的对应点之间的误差或距离，求误差的平方和，平方和越小匹配越好，寻找平方和误差最小的方法。
4、视觉定位：通过粒子滤波定位，可用匹配方法确定在车道线位置，数据易获取，但缺乏三维信息、不便利用三维地图
感知
Apollo可感知障碍物、交通灯和车道等物体，对于三维对象检测，在高精地图上使用感兴趣区域重点关注相关对象，将ROI过滤器应用于点云和图像数据，以缩小搜索范围并加快感知， 然后将已过滤得三维点云输入检测网络构建三维边界框，最后使用检测跟踪关联的算法，跨时间步识别单个对象（分类），该算法先保留每个时间步对象列表，再在下一个时间步找到每个对象的最佳匹配。对于交通灯灯等静态物体，先使用高精地图来确定前方是否存在交通信号灯，若有，返回信号灯位置，使用图像检测网络对灯进行定位，从灯较大的图裁剪信号灯，使用分类网络确定灯颜色，如果有多个灯，需要确定灯与车道的关联关系。使用YOLO检测车道线和动态物体，最后通过融合多传感器数据得到虚拟车道数据结构，融合其他传感器检测每个对象类型、位置、速度和前进方向，虚拟车道和动态对象传到规划与控制模块进行决策。
1、感知任务：
检测：找出物体在环境中的位置
分类：指明对象是什么，如路标分类器用于识别停车、让路和限速等标志。处理步骤输入图像、预处理（图像缩放、旋转、颜色空间变换等，更快处理和学习）、特征、分类模型
跟踪：随时间的推移观察移动物体 ，如行人、车辆等
语义分割：将图像中的每个像素与语义类别进行匹配，如道路、车辆和天空
2、感知世界的包括摄像头和激光雷达图像数据
3、神经网络：前馈、误差测定和反向传播
4、卷积神经网络：第一个卷积层识别基本边缘和颜色信息，第二层归纳更复杂的结构，如车轮、车门和挡风玻璃，第三层识别物体，最后进行分类
5、检测与分类：，动态障碍物，如首先考虑障碍物检测和分类，分为静态障碍物，如建筑物、树木、杆子，动态障碍物，如行人、自行车和各种车辆。首先需要知道它们位置，然后分类。可使用CNN先检测位置，再用另一个CNN分类；也可以用一个CNN进行检测和分类，如R-CNN、Fast R-CNN。
6、跟踪：跟踪可以解决遮挡问题，还可以保留障碍物身份，找出帧间物体对应关系。跟踪第一步通过查找特征相似度最高的对象进行匹配，由于相邻两帧物体速度相近，也可以根据速度辅助匹配
7、分割：对图像每个像素进行分类，并确定车辆可驾驶区域，语义分割常用全卷积网络（FCN），其输出层也是卷积网络。为了分割图像，输出图像和原始图像尺寸得一样，可通过上采样恢复尺寸，可分为编码器和解码器两部分
8、三种传感器优缺点：摄像头优势在分类，主要用于交通信号灯和车道检测，激光雷达在于检测障碍物，即使在夜间也能工作，但其为纳米波绕不过雨雪冰雹等，雷达在探测范围和应对恶劣天气方面占优势，雷达为毫米波，可以绕过毫米级障碍物。
9、Apollo使用激光雷达和雷达通过卡尔曼滤波融合检测障碍物，
预测
预测其他物体的运动轨迹，如其他车辆变道、下匝道等，为规划和控制提供决策信息。对实时性、准确性。分为基于模型和基于数据驱动的预测。预测和感知输出的区别是预测了更长得运动轨迹。
1、基于模型方法：先用不同模型作为车辆可能路径，再通过后续信息确定车辆更符合哪个模型，优点是直观，可以结合物理知识、交通规则等信息
2、基于数据驱动预测：使用机器学习算法训练模型
3、基于车道序列预测：将车道分为不同区域，预测车辆在车道如何转换，组成有限模式组合，作为车道序列
4、障碍物状态：结合车辆位置、朝向、速度、加速度和与车道线距离预测车辆轨迹
5、预测目标车道：Apollo使用RNN建立一个模型来预测车辆的目标车道
6、轨迹生成：预测目标车道序列后，最后生成预测轨迹
规划
第一步是路线规划，生成免碰撞和舒适的可执行轨迹，由一系列点定义，每个点都有一个关联速度和指示何时应抵达那个点的时间戳。输入高精地图、当前在地图上位置、目的地位置，输出点到点的路径(路由，全局规划)和汽车执行何种水平的轨迹（局部规划），是时间曲线，包括速度信息
1、Apollo通过搜索规划点到点路径，将路段作为节点，边作为节点连接线。拐弯比直行成本高
2、全局规划：A*是一种经典搜索算法，用于规划全局路径
3、局部规划：生成由一系列包含2D位置（速度）和时间戳的点组成，与预测时间结合，确保按计划通过
4、评价轨迹：与障碍物距离、乘客舒适（平滑）、符合汽车运动模型、符合法律法规、曲率。通过成本函数选出最佳路径
5、规划时使用Frenet坐标系，描述车辆相对道路的位置，s代表沿道路的距离，为纵坐标，d表示与横向向线的位移，为横坐标，表示偏离中心线距离，两者相互垂直
6、路径和速度解耦规划：分为路径规划和速度规划，首先生成可性的候选路径，使用成本函数对每条曲线进行评估，选择成本最低路径；然后，确定行进速度，
7、生成候选路径：首先将道路分成单元格，然后对单元格中点进行随机采样，每个单元格选一个点，连接生成路径
8、确定速度：ST图，s纵向位移，t表示时间，通过斜率得到速度。根据成本函数确定最佳速度
9、二次规划：使用优化包将路径平滑
10、lattice轨迹生成方法：分别建立ST和SL轨迹（横坐标）。巡航、跟随和停止。根据两个图可以将其转换到笛卡尔坐标系
控制
控制器输入一系列路径点来接收规划模块的轨迹和车辆当前状态（定位、车辆内部传感器数据：速度、转向和加速度），通过两者偏差，控制汽车沿路径点移动。控制器输出转向、加速和制动。准确、安全性、可行性和舒适度，即使路滑等情况也要准确规划路径。Apollo实现的三种控制策略：PID、线性二次调节器（LQR)、模型预测控制（MPC)
1、PID：偏差为偏离目标轨迹距离，优点是简单
2、LQR：基于模型的控制器，使车辆的状态误差最小化，使用LQR作横向控制，包括四个组件：横向误差及其变化率，朝向误差及其变化率。控制输入：转向、加速和制动
3、MPC：依赖数学优化，分为三步：建立车辆模型；使用优化引擎计算有限时间范围内的控制输入；执行第一组输入。不断重新评估。模型、约束和成本函数作为优化问题解决。MPC考虑了车辆模型，比PID更精确，适合不同的成本函数，缺点是更复杂、更缓慢和更难以实现。但在无人驾驶中比较常用
智能驾驶进阶课程
自动驾驶行业概述
轨迹一般最多做到5阶平滑，加速度倒数和踩油门的频率有关，决定有没有推背感，abs不停的点刹，防止车漂移。可见光波长380-780nm，激光雷达是905nm和可见光离得比较近，功率比较大，避免伤害人眼，1550nm可以做大功率，功率越大测得距离越远
Apollo框架：云端、软件层、硬件层、线控控
硬件开发平台
1.Uber出现事故原因：系统未闭环（碰撞前6s传感器发现行人，前1s原车开始制动，因为改装后并没用原车发送刹车指令，造成制动机构未动作）、交互设计缺陷（车辆未提醒驾驶员）、路面照明不足、不符合车规（车体重心较高，容易侧翻）
2.研发流程:软件在环（基于模拟器仿真）、硬件在环（基于必要的硬件平台，数据包）、车辆在环（基于车辆执行，封闭场地）、司机在环（基于实际道路，司机评判）
3.硬件系统：V2X指车车通信、人车通信等；T-BOX是车联网通信网关，上接互联网，下接CAN总线；远距离用77G激光雷达，近距离用24G激光雷达；
4.各传感器作用：L1和L2以人为主怕误检，L3以上以车为主，怕漏检；根据刹车距离，传感器达到150m足够了；0.4度分辨率，在100m外可以探测到汽车、人和自行车，0.1度400米能检测到人(1.4米)；
5.计算单元：需要冗余设计，目前主要是集中式处理器，所有计算集合到工控机；以后可能用嵌入式，使用sensor box做传感器数据融合；算法固定后可采用专用芯片，分为芯片设计、芯片制造和芯片封装；
6.车辆线控：减速控制（刹车）、转向控制（方向盘）和加速控制（油门），采用双备份冗余设计，提高安全性。分为三个阶段：对原车进行改装，加装电机控制，没有经过安全检测，安全隐患大；对车辆的ADAS系统进行接用，破解CAN总线协议，如MKZ的自动泊车及ACC；对车辆的定制，所有系统均可线控和手动控制，可考虑备份和冗余设计
7.Apollo硬件开发平台
百度Apollo定位技术
1.定位要求：精度小于10cm；鲁棒性，最大误差小于30cm；全天候场景
2.定位方法分类：
3.GPS：距离差分和载波相位差分，后者精度较高，分为RTK和PPP技术，目前RTK用的比较大，容易受电磁环境、遮挡和多路反射等影响；由于钟差需要四颗卫星；GPS授时
4.激光定位：地图可分为3D的体素地图和点云地图，2D的概率地图。航向角优化使用LK的方法优化颜色值和高度值信息，1、2度以内精度较高
定位地图格式：压成XY格子，每个格子有很多点，点中包含了Z值和颜色值，颜色值平均求方差放在反射值地图块，z值放在高度值地图块，格子分辨率为12.5cm
可用于定位地图、反射值和高度值等，窗口大小21*21个格子，红色表示响应值比较大，在这个位置概率比较大
加权自适应融合各图定位结果
5.视觉定位：特征点可能因为光照等影响，检测的重复率较低；但具有语义信息的特征检测率比较高，如灯杆等。
包含杆状物和地标等，线段较难找到描述子，利用PF通过投影算法计算重合度，判断是否匹配，未标注杆状物时横向能保持十厘米以内，纵向达到几十厘米
6.惯性导航（SINS）：几十块到上千万，无人车用的IMU有1、2十万，5、600ms还很准；
初始化对准：低等级IMU航向角对准较难，常用双天线方式；
7.融合定位(组合导航)框架：
简化框架：
如：
8.地心惯性坐标系（ECI）
地心地固坐标系（ECEF) 
9.当地水平坐标系：原点随载体移动而移动
10.UTM:水平地图，把地球划分为60个区域，平时定位输出坐标系
11.车体坐标系
12.IMU坐标系
13.激光雷达坐标系
14.整体坐标系
百度Apollo高精地图
1.高精度图与自动驾驶关系，从云端下发车端需要保证实时性，
2.高精地图采集与生产：激光雷达和相机相互补充生成地图，宽凳和deepmotion都采用纯视觉制图，可达到厘米级，宽凳为20厘米，还有用行车记录仪做众包制图。
3.格式规范：常用NDS和OpenDrive。NDS支持局部更新。Apollo基于OpenDRIVE,如下图，采用section方式分割道路，根据道路变窄和属性切分；车道线和虚拟车道基于reference line描述，
4.高精地图产品：HERE的Live Map，生成过程基于激光雷达，如下图，使用激光雷达建立Base Map，每天有28T数据量，NVME硬盘传输数据块，其优点是更新快，分为静态层、定位层和冬动态物体层、人的驾驶习惯。
mobileeye基于视觉的众包REM制图方案，视觉方案车道线没那么连续，road boo数据结构一公里10k左右数据量。另外还有谷歌和TomTom等。
5.Apollo采集方案：16线激光雷达扫描比较高的红绿灯标志牌等； 跑4、5遍重建效果才比较好；红绿灯用riegl采集
百度Apollo规划技术介绍
规划的本质是搜索，寻找目标函数的最优解。深度优先和广度优先都属于无信息的搜索方式，为了提高搜索效率，常使用启发式的搜索方式。
百度Apollo ROS接收
百度Apollo感知介绍
百度Apollo控制介绍
百度Apollo安装和仿真平台
docker近似建在Linux上的虚拟机，docker可以发布一个官方配置好的容器，可以下载部署，解决依赖问题
百度Apollo实战
