车载GNSS/INS/LiDAR坐标系定义与理解

目录

  • 一、基本坐标系
    • 1.1 地心惯性坐标系（Inertial coordinate system，i系）
    • 1.2 地心地固坐标系（Earth-Centered, Earth-Fixed，e系）
    • 1.3 导航坐标系（Navigation，n系）
    • 1.4 车体坐标系（body，b系）
    • 1.5 惯性测量单元坐标系（imu系）
    • 1.6 速腾RS-LIDAR-32激光雷达坐标系（lidar，l系）
    • 1.7 世界坐标系（World，w系）
  • 二、其他坐标系
    • 2.1 火星坐标系（GCJ02）
    • 2.2 utm坐标系
      • 2.2.1 三维地形在地理坐标系和投影坐标系中的差异
      • 2.2.3 关于WGS84直角坐标系和UTM投影的使用思考
  • 三、参考资料

一、基本坐标系

在这里插入图片描述

1.1 地心惯性坐标系（Inertial coordinate system，i系）

坐标轴定义：

  • 原点位于地球质心，Z轴与地轴平行指向北极点，X轴和Y轴位于赤道平面内，X轴指向平均春分点，Y轴与XZ轴构成右手笛卡尔坐标系。

注意：

  • 该坐标系不随地球自转而转动，但是由于地球绕恒星（太阳）公转，以及太阳系绕银河系公转而存在移动，因此，该系不是绝对惯性系，然而这些影响十分微弱，低于惯导的噪声水平，因而可以忽略不计。

1.2 地心地固坐标系（Earth-Centered, Earth-Fixed，e系）

坐标轴定义：

  • 原点位于地球质心，Z轴与地轴平行指向北极点**（与i系一样）**，X轴和Y轴位于赤道平面内，X轴指向本初子午线，Y轴垂直于XOZ平面(即东经90度与赤道的交点)构成右手笛卡尔坐标系。

注意：

  • 该坐标系跟随地球自转而旋转。常用坐标系有WGS-84、CGCS2000等。

1.3 导航坐标系（Navigation，n系）

坐标轴定义：

  • 原点位于车辆质心，X轴相切于当地纬线指向东（E）；Y轴相切于当地经线指向北（N）；Z轴根据右手笛卡尔坐标系准则指向天（U），也就是常说的东北天（ENU）坐标系。

注意：

  • 还有一种北东地（NED）坐标系，Z轴向下，在无人机领域用的比较多。
  • 还被叫做站心坐标系、地理坐标系、当地水平坐标系。

在这里插入图片描述

1.4 车体坐标系（body，b系）

坐标轴定义：

  • 原点在车体质心，XYZ轴的定义标准不同，与导航坐标系的东北天配套使用的话，使用右前上坐标系比较方便。X轴指向车体右方，Y轴指向车体前方，Z轴垂直XOY平面向上，构成右手笛卡尔坐标系。
    在这里插入图片描述
    注意：

  • ISO定义的车体坐标系在车辆动力学分析中较为常见；

  • SAE定义的车体坐标系与航空航天领域常用的机体坐标系相一致；

  • 基于IMU定义的车体坐标系，则在IMU的相关应用中较为常见。我们选这个。

1.5 惯性测量单元坐标系（imu系）

坐标轴定义：

  • 如上一张图所示，也可以看传感器的标注方向，比如我的华测CGI-610。
    在这里插入图片描述
    注意：
  • imu经常安装在两个车轴中间，后轴的中间；
  • imu坐标系有安装误差，不能保证其坐标轴与车体坐标系坐标轴平行；
  • 随着车体刚性运动，可以根据imu位姿推算车体中心的位姿变换；
  • 也可以将imu坐标系与车体坐标系等价。

1.6 速腾RS-LIDAR-32激光雷达坐标系（lidar，l系）

坐标轴定义：
设备本身的坐标系定义为右前上右手笛卡尔坐标系，原点在设备的中心位置，说明书有标注；
线束本身是极坐标表达的坐标系，有的论文叫做扫描仪坐标系、瞬时光束坐标系。

在这里插入图片描述
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注意：

  • 但是ROS包解析的点云把下图中的坐标系绕Z轴逆时针转了90°，体现在ros中的点云，雷达前方是X+，左侧时Y+，乘一个旋转矩阵可以变换的和IMU坐标系一致。
  • 如果用pcap的原点云数据的话，需要自己进行瞬时光束坐标系到右手笛卡尔坐标系的转换；
  • 如果在ROS里使用，相当于自带程序包实现了上一步。

1.7 世界坐标系（World，w系）

坐标轴定义：

  • 原点为初始位置，XOY平面为当地水平面，X轴为指向东的纬线切线，Y轴为指向北的经线切线，Z轴垂直于XOY平面，形成右手笛卡尔坐标系。

注意：

  • 这个可以理解为一个抽象出来的虚拟坐标系，原点的初始位置可以是激光点云地图的初始位置、视觉地图的初始位置，也可以是车体运动的初始位置。有的论文也叫地图坐标系。

二、其他坐标系

2.1 火星坐标系（GCJ02）

  • 由中国国家测绘局制定，是WGS84坐标系经加密后的坐标系。进一步加密有BD09坐标系（百度）。
  • 国内第三方API坐标系情况如下：
    百度地图——BD09
    阿里云、高德——GCJ02

注意：

  • 用来在地图上显示轨迹

2.2 utm坐标系

坐标轴定义：

  • X轴：指向东边、Y轴：指向北边、Z轴：指向天顶
  • 将球面经纬度坐标经过投影算法转换成的平面坐标，大概原理如下图。

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

注意：

  • 中国东部地区属于UTM Zone 50N

2.2.1 三维地形在地理坐标系和投影坐标系中的差异

  • 地理坐标系下的一块地形：像一块瓦片
    在这里插入图片描述
  • 投影坐标体系的一块地形：红色箭头所指
    在这里插入图片描述

2.2.3 关于WGS84直角坐标系和UTM投影的使用思考

  • WGS 84经纬高（LLA）转换为直角坐标系XYZ后，可以用于导航，在小范围是一个平面，使用和UTM没有什么差异
  • 但是要在大范围、长运动距离的情况下使用时，还是UTM更好，xy+h可以表示为带有高程信息的平面

三、参考资料

华测组合导航设备说明书
速腾激光雷达说明书
UTM示意图: UTM坐标和WGS84坐标
三维地形在地理坐标系和投影坐标系中的差异: DEM的三维地形在地理坐标系和投影坐标系中的表现

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