臨近年底，回想自己今年做的事情，越想越慚愧，搖搖擺擺持續(xù)內(nèi)耗導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率一直不高，如果說有感覺到學(xué)會了的東西那可能只有老師要求做的高精度地圖這方面的事情了，接手高精度地圖這方面已經(jīng)快一年多了，從去年的這個時候?qū)Ω呔鹊貓D一無所知，到現(xiàn)在可以說是稍有了解，其中走了許多彎路，想著能不能寫一篇文章出來總結(jié)一下自己的心路歷程，順便把自己學(xué)到的知識分享給大家。
雖然本文題目叫OpenDrive高精度地圖詳細(xì)解析及其使用，但是我會把我接觸高精度地圖從頭到尾學(xué)習(xí)到的東西都寫上，因?yàn)楸救藢W(xué)藝不精，其中難免會有許多問題，所以還是希望各位小伙伴兼聽則明，帶著批判性的去看去學(xué)習(xí)。

一.柵格地圖

柵格地圖是我接觸的第一個所謂的高精度地圖，因?yàn)楫?dāng)時剛剛?cè)腴T，啥也不懂，到網(wǎng)上搜索大多數(shù)的地圖出來的就是柵格地圖，但是柵格地圖其實(shí)本質(zhì)上并不屬于高精度地圖，我們目前所理解的高精度地圖能達(dá)到的許多功能柵格地圖完全做不到，最簡單的一點(diǎn)，柵格地圖只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)障礙物的避障，對于機(jī)器人可能是夠了，但是對于自動駕駛車輛來說是完全不夠的，車輛需要按照道路結(jié)構(gòu)去走，從而做出相應(yīng)的規(guī)劃。話雖如此，如果你想做的功能很簡單，那么柵格地圖也不是不可以。
接下來我會簡單敘述一下如何生成柵格地圖，注意，我們這里的前提是離線建圖，動態(tài)SLAM建圖需要你另尋出路。我們采用激光SLAM的方法生成柵格地圖，生成柵格地圖我們首先需要生成點(diǎn)云地圖，啥是點(diǎn)云地圖，可以看下面的圖片，你可以簡單理解為通過激光SLAM算法拼接一幀一幀的激光點(diǎn)云幀生成的一個點(diǎn)云圖（詳細(xì)名詞定義請搜索引擎）
激光SLAM生成的點(diǎn)云地圖格式大多是PCD格式的，顯示PCD格式的點(diǎn)云文件可以使用CloudCompare，軟件除了偶爾卡死意外真的很好用。
得到點(diǎn)云地圖的方法就是通過激光SLAM自己去建圖，可以去看我之前寫的那篇文章（這里注意一下，lego_loam在沒有imu的情況下Z軸偏移情況很嚴(yán)重，如果你只有一個激光雷達(dá)，那么我建議你使用hdl_graph_slam或是其他SLAM算法）。
得到這個點(diǎn)云地圖以后，我們就可以寫代碼來獲得柵格地圖了，那么如何通過點(diǎn)云生成的柵格地圖就是一個問題，我們知道點(diǎn)云地圖是由一個個密密麻麻的點(diǎn)構(gòu)成的，每個點(diǎn)都有其三維坐標(biāo)，柵格地圖就是用一個個柵格組成的網(wǎng)格來代表地圖，柵格里可以存儲不同的數(shù)值，代表這個柵格的不同含義。比如我們表示這個格子被占用（有靜態(tài)障礙物），就可以把表示這個格子的像素點(diǎn)標(biāo)注為黑色，沒有障礙物則為白色。我們首先給定一個柵格地圖的分辨率，比如說我們規(guī)定柵格上的一個格子代表0.5 * 0.5米的面積，那么在點(diǎn)云地圖上，將點(diǎn)云中的每個點(diǎn)按照0.5 * 0.5的格子去做二維投射（各位可以在腦子中想象一下這個過程，就不詳細(xì)展開來講了）隨后我們根據(jù)投射到每個格子中的點(diǎn)的個數(shù)和其高度Z值來判定這個格子是否顯示為占用，大致過程就是這樣，如果想深入學(xué)習(xí)關(guān)于柵格地圖的相關(guān)知識可以去找更具體的文章，這里只是簡單介紹一下。
我做這部分的工作的代碼剛開始是自己寫的，后來在找SLAM算法的時候發(fā)現(xiàn)koide3大神（hdl_graph_slam的作者）開源了一個相同功能的代碼，功能和效果都非常好，我把網(wǎng)址分享給大家，大家可以自己去下載。完成此步驟我們就可以獲得一個柵格地圖啦：

接下來我們就可以在這個柵格地圖上執(zhí)行路徑規(guī)劃算法了，比如A*，這方面的文章很多，我們目前項(xiàng)目所使用的代碼也是在CSDN的基礎(chǔ)上改出來的，大家可以根據(jù)A*框架結(jié)合自己的需求去寫。
到此為止柵格地圖差不多就告一段落了，總之，如果做的是自動駕駛尋路方面的項(xiàng)目，強(qiáng)烈建議不要使用柵格地圖，因?yàn)槠渥陨淼南拗?#xff0c;導(dǎo)致你很難通過它給予下游模塊（如軌跡規(guī)劃和決策控制）很好的支持，這里大致了解一下就可以了。

二.OpenDrive格式的高精度地圖

其實(shí)今年年初的時候我們并沒有意識到柵格地圖的劣根性，因?yàn)槲覀儗?shí)驗(yàn)室之前沒有做過類似的項(xiàng)目，而且委托的甲方更不懂，直到今年4月份的時候我們自己意識到問題才決定另尋出路。
我們的OpenDrive地圖時甲方委托專業(yè)的制圖公司來提供的，因此我們并沒有去手動標(biāo)注一張地圖，但是大致路線是有的：還是生成一張點(diǎn)云地圖（需要結(jié)合RTK，因?yàn)槟阈枰O(shè)置投影關(guān)系），用RoadRunner軟件去進(jìn)行投影關(guān)系的設(shè)置和道路元素的標(biāo)注，可以知乎關(guān)注@王方浩，他寫過一篇文章就是關(guān)于用RoadRunner來制作Opendrive格式的高精度地圖，過一陣子我也會自己踐行一下技術(shù)路線，然后把怎么做更新上來。
OpenDrive是一種比較成熟的開源的描述道路結(jié)構(gòu)的格式，其自身格式為xml文件（.xodr），用文字和公式的形式來表達(dá)一系列道路的形狀和連接情況。接下來，我會首先介紹OpenDrive的結(jié)構(gòu)（我并不會把OpenDrive中的所有元素都介紹給你，因?yàn)榇_實(shí)很多元素用的很少，如果一股腦的都寫上不如叫你去看OpenDrive的官方文檔。對了，官方文檔的地址在這：https://www.asam.net/index.php?eID=dumpFile&t=f&f=3768&token=66f6524fbfcdb16cfb89aae7b6ad6c82cfc2c7f2）。隨后告訴你如何解析OpenDrive的結(jié)構(gòu)到內(nèi)存中形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最后研究如何在OpenDrive的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)routing的功能。
在介紹總體結(jié)構(gòu)之前，我先要向你講述Opendrive的坐標(biāo)系，OpenDrive地圖中主要包含三個坐標(biāo)系，分別為xy慣性坐標(biāo)系，st參考線坐標(biāo)系和uv局部坐標(biāo)系，其中我將著重于前兩個坐標(biāo)系，因?yàn)榈谌齻€確實(shí)用處沒有那么大。三者關(guān)系如圖所示：

慣性坐標(biāo)系的X軸通常指向東，Y軸指向北，作為最穩(wěn)定的坐標(biāo)系，在執(zhí)行routing等功能時我們使用的都是慣性xy坐標(biāo)，弧度關(guān)系為X軸為0逆時針為正（-pi, pi），Y軸為pi/2。接下來我們有很多地方會使用到慣性坐標(biāo)系。
st坐標(biāo)系是我個人認(rèn)為最重要的坐標(biāo)系，又名參考線坐標(biāo)系，參考線我會在下面重點(diǎn)講解，目前你可以將其理解為道路走勢的一種抽象，看上面的藍(lán)線就是一條參考線，將其想象為一條道路，那么st坐標(biāo)系的走勢就是從參考線開始到參考線結(jié)束一直沿著參考線的切線方向進(jìn)行的，st坐標(biāo)系是針對于參考線來說的，只有同一條參考線為基準(zhǔn)下才能比較兩個點(diǎn)的st坐標(biāo)。大致如下圖所示：

可以看到，st坐標(biāo)系一直隨著參考線的變化在變化，且一直沿著切線方向，由此我們可以推斷出：在st坐標(biāo)系中S的取值范圍為[0, 參考線長度length]，而t即為基于參考線的偏移，所有處于參考線上的點(diǎn)t值均為0，這里請自己思考一下，下面我們講參考線的時候還會再敘述。
uv坐標(biāo)系目前看來只有在參數(shù)多項(xiàng)式那里使用了，你目前只需要知道它是由參考線坐標(biāo)系通過確定原點(diǎn)并提供偏向角來確定的，此外無他。
接下來正式是OpenDrive的總體結(jié)構(gòu)，下面我用一張圖來表述：

這是我在csdn的一篇文章中找來的圖，我們可以看到可以將OpenDrive格式的文件結(jié)構(gòu)分為三大類：Header類，Roads類，Junction類。
首先第一類是Header，這個大類元素中最重要的一個元素就是geoReference，這個元素規(guī)定了整個Opendrive地圖的投影方式，因?yàn)槲覀兊牡厍蚴菣E球體，所以需要將其進(jìn)行相應(yīng)的投影成為笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)，我不是GIS專業(yè)的，所以原理我并沒有深入了解。當(dāng)你在用OpenDrive地圖時，你可以使用georeference中給出的proj字符串，通過pyproj（一個python的庫，可以處理很多GIS方面的問題）設(shè)定對應(yīng)關(guān)系，來完成諸如WGS84向opendrive慣性坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。（具體的對應(yīng)關(guān)系以及proj的投影問題可以去proj的官網(wǎng)或者CSDN學(xué)習(xí)下，pyproj里面的CRS支持直接輸入proj字符串進(jìn)行解析，不需要你弄懂他的構(gòu)造）。下圖中是我標(biāo)出的proj字符串位置：

第二類是Roads類，這是我們要最著重講的環(huán)節(jié)，Roads類中包含著所有地圖中描述了的道路，每一條道路被一對road標(biāo)簽表示。讓我們根據(jù)實(shí)例先看一眼road在OpenDrive是如何表述的

這是我在OpenDrive中挑選的一個road元素，可以看到拿這個圖片結(jié)合上面的結(jié)構(gòu)圖片對比一下，我框選出來的road中比較重要的元素包括link、planView、lanes等，接下來我們會一一進(jìn)行講解。
首先要介紹的是road自身的屬性

可以看到上面的屬性包括name即道路的名字，這個屬性并非必須，length是道路的總長度，還記得我們上面說過的st坐標(biāo)系取值么，其中的[0,length]就是這個length。id是一種專屬于道路的唯一屬性，OpenDrive文件中不允許出現(xiàn)兩個ID相同的道路。junction是標(biāo)明該道路是否屬于一個junction（交叉口，這個元素我們后面會講，你目前可以將他理解為一個道路關(guān)系的集合，專門用來處理復(fù)雜道路連接情況的）如果該道路屬于一個junction，那么junction屬性的值就是所屬junction的id。
接下來就是road中包含的諸多屬性，在最開始我們要介紹的就是參考線，是我認(rèn)為整個road中最重要的元素，首先我想希望讀者您在腦海中構(gòu)想出一條道路，不考慮該道路上的車道和寬度，將其抽象為一條線，這大致就是參考線的雛形了，在這里，我先給出一張圖，

這張圖表示了一個道路的組成，我希望讀者重點(diǎn)觀察參考線和道路、車道之間的關(guān)系，你要知道的一點(diǎn)是，絕大部分情況下，參考線代表了道路的大體走勢。
接下來的問題是，我們該如何用公式和數(shù)字表示參考線呢？請記住下面的話：**一條道路只能有一條參考線，而一條參考線可以有多條幾何線構(gòu)成。**是的，我們使用一種叫做幾何線（geometry）的元素來表示參考線。為什么要用多條幾何線來表示參考線呢，因?yàn)槲覀儫o法保證一條道路的走勢是完全一致的，設(shè)想一條前半段為直線后半段為曲線的道路，如果想方便的用方程對其進(jìn)行表示，分段表示是最好的選擇，而這種分段，就是幾何線表示參考線的遠(yuǎn)離所在。

我們來看一下參考線和幾何線在opendrive中是被如何表示的：

你可以仔細(xì)看一下上圖中的元素，猜想一下其中元素的含義，我可以先告訴你，這一條道路由兩條直線幾何線和一條弧線幾何線構(gòu)成，我用matplotlib把這條道路用點(diǎn)畫出來就是下面的效果

這是一整條道路，最右面紅色的點(diǎn)代表的就是參考線（為什么你后面就知道了），現(xiàn)在你應(yīng)該可以大致看出端倪了，在下面我們會對這條道路做詳細(xì)分析。
為了更好理解我們要做的事情，接下來我們了解幾種比較常用的幾何線;
首先是直線，直線是最常用的元素，在OpenDrive中用line來表示。直線有四個屬性，首先是S值，S值表示該段幾何線在參考線中的起始位置，觀察上面我給出的那條參考線并結(jié)合OpenDrive代碼，你可以發(fā)現(xiàn)表示參考線的第一條幾何線就是直線，所以第一條直線的S值就是0。其次是x, y值，xy值給出參考線起始位置在慣性坐標(biāo)系下的位置。然后是heading，該值給出起始朝向，用弧度表示，上面給出的第一條line的弧度轉(zhuǎn)化成為角度大致是-71度，最后是length屬性，給出幾何線的長度。結(jié)合上述屬性，我們可以確定這樣一條參考線。我畫出了大致的示意，希望能對你有幫助
下面要介紹的參考線是弧線，也可以理解為弧度一致的曲線，在OpenDrive中使用arc來表示，弧線的屬性除了直線所有的一切以外還包括一個curvature弧度，因?yàn)榛【€本身就是弧度恒定的曲線，這樣通過上述屬性我們就可以確定一個弧線了，還是給出大致的示意圖，希望能夠?qū)δ阌袔椭?#xff0c;注意觀察，此時弧線的起始S值與上一條直線的length一致（一定要完全掌握S值的概念和st坐標(biāo)系，要不然后面會出問題）弧度是一致的，我畫工有點(diǎn)菜，湊活看。

再介紹一個螺旋線，用spiral表示，螺旋線特點(diǎn)是他是弧度線性變化的曲線，所以在包含所有直線的屬性以外，還包含一curvStart和curvEnd屬性，為線性變化的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。我手中的OpenDrive實(shí)例是沒有spiral元素的，所以只能給你官方的圖實(shí)例，看出弧度線性變化的效果了么？

下面還有一個參數(shù)三次多項(xiàng)式，放在過兩天再更吧，今天已經(jīng)寫了很多了。

（2021.11.20更新）
接下來我們講解最后一個幾何線，即參數(shù)三次多項(xiàng)式，本來應(yīng)該還有一個三次多項(xiàng)式的，但是已經(jīng)被OpenDrive官方取消了，以參數(shù)三次多項(xiàng)式代替，但是我們還是要首先介紹一下三次多項(xiàng)式，以便更好的理解參數(shù)三次多項(xiàng)式。我們先給出參數(shù)三次多項(xiàng)式的方程：

三次多項(xiàng)式我們會用到一個前文提到的很少用到的坐標(biāo)系，那就是uv坐標(biāo)系，前面說過，uv坐標(biāo)系是根據(jù)st坐標(biāo)系給出偏移生成的一個坐標(biāo)系，那么是如何給定參數(shù)確定的這種偏移呢，答案是通過上面給出的a、b參數(shù)，參數(shù)b負(fù)責(zé)給出相對于st坐標(biāo)系的航向角/偏向角，角度為arctan(b)，參數(shù)a負(fù)責(zé)給出當(dāng)u = 0時，沿v坐標(biāo)軸的偏移量。那么聰明的你此刻一定意識到了，當(dāng)uv坐標(biāo)系與st坐標(biāo)系重合時，a = b = 0。當(dāng)我們想將uv坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為xy坐標(biāo)時，使用下述公式：

參數(shù)三次多項(xiàng)式就暫時講這么多，接下來就是參數(shù)三次多項(xiàng)式，參數(shù)多項(xiàng)式稍稍有些復(fù)雜，我并不知道我是否能夠講好，如果你沒看懂可以去看看官方文檔或者其他人寫的。參數(shù)三次多項(xiàng)式有很多屬性:aU、bU、cU、dU、aV、bV、cV、dV、pRange，下面結(jié)合公式：

可以看出參數(shù)三次多項(xiàng)式與三次多項(xiàng)式不同，將uv坐標(biāo)系的兩個值uv分開，并引入公共參數(shù)p,注意這里的p并不是給的屬性pRange，p是需要你自己去算的插值，而這個p的取值范圍就是（0，pRange），那么我們計算p呢，下面給出我的算法：
dis / length * pRange
其中dis就是你希望在這條線上每隔多少取一個點(diǎn)，length就是這條參考線的實(shí)際長度，這個算法實(shí)際上很簡單，你一定能看懂，這樣迭代dis就可以獲得一系列的p,通過這些p就可以獲得一系列的u、v，再通過上面給出的式子就可以獲得x、y，語言很抽象，下面看圖：



重點(diǎn)看第三幅圖,上面有各個參數(shù)的幾何意義，希望看到這你能夠大致理解參數(shù)三次多項(xiàng)式的結(jié)構(gòu)和格式。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的OpenDrive格式高精度地图详细解析及其使用（1.栅格地图、OpenDrive坐标系以及参考线介绍）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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