Velodyne VLP-16激光雷达在ROS中的使用

VLP-16激光雷达

主要参数：

• 测量距离：100m
• 垂直视场角：30度(-15度至+15度)
• 垂直角分辨率：2度
• 水平视场角：360度
• 水平角分辨率：0.1度至0.4度
• 旋转速率：5至20Hz
• 点数：30万/s

测试环境：
Ubuntu16.04+Kinetic

参数配置

1. 配置主机IP
   点击主机网络设置，编辑以太网有线连接；

   主机IP设置

   将IP地址改为与激光雷达同一网段(192.168.1.x)，子网掩码为255.255.255.0，注意不要与激光雷达IP冲突，激光雷达的IP为192.168.1.201；

2. 配置VLP-16

   VLP-16参数配置

使用方法

参考Ros Wiki：http://wiki.ros.org/velodyne

1. 安装驱动

   sudo apt-get install ros-kinetic-velodyne
   

2. 新建ROS工程

   mkdir -p data_velodyne/src
   cd data_velodyne/src
   git clone https://github.com/ros-drivers/velodyne.git
   rosdep install --from-paths src --ignore-src --rosdistro kinetic -y #安装工作空间src路径下所有功能包的依赖项
   cd ..
   catkin_make_isolated --install
   source ~/data_velodyne/devel_isolated/setup.bash
   

3. 启动采集程序

   roscore
   roslaunch velodyne_pointcloud VLP16_points.launch
   

4. 记录数据包

   rosbag record -o /data_velodyne/bags/data_velodyne /velodyne_points
   

5. 可视化(rviz)

   rosrun rviz rviz -f velodyne
   

   在rviz中Add PointCloud2，输入topic /velodyne_points订阅话题信息；

3D点云可视化 最后，自己借助shell脚本封装程序，实现一键采集并录制数据，源码如下：

data_velodyne

数据格式

• .pcap(原始数据格式) 激光雷达数据帧 pcap文件是常用的数据包存储格式，总体结构是文件头-数据包头1-数据包1-数据包头2-数据包2...，作为velodyne专用的数据格式，解析较为麻烦，一般在程序设计中都会采用其他格式。如上图所示，每一帧的数据长度固定为1248字节，包括前42字节的数据包标识、12组数据包、4字节时间戳和最后两字节雷达型号参数;12组数据包中前两字节为数据包的开始标识(0xFFEE)、接下去两字节为当前旋转角度值和连续32x(2字节的距离值+1字节的激光反射强度值)字节的距离信息，其中32x3 字节分别为雷达两次获取探测信息，每个数据包开头所携带的旋转角度是指当前数据包前16x3字节对应的角度，而后16x3字节对应的旋转角度激光雷达没有直接给出，需要通过计算前后两次旋转角度然后求取平均值获得。
• .txt/.xyz/.pts/.csv(ASCII)
  读写方便，但是数据读取较慢且占用大量空间，对海量点云数据的存储和处理较困难。

  X Y Z R G B
  ...
  

• .las
  由美国摄影测量与遥感协会提出，目前通用的点云数据格式，开放的二进制数据格式，只能用存储空间相对较小，但读写需要专业软件。
• .pcd
  Point Cloud Library定义格式，包含文件头及点云数据。

  # .PCD v.7 - Point Cloud Data file format
  VERSION .7 #指定pcd文件版本
  FIELDS x y z rgb #维度与字段
  SIZE 4 4 4 4 #各字段字节大小
  TYPE F F F F #字段类型
  COUNT 1 1 1 1 #各维度包含元素数目
  WIDTH 213 #点云数据集宽度
  HEIGHT 1 #点云数据集高度
  VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0 #点云的获取视点
  POINTS 213 #点云总数
  DATA ascii　#数据类型
  0.93773 0.33763 0 4.2108e+06 #点数据
  0.90805 0.35641 0 4.2108e+06
  

• ROS中的消息格式
  • ROS消息头

    #Standard metadata for higher-level flow data types
    #sequence ID: consecutively increasing ID
    uint32 seq
    #Two-integer timestamp that is expressed as:
    # * stamp.secs: seconds (stamp_secs) since epoch
    # * stamp.nsecs: nanoseconds since stamp_secs
    # time-handling sugar is provided by the client library
    time stamp
    #Frame this data is associated with
    # 0: no frame
    # 1: global frame
    string frame_id
    

  • sensor_msgs/LaserScan

    # 测量的激光扫描角度，逆时针为正
    # 设备坐标帧的0度面向前（沿着X轴方向）
    
    Header header
    float32 angle_min        # scan的开始角度 [弧度]
    float32 angle_max        # scan的结束角度 [弧度]
    float32 angle_increment  # 测量的角度间的距离 [弧度]
    float32 time_increment   # 测量间的时间 [秒]
    float32 scan_time        # 扫描间的时间 [秒]
    float32 range_min        # 最小的测量距离 [米]
    float32 range_max        # 最大的测量距离 [米]
    float32[] ranges         # 测量的距离数据 [米] (注意: 值 < range_min 或 > range_max 应当被丢弃)
    float32[] intensities    # 强度数据 [device-specific units]
    

  • sensor_msgs/PointCloud

    #This message holds a collection of 3d points, plus optional additional information about each point.
    #Each Point32 should be interpreted as a 3d point in the frame given in the header
    Header header
    geometry_msgs/Point32[] points  #Array of 3d points
    ChannelFloat32[] channels       #Each channel should have the same number of elements as points array, and the data in each channel should correspond 1:1 with each point
    

  在结合ROS使用的时候，我们常常将数据记录到.bag文件中，若需要其他格式的点云，我们可以进行对应的转换，例如需要.pcd格式的点云文件，则运行以下命令即可：

  rosrun pcl_ros bag_to_pcd data_velodyne.bag /velodyne_points pcds
  

  这样，转换出来的pcd文件就会存到指定的目录下。

pcd格式点云

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参考资料

1. Velodyne VLP-16激光雷达数据格式解析
2. velodyne：激光雷达pcap文件格式及写入、数据解析