【信号处理】通过 “最近邻匹配” 和 “球面线性插值(SLERP)” 两种方式将 GNSS 位姿(位置 + 四元数插值到激光雷达时间戳附Matlab代码

简介: ✅作者简介:热爱科研的Matlab仿真开发者,擅长数据处理、建模仿真、程序设计、完整代码获取、论文复现及科研仿真。🍎 往期回顾关注个人主页:Matlab科研工作室 👇 关注我领取海量matlab电子书和数学建模资料 🍊个人信条:格物致知,完整Matlab代码获取及仿真咨询内容私信。🔥 内容介绍1. 引言:为什么需要位姿时间戳对齐?在自动驾驶、移动测绘、机器人导航等场景中,GNSS(全球导航卫星系统)负责提供高精度位姿(位置 X/Y/Z + 姿态四元数 Qx/Qy/Qz/Qw),激光雷达负责采集环境点云数据,二者需通过时间戳对齐才能实现点云与地理坐标的精准融合 ——

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🔥 内容介绍

  1. 引言:为什么需要位姿时间戳对齐?

在自动驾驶、移动测绘、机器人导航等场景中,GNSS(全球导航卫星系统)负责提供高精度位姿(位置 X/Y/Z + 姿态四元数 Qx/Qy/Qz/Qw),激光雷达负责采集环境点云数据,二者需通过时间戳对齐才能实现点云与地理坐标的精准融合 —— 毕竟 GNSS 和激光雷达的采样频率不同(如 GNSS 采样率 10Hz、激光雷达 100Hz),同一时刻的观测数据无法直接匹配。

若位姿与点云时间戳错位,会导致点云拼接变形、地理定位偏差等问题,严重影响后续的 SLAM 建图、障碍物检测等算法效果。而 “最近邻匹配” 和 “球面线性插值(SLERP)” 是两种最常用的位姿时间戳对齐方法:前者简单高效,适合对实时性要求高的场景;后者精度更高,能解决姿态插值的非线性问题。本文将从原理到实战,全面拆解这两种方法的实现逻辑。

  1. 核心基础:时间戳对齐的前提认知

2.1 数据特性分析

GNSS 数据:输出频率较低(通常 1-20Hz),每个数据帧包含 “时间戳 T_gnss + 位置 P (X,Y,Z) + 姿态四元数 Q (w,x,y,z)”,数据离散但精度高;
激光雷达数据:输出频率较高(通常 10-200Hz),每个点云帧仅包含 “时间戳 T_lidar”,需通过插值获取对应时刻的 GNSS 位姿;
时间戳对齐目标:对于每个激光雷达时间戳 T_l,找到对应的 GNSS 位姿 P_l 和 Q_l,使 T_l 与 GNSS 位姿的时间戳误差最小,且位姿数据连续平滑。
2.2 关键概念铺垫

时间戳同步原则:假设 GNSS 数据按时间顺序排列为 {(T0,P0,Q0), (T1,P1,Q1), ..., (Tn,Pn,Qn)},对于任意激光雷达时间戳 T_l,需找到满足 Ti ≤ T_l ≤ Ti+1 的相邻 GNSS 帧,再通过插值计算 T_l 对应的位姿;
位置插值 vs 姿态插值:位置(X/Y/Z)是欧氏空间的线性数据,可直接线性插值;姿态(四元数)是球面空间的数据,线性插值会导致姿态扭曲、旋转速度不均匀,因此需用 SLERP 实现球面插值。

  1. 方法一:最近邻匹配 —— 简单高效的时间戳对齐方案

3.1 核心原理

最近邻匹配的逻辑的是 “找时间上最接近的 GNSS 帧作为激光雷达帧的对应位姿”:对于激光雷达时间戳 T_l,遍历所有 GNSS 数据的时间戳 Ti,计算 | T_l - Ti|,选择误差最小的 Ti 对应的位姿 (Pi, Qi) 作为 T_l 的对齐结果。

该方法无需复杂计算,仅需时间戳的遍历与比较,实时性极强,适合 GNSS 采样率与激光雷达采样率接近(如 GNSS 20Hz、激光雷达 30Hz)或对精度要求不高的场景。

3.2 实现步骤

数据预处理:将 GNSS 数据按时间戳升序排序,去除重复或时间戳错乱的数据帧;
时间戳匹配:对于每个激光雷达时间戳 T_l:
计算 T_l 与所有 GNSS 时间戳 Ti 的时间差 Δt_i = |T_l - Ti|;
找到 Δt_i 最小的 GNSS 帧索引 k,即 k = argmin (Δt_i);
赋值 T_l 对应的位姿:P_l = Pk,Q_l = Qk;
异常处理:若最小时间差 Δt_min 超过设定阈值(如 0.5s),则标记该激光雷达帧为 “位姿缺失”,避免使用异常数据。
⛳️ 运行结果
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📣 部分代码
close all

clear

clc

T12 = eye(4);

% T2eul(2) = 0;

T12(1:3,1:3) = eul2rotm(T2eul(4:6));

T12(1:3,4) = T2eul(1:3);

start_id = 300;

Lidar2gnss = [];

for j = start_id:end_id

pose_l = eye(4);

pose_l(1:3,4) = T_l0(1:3,1:3) \ (Lidar_pose(j,1:3)' - T_l0(1:3,4));

pose_l(1:3,1:3) = T_l0(1:3,1:3) \ quat2rotm(Lidar_pose(j, 4 : 7)); % qw qx qy qz

% pose_l = T_l0 \ get_pose(Lidar_pose(j,:));

T_l2g = T_g0*(T12 *pose_l /T12);

q = rotm2quat(T_l2g(1:3,1:3));

t = T_l2g(1:3,4);

Lidar2gnss = [Lidar2gnss;t' q];

end

Lidar2gnss = Lidar2gnss - slerp_pose(1,:);

slerp_pose = slerp_pose - slerp_pose(1,:);

figure

grid on

axis equal

plot(Lidar2gnss(:, 1), Lidar2gnss(:, 2),'ks-')

hold on

plot(slerp_pose(:, 1), slerp_pose(:, 2), 'r.-')

xlabel('X / m')

ylabel('Y / m')

zlabel('Z / m')

zlim([-20 30])

title('标定前')

legend('LiDAR Original', 'INS')

🔗 参考文献

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