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1 系统概述

1.1 主要功能

使用探测距离达260m，精度2cm，非重复扫描方式的Mid-40激光雷达传感器，结合APX-15惯导模块提供的高精度位置，姿态数据，实现实时的高精度建图功能。

下图是实时的建图效果：

下图是整体效果：

1.2 系统框图

整个系统包含以下几个主要的模块，各模块互相的连接和数据交互如下图所示：

以上数据链路的接口和用途说明：

GNSS signal：GPS天线，给APX-15提供卫星信号；

NTRIP：网络接口，用于无线网络模块和APX-15之间交互网络RTK服务的NTRIP数据；

PPS：TTL电平接口，给Mid-40提供硬件时间同步信号；

Point Data：Manifold和Livox转接盒通过网口，传输Mid-40的点云数据；

GNRMC：USB转RS232电平，接入Manifold，给Mid-40提供每次PPS脉冲对应的时间信息；

GSOF：USB转TTL电平，接入Manifold，传输APX-15输出的姿态、位置数据；

Power：使用24v直流电源，给Manifold、Mid-40、APX-15供电；

2 系统搭建

下面将介绍如何完成搭建整个系统的硬件，并完成相关模块的配置。

2.1 硬件列表

首先需要准备如下的几个硬件模块，备注中有相关产品的说明和链接。

名称 数量 备注
APX-15 1 APX-15 UAV
GNSS天线 1 支持频段：GPS+GLONASS+BeiDou+Galileo
USB转TTL/RS232模块 2 支持USB转TTL电平或RS232电平，CP2102多功能模块
Manifold 2 1 NVIDIA Jetson TX2核心，Manifold 2-G
Mid-40 1 推荐使用短连接线版本，Mid-40
Livox转接盒2.0 1 9~30v电源输入，TTL电平同步接口，非Mid-40原装转接盒，Horizon产品中附带
无线网络模块 1 连接室外3G/4G信号，带RJ45接口，华为WiFi 2 Pro

备注：

  • USB转TTL/RS232模块：因为APX-15的COM1输出的信号为RS232电平，COM3输出的信号为3.3v TTL电平，所以分别需要一个USB转TTL模块和一个USB转RS232模块；
  • Manifold 2：可以使用其他的小型miniPC替代，如果要安装在多旋翼飞机上，需要考虑供电和重量；
  • Mid-40：因为整个系统需要紧凑的组装在一起，推荐使用短连接线版本的Mid-40，购买短线版本需要联系Livox官方销售人员；
  • Livox转接盒2.0：如果使用Mid-40自带的转接盒（Livox转接盒1代，10~16v电源输入，485电平同步接口），需要使用DC-DC模块将24v的供电电压转换到12v，且需要TTL转接485电平的模块，将APX的PPS信号转换成485电平后接入同步接口。Livox转接盒2.0为Horizon/Tele产品中附带的模块，如单独购买需要联系Livox官方销售人员；
  • 无线网络模块：给APX提供网络RTK的连接服务，因为APX使用有线以太网接口，所以网络模块需要带RJ45有线接口；

2.2 连接和配置

整个系统有3个核心的模块，分别是：

  1. Mid-40
  2. Manifold/miniPC
  3. APX-15

下面将介绍它们在整个系统中的线路连接，以及功能配置。

2.2.1 Mid-40

Livox转接盒一端连接Mid-40，另一端有3个接口：

供电：连接24v电源；

网口：网线连接Manifold 2；

同步接口：同步信号线的蓝色连接APX的PPS信号输出端口(PIN13)，黑色连接APX的GND端口(PIN12)；

2.2.2 Manifold/miniPC

供电：连接24v电源；

网口：网线连接Livox转接盒2.0；

USB to RS232模块：RS232 Rx端连接APX-15的COM1 Tx(PIN20)，RS232 GND连接APX-15的GND(PIN12)；

USB to TTL模块：TTL Rx端连接APX-15的COM3 Tx(PIN22)，TTL GND连接APX-15的GND(PIN12)；

2.2.3 APX-15

MMCX接口：连接GNSS天线

PIN12：GND

PIN13：输出PPS信号

PIN20：COM1 Tx，输出GNRMC数据

PIN22：COM3 Tx，输出GSOF的INS Full Navigation Info数据

PIN27/29/31/33：RJ45有线网络接口，用于传输网络RTK服务数据

PIN42：电源GND

PIN44：电源+24v输入

为了使APX-15的COM1能输出GNRMC数据，COM3能输出GSOF数据，需要在APX-15的管理界面（通过浏览器登陆），配置对应IO输出数据的类型和频率。同时为了使用网络RTK服务，需要在对应页面添加网络RTK服务的NTRIP client账号。

COM1输出配置：

COM3（在管理界面显示为COM2）输出配置：

添加NTRIP client账号：

2.3 组装和调试

按照上述的介绍，完成对应的硬件线路连接和接口配置后，将各个模块按照如下的方式尽可能紧凑的安装在一起：

装配中的imu和LiDAR之间的相对坐标：

安装在飞机上的效果图：

如上图所示的实际安装，因为LiDAR和imu安装的比较近，我们没有配置它们之间的平移参数，但imu和GNSS天线之间距离较远，我们需要配置这个平移参数：

3 软件使用

3.1 下载和安装

以下测试基于Ubuntu 64-bit 16.04环境。

1、安装Livox SDK和livox_ros_driver，如已安装，可以跳过此步骤：

# 安装Livox_SDK
git clone https://github.com/Livox-SDK/Livox-SDK.git
cd Livox-SDK
sudo ./third_party/apr/apr_build.sh
cd build && cmake ..
make
sudo make install

# 安装livox_ros_driver
git clone https://github.com/Livox-SDK/livox_ros_driver.git ws_livox/src
cd ws_livox
catkin_make

2、安装PCL，Eigen依赖：

3、安装livox_high_precision_mapping：

cd ws_livox/src
git clone https://github.com/Livox-SDK/livox_high_precision_mapping.git
cd ws_livox
catkin_make
source ./devel/setup.sh

3.2 软件配置

雷达配置

在 livox_ros_driver/config/livox_lidar_config.json 文件中，在broadcast_code中添加Mid-40的SN号，其余的配置如下：

    "lidar_config": [
        {
            "broadcast_code": "your device SN",
            "enable_connect": true,
            "enable_fan": true,
            "return_mode": 0,
            "coordinate": 0,
            "imu_rate": 0,
            "extrinsic_parameter_source": 0
        }
    ],

端口配置

将上述的硬件连接好后，Manifold 2的 /dev/ 目录下会多出两个设备，如：

/dev/ttyUSB0
/dev/ttyUSB1

找到发送GSOF数据和GNRMC数据的对应的设备名，假设 /dev/ttyUSB0 为GSOF数据，/dev/ttyUSB1 为GNRMC数据。

在 gnss_module/apx15/launch/apx15.launch 文件中，配置参数port为/dev/ttyUSB0，baud为230400：

    <param name="port" value="/dev/ttyUSB0" />
    <param name="baud" value="230400" />

在 livox_ros_driver/config/livox_lidar_config.json 文件中，配置参数enable_timesync为true，device_name为/dev/ttyUSB1，baudrate_index为6（对应波特率115200）：

    "timesync_config": {
        "enable_timesync": true,
        "device_name": "/dev/ttyUSB1",
        "comm_device_type": 0,
        "baudrate_index": 6,
        "parity_index": 0
    }

3.3 运行

Livox-Mapping是为Livox激光雷达准备的建图程序，该工程通过使用rtk/imu信息，将LiDAR输出的信息拼接在一起形成完整的点云。

  • 首先修改livox_mapping.launch文件中的map_file_path value，设置你的点云保存路径；

  • 如果使用了和本文档描述不同的坐标系关系，请注意修改livox_mapping_case.cpp中的外参选项；

  • 如果使用了和本文档描述不同的LiDAR数据频率100Hz，请注意修改livox_mapping_case.cpp中的lidar_delta_time选项；

3.3.1 在线建图

直接运行mapping_online.launch文件，生成融合imu姿态，gnss位置的pointCloud2格式点云数据：

roslaunch livox_mapping mapping_online.launch

3.3.2 离线建图

在 apx_lidar_raw.launch 中，设置rosbag_enable为true，配置bag文件存储路径，运行后会自动存储imu、gnss、点云，这三种原始数据。

roslaunch livox_mapping apx_lidar_raw.launch

当采集完数据后，运行 livox_mapping.launch，完成离线建图。

#播放上面记录的rosbag文件
rosbag play xxxxxxx.bag
#运行mapping程序
roslaunch livox_mapping livox_mapping.launch

3.4 数据格式

imu数据格式sensor_msgs::Imu，包含四元数，roll，pitch，yaw数据及对应的精度，x/y/z的角速度、加速度数据。

#geometry_msgs/Quaternion orientation
    float64 x
    float64 y
    float64 z
    float64 w

#float64[9] orientation_covariance
    float64[0]              # roll,  unit: degree
    float64[1]              # pitch, unit: degree
    float64[2]              # yaw,   unit: degree
    float64[3]              # roll  RMS, unit: degree
    float64[4]              # pitch RMS, unit: degree
    float64[5]              # yaw   RMS, unit: degree

#geometry_msgs/Vector3 angular_velocity
    float64 x               # unit: rad/s
    float64 y               # unit: rad/s
    float64 z               # unit: rad/s

#geometry_msgs/Vector3 linear_acceleration
    float64 x               # unit: m/s^2
    float64 y               # unit: m/s^2
    float64 z               # unit: m/s^2

导航位置数据格式sensor_msgs::NavSatFix，包含GPS和IMU状态，latitude，longitude，altitude数据及对应的精度数据。

#sensor_msgs/NavSatStatus status
    int8 status             # apx GPS status
    uint16 service          # apx IMU status

float64 latitude            # unit: degree
float64 longitude           # unit: degree
float64 altitude            # unit: m

#float64[9] position_covariance
    float64[0]              # North Position RMS, unit: m
    float64[1]              # East  Position RMS, unit: m
    float64[2]              # Down  Position RMS, unit: m