合并并完善双链路标定文档
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lichun.qu
@@ -0,0 +1,166 @@
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# 雷达–IMU 标定
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本文是本仓库雷达–IMU 标定的唯一规范说明，覆盖目标、数据格式、运行方式、当前实车结果和采集要求。
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## 目标与当前结论
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目标是求雷达坐标系到 IMU 坐标系的安装关系：
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```text
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p_IMU = T_IMU_lidar · p_lidar
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```
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`T_A_B` 表示把 B 坐标系中的点变换到 A 坐标系。流程利用连续行驶中的相对运动，而不是把 IMU 加速度二次积分的长时间轨迹当作绝对真值。
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当前 2026-08-08 实车数据的结论是：**旋转和主机桥接后的时间关系可作为候选冻结；完整平移不可交付。** 不应把旋转结果和零平移拼成看似完整的 4×4 外参，更不能把当前 IMU 位移预积分用于正式平移标定。
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| 项目 | 当前状态 |
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| 连续运动雷达–IMU 流程 | 已实现并有合成测试 |
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| 实车旋转候选 | 三个窗口一致，可用于进一步验证 |
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| 实车时间关系 | 主机桥接后冻结为 `0 s`，不再自由精修 |
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| 实车完整平移 | 不可观且受预积分位移误差影响，拒绝交付 |
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## 方法概览
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```text
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设备时间与惯性质量检查
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→ 估计或确认两传感器时间关系
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→ 雷达关键帧配准得到相对运动
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→ 同一时间区间的 IMU 预积分得到相对运动
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→ 先求旋转手眼关系
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→ 只有平移可观时才进入完整六自由度优化
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```
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对关键帧区间 `[i, j]`：
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```text
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A_ij ≈ IMU 预积分相对运动
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B_ij ≈ 雷达点云配准相对运动
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A_ij · X ≈ X · B_ij
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X = T_IMU_lidar
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```
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旋转子问题为 `R_A · R_X = R_X · R_B`。旋转通常比平移稳定：加速度偏置和重力方向的微小误差会在位移积分中快速累积，平面转弯又难以提供竖直杆臂信息。因此，完整六自由度只有在残差、跨会话一致性和可观性同时通过时才允许输出。
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## 当前实车结果与限制
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当前可用的三段优先窗口均在主机时间桥接后固定 `time_offset_s=0`，并禁用自由的有符号时间精修：
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| 会话窗口 | roll / pitch / yaw（°） | 手眼旋转 RMS（°） |
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| `priority_174005_174515` | `-0.398 / 0.108 / 89.998` | 0.625 |
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| `priority_174905_175450` | `-0.316 / -0.352 / 90.002` | 0.293 |
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| `priority_175910_180530` | `-0.373 / -0.036 / 90.005` | 0.786 |
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三段旋转相互差约为 `0.15°–0.47°`。但以下问题阻止平移放行：
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1. IMU 预积分的位移，尤其竖直分量，会出现米级甚至更大的漂移；它不能作为可靠平移观测。
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2. 当前重点会话以平面转弯为主，缺少持续坡道或俯仰激励，竖直平移弱可观。
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3. 允许时间偏移自由精修时，时间与旋转曾发生相互补偿，产生跨窗口矛盾的航向。因此桥接后的偏移固定为零，而不是再次为降低残差调整它。
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4. 单一窗口残差小不等于外参正确；必须检查跨窗口一致性与点云叠加。
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这也是仓库增加 RTK–IMU 流程的原因：不是替代雷达旋转标定，而是为天线相位中心到 IMU 的平移提供更直接的 GNSS 位置和速度观测。两条流程边界见仓库 [README](../README.md)。
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## 输入、输出与配置
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### 输入
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```text
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imu.csv
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t,gx,gy,gz,ax,ay,az
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单位：秒、rad/s、m/s²；t 应为设备时间
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lidar_session/
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frames_index.csv 帧编号、文件名、开始/结束时间
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frames/frame_XXXXX.npz 米制 XYZ 点云
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vehicle_installation.yaml
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坐标轴、时间语义、可选机械安装信息
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```
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原始 HI13 IMU `.rscap` 和 H32 雷达 dlog/MSOP 可转换为上述格式：
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```powershell
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python tools\export_rscap_to_v1.py `
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--imu-rscap path\to\hi13-imu.rscap `
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--imu-kind hi13 `
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--lidar-dlog path\to\session_or_recovered.zip `
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||||
--host-start 2026-08-08T17:40:05 `
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--host-end 2026-08-08T17:45:15 `
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--out path\to\session_v1 `
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--require-difop
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```
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### 输出
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| 文件 | 含义 |
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| `T_IMU_lidar.json` | 通过验收时的外参；仅旋转模式下不能把其中平移当交付值 |
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| `time_offset.json` | 定义为 `t_imu = t_lidar + δt` 的时间关系 |
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| `summary.json` | 状态、残差、可观性和拒绝原因 |
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| `motion_pairs.json` | 用于复核和点云可视化的相对运动对 |
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## 运行与判读
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安装依赖：
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```powershell
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python -m pip install -e ".[dev]"
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python -m pip install -e ".[open3d]" # 点云处理需要时安装
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```
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先运行仅旋转模式：
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```powershell
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python -m imu_lidar.cli run `
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--vehicle-config config\vehicle_installation.template.yaml `
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--imu path\to\session_v1\imu.csv `
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--lidar path\to\session_v1\lidar `
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--output path\to\out `
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--mode rotation_only `
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--time-offset-search-s 2.0
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```
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| `summary.json` 状态 | 含义 |
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| `rotation_only_accepted` | 旋转与时间关系可进入独立验证；不代表平移可用 |
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| `full_se3_accepted` | 仅当完整平移可观且门禁通过时，才可交付完整外参 |
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| `full_se3_rejected_due_to_observability` | 旋转可用，平移拒绝 |
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| `blocked` | 时间、质量或模型门禁失败，不能作安装参数 |
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合成复现可验证软件链路，不证明实车精度：
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```powershell
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powershell -File tools\reproduce_synthetic.ps1
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python -m pytest -q
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```
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## 采集要求
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单次有效会话建议：
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```text
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静止 20–30 s → 连续低速多方向转弯 3–8 min → 静止 10–20 s
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- 必须保留雷达和 IMU 的设备时间戳；不能仅依赖主机接收时间。
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- 在结构化环境采集，保证点云配准具有稳定几何约束。
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- 旋转标定优先包含左右圆或“8”字；直线加减速有助于时间和水平平移。
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- 若要尝试完整平移，增加连续缓坡、俯仰或其他竖直激励；仅平面运动通常不足。
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- 标定全过程不得改变两传感器安装关系。
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## 代码结构
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`imu_lidar/` 是雷达–IMU 专用实现：
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| 组件 | 作用 |
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| `cli.py`、`pipeline.py` | 命令行入口与流程编排 |
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| `lidar_io.py`、`registration.py`、`keyframes.py` | 点云读取、配准和关键帧 |
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| `timestamp_audit.py`、`imu_audit.py`、`time_offset.py` | 时间和 IMU 质量检查、时间关系估计 |
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| `imu_preintegration.py`、`motion_pairs.py` | IMU 预积分与相对运动对 |
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| `rotation_handeye.py`、`joint_optimizer.py`、`observability.py` | 旋转求解、联合优化和可观性门禁 |
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| `finalize.py` | 结果写出 |
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历史改动见 [imu_lidar/CHANGELOG.md](../imu_lidar/CHANGELOG.md)，自动化测试说明见 [tests/README.md](../tests/README.md)。
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