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LiDAR–IMU 外参标定说明

用途： 方法约定与实现状态（深入阅读）。日常使用请先看根目录 README.md。

本文说明标定目标、约定、流水线与实现状态。代码在 imu_lidar/。场地采集见 标定流程与采集清单.md。

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1. 目标与约定

估计安装外参：

p_IMU = T_IMU_lidar · p_lidar

约定：T_A_B 表示把 B 系点变换到 A 系。

相对运动手眼模型：

A_ij ≈ IMU 在 [t_i, t_j] 的相对运动（预积分）
B_ij ≈ LiDAR 在同时间段的相对运动（关键帧配准）
A X ≈ X B
X = T_IMU_lidar

旋转子问题（常规主交付）：

R_A R_X = R_X R_B
→ R_IMU_lidar

若已有完整六自由度外参，且另有 T_RTK_lidar，可链式得到：

T_lidar_IMU = inverse(T_IMU_lidar)
T_RTK_IMU   = T_RTK_lidar @ T_lidar_IMU

不要把 IMU 加速度二次积分成轨迹，再当作绝对位姿去做完整六自由度手眼。

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2. 交付分层

层级	交付	数据最低要求
第一步	旋转 + 时间偏置 δt	设备时间戳；静止 + 低速转弯 /「8」字；结构化场景
第二步	上一步 + 可观的水平平移	更多转弯半径与加减速
第三步	完整六自由度（含可靠竖直分量）	缓坡俯仰激励，或外测垂直杆臂先验

可观性不过关 → 只交旋转，不强交“假精确”六自由度。
仅主机接收时间、或残差未过门控的结果 → 不要当作正式安装参数。

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3. 总体原则

1. 时间同步优先于外参：δt 未对齐时，旋转与平移都不可信。使用设备时间戳。
2. 先求旋转，再求平移：旋转通常更稳；平面运动下竖直平移常常不可观。
3. 用连续运动标定：停车多站、再靠站间长积分，不适合作为纯 IMU 外参主流程。
4. 可观性门控：过不了就降级交付。
5. 残差小 ≠ 标定对：需叠点云 / 跨会话等独立验证。
6. 首轮建议低速：先保证配准与时间对齐；点云去畸变可选。
7. 安装参数不写死在源码：轴向与时间语义进 YAML；机械尺寸可作检查，不能伪装成已标定平移。
8. 注意耦合：时间相关峰很弱时，δt、航向角与陀螺零偏可能互相补偿，结果不可当真。

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4. 流水线（现行实现）

vehicle_config
  → timestamp_audit
  → imu_audit（静止零偏等）
  → time_offset：粗估 δt
  → keyframes / [可选] deskew
  → motion_pairs：完整 IMU 预积分 + 配准 B
  → rotation_handeye：加权求解 R
  → （有候选 R 时）精修 δt，必要时交替重建运动对
  → joint_optimizer：精修旋转与陀螺零偏；可观且 full_se3 时再估平移等
  → finalize

模块	文件	职责
配置	vehicle_config.py	读安装 YAML
IO	imu_io.py / lidar_io.py	标准 CSV / 帧目录
质检	timestamp_audit.py / imu_audit.py	时间域、静止零偏
δt	time_offset.py	粗估 + 有符号精修
运动	keyframes.py / registration.py / lidar_deskew.py	关键帧、配准、可选去畸变
IMU 侧	imu_preintegration.py / motion_pairs.py	预积分与运动对
求解	rotation_handeye.py / joint_optimizer.py / observability.py	手眼、联合精修、门控
编排	pipeline.py / cli.py / finalize.py	入口与落盘

输入中间格式见 V1_数据格式.md。改动史见 imu_lidar/CHANGELOG.md。

运行示例

python -m pip install -e ".[dev]"
python -m pip install -e ".[open3d]"   # 可选

python -m imu_lidar.cli plan --mode rotation_only

python -m imu_lidar.cli run `
  --vehicle-config config\vehicle_installation.template.yaml `
  --imu path\to\imu.csv `
  --lidar path\to\lidar_session `
  --output path\to\output `
  --mode rotation_only `
  --time-offset-search-s 2.0

合成自检：python tools\generate_synthetic_session.py 后跑 CLI，再 python -m pytest -q。

结果状态

status	含义
rotation_only_accepted	旋转过门，可交旋转与报告中的 δt
full_se3_accepted	可观且联合优化通过，可交完整 T
full_se3_rejected_due_to_observability	旋转可用，平移未接受
blocked	质检 / δt / 手眼残差等硬门失败，不交付

rotation_only 模式下：不要把未标定的机械平移拼进 4×4 伪装成完整标定。

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5. 采集要点

单趟动态会话：

[静止 20–30 s] → [低速激励 3–8 min] → [再静止 10–20 s]

优先激励：

• 低速「8」字 / 左右圆（旋转主激励）
• 直线加减速（有助于时间对齐与水平平移）
• 缓坡（仅完整六自由度需要）：约 3°～8°，连续长度优先 ≥ 20～30 m

硬条件：IMU / LiDAR 设备时间戳；结构化场景；标定全程安装不得改动。

更完整的现场清单见 标定流程与采集清单.md。

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6. 数学上允许与禁止

禁止：加速度二次积分当真值轨迹；把只有旋转的相对运动硬补成完整六自由度；用最终外参反向筛边掩盖失败。

允许：预积分旋转手眼求旋转；在可观时用预积分残差联合估计平移，并精修零偏等辅助量。

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7. 车辆配置

使用 --vehicle-config vehicle_installation.yaml。
模板中安装平移/旋转保持未标定状态，直至实测确认；禁止写死某车杆臂冒充结果。

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8. 实现状态（当前阶段）

本仓库仅此一条标定路径：连续运动关键帧 + IMU 预积分。对外总览与「合成 / 旧车 / 合格数据预期」见根目录 README.md §0。

项	状态
连续运动关键帧标定流水线	已实现（现行唯一路径）
加权预积分 / 加权手眼	已实现
旋转预积分因子 + 有符号 δt 精修	已实现
完整预积分（含速度/位移增量）与可观时的平移优化	已实现
可观性门控 / rotation_only	已实现
合成数据 pytest / 一键复现	已实现（证明链路与已知 yaw/δt，不证明实车精度）
旧车主机时间烟测（S2）	线下可跑；预期 blocked，不当交付
设备时间新车数据正式验收	待做
原生存储一键导出为中间格式	已提供 tools/export_rscap_to_v1.py（N300+H32 MSOP → V1；MSOP-only 用默认垂直角）

细项见 imu_lidar/CHANGELOG.md。

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9. 相关文档

内容	路径	备注
对外总览（优先）	根目录 README.md	日常入口
采集清单	标定流程与采集清单.md	现场
数据格式 / 导出	V1_数据格式.md	中间格式
文件职责说明	imu_lidar/文件职责说明.md	改代码
改动史	imu_lidar/CHANGELOG.md	改代码