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[C++知识库]多传感器融合定位-常用辅助调试工具总结

多传感器融合定位-常用辅助调试工具总结

前言：多传感器融合定位调试过程中，会用到很多调试方法，诸如open3d可视化，matplotlib波形可视化，本章节进行汇众，持续更新~

调试方法汇总

1. mamtplotlib可视化scan_context矩阵

存储scan_context 矩阵都txt文件中

#include <list>
#include <sstream>
#include <fstream>
#include <iomanip>
std::ofstream  sc_local_map;
std::ofstream  sc_cur_scan;
char sc_local_map_path[] = "/home/kaho/catkin2_ws/visual_sc_matrix/sc_matrix_local_map.txt";
char sc_cur_scan_path[] = "/home/kaho/catkin2_ws/visual_sc_matrix/sc_matrix_cur_scan.txt";

bool CreateFile(std::ofstream& ofs, std::string file_path) {
    ofs.open(file_path, std::ios::out);                          //  使用std::ios::out 可实现覆盖
    if(!ofs)
    {
        std::cout << "open csv file error " << std::endl;
        return  false;
    }
    return true;
}

/* write2txt  */
void WriteText(std::ofstream& ofs, Eigen::MatrixXf   sc_matrix){
    for(int did = 0; did < sc_matrix.rows();  ++did){
        for(int sid=0; sid < sc_matrix.cols(); ++sid){
                ofs << std::fixed  << sc_matrix(did, sid)  << "\t";
        }ofs  << "\n";
    }
}

调用方法：

    Eigen::MatrixXf   sc_matrix(query_scan_context.rows(), query_scan_context.cols());				// 将sc存到sc_matrix 中
    for(int did = 0; did < query_scan_context.rows();  ++ did){
        for(int sid = 0; sid < query_scan_context.cols(); ++sid){
            sc_matrix(did,sid)  =   query_scan_context(did,sid);
        }
    }   
CreateFile(sc_local_map, sc_local_map_path);   //  创建文件夹
    WriteText(sc_local_map, sc_matrix);             // 把 sc_matrxi_local_map  写进文件夹中

python matplotlib 读取sc_matrix 并可视化矩阵

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

sc_matrix_cur_scan = np.loadtxt("sc_matrix_cur_scan.txt")
sc_matrix_lcoal_map = np.loadtxt("sc_matrix_local_map.txt")

def samplemat(mat):
    """Make a matrix with all zeros and increasing elements on the diagonal"""
    sector = mat.shape[0]   # x
    ring = mat.shape[1]     # y
    aa = np.zeros((sector,ring))
    for i in range(sector):
        for j in range(ring):
            if(mat[i,j]):
                aa[i,j]  = 1 #mat[i,j]
            else:
                aa[i, j] = mat[i,j]
    return aa

fig = plt.figure(figsize=(10,10))
ax1 =  fig.add_subplot(2,1,1)          # 2*1 分布，第1个

# Display matrix
#ax1.matshow(samplemat(sc_matrix_lcoal_map))   #,cmap = plt.cm.gray
ax1.matshow(sc_matrix_lcoal_map)   #,cmap = plt.cm.gray
plt.title("sc_local_map");

ax2 =  fig.add_subplot(2,1,2)          # 2*1 分布，第2个
#ax2.matshow(samplemat(sc_matrix_cur_scan))   #,cmap = plt.cm.gray
 ax2.matshow(sc_matrix_cur_scan)   #,cmap = plt.cm.gray
plt.title("sc_current_scan ");

plt.show()

2021-12-05 16-27-36 的屏幕截图

2. open3d可视化点云

存储点云为pcd

pcl::io::savePCDFileASCII("/home/kaho/catkin2_ws/visual_sc_matrix/pcd/cur_scan.pcd",*transformed_scan_.cloud_ptr );
//save pcd 
 pcl::io::savePCDFileASCII("/home/kaho/catkin2_ws/visual_sc_matrix/pcd/local_map.pcd",*local_map_ptr_ );

python open3d 可视化

import open3d as o3d
import numpy as np
local_map_pcd = o3d.io.read_point_cloud("pcd/local_map.pcd")
cur_scan_pcd = o3d.io.read_point_cloud("pcd/cur_scan.pcd")

local_map_points = np.asarray(local_map_pcd.points)
cur_scan_points = np.asarray(cur_scan_pcd.points)


# print(local_map_pcd)#输出点云点的个数
# print(cur_scan_pcd)#输出点云点的个数
#
print(local_map_points)#输出点的三维坐标
# print(cur_scan_points)#输出点的三维坐标
#
# print('给所有的点上一个统一的颜色，颜色是在RGB空间得[0，1]范围内得值')

local_map_pcd.paint_uniform_color([0.9, 0.9, 0.9])        # blue
cur_scan_pcd.paint_uniform_color([1, 0, 0])        # red


o3d.visualization.draw_geometries([local_map_pcd,cur_scan_pcd])

2021-12-05 14-10-40 的屏幕截图

3. evo 格式存储 pose

FILE:catkin_ws/src/imu_integration/src/evo_evaluate/evaluate.cpp

使用evo工具进行精度评估，evo format 使用TUM格式，参考了eamo 助教的GitHub写法，为了方便后续调用，将保存文件格式写成ROS Node的方式，通过订阅：

/sim/sensor/imu /pose/ground_truth 两个话题，存储到对应格式的文件中，进行 evo 评估。

evo的使用方式可参考:

SLAM轨迹精度评估工具evo使用方法

evo测评TUM数据集

evo安装、evo使用方法详细介绍使用教程，SLAM轨迹精度评估工具，如何用来评估ORB-SLAM2生成的轨迹精度，评估激光雷达SLAM与视觉SLAM的轨迹精度，量化SLAM的误差

3.1 evo TUM格式存储

常用的evo KITTI pose format是美誉timestamp的，通过固定序列数来进行精度评估比较，TUM 数据集 format中有时间戳，通过时间戳来比较，会比较准，所以本次存储的evo数据格式为TUM

evo TUM需要pose 存储格式为 timestamp x y z q_x q_y q_z q_w ；具体参考evo 官档Formats

存储写法

/* write2txt   format  TUM*/
void WriteText(std::ofstream& ofs, pose data){
    ofs << std::fixed  << data.timestamp  << " " << data.pos.x() << " " <<  data.pos.y()  << " " <<   data.pos.z()  << " "
                                                                              <<  data.q.x()  << " "  <<  data.q.y()   <<" " <<  data.q.z()   << " "  <<  data.q.w()  <<  std::endl;
}

3.2 TUM timestamps时间对齐

一开始，给gt.txt 和 ins.txt 中写上timestamps时，时间戳都是各自的ROS topic的时间戳，运行evo_rpe 分段评估时，报错，找不到两个文件中时间戳相差0.01s的数据，经过观察，因为estimate imu惯性解算节点是先通过订阅imu_sim topic 数据才进行解算，会比groundtruth topic 时间戳显示慢一点，因此将各自当前时间戳减去第一帧的数据时间戳，就可以对齐各自的时间。

    if(flag_ins){
        stamp_ins_init  =  msg->header.stamp.toSec();   
        flag_ins = 0;
    }
    pose_ins.timestamp =  msg->header.stamp.toSec()  -   stamp_ins_init;  //把时间戳转化成浮点型格式

/******************************************************************************************************/
        if(flag_gt){
        stamp_gt_init = msg->header.stamp.toSec();   
        flag_gt = 0;
    }
        pose_gt.timestamp = msg->header.stamp.toSec() -  stamp_gt_init;

3.3 evo TUM ROS_Node 完整实现

FILE:catkin_ws/src/imu_integration/src/evo_evaluate/evaluate.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <list>
#include <sstream>
#include <fstream>
#include <iomanip>

/*ROS INCLUDE*/
#include <ros/ros.h>
#include <geometry_msgs/PoseStamped.h>
#include <nav_msgs/Odometry.h>
#include <Eigen/Dense>
#include <Eigen/Core>


using namespace std;

/*定义姿态结构体*/
struct pose
{
    double  timestamp;
    Eigen::Vector3d  pos ;
    Eigen::Quaterniond  q;
};


pose  pose_gt;                      //   GroundTruth  pose
pose  pose_ins;                    //    Estimate   pose

std::ofstream  gt;
std::ofstream  ins;

double  stamp_gt = 0;
double  stamp_ins = 0;

double  stamp_gt_init = 0;
double  stamp_ins_init = 0;

int  flag_gt = 1;
int  flag_ins = 1;

bool CreateFile(std::ofstream& ofs, std::string file_path) {
    ofs.open(file_path, std::ios::out);                          //  使用std::ios::out 可实现覆盖
    if(!ofs)
    {
        std::cout << "open csv file error " << std::endl;
        return  false;
    }
    return true;
}
/* write2txt   format  TUM*/
void WriteText(std::ofstream& ofs, pose data){
    ofs << std::fixed  << data.timestamp  << " " << data.pos.x() << " " <<  data.pos.y()  << " " <<   data.pos.z()  << " "
                                                                              <<  data.q.x()  << " "  <<  data.q.y()   <<" " <<  data.q.z()   << " "  <<  data.q.w()  <<  std::endl;
}

void  insCallback(const nav_msgs::Odometry::ConstPtr& msg)
{
    if(flag_ins){
        stamp_ins_init  =  msg->header.stamp.toSec();   
        flag_ins = 0;
    }
    pose_ins.timestamp =  msg->header.stamp.toSec()  -   stamp_ins_init;  //把时间戳转化成浮点型格式
    /*update  position*/
     pose_ins.pos.x()  =  msg->pose.pose.position.x ;
     pose_ins.pos.y()  =  msg->pose.pose.position.y ;
     pose_ins.pos.z()  =  msg->pose.pose.position.z ;
     /*update  orientation*/
     pose_ins.q.w()  =  msg->pose.pose.orientation.w;
     pose_ins.q.x()  =  msg->pose.pose.orientation.x;
     pose_ins.q.y()  =  msg->pose.pose.orientation.y;
     pose_ins.q.z()  =  msg->pose.pose.orientation.z;
     /*write to txt, fomat TUM*/
     WriteText(ins,pose_ins);
}

void  gtCallback(const nav_msgs::Odometry::ConstPtr& msg)
{
    if(flag_gt){
        stamp_gt_init = msg->header.stamp.toSec();   
        flag_gt = 0;
    }
        pose_gt.timestamp = msg->header.stamp.toSec() -  stamp_gt_init;
        /*update  position*/
        pose_gt.pos.x()  =  msg->pose.pose.position.x ;
        pose_gt.pos.y()  =  msg->pose.pose.position.y ;
        pose_gt.pos.z()  =  msg->pose.pose.position.z ;
        /*update  orientation*/
        pose_gt.q.w()  =  msg->pose.pose.orientation.w;
        pose_gt.q.x()  =  msg->pose.pose.orientation.x;
        pose_gt.q.y()  =  msg->pose.pose.orientation.y;
        pose_gt.q.z()  =  msg->pose.pose.orientation.z;
        /*write to txt, fomat TUM*/
        WriteText(gt,pose_gt);
}

int main(int argc, char  **argv)
{
    char path_gt[] = "/home/kaho/catkin_ws/src/data/gnss_ins_sim/recorder_gnss_ins_sim/gt.txt";
    char path_ins[] = "/home/kaho/catkin_ws/src/data/gnss_ins_sim/recorder_gnss_ins_sim/ins.txt";

    CreateFile(gt,path_gt );
    CreateFile(ins,path_ins );
    // init  node
    ros::init(argc, argv, "evaluate_node");
    //  create nodehandle
    ros::NodeHandle nh;
    //  create  subscriber
    ros::Subscriber sub_ins  =  nh.subscribe("/pose/estimation", 10, insCallback);
    ros::Subscriber sub_gt    =  nh.subscribe("/pose/ground_truth",10, gtCallback);

    ros::Rate loop_rate(100);      //  frequence 100hz
    while (ros::ok())
    {
        ros::spinOnce();                        //  goto  callback function
        loop_rate.sleep();
    }
    gt.close();
    ins.close();
    return 0;
}

4.Mapviz 做GPS 里程计可视化

主要参考博客：

代凯哥的知乎博客：

惯性导航系统INS570D测试

Mapviz来做GPS+里程计+LiDAR可视化

4.1.mapviz 安装

参考 ： 使用Mapviz、中科图新 进行机器人GPS轨迹卫星地图绘制

4.2.mapviz 调用天地图api

因为mapviz默认加载的地图为Stamen的地图，为外国网站，所以加载很慢，在代凯博士的指点下，选择使用天地图的WMTS-api，进行切片地图的显示，并在上面显示轨迹

4.2.1申请天地图API key 个人密钥

需要先申请天地图API KEY，注意申请时，选择的应用类型为：服务端，提交后就能生成自己的tk 密钥。

2021-10-06 22-17-17 的屏幕截图地图API

4.2.2地图瓦片获取格式

按照地图API的格式，写入你的密钥

格式：

http://t0.tianditu.gov.cn/img_w/wmts?SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={z}&TILEROW={x}&TILECOL={y}&tk=您的密钥

需要注意的是： 如下图所示，mapviz中，在tile_map 中，添加的Base URL 格式为

http://tile.stamen.com/terrain/{level}/{x}/{y}.png     #   level  x  y  分别表示  高经纬

2021-10-06 22-20-57 的屏幕截图

所以需要将天地图api调取格式中的 z 变量改为 level 变量，mapviz才能识别到，修改后的天地图api调取格式为

http://t0.tianditu.gov.cn/img_w/wmts?SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={x}&TILECOL={y}&tk=您的密钥

2021-10-06 22-26-29 的屏幕截图

矢量底图

经纬度投影

http://t0.tianditu.gov.cn/vec_c/wmts?SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={y}&TILECOL={x}&tk=您的密钥

球面墨卡托投影

http://t0.tianditu.gov.cn/vec_w/wmts?
SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={y}&TILECOL={x}&tk=您的密钥
矢量注记

经纬度投影

http://t0.tianditu.gov.cn/cva_c/wmts?SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={y}&TILECOL={x}&tk=您的密钥

球面墨卡托投影

http://t0.tianditu.gov.cn/cva_w/wmts?
SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={y}&TILECOL={x}&tk=您的密钥
影像底图

经纬度投影

http://t0.tianditu.gov.cn/img_c/wmts?
SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={y}&TILECOL={x}&tk=您的密钥

球面墨卡托投影

http://t0.tianditu.gov.cn/img_w/wmts?
SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={y}&TILECOL={x}&tk=您的密钥
地形晕渲

经纬度投影

http://t0.tianditu.gov.cn/ter_c/wmts?
SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={y}&TILECOL={x}&tk=您的密钥

球面墨卡托投影

http://t0.tianditu.gov.cn/ter_w/wmts?
SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={y}&TILECOL={x}&tk=您的密钥
三维地形影像底图
https://[ t0-t7 ].tianditu.gov.cn/mapservice/swdx?
SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={y}&TILECOL={x}&tk=您的密钥

4.3.使用

4.3.1 添加 Custom WMTS Source

例如，使用 影像底图-球面墨卡托投影,往Base URL 里添加天地图URL+密钥，Max zoom 选择99 ，加大分辨率

http://t0.tianditu.gov.cn/img_w/wmts?SERVICE=WMTS&REQUEST=GetTile&VERSION=1.0.0&LAYER=img&STYLE=default&TILEMATRIXSET=w&FORMAT=tiles&TILEMATRIX={level}&TILEROW={y}&TILECOL={x}&tk=您的密钥

2021-10-06 22-27-51 的屏幕截图

4.3.2 添加 navsat 路径display

选择/navsat/fix 话题和适当的颜色，即可在卫星地图上绘制路径

注意，mapviz中要先添加tile_map 再 添加 navsat(new display)

2021-10-06 22-30-39 的屏幕截图

4.3.3 播放数据集

3.3.4 最后效果

如下图所示，红色轨迹为在广场的轨迹路线图

2021-10-03 15-57-11 的屏幕截图

? edited by kaho 12.5
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