移动机器人定位的基本概念解析

▍定位的基本概念

了解定位，我们首先要先了解位置。位置这个术语其实不是很准确，应该叫做位姿，包含位置和目标体的朝向（姿态），我们习惯于用笛卡尔坐标系来表征位姿：

2D平面的位姿

三个自由度(x,y,rotation)，x,y是2D平面的坐标位置，rotation 是偏向角。

3D世界的位姿

六个自由度（x,y,z,yaw,pitch,roll)。（x,y,z） 是3D立体坐标系中的位置坐标， yaw(航向角）、pitch(俯仰角）、roll(倾斜角）分别代表目标刚体绕z,y,x轴按照顺序旋转后的朝向姿态。

具体到自动驾驶和机器人，它们都是在一个平面上进行移动，虽然中间有颠簸，但是我们关注的是水平面上的位姿，上下的颠簸引起的位姿变更，可以投影到水平面上，这样定位问题其实是2D位姿的估计问题，与之相对的如无人机就是3D定位问题。

理解定位，必须理解的另外一个概念就是参考基准，通俗讲就是相对谁的位置和姿态。我们举生活中的例子，坐公交汽车，我们相对公交车位置几乎是不变的，相对于马路上的某个站牌是一直在变化的。更加严谨的定义是参考帧， 这个参考帧具化成视觉效果，是一个坐标系，遵守右手法则，规定了在空间的零点位置和三叉戟坐标轴方向。

在这里有一个非常有意思的地方，可以细细琢磨，定位是研究参考帧与参考帧的相对位置关系。当我们向别人描述“我在哪里”的时候，其实是描述我作为主体的参考帧相对于某个地标（如天安门），甚至地球这个主体参考帧的相对位姿描述，放到太阳系就不对了。虽然我们描述位置的时候，常常是忽略掉这个地球参考帧的，但那是建立在大家都有这个地球参考帧的共识下，去讨论位置。这里还有一个引申的概念就是刚体，组成这个刚体的所有参考帧互相之间的相对位姿在任何时刻都是不变的。我们与天安门的相对位置，在任何时刻都可以使用一个固定的运算，因为天安门这个地标隶属于地球这个刚体。但如果使用这个运算去推算我们与月亮的相对位置，由于月亮与地球不在一个刚体上，且月亮绕着地球转，所以任何时刻这个转换关系都在变。

了解了位置的表征后，我们再来考虑机器人和自动驾驶的定位问题，其实它是要估计运动主体（机器人本身或者车辆）这个参考帧，相对于周遭静止环境的位姿或者位姿变化， 这个周遭静止的环境，我们可以统称为世界坐标系。移动定位问题，可以简化为跟重力方向垂直的水平面上的2D位姿估计。 2D坐标系的(0,0)点, 及x,y轴的朝向其实可以是任意的，只要基准定好了，后面的参考不变即可。

对于自动驾驶，有一些细节需要补充， 我们熟知的定位（GPS）是经纬度坐标，如何对应平面笛卡尔坐标系呢？

经纬度坐标可以通过墨卡托投影系统（Universal Transverse Mercator，UTM）投影到UTM 的一个区块中， 区块中再细的位置可以看成一个2D平面使用笛卡尔坐标进行表征， 这样球面的经纬度坐标和平面坐标是可以转换的。

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