自动驾驶—CARLA仿真（3） 坐标和坐标变换

官方文档

全局坐标系

CARLA 基于 Unreal Engine 4.26 构建，采用与之相同的左手坐标系 。更多关于 Unreal Engine 坐标系的细节，请参阅 Unreal Engine 官方文档。

对于站在原点、面朝 X 轴正方向 的观察者，坐标轴关系如下：

• Z 轴：向上（Up）
• X 轴：向前（Forward）
• Y 轴：向右（Right）
  

在整个 CARLA API 中，距离单位为米（meters） ，角度单位为度（degrees）。因此，当 CARLA 与其他使用右手坐标系、弧度制角度、厘米或英制单位的应用程序交互时，必须进行相应的单位转换。

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参与者（Actor）坐标系

车辆、行人等参与者（Actors）拥有各自的局部坐标系，用于维护传感器位置等局部一致的坐标关系。

按照惯例，CARLA 中的车辆坐标系定义如下：

• 车头指向 X 轴正方向
• 车辆右侧指向 Y 轴正方向
• 车顶指向 Z 轴正方向
• 坐标原点通常位于车辆包围盒在 X、Y 方向的中心附近，Z 方向则非常接近包围盒的最低面。
  

CARLA 行人的坐标系类似设定：

• 面朝 X 轴正方向
• 右臂指向 Y 轴正方向
• 头部朝向 Z 轴正方向
• 坐标原点通常位于静止姿态下包围盒的中心。

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通过 CARLA API 处理坐标

CARLA API 提供了多个工具类，用于处理坐标及坐标变换。

Location（位置）

Location 对象用于定义坐标，并在变换、生成或移动对象时使用。

以下代码展示了如何创建一个表示 X=10m, Y=10m, Z=1m 的位置对象：

# 使用位置参数的默认构造函数
location = carla.Location(10, 10, 1)

# 使用关键字参数
location = carla.Location(x=10, y=10, z=1)

# 无参数构造（默认原点）
location = carla.Location()  # x=y=z=0

可省略任意或全部关键字参数，未指定的轴将被设为 0。

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Rotation（旋转）

Rotation 对象用于定义 CARLA 坐标系中的旋转。旋转以欧拉角（Euler angles） 形式表示，包含 roll（滚转）、pitch（俯仰）、yaw（偏航） ，单位为度（degrees） 。

旋转按 yaw → pitch → roll 的顺序内旋（intrinsic rotation） 应用。

以下代码创建一个 roll=10°, pitch=10°, yaw=90° 的旋转对象：

# 使用位置参数（顺序：pitch, yaw, roll）
rotation = carla.Rotation(10, 90, 10)

# 使用关键字参数
rotation = carla.Rotation(pitch=10, yaw=90, roll=10)

# 无参数构造（默认无旋转）
rotation = carla.Rotation()  # pitch=yaw=roll=0

可省略任意或全部关键字参数，未指定的角度将被设为 0。

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Transform（变换）

Transform 对象用于完整描述一个物体的位姿（pose），包含其 3D 位置和旋转。

可通过 Location 和 Rotation 创建 Transform：

# 定义位置和旋转
location = carla.Location(10, 10, 1)
rotation = carla.Rotation(yaw=90)

# 创建变换
transform = carla.Transform(location, rotation)

该变换可用于生成参与者（如车辆）：

vehicle = world.spawn_actor(vehicle_bp, transform)

可通过 get_transform() 查询参与者的变换，并访问其位置和旋转属性：

print(vehicle.get_transform())
print(vehicle.get_transform().location)
print(vehicle.get_transform().rotation)

# 输出示例：
# Transform(Location(x=10, y=10, z=1.0), Rotation(pitch=0.0, yaw=90, roll=0.0))
# Location(x=10, y=10, z=1.0)
# Rotation(pitch=0.0, yaw=90, roll=0.0)

Transform 对象提供实用方法，用于对其他坐标应用变换：

• transform() ：将局部坐标转换为全局坐标

  例如，计算安装在车辆上的传感器在全局坐标系中的位置：

  sensor_local_coord = carla.Location(1, 0, 0)        # 传感器在车体坐标系中的位置
  vehicle_transform = vehicle.get_transform()
  sensor_global_coord = vehicle_transform.transform(sensor_local_coord)
  
  # 输出：Vector3D(x=10.0, y=11.0, z=1.0)

• inverse_transform() ：将全局坐标转换为局部坐标

  例如，将世界中某物体的位置转换到车辆的局部坐标系（常用于自动驾驶感知系统）：

  location = carla.Location(1, 0, 0)                  # 全局坐标
  vehicle_transform = vehicle.get_transform()
  transformed_location = vehicle_transform.inverse_transform(location)

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地理坐标（Geocoordinates）

地理坐标是大地坐标（geodetic coordinates） ，以 纬度（latitude）、经度（longitude）、海拔（altitude） 表示地球表面位置。

CARLA 地图的 OpenDRIVE 定义文件（.xodr）可在元数据中包含地理参考（georeference） 。OpenDRIVE 标准中地理参考的详细信息请参阅相关文档。

在 OpenDRIVE 文件中，地理参考信息位于 <header> 标签内：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<OpenDRIVE>
    <header ...>
        <geoReference><![CDATA[+proj=tmerc +lat_0=0 +lon_0=0 +k=1 +x_0=0 +y_0=0 +ellps=WGS84]]></geoReference>
        ...
    </header>
    ...
</OpenDRIVE>

CARLA 的 Map 对象利用此地理参考信息，通过地图投影实现 CARLA 世界坐标 ↔ 地理坐标 的相互转换。geoReference 中的参数定义了所用投影类型及 CARLA 地图中心（X=Y=Z=0 点）对应的地理坐标。

将 CARLA 坐标转换为地理坐标：

carla_map = world.get_map()
location = carla.Location(0, 0, 0)
print(carla_map.transform_to_geolocation(location))

# 输出示例：
# GeoLocation(latitude=0.000099, longitude=0.000090, altitude=1.000000)

将地理坐标转换为 CARLA 坐标：

geolocation = carla.GeoLocation(latitude=0.000099, longitude=0.000090, altitude=1.000000)
carla_map = world.get_map()
print(carla_map.geolocation_to_transform(geolocation))

# 输出示例：
# Location(x=10.014747, y=11.016221, z=1.000000)