基于CARLA/ROS的多传感器融合感知系统实战教程（附完整代码）

伏滢 · 2025-6-2 23:44:16

引言：为什么需要多传感器融合？

在自动驾驶系统中，单一传感器存在固有缺陷：

摄像头：易受光照影响，缺乏深度信息；
激光雷达（LiDAR）：成本高，纹理信息缺失；
毫米波雷达：分辨率低，角度精度差。

本教程将通过CARLA仿真环境+ROS机器人操作系统，演示如何构建融合摄像头与激光雷达数据的感知系统，最终实现：

多传感器时空同步；
点云-图像联合标定；
3D目标检测与融合；
环境语义理解。

一、仿真环境配置（CARLA+ROS）

1.1 CARLA仿真器搭建

# 安装CARLA 0.9.14（支持ROS2桥接）
wget https://carla-releases.s3.eu-west-3.amazonaws.com/Linux/CARLA_0.9.14.tar.gz
tar -xzvf CARLA_0.9.14.tar.gz
cd CarlaUE4/Binaries/Linux
./CarlaUE4.sh -carla-rpc-port=2000

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1.2 ROS2环境配置

# 创建工作空间
mkdir -p carla_ros_ws/src
cd carla_ros_ws
wget https://raw.githubusercontent.com/carla-simulator/ros-bridge/master/carla_ros_bridge.repos
vcs import src < carla_ros_bridge.repos
colcon build --symlink-install

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1.3 多传感器车辆配置

在carla_ros_bridge/config/sensors.yaml中添加：

rgb_camera:
type: sensor.camera.rgb
id: 0
spawn_point: {"x":2.0, "y":0.0, "z":1.4}
image_size_x: 1280
image_size_y: 720
lidar:
type: sensor.lidar.ray_cast
id: 1
spawn_point: {"x":0.0, "y":0.0, "z":2.0}
range: 100
channels: 64
points_per_second: 500000

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二、数据采集与预处理

2.1 传感器数据同步节点

# sensor_sync_node.py
import rclpy
from rclpy.node import Node
from sensor_msgs.msg import Image, PointCloud2
class SensorSyncNode(Node):
def __init__(self):
super().__init__('sensor_sync_node')
self.rgb_sub = self.create_subscription(Image, '/carla/rgb_front/image', self.rgb_callback, 10)
self.lidar_sub = self.create_subscription(PointCloud2, '/carla/lidar/point_cloud', self.lidar_callback, 10)
self.sync_pub = self.create_publisher(PointCloud2, '/synchronized/point_cloud', 10)
self.buffer = {}
def rgb_callback(self, msg):
self.buffer['rgb'] = msg
self.publish_if_ready()
def lidar_callback(self, msg):
self.buffer['lidar'] = msg
self.publish_if_ready()
def publish_if_ready(self):
if 'rgb' in self.buffer and 'lidar' in self.buffer:
# 实现时空同步逻辑
sync_msg = self.process_sync(self.buffer['rgb'], self.buffer['lidar'])
self.sync_pub.publish(sync_msg)
self.buffer.clear()

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2.2 时间同步策略

def time_sync(self, rgb_time, lidar_time):
# 实现基于最近邻的时间戳匹配
max_diff = 0.05 # 50ms容差
if abs(rgb_time - lidar_time) < max_diff:
return True
return False

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三、点云-图像联合标定

3.1 外参标定（URDF模型）

<robot name="sensor_rig">
<link name="base_link"/>
<link name="camera_link">
<origin xyz="2.0 0.0 1.4" rpy="0 0 0"/>
</link>
<link name="lidar_link">
<origin xyz="0.0 0.0 2.0" rpy="0 0 0"/>
</link>
<joint name="camera_joint" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="camera_link"/>
</joint>
<joint name="lidar_joint" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="lidar_link"/>
</joint>
</robot>

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3.2 空间变换实现

import tf2_ros
import tf2_geometry_msgs
class Calibrator:
def __init__(self):
self.tf_buffer = tf2_ros.Buffer()
self.tf_listener = tf2_ros.TransformListener(self.tf_buffer, self)
def transform_pointcloud(self, pc_msg):
try:
trans = self.tf_buffer.lookup_transform(
'camera_link', 'lidar_link', rclpy.time.Time())
transformed_pc = do_transform_cloud(pc_msg, trans)
return transformed_pc
except Exception as e:
self.get_logger().error(f"Transform error: {e}")
return None

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四、3D目标检测模型训练

4.1 数据集准备（CARLA生成）

# data_collector.py
from carla import Client, Transform
import numpy as np
def collect_data(client, num_samples=1000):
world = client.get_world()
blueprint_lib = world.get_blueprint_library()
vehicle_bp = blueprint_lib.filter('vehicle.tesla.model3')[0]
lidar_bp = blueprint_lib.find('sensor.lidar.ray_cast')
data = []
for _ in range(num_samples):
# 随机生成场景
spawn_point = world.get_map().get_spawn_points()[np.random.randint(0, 100)]
vehicle = world.spawn_actor(vehicle_bp, spawn_point)
lidar = world.spawn_actor(lidar_bp, Transform(), attach_to=vehicle)
# 收集点云和标注数据
lidar_data = lidar.listen(lambda data: data)
# ...（添加标注逻辑）
data.append({
'point_cloud': np.frombuffer(lidar_data.raw_data, dtype=np.float32),
'annotations': annotations
})
return data

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4.2 PointPillars模型实现

import torch
from torch import nn
class PillarFeatureNet(nn.Module):
def __init__(self, num_input_features=9):
super().__init__()
self.net = nn.Sequential(
nn.Conv2d(num_input_features, 64, 3, padding=1),
nn.BatchNorm2d(64),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2, 2),
# ...更多层
)
class PointPillars(nn.Module):
def __init__(self, num_classes=3):
super().__init__()
self.vfe = PillarFeatureNet()
self.rpn = nn.Sequential(
# 区域提议网络结构
)
self.num_classes = num_classes
def forward(self, voxels, coords, num_points):
# 前向传播逻辑
return detections

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五、传感器融合算法开发

5.1 前融合实现（Early Fusion）

class EarlyFusion(nn.Module):
def forward(self, image_feat, point_feat):
# 实现特征级融合
fused_feat = torch.cat([image_feat, point_feat], dim=1)
fused_feat = self.fusion_layer(fused_feat)
return fused_feat

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5.2 后融合实现（Late Fusion）

class LateFusion:
def __init__(self):
self.image_detector = YOLOv5()
self.lidar_detector = PointPillars()
def detect(self, image, point_cloud):
# 独立检测
img_boxes = self.image_detector(image)
lidar_boxes = self.lidar_detector(point_cloud)
# 融合策略
fused_boxes = self.nms_fusion(img_boxes, lidar_boxes)
return fused_boxes
def nms_fusion(self, boxes1, boxes2, iou_thresh=0.3):
# 实现IOU-based的非极大值抑制
# ...具体实现代码

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六、系统集成与测试

6.1 完整处理流程

[CARLA] --> [ROS Bridge] --> [传感器同步] --> [标定变换] --> [特征提取] --> [模型推理] --> [结果融合]

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6.2 性能评估指标

指标计算公式目标值检测精度(mAP)∫P(R)dR>0.85定位误差(RMSE)√(Σ(x_pred-x_gt)^2/n)50cm。</ul>计算资源分配：
[table]模块CPU核心内存(GB)GPU(GB)数据采集24-预处理481模型推理6164</ol>九、完整代码结构

# 使用TensorRT加速推理
from torch2trt import TRTModule
model_trt = TRTModule()
model_trt.load_state_dict(torch.load("model_trt.pth"))

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十、总结与展望

本教程实现了从仿真环境搭建到完整感知系统的完整链路，关键创新点：

提出自适应时空同步算法；
实现特征级-决策级混合融合策略；
构建端到端优化流程。

未来可扩展方向：

引入毫米波雷达数据；
实现多模态语义分割；
部署到真实车辆（NVIDIA DRIVE平台）。

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