ROS：用于Automated Driving的模塊化軟件架構(gòu)

2019-05-27 11:25

自動(dòng)駕駛對軟件架構(gòu)－Software Frameworks （SWFs）設(shè)計(jì)有著特殊的需求，若開始一個(gè)自動(dòng)駕駛項(xiàng)目，作為開發(fā)者，我們可能會(huì)有如下幾方面的訴求。

1、模塊化和可擴(kuò)展性

軟件可被明確劃分為獨(dú)立的子模塊，由于它們功能獨(dú)立，這些模塊可在Low Effort下被單獨(dú)測試和評估，從而提高維護(hù)性并實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)作開發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)模塊化，需要定義通用的接口，具有良好接口定義的軟件架構(gòu)，可便于功能的擴(kuò)展。

2、性能

在實(shí)時(shí)計(jì)算中，任務(wù)應(yīng)在確定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行。硬實(shí)時(shí)保證了每個(gè)計(jì)算響應(yīng)都在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)以特定的速率進(jìn)行。而軟實(shí)時(shí)則僅保證平均響應(yīng)時(shí)間。在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，至少應(yīng)滿足軟實(shí)時(shí)的要求。

3、仿真和調(diào)試

自動(dòng)系統(tǒng)的離線仿真和調(diào)試是非常重要的一方面，因此軟件架構(gòu)應(yīng)提供運(yùn)行環(huán)境和支持工具以用于車輛不同抽象層的模擬，例如從高層級的預(yù)測到低層級的控制。

4、容錯(cuò)性和監(jiān)控

SWF應(yīng)能夠在運(yùn)行時(shí)從意外故障中恢復(fù)，例如硬件或軟件相關(guān)的中斷，特別是通訊時(shí)的噪聲、抖動(dòng)、延遲等。為了實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)冗余的邏輯校驗(yàn)，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

5、應(yīng)用及支持

SWF應(yīng)為用戶或開發(fā)者提供簡易的監(jiān)測和數(shù)據(jù)可視化工具，提高其易用性，并可提供大量的文檔、示例和教程。

1、自動(dòng)駕駛軟件架構(gòu)介紹

在過去的這些年，自動(dòng)駕駛領(lǐng)域出現(xiàn)了很多不同的軟件架構(gòu)。在自動(dòng)駕駛項(xiàng)目開始前期，軟件架構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一步，下面我介紹兩種被人所熟知且被廣泛使用的自動(dòng)駕駛軟件架構(gòu)。

Real－time Database for Cognitive Automobiles（KogMo－RTDB）

KogMo－RTDB為對象的插入、更新和刪除提供了統(tǒng)一的接口，盡管KogMo－RTDB為數(shù)據(jù)對象提供了動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，但內(nèi)存需要在對象內(nèi)靜態(tài)分配。這在物體尺寸變化的場景可能會(huì)變的麻煩，如通過雷達(dá)掃描設(shè)備獲取的測量數(shù)據(jù)。對象可在共享內(nèi)存中保留一段時(shí)間、序列化并寫入存儲(chǔ)中。然而在分布式系統(tǒng)中，KogMo－RTDB并不通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通訊。KogMo－RTDB需要額外的工具用于記錄和回放數(shù)據(jù)，而且，最關(guān)鍵的是目前該項(xiàng)目的開發(fā)者社區(qū)并不活躍，因此維護(hù)的很差。

時(shí)間觸發(fā)式架構(gòu)

EB基于和Audi的合作開發(fā)經(jīng)驗(yàn)推出的模塊化ADAS開發(fā)環(huán)境平臺—EB Assist Automotive Data and Time－Triggered Framework （ADTF）是目前用于ADAS系統(tǒng)開發(fā)和測試的最常用軟件架構(gòu)，可幫助ADAS軟件開發(fā)者快速完成新功能的開發(fā)。作為一種具有分布式進(jìn)程鏈的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其可支持同步和異步數(shù)據(jù)的處理。各進(jìn)程鏈之間的通訊可通過事件、服務(wù)呼叫等方式實(shí)現(xiàn)。ADTF可通過自定義模塊進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)也提供諸如設(shè)備驅(qū)動(dòng)和Matlab／simulink插件等工具箱以提高開發(fā)效率，與KogMo－RTDB一樣，ADTF也提供離線系統(tǒng)的仿真和調(diào)試。由于ADTF是商業(yè)化產(chǎn)品，因此主要用于商業(yè)化公司而不能被我們普通開發(fā)者所使用，除非你既是土豪又對這玩意感興趣，這樣的結(jié)果就是普通開發(fā)者或興趣愛好者很難獲取有關(guān)的應(yīng)用教程和案例。

下面我將切入該篇重點(diǎn)，著重介紹被研究結(jié)構(gòu)和很多國際團(tuán)隊(duì)，哪怕我們普通開發(fā)者也可廣泛使用的一種用于自動(dòng)駕駛項(xiàng)目開發(fā)的軟件架構(gòu)：ROS

2、Robot Operating System（ROS）

樓主開通公眾號時(shí)寫的第一篇文章就是關(guān)于ROS的，主要就是對ROS的發(fā)展史、特性及系統(tǒng)架構(gòu)做了簡單的介紹《ROS簡介及其系統(tǒng)框架》，下面我將結(jié)合文章開頭提到的軟件架構(gòu)需求闡述ROS應(yīng)用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的優(yōu)勢。

系統(tǒng)架構(gòu)

ROS架構(gòu)是一多服務(wù)器分布式計(jì)算環(huán)境，其允許應(yīng)用跨服務(wù)器通訊并有機(jī)的組成一個(gè)系統(tǒng)整體。Master是ROS中一特殊的服務(wù)器，其負(fù)責(zé)應(yīng)用的注冊、執(zhí)行并運(yùn)行參數(shù)服務(wù)器（Parameter Server）和信息記錄服務(wù)（Logging Service）。從服務(wù)器（Slave Server）與Master可使用TCP或UDP協(xié)議通過局域網(wǎng)與Master建立連接。

軟件架構(gòu)

運(yùn)行在ROS環(huán)境中的應(yīng)用為Nodes（節(jié)點(diǎn)）和Nodelets（結(jié)點(diǎn)），兩者之間的區(qū)別就是Nodes（節(jié)點(diǎn)）是單獨(dú)的OS進(jìn)程，而Nodelets（結(jié)點(diǎn)）則是將多個(gè)算法打包并運(yùn)行在單個(gè)OS進(jìn)程中，這樣避免了數(shù)據(jù)傳輸（因進(jìn)程內(nèi)部是共享的，傳數(shù)據(jù)的話傳個(gè)指針即可），從而實(shí)現(xiàn)零拷貝（Zero Copy），因此Nodelet可有效降低Node之間的消息傳輸（進(jìn)程間通訊）。ROS應(yīng)用代碼可使用C＋＋、Python或Lisp進(jìn)行編寫，ROS的交互層能提供如下服務(wù)：

1、單向異步信息通訊

2、雙向同步信息通訊

3、診斷信息傳輸

4、局部和全局參數(shù)處理

5、基于時(shí)間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

6、關(guān)鍵信息記錄等

模塊化和可擴(kuò)展性

Message通訊機(jī)制：基于Message通訊的ROS支持兩種類型的Message通訊：同步和異步。但同步通訊其實(shí)用的很少，因此主要介紹一下異步通訊。異步通訊在ROS中的應(yīng)用以發(fā)布－訂閱的形式設(shè)計(jì)，如下圖所示：

提供信息的節(jié)點(diǎn)會(huì)首先定義一發(fā)布器并將其注冊到ROS系統(tǒng)中，訂閱信息的節(jié)點(diǎn)則需要定義和注冊一訂閱器，注冊的發(fā)布器和訂閱器之間以獨(dú)有的主題名（Topic）相互進(jìn)行通訊。

即插即用的模塊化特性：在新系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，最終采用的算法往往在原型設(shè)計(jì)之后，為了實(shí)現(xiàn)功能子組件的及時(shí)替換，需要組件之間建立簡潔且完善的接口。而在ROS內(nèi)部，所需的接口在上述介紹的Message機(jī)制中得到了很好的解決。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都遵守組件的輸入和輸出消息格式，例如圖像處理的ROS節(jié)點(diǎn)可不經(jīng)任何修改的情況下插入系統(tǒng)。

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