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基于机器人操作系统ROS的无人驾驶系统,这些优缺点要知道

程序员?? 2016年06月02日 ?? 收藏2
在上篇解析光学雷达(LiDAR)技术之后,本文着重介绍基于机器人操作系统ROS的无人驾驶系统。文中将介绍ROS以及它在无人驾驶场景中的优缺点,并讨论如何在ROS的基础上提升无人驾驶系统的可靠性、通信性能和安全性。

无人驾驶:多种技术的集成

无人驾驶技术是多个技术的集成,如图1所示,一个无人驾驶系统包含了多个传感器,包括长距雷达、激光雷达、短距雷达、摄像头、超声波、GPS、陀螺仪等。每个传感器在运行时都不断产生数据,而且系统对每个传感器产生的数据都有很强的实时处理要求。比如摄像头需要达到60FPS的帧率,意味着留给每帧的处理时间只有16毫秒。但当数据量增大之后,分配系统资源便成了一个难题。例如,当大量的激光雷达点云数据进入系统,占满CPU资源,就很可能使得摄像头的数据无法及时处理,导致无人驾驶系统错过交通灯的识别,造成严重后果。

基于机器人操作系统ROS的无人驾驶系统
图1 无人驾驶系统范例

如图2所示,无人驾驶系统整合了多个软件模块(包括路径规划、避障、导航、交通信号监测等)和多个硬件模块(包括计算、控制、传感器模块等),如何有效调配软硬件资源也是一个挑战。具体包括三个问题:第一,当软硬件模块数据增加,运行期间难免有些模块会出现异常退出的问题,甚至导致系统崩溃,此时如何为提供系统自修复能力?第二,由于模块之间有很强的联系,如何管理模块间的有效通信(关键模块间的通信,信息不可丢失,不可有过大的延时)?第三,每个功能模块间如何进行资源隔离?如何分配计算与内存资源?当资源不足时如何确认更高的优先级执行?

基于机器人操作系统ROS的无人驾驶系统
图2 无人驾驶软硬件整合

简单的嵌入式系统并不能满足无人驾驶系统的上述需求,我们需要一个成熟、稳定、高性能的操作系统去管理各个模块。在详细调研后,我们觉得机器人操作系统ROS比较适合无人驾驶场景。下文将介绍ROS的优缺点,以及如何改进ROS使之更适用于无人驾驶系统。

机器人操作系统(ROS)简介

ROS是一个强大而灵活的机器人编程框架,从软件构架的角度说,它是一种基于消息传递通信的分布式多进程框架。ROS很早就被机器人行业使用,很多知名的机器人开源库,比如基于quaternion的坐标转换、3D点云处理驱动、定位算法SLAM等都是开源贡献者基于ROS开发的。因为ROS本身是基于消息机制的,开发者可以根据功能把软件拆分成为各个模块,每个模块只是负责读取和分发消息,模块间通过消息关联。如图3所示,最左边的节点可能会负责从硬件驱动读取数据(比如Kinect),读出的数据会以消息的方式打包,ROS底层会识别这个消息的使用者,然后把消息数据分发给他们。

基于机器人操作系统ROS的无人驾驶系统
图3 ROS系统

ROS 1.0