智能汽车技术第7章自动驾驶技术.pptx

智能汽车技术第7章自动驾驶技术7.1自动驾驶系统7.1.1美国Waymo 自动驾驶系统1.Waymo 公司美 国Waymo 公 司 是 一 家 极 具 实 力 的 自 动 驾 驶 技 术 公 司，原 为 谷 歌（Google）公 司 的 子 公 司，现在已经独立运营。2.Waymo 自动驾驶系统Waymo 自 动 驾 驶 系 统 主要 由 环 境 感 知 模 块、行 为 预 测模 块、规 划 模 块、关 键 性 安 全模块、人机交互模块等组成。Waymo 公司2009年开始自动驾驶技术研究，2010年进行了自动驾驶汽车城市路况测试，2011 年获得自动驾驶汽车的政府授权。Waymo 自动驾驶汽车Waymo 公 司 推 出 的 自 动 驾 驶 汽 车（图7-1）已 经 在 超 过25个 城 市 的 公 共 道 路 上 安 全 行 驶2000万 公 里，另 在 模 拟 环 境 中 安 全 行 驶 了 数 百 亿 公 里。此 外，Waymo 公 司 已 经 在 美 国 开 始 了L4 级 自 动 驾 驶 汽 车 的 商业化运营。图7-1Waymo 自动驾驶汽车7.1.2百度Apollo 自动驾驶系统1.概况作 为 全 球 领 先 的 自 动 驾 驶 开 放 平 台，百 度 阿 波 罗（Apollo）代 表 着 中 国 智 能 自 动 驾 驶 汽 车 的 最 高 水平。百 度Apollo 已 经 在 北 京、长 沙、重 庆、武 汉、美 国 加 州 等 多 地 进 行 开 放 道 路 自 动 驾 驶 测 试，在 自 动驾 驶 测 试 领 域 不 断 取 得 突 破。2020年，百 度 发 布 了 汽 车 智 能 化 乐 高（Lego）式 解 决 方 案，如 代 客 泊 车（ApolloValetParking，A VP）系统和领航辅助驾驶（ApolloNavigationPilot，ANP）系统等。百 度 公 司 已 与 十 余 家 汽 车 制 造 商 签署 了 战 略 合 作 协 议，提 供 高 精 地 图、自主 泊 车、领 航 辅 助 驾 驶 等 汽 车 智 能 化 服务。2022年6月，百度公司联合吉利汽车公司正式推出首款汽车机器人概念车集度ROBO-01（图7-2），以加速智能驾驶技术的普及和应用。图7-2 汽车机器人概念车集度ROBO-012.发展历程Apollo 是 百 度 发 布 的 一 款 面 向 汽 车 行业 和 自 动 驾 驶 领 域 合 作 伙 伴 的 开 源 软 件 平台。早 在2013年 百 度 就 组 建 了 自 动 驾 驶 研究 团 队，经 过 几 年 的 努 力，于2017年 正 式对 外 发 布 了 全 球 第 一 个 自 动 驾 驶 开 放 平 台Apollo 自动驾驶开放平台。此 后，百 度 不 断 深 化 自 动 驾 驶 技 术 研 究，Apollo 版 本 不 断 推 陈 出 新。当 前，已 经 由Apollo1.0更 新到 了Apollo7.0版 本。在 版 本 更 新 的 同 时，Apollo 系 统 的 功 能 也 在 不 断 丰 富 和 完 善，包 括 智 能 新 模 型、安全无人化、系统新升级等。7.2百度Apollo7.0 系统架构百度Apollo7.0 自动驾驶、车路协同系统架构如图7-3 所示。百 度Apollo7.0 自 动 驾 驶、车 路 协 同 系 统 架 构 分 为 车 辆 认 证 平 台、硬 件 开 发 平 台、开 源 软 件 平 台 和云端服务平台四层，其中除了云端服务平台是运行在云端的，其他三层都属于车端系统。图7-3 百度Apollo7.0 自动驾驶、车路协同系统架构图7.2.1车辆认证平台车 辆 认 证 平 台（ReferenceVehiclePlatform）主 要 由 线 控 车 辆 及 开 放 车 辆 接 口 标 准 两 部 分 组 成，用于线控车辆的登记认证。不开放这个接口，就无法控制汽车。车 辆 认 证 平 台 提 供 标 准 化 的 自 动 驾 驶 系 统 与 车 辆 接 口，执 行 线 控 车 辆 的 认 证 登 记 工 作，车 企/车 辆提 供 方 可 以 方 便 地 将 车 企 开 发 的 车 辆 控 制 平 台 接 入Apollo7.0系 统，从 而 覆 盖 更 广 泛 的 自 动 驾 驶 开 发 者（人群），加速自动驾驶能力的上车部署。车 企/车 辆 提 供 方 将 车 辆 相 关 内 容（包 括 但 不 限 于CANBUSDBCfile、车 辆 动 力 学 参 数 等）上 传至Apollo 车 辆 认 证 平 台，视 为 授 权Apollo 开 放 车 辆 认 证 平 台 对 其 提 供 的 相 关 内 容 依 据 平 台 要 求 进 行 处理并向开发者开放、使用。7.2.2硬件开发平台硬 件 开 发 平 台（HardwareDevPlatform）属 于 自 动 驾 驶 系 统 所 依 赖 的 硬 件 层，主 要 包 括 车 载 计算 单 元、组 合 导 航 系 统、摄 像 头、激 光 雷 达、毫 米 波 雷 达、超 声 波 雷 达、HMI 设 备、黑 盒 子、ASU、AXU、V2X 车载单元、受话器以及工控机等。硬 件 开 发 平 台 采 用 的 硬 件 设 备，可 以 根 据 设 计 需 要 选 用 不 同 的 产 品，以 满 足 不 同 客 户 的 需 求。换言之，在Apollo7.0 系统中，硬件属于可选件。1.车载计算单元作 为 百 度Apollo 自 动 驾 驶 系 统 的专 用 计 算 平 台，百 度 车 载 计 算 单 元（ApolloComputingUnit，ACU。图7-4）具 备 全 面 的AI 能 力，涵 盖 高 精地 图 和 定 位、环 境 感 知、规 划 控 制 等功能。ACU 分 为 多 个 系 列 产 品，包 括ACU-Basic、ACU-Advanced 和ACU-Professional 三 个 系 列，支 持5路摄像头，12路超声波雷达，并预留了毫米波雷达和激光雷达接口。其 中，ACU-Advanced 是 业 内 首 创 的 自 主 代 客 泊 车 产 品（AutomatedValetParking，A VP）专 用车载计算平台，提供软件、硬件一体化的系统解决方案。图7-4 车载计算单元（ACU）2.组合导航系统组 合 导 航 系 统 采 用 微 机电（MEMS）陀 螺 仪 惯 性 导航 与 卫 星 导 航 相 结 合 的 方 式，为 自 动 驾 驶 汽 车 提 供 定 位 和 导航服务。可 适 配Apollo7.0 自 动 驾驶 系 统 的 组 合 导 航 系 统 有NV-GI120（图 7-5）、Newton-M1、ProPak6、PwrPak 7D等产品。NV-GI120 是 北 京 耐 威 时 代 科 技 有 限 公 司 针 对 自 动 驾 驶 汽 车 推 出 的 定 位、定 姿、导 航 系 统，有 高精 度 的GNSS 板 卡 和 高 精 度MEMS 陀 螺，具 备 实 时 姿 态 和 位 置 解 算 能 力，同 时 也 可 输 出 传 感 器 和 板 卡的原始数据，以便进行后处理和高精度解算。NV-GI120 的 产 品 集 成 度 高，将 天 线、GPS、IMU 都 集 成 到 一 个 盒 子 里，实 现 了“传 感 器+计 算 单元+算法”的高度集成，特别适合匹配Apollo7.0 自动驾驶系统。图7-5NV-GI120 组合导航系统3.摄像头可 适 配Apollo7.0 自 动 驾 驶 系 统的 摄 像 头 产 品 很 多，仅 举 三 例 进 行说明。1）MARS 摄 像 头 系 统。美 国 安 森美 半 导 体（ONSemiconductor）公 司 推出 的 模 块 化 汽 车 参 考 系 统（ModularAutomotive Reference System，MARS）是 为 成 像 模 组 开 发 者 和 软 件 开发者提供的一套系统解决方案。MARS 系 统（图7-6）能 以 不 同的 镜 头、图 像 传 感 器、图 像 信 号 处理 器（Image Signal Processor，ISP）和 通 信 方 式 选 择 配 置 摄 像 头，用于快速配型和试验。MARS 系统非常灵活，可用于全系列的汽车摄像头应用，包括高级驾驶辅助系统（ADAS）、环视和后视系统、车舱内摄像头（用于手势识别、驾驶人眼睛监控或光照水平检测）和自动驾驶系统等。图7-6 安森美半导体公司的MARS 系统2）Wissen Camera 系 统。Wissen Camera（图 7-7）是 百 度 公 司 与 美 国 维 森 科 技（WissenTechnologies）公司联合开发的产品。该 产 品 为30mm30mm 自 带 同 轴 线 缆 的 摄 像 头 模 组，采 用YUV422 数 据 格 式 输 出1080p 高 清 图 像，具 有 高 动 态 范 围 大（超过100dB 高 动 态 范 围）、支 持 外 部 触 发、支 持OTA 固 件 在 线 升级特性，可以很好地适配Apollo7.0 系统。在 实 际 应 用 中，使 用3个WissenCamera 彼 此 配 合，能 更 好地检测交通信号灯。图7-7WissenCamera3）LI-USB30-AR023ZWDR 摄 像 头。美国 嘉 骏 科 技 公 司（Leopard Imaging Inc）的LI-USB30-AR023ZWDR 摄 像 头（图 7-8）支持USB 视 频 类（USB Video Class，UVC）协议，支 持 外 界 触 发 和 软 触 发，支 持 注 册 表 访 问功 能，采 用 基 于USB3.0的 非 压 缩YUV 高 速 图像 传 输，像 素 大 小 为3.0m3.0m，清 晰 度 高，可充分满足自动驾驶领域的需要。图7-8 美国嘉骏科技公司的LI-USB30-AR023ZWDR 摄像头4.激光雷达对于激光雷达，可选产品比较多。1）Velodyne 激光雷达。VLS-128 激光雷达。图2-57VelodyneVLS-128 激光雷达作为车载激光雷达的头部生产商，美国Velodyne公司的多款激光雷达均可适配Apollo7.0 自动驾驶系统。美国Velodyne 公司的VLS-128 激光雷达（图2-57）可以在长距离（300m）和360的水平视场范围内获得实时的、准确的距离和相对反射率测量，从而获得周围场景非常密集和全面的3D 数据，探测范围大、点云密度高，广泛应用于汽车自动驾驶、建筑测量、测绘、高精度地图、机器人导航避障、环境3D 建模、工业自动化等领域。HDL-64ES3 激光雷达。美国Velodyne 公司的HDL-64ES3 高分辨率、高性能激光雷达（图7-9）可以捕捉到周围环境的高清实时3D 信息。HDL-64ES3 探测距离不小于120m，测距精度为2cm，扫描速率2.2106point/s，扫描频率为520Hz，非常适用于自动驾驶汽车导航、3D 测绘以及工业自动化等行业应用。图7-9Velodyne 公司HDL-64ES3 激光雷达此 外，Apollo7.0 还 可 以 选 装、匹 配Velodyne 公 司 的ULTRA Puck VLP-32C、PUCK VLP-16、VLP-16 Puck LITE（图7-10）、PUCKHi-Res 等型号的激光雷达。图7-10Velodyne 公司VLP-16PuckLITE 激光雷达PUCKVLP-16 激光雷达PUCKHi-Res 激光雷达2）LeddarTech 激光雷达。加拿大LeddarTech 公司的固态激光雷达可适配Apollo7.0 自动驾驶系统。M16-LSR 激 光 雷 达。LeddarTech 公 司 的M16-LSR 固 态 激 光 雷 达（图7-11）为16线 束 雷 达，可以探测到165m 以内的动态或静态障碍物，数据更新率达100Hz，在智能汽车自动驾驶领域应用广泛。LEDDARVU8 激 光 雷 达。LeddarTech 公 司 的LEDDARVU8 固 态 激 光 雷 达（图7-12）为8线 束雷 达，可 以 探 测 到185m 以 内 的 动 态 或 静 态 障 碍 物，数 据 更 新 率 达100Hz，外 型 小 巧、安 装 方 便，在智能汽车自动驾驶领域应用广泛。图7-11LeddarTech 公司M16-LSR 固态激光雷达 图7-12LeddarTech 公司VU8 固态激光雷达3）法 雷 奥 激 光 雷 达。法 国 法 雷 奥（Valeo）公 司 的Scala2激 光 雷 达（图7-13）为16线 束 雷 达，拥 有145的 水 平视 场 角（FOV），可 以 探 测 到150m 以内 的 动 态 或 静 态 障 碍 物，是 自 动 驾 驶 系统的核心传感器之一。4）镭 神 智 能C16Series 系 列 激 光 雷达。深 圳 市 镭 神 智 能 系 统 有 限 公 司 研 发的C16Series 系 列16线 束 激 光 雷 达（图7-14）拥 有 实 时、360、3D 坐 标 和 距 离探 测 等 特 点，具 有 优 异 的 性 价 比，应 用领 域 非 常 广 泛，可 以 很 好 地 适 配Apollo7.0 自动驾驶系统。除 上 述 产 品 之 外，上 海 禾 赛 科 技公 司 的 潘 多 拉（Pandora）系 列、Robosense公 司 的Rs-LiDAR-16 系 列 以及Innovusion 公 司 的 激 光 雷 达 均 可 适配Apollo7.0 自动驾驶系统。图7-13 法雷奥Scala2 激光雷达图7-14 镭神智能C16Series 系列激光雷达5.毫米波雷达可适配Apollo7.0 自动驾驶系统的毫米波雷达产品也有很多，仅举两例进行说明。1）ContinentalARS408-21 毫 米 波 雷 达。德 国 大 陆（Continental）公 司 的ARS408-21 毫 米 波 雷 达（图2-36 和 图2-37）可 同 时 实 现 开 阔 的 视 角 和 远 距 离 检 测，在 自 适 应 巡 航 控 制、前 向 碰 撞 预 警 和 自 动紧急制动系统应用广泛。ARS408-21 毫米波雷达对静物的检测和区分能力很强，具有自身的独特优势。图2-36 大陆ARS4xx系列77GHz 毫米波雷达 图2-37 大陆77GHz远距离毫米波雷达适用于高级辅助驾驶系统2）理工雷科B01HC 毫米波雷达。北京理工雷科电子信息技术有限公司自主研发的B01HC 型77GHz 毫米波汽车防撞雷达（图7-15）采用了多输入、多输出（MultipleInputMultipleOutput，MIMO）虚拟孔径技术，实现了更好的精度、更高的角度分辨率，更小的体积，并兼容了近远距探测功能，可在全工况条件下，对车辆行驶环境和其他车辆目标进行实时探测，是自动驾驶及ADAS 系统的核心传感器之一。图7-15 理工雷科B01HC 毫米波雷达6.超声波雷达超 声 波 雷 达 布 置 在 车 辆 四 周，可 以在 低 速 情 况 向 对 车 辆 四 周 障 碍 物 进 行 扫描 检 测，实 时 输 出 车 辆 周 边 障 碍 物 的 信息，有效预防车辆发生碰撞事故。Apollo 自动驾驶系统匹配的超声波雷达是百度公司在广州优保爱驾科技有限公司订制的，按照安装位置分成前后和侧面两种类型，其技术参数见表7-1。前后超声波雷达 侧面超声波雷达 控制器工作电压（V）816 916标称电压（V）12测试电压（V）13.5工作温度（）-40+85通信方式CAN水平视场角（）9010 505 垂直视场角（）455 505 探测距离（cm）20300 工作频率（kHz）581 481 防尘/防水能力 IP67 表7-1 超声波雷达系统技术参数7.HMI 设备汽 车 的 人 机 交 互 界 面（HumanMachineInterface,HMI）与 计 算 机 的 人 机 交 互 界 面（HumanComputerInteraction，HCI）同源，主要研究用户与机器、系统之间的交互关系。人 机 交 互 界 面 通 常 是 指 用 户 可 感 知 的 部 分。用 户 通 过 人 机 交 互 界 面 与 机 器 系 统 交 流，并 进 行 操 作。小到收音机的播放按键，大到汽车的中控台或飞机、宇宙飞船的仪表板，都可称之为HMI 设备。汽 车 领 域 的HMI（图7-16）以 人 机 工 程 学 为 基 础，研 究 人 与 汽 车 之 间 的 交 互 关 系，是 一 项 涉 及 多 学 科（工 程 学、社 会 心 理 学、交 互 设 计、视 觉 设 计、工 业设 计 等）的 系 统 性 工 程，包 括 人 与 车 的 交 互 阶 段、交互模式、设计范畴等。百 度Apollo 自 动 驾 驶 系 统 中 的HMI 硬 件 设 备，可提 供 可 视 化 输 出（如 规 划 轨 迹、汽 车 定 位、底 盘 状 态等）；为 用 户 提 供 人 机 交 互 界 面，以 查 看 硬 件 状 态，打开/关闭模块以及启动自动驾驶系统等。在 百 度Apollo 自 动 驾 驶 汽 车 上，乘 客 可 以 通 过 应 用 程 序ApolloGOAPP，并 藉 由HMI 设 备 完 成 人机交互。图7-16 百度Apollo 自动驾驶汽车的HMI近 年 来，随 着 汽 车 智 能 化、网 联 化 的 快 速 发 展，汽 车HMI 领 域 也 发 生 了 很 大 的 变 化，逐 渐 衍 生 出一个新的技术领域汽车智能座舱（Automobileintelligentcockpit。图7-17）。图7-17 汽车智能座舱8.黑盒子Apollo 自 动 驾 驶 系 统 的 黑 盒 子（BlackBox，亦 称 黑 匣 子。图7-18）与 飞 机 上 的 黑 匣 子 类 似，是 一 款 针 对 自 动 驾 驶 汽 车 数 据 记录 的 软 硬 件 产 品，对 关 键 行 车 数 据 及 传 感 器 数 据 进 行 加 密 存 储 和访问控制，为还原事故真相和责任判定提供依据。9.ASUApollo 传 感 器 单 元（ApolloSensorUnit，ASU。图7-19）与 工 控 机（IndustrialPC，IPC）协 同 工 作，以 实 现 在Apollo 自 动 驾驶 平 台 上 的 传 感 器 数 据 融 合、车 辆 控 制 和 网络访问。ASU 系 统 提 供 多 种 接 口 以 收 集 来 自 不 同传 感 器 的 数 据，包 括 摄 像 头、激 光 雷 达、毫米 波 雷 达 和 超 声 波 雷 达 传 感 器。该 系 统 同 样使 用 GNSS 接 收 器 的 秒 脉 冲（Pulse PerSecond，PPS）和 推 荐 定 位（GlobalPositioningsystemRecommendedMinimumSpecific，GPRMC）信 号 实 现 摄 像 头 和 激 光雷达的数据同步。图7-18Apollo 黑匣子（百度自研产品）图7-19Apollo 传感器单元ASUASU 和IPC 的 通 信 通 过PCI Express 接 口 实 现。ASU 收 集 传 感 器 数 据 并 通 过PCI Express 接 口 传 输 给IPC，IPC 通 过ASU 发 送 车 辆 控 制 指 令，该 指 令 基 于 控制器局域网协议（CAN 协议）。应用以太网的激光雷达连接，应用4GLTE 模块的WWAN 网关和应用Wi-Fi 模块的Wi-Fi 访问将在未来的Apollo 版本中发布。图7-19Apollo 传感器单元ASU10.AXUApollo 扩 展 单 元（ApolloExtensionUnit，AXU。图7-20）用 于 提 高 自 动 驾 驶 系 统 的 计 算能 力 和 扩 展 存 储 容 量。常 用 的 加 速 器 件 有 图 形处 理 器(GraphicsProcessingUnit，GPU)、现 场可 编 程 逻 辑 门 阵 列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）模块等。图7-20Apollo 扩展单元（AXU）AXU 与ASU 相 结 合，为 自 动 驾 驶 传 感 器 和 数据 加 速 增 加 可 插 拔 且 可 编 程 的 功 能。这 两 个 系 统与IPC 相 结 合 就 可 以 满 足 自 动 驾 驶 计 算 平 台 的 所有需求。具 体 来 说，AXU 提 供 计 算 加 速、升 级 数 据 分析及处理、安全存储功能，并且支持多接口。图7-20Apollo 扩展单元（AXU）为进一步扩展AXU 在汽车上的应用能力，还可为其增设冷却回路（采用冷却液进行冷却降温）使其工作温度的范围扩展为-2070。11.V2X 车载单元V2X 车 载 单 元 是 指 实 现V2X 通 信 功 能 的 车 载 单 元（On-BoardUnit，OBU）。OBU 安 装 在 车 上，亦 称 车 端 单 元。路 侧 单 元（RoadSideUnit，RSU）安 装 在 道 路 侧 方 或 者 安 装 在 跨 路 横 杆 之 上，亦 称路端单元。OBU 与RSU 之 间 以 无 线 方 式 进 行 通 信，可 进 一 步 提 高 智 能 汽 车 的 环 境 感 知 水 平，并 可 大 幅 度 提 升交通效率。12.受话器Apollo7.0 系 统 通 过 音 频 设 备 集 成 了 紧 急 车 辆 检 测（EmergencyVehiclesDetection）功 能。在 车 上安 装 受 话 器（Microphone）来 收 集 自 动 驾 驶 车 辆 周 围 的 音 频 信 号，并 对 录 音 进 行 分 析 和 处 理，以 检 测周围是否存在紧急车辆（如消防车、救护车、警用车辆等）。若检测到本车周围存在紧急车辆，则自动进行避让。13.工控机Apollo7.0 系 统 可 选 配 的 工 控 机（IndustrialPC，IPC）有 宸 联 科 技（上 海）有 限 公 司（Neousys宸 曜 科技）生产的Nuvo-6108GC 和Nuvo-8108GC 两个型号。Nuvo-6018GC（图7-21）是 第 一 款 支 持 高 端 显 卡的 工 业 级、宽 温 型 图 形 处 理 器（GraphicsProcessingUnit，GPU）嵌 入 式 工 控 机，在 人 工 智 能、虚 拟 现 实、自 动 驾 驶 和 统 一 计 算 设 备 架 构（Compute UnifiedDeviceArchitecture，CUDA）等领域应用广泛。图7-21Nuvo-6108GCIPCNuvo-8108GC（图7-22）是 一 款 工 业 级GPU 运 算 人 工 智 能 平 台，支 持250WNVIDIAGPU 及 英 特尔 至 强E 系 列 或 第 九 代 酷 睿TM 处 理 器，其 宽 温、高 效 能 散 热 系 统 拥 有 专 利 技 术，系 统 可 在-2560宽温区间稳定运行。Nuvo-8108GC 支持848V 宽电压区间直流输入，内置点火信号电源控制功能，并配置有防振阻尼支架，是自动驾驶、人工智能等应用领域的最佳解决方案。图7-22Nuvo-8108GCIPC7.2.3开源软件平台开 源 软 件 平 台（OpenSoftwarePlatform）是 自 动 驾 驶 系 统 最 为 重 要 的 软 件 层。这 一 层 又 分 为 三个 子 层，最 底 层 是 实 时 操 作 系 统RTOS，用 于 整 个 系 统 的 实 时 操 作 管 理；第 二 层 是 运 行 软 件 所 需 的 框架 环 境（RuntimeFramework），称 为ApolloCyberRT；第 三 层 是 软 件 平 台 的 各 个 子 模 块（地 图 引擎、高精定位、感知、预测、规划、控制、人机交互等）。除此之外，开源软件平台还设置有V2X 适配器，用于实现V2X 通信的适配。图7-3 百度Apollo7.0 自动驾驶、车路协同系统架构图1.RTOS实 时 操 作 系 统（Real Time OperationSystem，RTOS）用 于 整 个 系 统 的 实 时 操 作 管理，可确保在给定的时间内完成特定的任务。如图7-23 所示，当传感器检测到自车前方的移动障碍物时，短时间内基于RTOS 软件模块，需要分析出障碍物是行人、车辆或其他物体，预测该障碍物未来的运动方向和速度，以此确定自车（亦称主车、本车）是减速还是紧急停车。然后，车辆需要按照上述决策执行对应的操作。在上述过程中，实时性（亦称实效性）是系统稳定性和驾驶安全性的基本保障。图7-23 基于实时操作系统（RTOS）的车辆操控如 图7-24 所 示，Apollo 的RTOS 系 统 是Ubuntu Linux 操 作 系 统 与Apollo 内 核 相 结 合 的 产 物。Ubuntu 是 一 个 以 桌 面 应 用 为 主 的Linux 操 作 系 统，是 业 内 顶 级Linux 发 行 版 本 之 一，也 是 目 前 最 流 行的 操 作 系 统。原 始 的Ubuntu 系 统 其 实 并 不 是 实 时 操 作 系 统，百 度 通 过 加 入Apollo 设 计 的 内 核，使 其 化身为实时操作系统。图7-24RTOS 系统与Ubuntu、Apollo 内核的关系 Ubuntu 系统Ubuntu 是一个以桌面应用为主的Linux 操作系统，其名称来自非洲南部祖鲁语的“Ubuntu”一词，意为“人性”，是非洲传统的一种价值观。从前人们认为Linux 难以安装、难以使用，在Ubuntu 出现后这些都成为了历史。Ubuntu 基于Debian 发行版和Gnome 桌面环境，从11.04 版起，Ubuntu 发行版放弃了Gnome 桌面环境，改为Unity。但自Ubuntu18.04LTS 起，Ubuntu 发行版又重新开始使用GNOME3 桌面环境。2.ApolloCyberRT（1）CyberRT 的功能ApolloCyberRT 是 全 球 首 个 面 向 自 动 驾 驶 的 高 性 能 开 源 计 算 框 架，该 系 统 框 架 是Apollo 开 源 软件 平 台 的 一 部 分，作 为 运 行 时 计 算 框 架（RuntimeFramework），处 于 实 时 操 作 系 统（RTOS）和 应用模块之间。Cyber RT 是 百 度Apollo 推 出 的 代 替ROS（Robot OperatingSystem，机 器 人 操 作 系 统）的 消 息 中 间 件，是 专 门 为自动驾驶场景设计的。CyberRT 基于中心化的计算模型，针对自动驾驶系统的高并发、低延迟、高吞吐的特点进行了大幅优化。CyberRT 是 一 个 分 布 式 收 发 消 息 和 调 度 框 架，同 时 对 外 提 供 一 系 列 的 工 具 和 接 口 来 解 决 开 发 和定位问题。CyberRT 的功能主要包括以下几个方面：1）消 息 队 列。主 要 作 用 是 接 收 和 发 送 各 个 节 点 的 消 息，涉 及 到 消 息 的 发 布、订 阅 以 及 消 息 的 缓存（buffer）等。2）实 时 调 度。主 要 作 用 是 调 度 处 理 上 述 消 息 的 算 法 模 块，保 证 算 法 模 块 能 够 实 时 调 度 和 处 理 消息。3）用户接口。CyberRT 提供了各种灵活的用户接口。4）开 发 工 具。CyberRT 提 供 了 一 系 列 开 发 工 具，包 括 消 息 监 控（Cyber_monitor）、消 息 可 视化（Cyber_visualizer）、录制/回放工具（Cyber_recorder）和ROS 包录制（rosbag_to_recorder）等。自 动 驾 驶 系 统 的 各 个 模 块 通 过CyberRT 进 行 消 息 的 订 阅 和 发 布，因 此，CyberRT 实 现 了 自 动 驾驶系统软件的中间层功能。（2）CyberRT 的特点CyberRT 是Apollo 自有的操作系统，是在ROS 的基础上进行二次开发的版本。ROS（RobotOperatingSystem，机 器 人 操 作 系 统）是 面 向 机 器 人 控 制 开 发 的 操 作 系 统，它 提 供一系列程序库和工具以帮助软件开发者创建机器人应用软件。ROS 提供了硬件抽象、设备驱动、库函数、可视化、消息传递和软件包管理等诸多功能。ROS 遵守BSD 软件开源许可协议，该协议最早由美国加州大学伯克利分校提出，故名BerklySoftwareDistribution，略作BSD。ROS 在 机 器 人 领 域 有 着 悠 久 的 历 史，目 前 有 三、四 千 个 基 础 库 支 持 应 用 程 序 的 快 速 开 发，ROS 根据功能将自治系统划分为多个模块，每个模块负责接收、处理和发布自己的消息。由于这些模块彼此独立，只能通过运行时框架进行通信，因此调整任何单一模块都会很容易。这一工作机制与微服务（Micro-service）工作机制极为相似通过高内聚、低耦合的方式实现各个模块的稳定性。为 了 使ROS 能 更 好 地 和 自 动 驾 驶 系 统 相 结 合，百 度Apollo 对ROS 作 了 大 幅 度 的 改 进，称 之 为ApolloCyberRT。ApolloCyberRT 在共享内存、去中心化和数据兼容方面具有突出特点。1）共 享 内 存。共 享 内 存 降 低 了 需 要 访 问 不 同 模 块 时 的 数 据 复 制 需 求，对 于 一 对 多 的 传 输 方 案，共享内存支持“一次写入、多次读取”的模式（图7-25）。例如，当系统接收到一帧激光雷达点云数据后，该帧点云数据可以同时用于障碍物检测、定位、交通信号灯识别和图形用户界面（GraphicalUserInterface，GUI。亦称图形用户接口）工具，而需要该帧点云数据的模块只需自行读取即可。图7-25 共享内存共 享 内 存 这 一 特 点 与 消 息 队列 遥 测 传 输（Message QueuingTelemetryTransport，MQTT）机制 的 发 布/订 阅 模 式 非 常 相 似，一方 在 一 个 主 题 内 发 送 消 息，系 统 内的 其 他 器 件 只 要 订 阅 该 主 题 即 可 得到自己需要的消息。这样做的最大好处就是可以更加高效地进行数据传输，显著提升通信速率。2）去 中 心 化。去 中 心 化 解 决 了 单 节 点 故 障 的 问 题。ROS 系 统 的 控 制 是 由 许 多 主 节 点 完 成 的，每个主节点都有对应的功能。如图7-26 所示，ROS 管理器作为ROS 系统的一个主节点，控制着若干个子节点，其中有的子节点负责车辆运动控制，有的子节点负责路径规划，有的子节点负责摄像头管理，有的子节点负责将控制命令发送到CAN 总线上等。不 难 看 出，在ROS 系 统 中，各 个 子 节 点 的正 常 工 作，过 度 依 赖 主 节 点（如 图7-26 中 的ROS管理器）的正常工作。一旦主节点因故障而失效，那么，与该主节点相关的所有子节点都将陷入瘫痪。图7-26ROS 系统的控制过度依赖主节点（ROS 管理器）为 规 避 上 述 风 险、提 高 可 靠 性，确 保 系 统 正 常 工 作，Apollo 将 所 有 主 节 点 置 于 一 个 公 共 域（Domain）中（图7-27）。Apollo 通 过 这 种 去 中 心 化 的 设 计，用公 共 域 取 代 了 原 来 的ROS 主 节 点，也 就消除了单个主节点故障带来的风险。图7-27 公共域与各个主节点之间的关系公共域内的每一个主节点都有关于该公共域中其他主节点的信息。这样一来，即便是某个主节点发生了故障，与故障主节点相关的子节点，也可以在公共域内其他正常工作的主节点内，获取维持自身正常工作所需的数据或控制指令。这种设计，Apollo 称之为去中心化。3）数 据 兼 容。对 于 自 动 驾 驶 系 统 而 言，由 于 项 目 自 身 规 模 很 大，因 此，数 据 兼 容 性 就 显 得 尤 为重 要。不 同 的ROS 节 点 通 过 名 为ROS 消 息 的 接 口 语 言 相 互 通 信，ROS 消 息 需 要 使 用 通 用 接 口 语 言，使每个节点都可以解读来自其他节点的消息数据。如 果 消 息 文 件 的 格 式 发 生 了 变 化，与 节 点 期 望 的 格 式 稍 有 不 同，就 会 造 成 通 信 失 败，这 就 导 致 了严重的兼容性问题。例 如，当 对 一 个 通 信 接 口 进 行 升 级 时，如 果 数 据 格 式 不 统 一，则 很 可 能 导 致 系 统 崩 溃。对 此，常见 的 解 决 方 法 是 通 过 一 次 又 一 次 的 数 据 转 换 来 拼 凑 出 合 适 的 数 据，并 且 还 需 要 考 虑 之 前 所 记 录 的 测 试数据需要适应新的消息格式，这种做法的弊端显而易见，不一定是最优解。Apollo 使 用 一 种 名 为Protobuf 的 接 口 语 言 来 替 代 原 生ROS 消 息，Protobuf 是ProtocolBuffers（汉译 为 协 议 缓 冲 器，但 一 般 不 做 汉 译，直 接 使 用 英 文 称 谓）的 缩 写 形 式，是Google 公 司 开 发 的 一 种 数 据描 述 语 言，其 功 能 类 似 于 可 扩 展 标 记 语 言（EXtensibleMarkupLanguage，XML），能 够 将 结 构 化数据进行序列化，可用于数据存储、通信协议等领域。Protobuf 可 以 将 新 的 字 段 添 加 到 消 息 格 式 中 而 不 会 破 坏 向 后 兼 容 性，新 的 二 进 制 文 件 可 以 在 解 析过程中接受旧的消息格式，Protobuf 很好地解决了数据兼容问题。（3）CyberRT 的架构Cyber RT的 架 构 如 图7-28所示。图7-28CyberRT 的架构1）基础库。CyberRT 为了高性能和减少依赖，建立了自己的基础库文件。2）通 信 层。通 信 层 包 括 发 布/订 阅 机 制（Publish/Subscribe System）、服 务 器/用 户 端 机 制（Service/Client System）、服 务 发 现（Service Discovery）机 制、自 适 应 的 通 信（AdaptiveCommunication）机制等。图7-28CyberRT 的架构3）数 据 缓 存/融 合 层。该 层 主 要 实 现 数 据 的 缓 存 与数 据 融 合（DataCache/Fusion）。多 路 传 感 器 之 间 的 数据 需 要 融 合，而 且 算 法 可 能需要缓存一定的数据。例 如，在 典 型 的 仿 真应 用 中，不 同 算 法 模 块 之 间需 要 有 一 个 数 据 桥 梁，以 便实 现 数 据 共 享 和 融 合，而 数据 缓 存/融 合 层 就 起 到 了 这个作用。4）计算层。计算层主要包括计算模型、任务以及任务调度等。5）接 口。CyberRT 为 开 发 者 提 供 了 元 件、组 件（Component）类，开 发 者 的 算 法 业 务 模 块 只 需要 继 承 该 类，实 现 其 中 的 虚 拟 文 件 系 统 接 口（proc 接 口）即 可。该 接 口 类 似 于ROS 的 回 调 函 数（Callback），消息通过参数的方式传输。此外，CyberRT 也提供了并行计算