智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)課件：ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用

ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用主講人：智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)

導(dǎo)入1了解Linux操作系統(tǒng)的特點(diǎn)及其在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用2了解ROS的特性及其在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用3了解Gazebo的特點(diǎn)及其在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用ROS是Robot（機(jī)器人）+Operating（操作）+System（系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱，即為機(jī)器人操作系統(tǒng)。ROS主要組件包括ROSMaster、ROSNode和ROSService三種?，F(xiàn)代智能網(wǎng)聯(lián)汽車的自主駕駛系統(tǒng)整合了路徑規(guī)劃、避障、導(dǎo)航、交通信號(hào)監(jiān)測(cè)等多個(gè)軟件模塊和計(jì)算、控制、傳感器模塊等多個(gè)硬件模塊，如何有效調(diào)配軟硬件資源也是一個(gè)挑戰(zhàn)。簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)并不能滿足無(wú)人駕駛系統(tǒng)的上述需求，我們需要一個(gè)成熟、穩(wěn)定、高性能的操作系統(tǒng)去管理各個(gè)模塊。ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用ROS的架構(gòu)分為三個(gè)層次，分別是文件系統(tǒng)級(jí)、計(jì)算圖級(jí)、開源社區(qū)級(jí)。1.ROS文件系統(tǒng)級(jí)文件系統(tǒng)級(jí)主要是指在完成ROS的安裝后，在硬盤中所生成的一系列關(guān)于ROS的內(nèi)部文件bin文件夾下存放的是二進(jìn)制文件。這類文件只有在相關(guān)應(yīng)用軟件中才能夠正確顯示出來(lái)，比如圖像文件、音頻文件、視頻文件等。etc文件夾下存放的是相關(guān)的配置文件。include文件夾下存放的是c++頭文件。lib文件夾下存放的是靜態(tài)庫(kù)文件。share文件夾下存放的是功能包相關(guān)的文件。*.sh文件是Linux系統(tǒng)的命令腳本文件。*.py文件是Python語(yǔ)言編寫的腳本文件。ROS把不同功能組件分別放在不同的文件夾中。運(yùn)行期間會(huì)分別根據(jù)實(shí)際的需要再將它們重新組織在一起。ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用2.計(jì)算圖級(jí)ROS操作系統(tǒng)提供了大量的程序庫(kù)和工具，從而使得開發(fā)人員能夠更好地在機(jī)器人或人工智能領(lǐng)域中進(jìn)行學(xué)習(xí)與研究。而且ROS本身還具有許多功能，如硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)、可視化工具、消息傳遞等。計(jì)算圖級(jí)是ROS為了處理各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)而建立的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。主要包括：節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)管理器、話題、消息、服務(wù)、參數(shù)服務(wù)器和消息記錄包。ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用1.節(jié)點(diǎn)（Node）一個(gè)節(jié)點(diǎn)即為一個(gè)可執(zhí)行文件，它通過(guò)ROS與其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中，我們可以把激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、GPS等傳感器設(shè)備都分別定義成為一個(gè)個(gè)單一的節(jié)點(diǎn)。在此舉例說(shuō)明，首先把智能網(wǎng)聯(lián)汽車本身的制動(dòng)系統(tǒng)定義為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后再把激光雷達(dá)定義為另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)激光雷達(dá)探測(cè)到前方有障礙時(shí)，激光雷達(dá)所在的這個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)出通知告訴制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)接收到通知后，可根據(jù)探測(cè)情況，開始進(jìn)行下一步操作的判斷是采取減速、剎車還是繼續(xù)正常行駛。ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用2.節(jié)點(diǎn)管理器（Master）節(jié)點(diǎn)管理器的作用主要有4個(gè)方面：為ROS節(jié)點(diǎn)提供命名和注冊(cè)服務(wù)；方便ROS節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行相互的查找；有助于ROS節(jié)點(diǎn)之間建立相互的通信連接；提供參數(shù)服務(wù)器，幫助ROS管理全局參數(shù)。ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用3.話題（Topic）話題是節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信的最基本方式。節(jié)點(diǎn)之間的通信時(shí)，可以不需要進(jìn)行直接的連接，而是以發(fā)布和訂閱的形式通過(guò)話題進(jìn)行消息的傳輸。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布多個(gè)話題，同樣一個(gè)話題也可以被多個(gè)節(jié)點(diǎn)訂閱。例如，可分別把智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的攝像頭、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、油門系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)定義成4個(gè)節(jié)點(diǎn)。由攝像頭節(jié)點(diǎn)發(fā)布一個(gè)檢測(cè)路面是否出現(xiàn)行人的話題，頻率為20Hz，這樣就使攝像頭節(jié)點(diǎn)成為一個(gè)話題的發(fā)布者。再令轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、油門系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)分別去訂閱這個(gè)檢測(cè)路面行人的話題，使其成為話題的訂閱者。如果前方?jīng)]有出現(xiàn)行人的話，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和油門系統(tǒng)將繼續(xù)正常工作；如果前方出現(xiàn)行人的話，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和油門系統(tǒng)在停止工作的同時(shí)會(huì)開啟制動(dòng)系統(tǒng)。ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用4.消息（Message）消息是節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信傳輸?shù)囊环N數(shù)據(jù)類型。消息類型包括了ROS提供的標(biāo)準(zhǔn)類型和用戶自定義的類型。定義消息類型必須包含消息的字段和消息的取值兩個(gè)部分。例如，定義一個(gè)名為障礙物的消息類型，消息類型中包含三個(gè)字段分別是障礙物的長(zhǎng)度、寬度、高度。ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用5.服務(wù)（Service）服務(wù)建立通信的方式基于客戶端-服務(wù)器的模式，一方面需要客戶端發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求到服務(wù)器，另一方面需要服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，對(duì)客戶端進(jìn)行服務(wù)的響應(yīng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行直接通信時(shí)，只能采用服務(wù)的方式進(jìn)行通信，而不能通過(guò)話題的方式進(jìn)行。例如，智能網(wǎng)聯(lián)汽車在行駛過(guò)程中想要提高車速，于是電子油門節(jié)點(diǎn)向毫米波雷達(dá)節(jié)點(diǎn)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，請(qǐng)求消息類型是方向?yàn)檎胺?，測(cè)量范圍為200米。毫米波雷達(dá)節(jié)點(diǎn)接收到服務(wù)請(qǐng)求后，進(jìn)行正前方200米以內(nèi)的探測(cè)后，將探測(cè)結(jié)果的響應(yīng)給電子油門節(jié)點(diǎn)，響應(yīng)消息類型是無(wú)任何障礙物。ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用6.消息記錄包（Bag）消息記錄包是一種文件格式，主要用于在ROS中對(duì)消息數(shù)據(jù)、話題數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)以及其他信息數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。通過(guò)記錄包可實(shí)現(xiàn)情景再現(xiàn)功能，主要應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)功能的測(cè)試。ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用常見幾類傳感器通過(guò)各自驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)來(lái)提供感知信息，包括image_raw相機(jī)圖像信息、激光雷達(dá)形成的Scan信息、Velodyne激光雷達(dá)提供的點(diǎn)云信息以及GPS系統(tǒng)提供的定位信息等。通過(guò)訂閱該信息的各自處理節(jié)點(diǎn)，形成了掃描圖像、點(diǎn)云圖像等進(jìn)一步信息列表。ROS在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用3.開源社區(qū)級(jí)ROS開源社區(qū)級(jí)的概念主要是ROS資源，其能夠通過(guò)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)分享軟件和知識(shí)。這些資源包括：發(fā)行版（Distribution）：ROS發(fā)行版是可以獨(dú)立安裝、帶有版本號(hào)的一系列綜合功能包。ROS發(fā)行版像Linux發(fā)行版一樣發(fā)揮類似的作用。這使得ROS軟件安裝更加容易，而且能夠通過(guò)一個(gè)軟件集合維持一致的版本。軟件庫(kù)（Repository）：ROS依賴于共享開源代碼與軟件庫(kù)的網(wǎng)站或主機(jī)服務(wù)，在這里不同的機(jī)構(gòu)能夠發(fā)布和分享各自的機(jī)器人軟件與程序。ROS維基（ROSWiki）：ROSWiki是用于記錄有關(guān)ROS系統(tǒng)信息的主要論壇。任何人都可以注冊(cè)賬戶、貢獻(xiàn)自己的文件、提供更正或更新、編寫教程以及其他行為。Bug提交系統(tǒng)（BugTicketSystem）：如果你發(fā)現(xiàn)問題或者想提出一個(gè)新功能，ROS提供這個(gè)資源去做這些。郵件列表（Mailinglist）：ROS用戶郵件列表是關(guān)于ROS的主要交流渠道