ROS與智能駕駛

ROS全稱Robot Operating System，直接翻譯就是機(jī)器人操作系統(tǒng)。雖然名字里含有“操作系統(tǒng)”的字眼，但ROS與Windows和Linux等操作系統(tǒng)不一樣，它實(shí)際上是一套軟件庫(kù)和工具，可以幫助用戶快速建立機(jī)器人應(yīng)用程序。在軟件層面上，ROS是一種中間件。什么是中間件？中間是相對(duì)的，有“上”和有“下”的時(shí)候就有“中間”。這感覺(jué)就像是“中產(chǎn)階級(jí)”，沒(méi)有嚴(yán)格界限。所以在有上層軟件和底層軟件的語(yǔ)境下，這中間的軟件就是“中間件”。ROS就是介于底層操作系統(tǒng)（如Linux）和上層業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件（如OpenCV）之間的中間件。

那么ROS能出現(xiàn)在焉知智能汽車的公眾號(hào)里，它跟智能汽車又有什么關(guān)系呢？ 實(shí)際上智能汽車就是一種機(jī)器人。舉個(gè)例子，您有沒(méi)有覺(jué)得家里的掃地機(jī)器人和智能駕駛汽車非常像？近年來(lái)，智能駕駛無(wú)疑是汽車工業(yè)的當(dāng)紅炸子雞，而汽車的智能駕駛化實(shí)質(zhì)上也是汽車的機(jī)器人化。我們常說(shuō)的“感知”、“決策”和“規(guī)控”等，其實(shí)也是來(lái)自于機(jī)器人領(lǐng)域。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的功能域控制器劃分，電子電氣架構(gòu)的演變都能或多或少看到機(jī)器人的影子。甚至有些公司就是借用機(jī)器人傳統(tǒng)術(shù)語(yǔ)來(lái)作為傳統(tǒng)車企智能化改革的口號(hào)和產(chǎn)品藍(lán)圖。

機(jī)器人是多專業(yè)知識(shí)交叉的學(xué)科，通常涉及傳感器、驅(qū)動(dòng)程序、多機(jī)通信、機(jī)械結(jié)構(gòu)、算法等，為了更高效地進(jìn)行機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)，選擇一個(gè)通用的開(kāi)發(fā)框架非常必要。而ROS就是最流行的框架之一。當(dāng)機(jī)器人和智能駕駛汽車一相逢，ROS順理成章的成了很多團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)智能駕駛的選擇，很多智能駕駛的算法應(yīng)用都是基于ROS來(lái)開(kāi)發(fā)的。中國(guó)智能駕駛界大名鼎鼎的“Apollo”就是基于ROS二次開(kāi)發(fā)改進(jìn)的。而從另一個(gè)角度來(lái)看，近年來(lái)ROS也成為了智能網(wǎng)聯(lián)工程師崗位招聘要求的高頻詞。熟練掌握ROS的汽車工程師毫無(wú)疑問(wèn)是人才市場(chǎng)上的“香餑餑”。

02 ROS歷史簡(jiǎn)介

首先提一下，ROS有ROS1和ROS2兩個(gè)大分支。沒(méi)有特別說(shuō)明時(shí)，一般ROS都指ROS1。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)ROS由來(lái)已久，進(jìn)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)已有架構(gòu)必須革新才能滿足更多需求，于是就開(kāi)辟了ROS2，并把之前的版本統(tǒng)稱ROS1。

展開(kāi)來(lái)看，ROS系統(tǒng)最早起源于2007年斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室的STAIR項(xiàng)目與機(jī)器人技術(shù)公司W(wǎng)illow Garage的個(gè)人機(jī)器人項(xiàng)目（Personal Robotics Program）之間的合作，2008年之后由Willow Garage公司推動(dòng)其發(fā)展。幾番測(cè)試后于2010年推出了正式發(fā)行版本：ROS Box Turtle。比較有趣的是，ROS各版本均以龜作為發(fā)行代號(hào)，至今已設(shè)計(jì)出十多種造型奇特的“ROS龜”。而每一次ROS發(fā)布新版都會(huì)按照字母順序改一個(gè)名字。例如ROS Box Turtle后是ROS C Turtle，再是Diamondback……2020年5月發(fā)布的ROS Noetic Ninjemys則到了字母“N”，也是ROS1的最后一個(gè)版本。

圖2：4個(gè)ROS版本及其ROS龜海報(bào)

從2008年至2013年，ROS主要由Willow Garage公司管理維護(hù)，但這并不意味著ROS是封閉的系統(tǒng)。相反，ROS由眾多學(xué)校及科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)發(fā)及維護(hù)的，這種聯(lián)合開(kāi)發(fā)模式也為ROS系統(tǒng)生態(tài)的構(gòu)建與壯大帶來(lái)有力的促進(jìn)。2013年，Willow Garage公司被Suitable Technologies公司收購(gòu)，此前幾個(gè)月，ROS的開(kāi)發(fā)和維護(hù)管理工作被移交給了新成立的開(kāi)源基金會(huì)Open Source Robotics Foundation。而隨著ROS的優(yōu)化和豐富，對(duì)ROS的要求也越來(lái)越多，一些原始架構(gòu)和設(shè)計(jì)已經(jīng)不能夠滿足，于是催生了ROS2。經(jīng)歷幾個(gè)測(cè)試版后，2017年ROS2正式發(fā)布了Ardent Apalone版本，之后每版升級(jí)同樣是迭代一個(gè)字母和ROS龜海報(bào)。最新一版ROS2是今年5月份剛發(fā)布的Humble Hawksbill。

03 為什么智能汽車選擇ROS

上文提到，智能駕駛汽車就是一種機(jī)器人。但是當(dāng)智能汽車選擇開(kāi)發(fā)框架的時(shí)候，為什么會(huì)這么多人選擇ROS呢？肯定不是因?yàn)樗拿掷镉小癛obot”這么簡(jiǎn)單。而結(jié)合上文提到的ROS1和ROS2時(shí)間線，這個(gè)關(guān)于智能駕駛的選擇肯定在ROS1上開(kāi)始的。究其原因，有這3個(gè)重要因素：

1.已有的開(kāi)源代碼豐富。

許多智能駕駛需要用到的算法，都能在ROS生態(tài)中找到已經(jīng)成熟的代碼。例如建立地圖的算法，使用激光雷達(dá)或GPS定位算法，沿著地圖規(guī)劃路徑算法，避開(kāi)障礙物的算法，攝像頭視覺(jué)處理算法等等。..。..這些輪式機(jī)器人導(dǎo)航所需的算法在ROS上是現(xiàn)成的，幾乎都可以直接適用于智能駕駛汽車。

2.具備配套的可視化工具。

ROS自帶一套圖形工具，可以方便地記錄和可視化傳感器捕獲的數(shù)據(jù)，并以全面的方式表示車輛的狀態(tài)。此外，它還提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)定制化的可視化需求。這在開(kāi)發(fā)控制軟件和調(diào)試代碼時(shí)非常有用。如果您曾經(jīng)在電腦前看過(guò)智能駕駛汽車傳感器的原始數(shù)據(jù)，做過(guò)調(diào)試，相信您會(huì)深刻理解一個(gè)靠譜的數(shù)據(jù)可視化工具是有多么重要。

圖3：利用ROS RVIZ三維可視化點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.簡(jiǎn)單好上手。

在開(kāi)展一個(gè)新領(lǐng)域的時(shí)候，沒(méi)有什么比把東西先做出來(lái)更重要了。基于ROS來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)智能駕駛汽車項(xiàng)目是比較簡(jiǎn)單的。例如從一個(gè)簡(jiǎn)單的輪式機(jī)器人開(kāi)始，配備一對(duì)輪子、一個(gè)攝像頭、一個(gè)激光掃描儀和ROS導(dǎo)航軟件棧，開(kāi)發(fā)者可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以完成設(shè)置，讓小車自主行進(jìn)避障。這種快速上手也可以幫助新手快速理解整個(gè)運(yùn)作基礎(chǔ)和框架，然后再轉(zhuǎn)向更專業(yè)更深入的研究。某寶上就有很多基于ROS的智能小車，很多機(jī)構(gòu)也是基于這些套件開(kāi)展智能駕駛培訓(xùn)的。

04 ROS1在汽車應(yīng)用上的弱點(diǎn)

當(dāng)然，ROS并不是完美的，尤其是ROS1應(yīng)用在智能汽車上存在不少局限性。早年間ROS1應(yīng)用于智能駕駛研發(fā)時(shí)，正是由于這些局限性，各大公司都需要在ROS上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以滿足智能汽車要求。那ROS1究竟有哪些弱點(diǎn)呢？

1.單點(diǎn)失效。

如下圖所示，ROS1的通訊機(jī)制是存在主從結(jié)構(gòu)的。也就是節(jié)點(diǎn)之間的通訊都依賴于一個(gè)Master。在這種集中式通訊方式下，如果Master失效了，那么系統(tǒng)就會(huì)崩潰。這在汽車行業(yè)功能安全的要求下，無(wú)疑是太脆弱了。

圖4：ROS1通訊機(jī)制示意圖

2.實(shí)時(shí)性差。

ROS1就是基于Linux操作系統(tǒng)之上的。Linux原生不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，ROS1自然也沒(méi)有實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)考慮。ROS1設(shè)計(jì)之初更多地從實(shí)現(xiàn)最高性能的角度出發(fā)，在任務(wù)調(diào)度和線程切換等機(jī)制設(shè)計(jì)上并沒(méi)有保證實(shí)時(shí)性所要求的“確定時(shí)間”。例如汽車動(dòng)力底盤域常見(jiàn)的輪速信號(hào)就很容易在原生ROS1中失真。

3.缺乏網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。

ROS1并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)任何安全機(jī)制來(lái)防止第三方進(jìn)入ROS1網(wǎng)絡(luò)并讀取節(jié)點(diǎn)之間的通信。這意味著任何能夠進(jìn)入汽車網(wǎng)絡(luò)的人都可以進(jìn)入ROS1的信息傳遞并劫持汽車。這在汽車網(wǎng)絡(luò)安全法規(guī)日益嚴(yán)格的背景下，也無(wú)疑是力不從心的。

05 ROS1與ROS2

早年間，各大公司都針對(duì)ROS1弱點(diǎn)做了很多優(yōu)化，以讓其適用于汽車。而這些研究和改進(jìn)當(dāng)然也反饋到ROS組織本身，所以也就有了上文提到的ROS2。那么ROS1和ROS2有什么差別呢？ROS2對(duì)這些弱點(diǎn)有改進(jìn)嗎？話不多說(shuō)，我們先來(lái)看看兩者的系統(tǒng)架構(gòu)框圖對(duì)比。

圖5：ROS1和ROS2的系統(tǒng)架構(gòu)框圖對(duì)比

由下往上看，在操作系統(tǒng)層，ROS2比ROS1支持的底層操作系統(tǒng)更多，也支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）了。這就讓ROS2可以支持更多樣化的嵌入式硬件，例如汽車應(yīng)用中一些輕量化的ECU。

在中間層，ROS1更多地依賴TCP和UDP協(xié)議，而在ROS2中則引入了DDS。DDS全稱是Data Distribution Service 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，是一種分布式實(shí)時(shí)通信中間件協(xié)議，也是一個(gè)被很多公司實(shí)現(xiàn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。DDS采用發(fā)布/訂閱體系架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)以數(shù)據(jù)為中心，提供豐富的服務(wù)質(zhì)量（QoS）策略，以保障數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效、靈活地分發(fā)。

正是基于DDS的通訊機(jī)制，ROS的應(yīng)用層就不再需要Master節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間采用自發(fā)現(xiàn)機(jī)制，找到彼此，進(jìn)而建立穩(wěn)定的通信連接。這對(duì)于滿足功能安全需求，有很大幫助。當(dāng)然，ROS1和ROS2的應(yīng)用層軟件接口是匹配的，讓ROS1上開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件能快速?gòu)?fù)用部署到ROS2上，也是ROS2的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

由此可見(jiàn)，上文提到的ROS1在汽車應(yīng)用上的弱點(diǎn)，在ROS2上都得到了針對(duì)性甚至是根本性的改善。

06 ROS與AUTOSAR Adaptive

在汽車領(lǐng)域談軟件，自然是離不開(kāi)AUTOSAR的。這些年汽車硬件和軟件的發(fā)展本身也是日新月異。AUTOSAR也是在這背景下不斷優(yōu)化和自我革新，AUTOSAR Adaptive就是針對(duì)多核動(dòng)態(tài)操作系統(tǒng)的高資源環(huán)境在奮起直追，希望站穩(wěn)汽車軟件架構(gòu)老大的地位。ROS2和AUTOSAR Adaptive都是中間件，那它們?cè)诓粩嗌?jí)進(jìn)化的過(guò)程中，有沒(méi)有朝著某個(gè)共同的方向，進(jìn)而出現(xiàn)交匯點(diǎn)？答案是有的。最明顯的就是DDS的通訊機(jī)制。

圖6：DDS在AUTOSAR Adaptive通訊中的位置

如上圖所示，AUTOSAR Adaptive中的通訊管理模塊就加入了DDS的部分，并對(duì)DDS相應(yīng)的功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全都作了定義和描述。通過(guò)ara：：com可以統(tǒng)一CAN PDU、SOME/IP和DDS的通訊。而DDS就是ROS2中最核心的部分。所以聚焦于這個(gè)匯合點(diǎn)，可以結(jié)合ROS2和AUTOSAR，取兩者之所長(zhǎng)。

事實(shí)上這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)已經(jīng)被很多公司企業(yè)抓住，并開(kāi)發(fā)出了不少商用的產(chǎn)品。例如下圖就是Apex.AI公司的產(chǎn)品示意圖。Apex.AI將Apex.OS節(jié)點(diǎn)（匹配ROS節(jié)點(diǎn)）與AUTOSAR Adaptive和AUTOSAR Classic平臺(tái)連接起來(lái)。AUTOSAR arxml（包含數(shù)據(jù)類型和接口的描述）可以直接作為配置輸入。這使得設(shè)置可以靈活應(yīng)對(duì)服務(wù)定義的變化。ROS Topic的數(shù)據(jù)最終可以在AUTOSAR ara：：com或RTE中使用。

圖7：Apex.AI公司統(tǒng)一ROS和AUTOSAR的產(chǎn)品示意圖（來(lái)源：Apex.AI）

07 寫在最后

智能汽車的發(fā)展是個(gè)復(fù)雜而又漫長(zhǎng)的過(guò)程，期間需要不斷的技術(shù)迭代和功能創(chuàng)新。對(duì)于個(gè)體開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，站在巨人的肩膀上來(lái)迎接這過(guò)程中的挑戰(zhàn)十分重要。ROS（尤其ROS2）就是其中一個(gè)巨人肩膀。希望本文能為之前沒(méi)接觸ROS的同仁提供一個(gè)初步印象，有所幫助。

審核編輯：郭婷