無人駕駛車輛環境感知係統該如何構建?

作者: 伊人影院科技集團 / 時間: 2019-05-23 03:18:30
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中國科學院自動化研究所副研究員,中國科學院大學博士,主要從事智能車輛研究,參與和主持了多項國家863和973、交通部和自然基金課題,發表SCI/EI論文12篇,申請和獲得發明專利20項。獲北京市科技進步獎、北京市“金橋工程”項目獎、吳文俊人工智能科學技術進步獎、中科院教學成果獎等國家省部級科技獎勵4項。

無人駕駛係統是由多種技術集成,包括了駕駛環境感知、路徑規劃和車輛控製等組件,每類組件由算法集合組成,一般基於各類分布式程序框架來構建,通過車載總線技術實現各組件之間信息交互通信。機器人操作係統(ROS)是一個強大而靈活的機器人編程框架,是一種基於消息傳遞通信的分布式多進程框架,有很多知名的機器人開源函數庫,例如基於Quaternion的坐標轉換、3D點雲處理、定位算法、各類SLAM等。開發者可以根據應用功能把軟件分為多個模塊或節點(Node),各模塊隻是負責讀取和分發消息,模塊間通過消息關聯。如圖1所示,左邊節點可能從硬件驅動讀取數據,以消息方式打包發送。ROS底層識別該消息的訂閱者,將消息數據分發給訂閱節點。ROS節點通常是標準C++程序,可以使用係統中安裝的其他軟件庫,同時,ROS節點可以隱式啟動多個線程。多個節點同時訪問一個主題(Topic)時,也由FIFO隊列來管理,從而解決實時同步問題。

無人駕駛車輛環境感知係統該如何構建?

圖1 ROS係統功能框架

無人駕駛係統中首先包含了多個傳感器,例如長距和短距毫米波雷達、激光雷達、單目和雙目攝像頭、超聲波、GPS定位、陀螺儀慣導等。每個傳感器以不同頻率進行采樣和產生數據,係統對傳感器數據處理有很強的實時要求,所以要求無人駕駛係統能夠分布式異步實時處理這些數據。其次,無人駕駛係統在這些傳感器數據融合基礎上,進行駕駛環境要素感知和提取,進行導航和自主駕駛決策。這就要求係統具備強大計算能力,能夠集成高性能算法,具備高度可擴展性。

機器人操作係統(ROS)滿足上述這些要求。在ROS係統中,通過將係統抽象成節點和主題,其中節點用於表示單個組件模塊,主題用於保存輸入和輸出節點之間的數據,形成強大的抽象模型組件擴展計算框架,可以方便進行無人駕駛係統的開發。本文主要通過介紹構建無人駕駛係統中常用的幾種ROS機製和組成,無人駕駛係統環境感知功能與ROS下的具體實踐,無人駕駛係統中ROS組件及其性能要求等方麵內容,討論了基於ROS構建無人駕駛車輛環境感知係統。

1 感知信息融合中ROS機製和組成

1.1 構建環境感知信息融合常用的幾種ROS機製

通過將無人駕駛係統環境感知功能以ROS常見的機製來實現融入到現有的ROS係統框架中。其中,ROS主要組件包括ROS Master、ROS Node和ROS Service。ROS Master的主要功能是命名服務,它存儲了啟動時需要運行參數,消息發布上遊節點和接收下遊節點的連接名和連接方式,以及已有ROS服務的連接名,一般在無人駕駛係統中隻有一個Master。ROS節點通常是標準C++程序,可以使用係統中其他軟件庫,還可以隱式啟動多個線程,運行主要功能和服務。ROS Node節點是真正的執行模塊,對接收到的消息進行處理,並且發布新的消息給下遊節點,環境感知中的基本組成功能可以通過Node來實現。ROS Service是一種特殊的ROS節點,它相當於一個服務節點,接收請求並返回請求的結果。圖2展示了ROS通信流程,節點向Master advertise或者subscribe發布感興趣的Topic。當創建連接時,下遊節點會向上遊節點TCP Server發布連接請求,等鏈接創建後,上遊節點的消息就會通過鏈接送至下遊節點。

無人駕駛車輛環境感知係統該如何構建?

圖2 ROS Master Node通信

除了常見的Master、Node、Service和傳遞的消息(Message)等主要組件之外,ROS係統還提供了以下常用的組件:

①RViz集成可視化工具,圖3顯示了無人駕駛感知任務可視化示例,RViz 查看器是用於檢查任務的狀態。

②為管理點雲數據開發了一種點雲庫,支持許多算法包,用於定位與地圖創建。

③OpenCV是圖像處理的一個流行的計算機視覺庫,支持多種圖像處理算法實現庫函數及API(如圖像加載、轉換和繪製),有助於構建圖像處理程序框架,無人駕駛車輛環境感知可以通過OpenCV與ROS 的RViz組合進行可視化顯示。

④CUDA是一個GPU上的通用計算框架,因為環境感知中常用的複雜算法都是計算密集型和數據並行型,使用CUDA其執行速度可以顯著提高。

無人駕駛車輛環境感知係統該如何構建?

圖3 RViz集成可視化工具用於顯示三維地圖和2D圖像

1.2 構建環境感知信息融合常用的傳感器

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