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基于Spark與ROS的分布式無(wú)人駕駛模擬平臺(tái)

2016-09-15 12:44 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者： 劉少山 來(lái)源：CSDN
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本文是無(wú)人駕駛技術(shù)系列的第四篇，著重介紹基于Spark與ROS的分布式無(wú)人駕駛模擬平臺(tái)。無(wú)人駕駛的安全性和可靠性是通過(guò)海量的功能和性能測(cè)試來(lái)保...

　　本文是無(wú)人駕駛技術(shù)系列的第四篇，著重介紹基于Spark與ROS的分布式無(wú)人駕駛模擬平臺(tái)。無(wú)人駕駛的安全性和可靠性是通過(guò)海量的功能和性能測(cè)試來(lái)保證的。無(wú)人駕駛系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在它的整個(gè)研發(fā)流程中，測(cè)試工作至關(guān)重要同時(shí)也繁重復(fù)雜。顯然將全部測(cè)試工作都集中在真車(chē)上進(jìn)行是一種成本異常高昂且安全系數(shù)非常低的方案。通過(guò)綜合考慮測(cè)試中各種可能發(fā)生的正?；虍惓顩r，軟件模擬成為了面向無(wú)人駕駛系統(tǒng)的更安全且更經(jīng)濟(jì)有效的替代測(cè)試手段。

　　無(wú)人駕駛模擬技術(shù)

　　無(wú)人車(chē)駕駛系統(tǒng)由感知、預(yù)測(cè)、決策、控制等眾多功能模塊組成，每個(gè)模塊都各自擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和算法。絕大部分情況下，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員在測(cè)試過(guò)程中很難對(duì)海量的輸出參數(shù)作評(píng)價(jià)。同時(shí)，開(kāi)發(fā)人員不僅需要單獨(dú)測(cè)試一個(gè)功能模塊，也需要集合聯(lián)調(diào)多個(gè)模塊。因此，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員所需要的模擬器必須能夠直觀正確地反映出輸出參數(shù)的意義，同時(shí)還要既能對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行單一的測(cè)試，又能將各個(gè)模塊按照不同需求組合后進(jìn)行集成測(cè)試。

　　模擬器技術(shù)主要有兩種：第一種是基于合成數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境、感知以及車(chē)輛進(jìn)行模擬，這種模擬器主要用于控制與規(guī)劃算法的初步開(kāi)發(fā)上；第二種是基于真實(shí)數(shù)據(jù)的回放以測(cè)試無(wú)人駕駛不同部件的功能及性能。在本文中，我們主要討論基于數(shù)據(jù)回放的模擬器。

　　出于需盡量真實(shí)地模擬真車(chē)環(huán)境的需求，我們的模擬器采用了和真車(chē)相同的機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS。ROS是一種基于消息傳遞通信的分布式計(jì)算框架。這種框架方便開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行模塊化編程，這一特性對(duì)于模擬器來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。在無(wú)人駕駛系統(tǒng)中，每一個(gè)功能模塊在ROS中都部署在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)間的通信依靠事先定義好格式的message完成。在模擬器中開(kāi)發(fā)人員只需要使用相同的通信格式，針對(duì)每個(gè)功能模塊制作模擬模塊，然后根據(jù)測(cè)試需求搭配真實(shí)功能模塊和模擬模塊。例如，如果想進(jìn)行決策模塊和控制模塊的功能聯(lián)調(diào)，我們需要將決策模塊、控制模塊搭配其他的模擬模塊，安裝到模擬器中進(jìn)行測(cè)試。如果決策模塊需要單獨(dú)測(cè)試新的決策算法，我們可以只將新的決策模塊搭配其他的模擬模塊安裝到模擬器上，這樣的測(cè)試結(jié)果就是只針對(duì)決策模塊的。

　　模擬器的組成元素

　　首先，無(wú)人駕駛汽車(chē)模擬器中包含了車(chē)的動(dòng)態(tài)模型，用來(lái)加載測(cè)試無(wú)人車(chē)駕駛系統(tǒng)，并模擬無(wú)人駕駛汽車(chē)自身的行為。其次，需要模擬的是外部環(huán)境，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景。靜態(tài)場(chǎng)景中包括各種靜態(tài)的交通標(biāo)志，例如停止線、交通指示牌等；動(dòng)態(tài)場(chǎng)景主要指車(chē)周?chē)膭?dòng)態(tài)交通流模型，例如車(chē)輛、行人、交通燈等。所有這些元素構(gòu)建了與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相對(duì)應(yīng)的模擬世界。

　　模擬器的應(yīng)用

　　無(wú)人駕駛汽車(chē)真實(shí)上路后所要面臨的外部環(huán)境是復(fù)雜多變的。模擬器在模擬測(cè)試中需要做的就是將復(fù)雜的外部環(huán)境拆解成最簡(jiǎn)單的元素，然后重新排列組合，生成各種測(cè)試用例。

圖1 模擬器應(yīng)用

　　拿一組簡(jiǎn)單的測(cè)試用例舉例。圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的直線行駛的車(chē)道，需要測(cè)試的是無(wú)人駕駛汽車(chē)對(duì)于一輛障礙車(chē)的反應(yīng)。按照障礙車(chē)可能出現(xiàn)的起始位置劃分，它可能出現(xiàn)于無(wú)人駕駛汽車(chē)的左前、左中、左后、前、后、右前、右中、右后總計(jì)八個(gè)位置。按照障礙車(chē)和無(wú)人駕駛汽車(chē)的相對(duì)速度，可分為比無(wú)人駕駛汽車(chē)快、和無(wú)人駕駛汽車(chē)速度相等以及比無(wú)人駕駛汽車(chē)慢三類(lèi)。按照障礙車(chē)的行為劃分則分為直行、向左變道和向右變道三種。將這些變量相乘，再去掉其中不需要的個(gè)例，就得到了一組我們需要的測(cè)試用例。

　　模擬器面臨的問(wèn)題

　　模擬器的核心問(wèn)題在于“真”上，人工模擬的場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景多少會(huì)有差異，真實(shí)場(chǎng)景中仍然會(huì)存在許多令人想象不到的突發(fā)事件。因此，如果能采用真實(shí)的行車(chē)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景，就會(huì)得到比人工模擬的場(chǎng)景更好的測(cè)試效果。但采用真實(shí)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)的方案帶來(lái)的問(wèn)題就是海量數(shù)據(jù)的處理。如果我們想在模擬器上復(fù)現(xiàn)真實(shí)世界中每一段道路的場(chǎng)景，就需要讓無(wú)人駕駛汽車(chē)去采集每一段道路的信息，這些海量的信息是單機(jī)無(wú)法處理的，而且在每個(gè)場(chǎng)景下拆解元素重新排列組合生成測(cè)試用例的做法會(huì)使計(jì)算量翻倍。因此，將模擬器搭載到分布式系統(tǒng)上就成為了無(wú)人駕駛模擬測(cè)試的最佳選擇。

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