1-1 認知車身組件

《ROS原理與技術應用》能力模塊一掌握車身硬件的搭建方法

任務一認知小車組件導入

2022年4月，因為新冠疫情管控，上海物資配送緊張。京東、美團等企業(yè)從外地調撥大量自動駕駛車輛支援上海完成物資配送任務。

這些自動駕駛車輛為客戶提供訂單交付、為移動方艙醫(yī)院提供物資配送等服務，在一定程度上緩解了當地物資配送困境。這類車輛是如何實現自動駕駛的呢？目錄

CONTENTS0102自動駕駛汽車的發(fā)展史自動駕駛系統(tǒng)框架使用03自動駕駛的關鍵技術03ROS智能車的整體架構新授一、自動駕駛汽車的發(fā)展歷史“美國奇跡”汽車FrancisP.Houdina發(fā)辮的該汽車通過無線電遙控的方式實現車輛方向盤、離合器等遠程操作，是人類歷史上第一輛有證可查的自動駕駛汽車1925第一個基于攝像頭的自動駕駛汽車由日本的筑波工程研究實驗室開發(fā)，這輛車內配備了兩個攝像頭，并用模擬計算機技術進行信號處理。時速能達到30公里，但需要高架軌道的輔助。1977FirebirdII概念車由通用公司展出，是世界上第一輛配備了汽車安全及自動導航系統(tǒng)的，神似火箭頭的概念車。19561984“動態(tài)視覺計算”項目ErnstDickmanns團隊成功改裝了一輛奔馳S500轎車，配備了攝像頭和傳感器可以實時監(jiān)測道路環(huán)境。成功的在普通交通環(huán)境下自動駕駛了超過1000公里。一、自動駕駛汽車的發(fā)展歷史ARGO項目改裝汽車利用立體視覺系統(tǒng)和計算機制定的導航路線進行了2000公里的長距離實驗，其中94%路程使用自主駕駛，平均時速為90公里，最高時速123公里。1998谷歌改裝豐田普銳斯，進入自動駕駛領域谷歌在DARPA的支持下，進入自動駕駛，改裝的豐田普銳斯在太平洋沿岸行駛了1.4萬英里。使用了視頻系統(tǒng)、雷達和激光自動導航技術2009斯坦福改裝汽車穿越Mojave沙漠改裝的大眾途銳攜帶了攝像頭，配備激光測距儀、雷達遠程視距、GPS傳感器以及英特爾奔騰M處理器20042014谷歌發(fā)布“完全自主設計”的自動駕駛原型車成品谷歌該款自動駕駛原型車在加利福尼亞州山景城的公路正式上路測試一、自動駕駛汽車的發(fā)展歷史單目攝像頭傳統(tǒng)汽車廠商也開始進行自動駕駛汽車的研發(fā)奔馳在2021年12月，推出新一代S級、EQS純電動車的DrivePilot正式被批準在德國高速公路上以低于60公里/小時的速度激活使用。這是全球首個真正意義上獲得政府許可，并大規(guī)模上市的L3級自動駕駛國內毫末智行背靠長城汽車發(fā)展自動駕駛技術，2022獲得數億元A+輪融資毫末智行在2022年輔助駕駛系統(tǒng)出貨量將超過10萬套，覆蓋34款車型大約70個項目。此外，毫末智行還稱2022年開始將努力把產品搭載至除長城汽車之外多個品牌的車型，成為國內自動駕駛頭部企業(yè)之一IT企業(yè)進入自動駕駛系統(tǒng)，國內的百度于百度發(fā)布了全新升級的自動駕駛出行服務平臺——“蘿卜快跑”2021年11月25日當日接單，隨后陸續(xù)在長沙、滄州、北京、廣州、重慶和上海面向大眾全面開放了無人駕駛服務。到2021年第三季度，蘿卜快跑已向市場提供了11.5萬次乘車服務，百度也成為全球最大的自動駕駛出行服務提供商一、自動駕駛汽車的發(fā)展歷史小結：

自動駕駛一直屬于前沿技術，它的存在形式也是多種多樣的，一個世紀以來，國內外無數的科學家們都在不斷地探索，自動駕駛能夠增強高速公路安全、緩解交通擁堵、減少空氣污染等有顯著優(yōu)勢。抓住了自動駕駛的技術優(yōu)勢就是引領了未來的潮流。二、自動駕駛系統(tǒng)框架的使用提供高效的開發(fā)支持靈活配置自動駕駛系統(tǒng)支持可視化工具的應用

自動駕駛是非常復雜的系統(tǒng)，由傳感、感知、決策、車輛控制等幾個部分組成，每個部分又包含了若干個模塊，它們之間有著大量數據需要實時處理和反饋。

現階段自動駕駛技術的應用想要整理這么多模塊和數據嗎，需要使用一個合適的自動駕駛系統(tǒng)框架來實現。使用自動駕駛系統(tǒng)框架能夠滿足如下需求：二、自動駕駛系統(tǒng)框架的使用（一）提供高效的開發(fā)支持

自動駕駛處于快速迭代和快速發(fā)展過程中，無論感知算法、決策算法還是整體技術開發(fā)，無論是以2D為主的視覺方案還是以3D為主的方案都在快速迭代中，對快速地構建系統(tǒng)和功能驗證有非常大的需求。

通過使用框架開發(fā)希望算法工程師能夠將更多精力放在算法功能的研發(fā)上（如右圖中各節(jié)點的功能實現算法）

而諸如配置管理、部署運行、底層通信等功能由框架來統(tǒng)一提供，這樣可以快速地構建系統(tǒng)原型，驗證算法和功能。ROS的計算圖結構二、自動駕駛系統(tǒng)框架的使用（二）靈活配置自動駕駛系統(tǒng)

類似傳感、感知、決策等，本身都是包含了若干個功能相對獨立的自動駕駛算法模塊。

模塊之間只有數據依賴關系，對于框架來說，需要能夠在開發(fā)階段減少各個模塊之間的耦合，而在車上運行階段能夠將各個模塊組合串聯起來，按模塊需求靈活配置自動駕駛系統(tǒng)。自動駕駛系統(tǒng)模塊構成二、自動駕駛系統(tǒng)框架的使用（三）支持可視化工具的應用

由于自動駕駛系統(tǒng)涉及大量圖像、主體算法，因此在調試過程中系統(tǒng)對各種可視化工具有非常強烈的需求，比如障礙物檢測算法，需要看圖像識別障礙物框得準不準，規(guī)劃路徑是否合理，定位算法也需要看調試時車是不是在正確位置上。三、自動駕駛的關鍵技術自動駕駛的關鍵技術主要體現在自動駕駛系統(tǒng)的感知、決策和控制三個環(huán)節(jié)。（一）感知

感知，即通過攝像頭、激光雷達、超聲波雷達、加速度計等多種傳感器獲取的信息，進行綜合處理后，讓自動駕駛系統(tǒng)感知周圍的環(huán)境信息和車輛狀態(tài)信息。感知環(huán)節(jié)主要工作包括定位、物體識別和追蹤。其中，環(huán)境信息包括：道路的形狀、方向、曲率、坡度、車道、交通標志、信號燈、其他車輛或行人的位置、大小、前進方向和速度等。車輛狀態(tài)信息包括：車輛的前進速度、加速度、轉向角度、車身位置及姿態(tài)等。多傳感器信息融合技術就是感知環(huán)節(jié)的關鍵技術之一。它能將多種傳感器獲得的環(huán)境信息進行比對，并根據算法輸出融合結果。比如攝像頭和激光雷達感知到的同一車輛的大小、位置、前進方向和速度信息進行融合，保證同一車輛在不同傳感器中的時間和空間的一致。三、自動駕駛的關鍵技術（二）決策

決策，在整個自動駕駛系統(tǒng)中，決策單元扮演著“駕駛員大腦”的角色，主要完成行為預測、路徑規(guī)劃和避障工作，如圖所示。它具體包括：選取哪條車道、是否換道、是否跟車行駛、是否繞行、是否停車等。這個環(huán)節(jié)需要用到增強學習等關鍵技術。決策環(huán)節(jié)的主要工作（三）控制

控制，主要通過對轉向、驅動、制動三方面的控制，實現線控底盤執(zhí)行決策單元下發(fā)的目標線速度和角速度。這個環(huán)節(jié)的關鍵是PID反饋控制等技術。PID反饋控制技術算法原理示意圖四、ROS智能車的整體架構什么是ROS？

機器人操作系統(tǒng)（RobotOperatingSystem，ROS）最早是一個用于編寫機器人軟件的靈活框架，它集成了大量的工具、庫、協(xié)議，提供了類似操作系統(tǒng)所提供的功能，包括硬件抽象描述、底層驅動程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間的消息傳遞、程序發(fā)行包管理，可以極大簡化繁雜多樣的機器人平臺下的復雜任務創(chuàng)建與穩(wěn)定行為控制。ROS后來被各知名學術研究機構和多家自動駕駛技術公司采用，已經成為自動駕駛研究領域重要的系統(tǒng)框架。通過對ROS的學習和應用可以更好理解自動駕駛技術。行云橋智慧貓ROS智能車

智慧貓ROS智能車，硬件使用了當前自動駕駛技術中常用的深度攝像頭、單目攝像頭、單點激光雷達、單線激光雷達、IMU等多種傳感器。這些傳感器可以借助相應功能包完成環(huán)境感知。智慧貓線控底盤則使用了控制精度較高的驅動電機，可以較好地根據決策單元下發(fā)的信號，準確執(zhí)行自動駕駛任務。四、ROS智能車的整體架構行云橋智慧貓ROS智能車智慧貓線控底盤的電機編碼器信號可以轉換為里程計信息，并利用配合深度攝像頭獲取深度信息，完成環(huán)境感知激光雷達的深度信息經過SLAM算法的處理，完成地圖構建。在導航的時候，自主定位功能包amcl通過里程計信息或里程計+IMU等方式實現當前小車的定位（感知）確定目標位置后，導航路徑規(guī)劃功能包move_base則調用構建后的地圖，以及當前小車的位姿，并結合攝像頭獲取的障礙物信息來實現小車導航過程中最優(yōu)路徑規(guī)劃（決策模塊）321控制模塊：將運動控制信息發(fā)送給底盤控制器（底盤控制單元），完成控制環(huán)節(jié)的任務4任務實施一、任務準備（一）軟件、硬件準備（二）安全要求及注意事項1.智慧貓ROS智能車11.認知過程中注意不要損壞小車22.符合6S管理要求。

二、實施步驟（一）智慧貓整體結構認知

本課程選用了行云新能公司推出的“智慧貓ROS智能車”作為項目載體進行自動駕駛系統(tǒng)原理與技術應用的學習。智慧貓的線控底盤可以靈活搭配不同的功能模塊，適應多種自動駕駛的應用場景。例如搭載多功能貨艙的智慧貓，如圖所示。適應多應用場景的ROS智能車二、實施步驟（一）智慧貓整體結構認知ROS智能車由線控底盤、感知單元、決策單元以及功能模塊組成。其中線控底盤包括：底盤控制單元（也稱下位機）、電機驅動模塊、驅動電機、車輪和外殼等部件；感知單元包括單線激光雷達、單點激光雷達、單目攝像頭、深度攝像頭和IMU模塊等部件；決策單元也稱上位機，安裝在線控底盤內部。二、實施步驟（一）智慧貓整體結構認知ROS智能車線控底盤包括USB擴展器、電池模塊、車尾背光板、車尾接口板、決策單元、底盤控制單元。內部結構，如圖所示：二、實施步驟（二）智慧貓整體控制框架認知

智慧貓ROS智能車依靠感知單元完成環(huán)境感知，并將獲取信息傳輸到決策單元。決策單元預裝了自動駕駛操作系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)調用對應的功能包，形成控制指令（線控底盤運動