第九章-智能网联汽车的操作系统与应用平台简介

第九章智能网联汽车操作系统与平台应用,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX学校/学院,学习目标,智能网联汽车的操作系统Linux,01,智能网联汽车的操作系统Linux,视频参考：,智能网联汽车的操作系统Linux,目前常用的Linux发行版本主要为Ubuntu、RedHat、CentOS、Debian、FedoraCore、SuSE、Gentoo、Arch、Kali、Slackware等。,智能网联汽车的操作系统Linux,Linux操作系统的架构组成,Linux是一种广泛使用的嵌入式操作系统。嵌入式系统是以应用程序为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以更具需要进行增减，主要用于对功能、可靠性、成本、大小、功耗和其他特殊的计算机系统。嵌入式系统通常包括硬件和软件，硬件包括嵌入式处理器、内存和各种外围设备。软件部分包括嵌入式操作系统和用户应用程序。Linux代码是完全开放的，Linux内核是操作系统的灵魂，包括内核的抽象和对硬件资源的间接访问，Linux以统一的方式支持多任务处理。此方法对用户进程和每个进程都是透明的，内核同时运行多个进程，允许多个进程公平合理地使用硬件资源，并使每个进程在不安全的操作中相互干扰。,智能网联汽车的操作系统Linux,Linux作为一个实时操作系统，具有高效的I/O管理能力，能够处理和存储控制系统所需的大量数据。Linux操作系统的结构一般由Linux内核、命令解释器（Shell)、文件系统以及应用程序四大部分构成。,智能网联汽车的操作系统Linux,1.Linux内核,Linux内核无疑是Linux操作系统的核心。它由以下五个子系统构成（1）进程调度（2）内存管理（3）虚拟文件系统（4）网络接口（5）进程之间的通信,智能网联汽车的操作系统Linux,2.命令解释器ShellShell是应用于Linux系统中的命令解释器，其作用和Windows系统的命令提示符一样。都是为当前用户提供与系统内核进行交互操作的一种用户界面。,智能网联汽车的操作系统Linux,3.文件系统文件系统是指Linux系统将用户所有文件在各种存储设备上进行有效地存取。Linux系统文件主要包括：普通文件，如.cpp文件、文本文件、二进制文件等。目录文件，Linux系统下的主要目录结构bin目录下存放的是系统命名文件；boot目录下存放的是启动Linux系统的核心文件；dev目录下存放的是所有设备文件；etc目录下存放的是系统管理和配置文件；home目录下存放的是系统中所有用户的主目录及相关文件；lib目录下存放的是函数库文件；root目录下存放的是系统管理员相关的文件；sys目录下存放的是Linux的系统文件mnt目录下存放的是各种挂载文件，如USB设备；opt目录下存放的是可选的应用安装包；var目录下存放的是日志类文件。,智能网联汽车的操作系统Linux,4.应用程序,安装完Linux后，系统一般都会为用户提供文本编辑器、数据过滤器等程序集合。,智能网联汽车的操作系统Linux,Linux系统的特点，具体如下：系统源码对外开发，便于进一步研究学习和完善Linux系统；免费使用；具有较高的稳定性能，可长时间连续运行；应用领域较为广泛，Linux不仅可在计算机设备中使用、还可以在路由器、机顶盒、手机、平板以及嵌入式设备中进行安装并使用；Linux系统本身消耗的内存相对较少；也正是因为Linux具有以上特点，所以人们都将Linux作为基础系统，从而开展对汽车自主驾驶或智能网联汽车领域的学习和探索。,智能网联汽车的操作系统Linux,汽车的网络信息互联不限于汽车中的电子控制单元，还包括汽车与外部世界的通信方式。汽车可能需要接入蜂窝无线网络，信息娱乐系统将受益于连接到车载移动设备，不仅可以访问设备上的多媒体、应用程序和数据，还可以提供访问互联网的新选项。,智能网联汽车的操作系统Linux,V2X能够实现汽车与人之间、汽车与汽车之间、汽车与路边基础设施之间、甚至汽车与云之间的自动通信，能大大提高汽车的行驶安全性，具有广阔的应用前景。利用Linux运行智能网联汽车功能是一种趋势。,视频参考,智能网联汽车的开发平台ROS,02,智能网联汽车的开发平台ROS,ROS是Robot（机器人）+Operating（操作）+System（系统）的简称，即为机器人操作系统。ROS主要组件包括ROSMaster、ROSNode和ROSService三种。现代智能网联汽车的自主驾驶系统整合了路径规划、避障、导航、交通信号监测等多个软件模块和计算、控制、传感器模块等多个硬件模块，如何有效调配软硬件资源也是一个挑战。简单的嵌入式系统并不能满足无人驾驶系统的上述需求，我们需要一个成熟、稳定、高性能的操作系统去管理各个模块。,智能网联汽车的开发平台ROS,ROS从严格意义上来讲并不是一个真正的操作系统，而是一款用于机器人或人工智能的应用软件开发平台。要保证一个复杂的系统稳定、高效地运行，每个模块都能发挥出最大的潜能，ROS提供了一个成熟有效的管理机制，使得系统中的每个软硬件模块都能有效地进行互动。它提供了大量的程序库和工具，从而使得开发人员能够更好地在机器人或人工智能领域中进行学习与研究。而且ROS本身还具有许多功能，如硬件设备驱动、可视化工具、消息传递等。,智能网联汽车的开发平台ROS,ROS的主要设计目标是为了尽可能地避免或减少重复造车轮的现象出现。共享大量可复用的程序及源代码，便于更多的相关领域人才参与到机器人和人工智能两大领域的学习和研究中。目前，ROS的应用领域除了无人驾驶和智能网联汽车领域外，还包括物流仓储领域、工业生产领域和交通管理领域等。,智能网联汽车的开发平台ROS,ROS的特性，包括以下几点：1）点对点设计。ROS在处理进程之间的通信时，采用了耦合度相对较低的点对点设计。2）分布式设计。ROS是一个分布式设计的框架，不仅可以实现ROS工程之间的集成和发布，还能够移植到其它机器人软件平台上使用。3）支持多种语言。ROS可支持多种编程语言，如C+、Java、Python、Lisp、Lua、Ruby等。4）丰富的功能软件包。目前ROS已经可以支持使用的第三方软件包数量达到数千个，从而大大提高了开发与测试的工作效率。5）免费且开源性。ROS是一款免费且开源的操作系统。ROS中的所有源代码都是公开发布的，因此有利于人们对ROS进一步的学习、研究与完善。,智能网联汽车的开发平台ROS,ROS的架构分为三个层次，分别是文件系统级、计算图级、开源社区级。,1.ROS文件系统级文件系统级主要是指在完成ROS的安装后，在硬盘中所生成的一系列关于ROS的内部文件bin文件夹下存放的是二进制文件。这类文件只有在相关应用软件中才能够正确显示出来，比如图像文件、音频文件、视频文件等。etc文件夹下存放的是相关的配置文件。include文件夹下存放的是c+头文件。lib文件夹下存放的是静态库文件。share文件夹下存放的是功能包相关的文件。*.sh文件是Linux系统的命令脚本文件。*.py文件是Python语言编写的脚本文件。ROS把不同功能组件分别放在不同的文件夹中。运行期间会分别根据实际的需要再将它们重新组织在一起。,智能网联汽车的开发平台ROS,2.计算图级ROS操作系统提供了大量的程序库和工具，从而使得开发人员能够更好地在机器人或人工智能领域中进行学习与研究。而且ROS本身还具有许多功能，如硬件设备驱动、可视化工具、消息传递等。计算图级是ROS为了处理各节点间的数据而建立的一种点对点的拓扑结构图。主要包括：节点、节点管理器、话题、消息、服务、参数服务器和消息记录包。,智能网联汽车的开发平台ROS,1.节点（Node）一个节点即为一个可执行文件，它通过ROS与其它节点进行通信。在智能网联汽车中，我们可以把激光雷达、毫米波雷达、摄像头、GPS等传感器设备都分别定义成为一个个单一的节点。在此举例说明，首先把智能网联汽车本身的制动系统定义为一个节点，然后再把激光雷达定义为另一个节点。当激光雷达探测到前方有障碍时，激光雷达所在的这个节点就会发出通知告诉制动系统。制动系统接收到通知后，可根据探测情况，开始进行下一步操作的判断是采取减速、刹车还是继续正常行驶。,智能网联汽车的开发平台ROS,2.节点管理器（Master）节点管理器的作用主要有4个方面：为ROS节点提供命名和注册服务；方便ROS节点之间进行相互的查找；有助于ROS节点之间建立相互的通信连接；提供参数服务器，帮助ROS管理全局参数。,智能网联汽车的开发平台ROS,3.话题（Topic）话题是节点之间进行通信的最基本方式。节点之间的通信时，可以不需要进行直接的连接，而是以发布和订阅的形式通过话题进行消息的传输。一个节点可以发布多个话题，同样一个话题也可以被多个节点订阅。例如，可分别把智能网联汽车中的摄像头、转向系统、油门系统、制动系统定义成4个节点。由摄像头节点发布一个检测路面是否出现行人的话题，频率为20Hz，这样就使摄像头节点成为一个话题的发布者。再令转向系统、油门系统、制动系统分别去订阅这个检测路面行人的话题，使其成为话题的订阅者。如果前方没有出现行人的话，转向系统和油门系统将继续正常工作；如果前方出现行人的话，转向系统和油门系统在停止工作的同时会开启制动系统。,智能网联汽车的开发平台ROS,4.消息（Message）消息是节点之间进行通信传输的一种数据类型。消息类型包括了ROS提供的标准类型和用户自定义的类型。定义消息类型必须包含消息的字段和消息的取值两个部分。例如，定义一个名为障碍物的消息类型，消息类型中包含三个字段分别是障碍物的长度、宽度、高度。,智能网联汽车的开发平台ROS,5.服务（Service）服务建立通信的方式基于客户端-服务器的模式，一方面需要客户端发送服务请求到服务器，另一方面需要服务器接收到请求后，对客户端进行服务的响应。当节点之间需要进行直接通信时，只能采用服务的方式进行通信，而不能通过话题的方式进行。例如，智能网联汽车在行驶过程中想要提高车速，于是电子油门节点向毫米波雷达节点发出服务请求，请求消息类型是方向为正前方，测量范围为200米。毫米波雷达节点接收到服务请求后，进行正前方200米以内的探测后，将探测结果的响应给电子油门节点，响应消息类型是无任何障碍物。,智能网联汽车的开发平台ROS,6.消息记录包（Bag）消息记录包是一种文件格式，主要用于在ROS中对消息数据、话题数据、服务数据以及其他信息数据进行保存。通过记录包可实现情景再现功能，主要应用于智能网联汽车相关功能的测试。,智能网联汽车的开发平台ROS,常见几类传感器通过各自驱动的节点来提供感知信息，包括image_raw相机图像信息、激光雷达形成的Scan信息、Velodyne激光雷达提供的点云信息以及GPS系统提供的定位信息等。通过订阅该信息的各自处理节点，形成了扫描图像、点云图像等进一步信息列表。,智能网联汽车的开发平台ROS,3.开源社区级ROS开源社区级的概念主要是ROS资源，其能够通过独立的网络社区分享软件和知识。这些资源包括：发行版（Distribution）：ROS发行版是可以独立安装、带有版本号的一系列综合功能包。ROS发行版像Linux发行版一样发挥类似的作用。这使得ROS软件安装更加容易，而且能够通过一个软件集合维持一致的版本。,软件库（Repository）：ROS依赖于共享开源代码与软件库的网站或主机服务，在这里不同的机构能够发布和分享各自的机器人软件与程序。ROS维基（ROSWiki）：ROSWiki是用于记录有关ROS系统信息的主要论坛。任何人都可以注册账户、贡献自己的文件、提供更正或更新、编写教程以及其他行为。Bug提交系统（BugTicketSystem）：如果你发现问题或者想提出一个新功能，ROS提供这个资源去做这些。邮件列表（Mailinglist）：ROS用户邮件列表是关于ROS的主要交流渠道，能够像论坛一样交流从ROS软件更新到ROS软件使用中的各种疑问或信息。ROS问答（ROSAnswer）：用户可以使用这个资源去提问题。,智能网联汽车的开发平台ROS,Ros系统应用视频演示,智能网联汽车的学习平台Gazebo,03,智能网联汽车的学习平台Gazebo,在外部真实场景下进行对智能网联汽车的操作、测试与研究是最有效的学习方法，但在不具备实际操作设备的情况下，可在虚拟仿真环境下学习智能网联汽车技术，从而加深对智能网联相关技术的认知与理解。Gazebo是一款功能非常强大的虚拟仿真工具，拥有强大的物理引擎和高质量的图形界面,智能网联汽车的学习平台Gazebo,Gazebo具有以下特点如下：,1）模拟动力学，可访问多个高性能物理引擎；2）提供了逼真的环境渲染，包括高质量的照明、阴影和纹理；3）可生成带有噪音的仿真传感器，包括：激光测距仪、2D/