性能

實(shí)時(shí)性：在當(dāng)前的系統(tǒng)架構(gòu)下，由于缺失節(jié)點(diǎn)執(zhí)行和消息傳遞優(yōu)先級(jí)的時(shí)間保證，ROS并不具有實(shí)時(shí)特性。ROS最初設(shè)計(jì)的目標(biāo)機(jī)器人是PR2，當(dāng)時(shí)只是應(yīng)用于科研領(lǐng)域因此不需要考慮實(shí)時(shí)性方面的問題，但伴隨ROS已走過11個(gè)年頭，其得到了極大的推廣和應(yīng)用，盡管依然存在不少局限性但依然無法掩蓋它的鋒芒。已發(fā)布的ROS2已具有實(shí)時(shí)特性，并相比ROS1提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性及分布式處理能力，關(guān)于ROS1與ROS2的區(qū)別主要如下所示，后續(xù)樓主會(huì)專門寫一篇兩者的對(duì)比文章。

Node Pipelining：在自動(dòng)駕駛汽車中，特定的任務(wù)以預(yù)先定義的恒定速率計(jì)算是有益的，例如基于視覺的定位，其輸入圖像以15Hz記錄，那位置的更新通常也應(yīng)在15Hz速率下。如果是串行處理方式，那從圖像獲取到內(nèi)部處理再到結(jié)果輸出，其整個(gè)更新速率顯然不是15Hz。但如果將單個(gè)或多個(gè)處理步驟分解成更小的單元?jiǎng)t可滿足期望的時(shí)間限制，這就是Node Pipelining的概念。

仿真和調(diào)試

離線處理：為了仿真和分析子系統(tǒng)及調(diào)試系統(tǒng)關(guān)鍵錯(cuò)誤。對(duì)系統(tǒng)中傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行有選擇的記錄是ROS的基礎(chǔ)特性。

以一個(gè)簡(jiǎn)化的視覺定位的案例具體說明下，如上圖所示，用于定位組件的輸入信息以Rosbag的形式記錄并存儲(chǔ)下來，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)保留時(shí)間戳及消息內(nèi)容，以便及時(shí)準(zhǔn)確的重放所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用于離線系統(tǒng)的仿真模擬或數(shù)據(jù)分析。另外，依賴于硬件設(shè)備，尤其是網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲(chǔ)的吞吐量，所有主題信息都可在車輛行駛時(shí)在線記錄以分析關(guān)鍵駕駛場(chǎng)景和決策，如路徑規(guī)劃和控制等。

仿真： ROS的模塊化消息架構(gòu)允許數(shù)據(jù)輸入源的更換，因此節(jié)點(diǎn)可很容易的基于記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。如果在仿真時(shí)還需要用戶手工輸入一些信息，那么Rviz（一個(gè)強(qiáng)大的可視化調(diào)試和仿真工具）則提供了一系列交互式標(biāo)簽以用于定位和定向障礙物等。

而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的仿真及回歸測(cè)試，ROS則可與Gazebo無縫鏈接，Gazebo是一個(gè)功能強(qiáng)大的3D模擬仿真引擎，其具有完整的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。通過其強(qiáng)大的可擴(kuò)展插件系統(tǒng)，可支持真實(shí)傳感器的仿真并包括預(yù)定義的傳感器噪聲。定制化的傳感器模型也可通過Gazebo 的API進(jìn)行添加（說太多沒什么用，只有你親自使用過才會(huì)體會(huì)它的強(qiáng)大，反正Gazebo很牛逼）。

容錯(cuò)性和安全性

系統(tǒng)診斷和監(jiān)測(cè)：在系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)行期間，攻城獅和用戶可立即了解系統(tǒng)的健康狀況，例如，所有傳感器都已連接并正向系統(tǒng)中發(fā)送數(shù)據(jù)，且所有的組件都以預(yù)定的速率計(jì)算所需數(shù)據(jù)等。為了方便攻城獅為其組件添加診斷，ROS提供了一便于使用和集成的基礎(chǔ)框架，以用于向中央診斷管理器發(fā)送診斷信息，該中央診斷管理器以交通燈的顏色方案顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況以便立即查明關(guān)鍵組件或數(shù)據(jù)完整性是否存在風(fēng)險(xiǎn)。

Lock Stepping鎖步：即由兩個(gè)處理器構(gòu)成的自監(jiān)控對(duì)，其不間斷的檢查功能的正確性并可診斷出故障處理器，從而建立故障抑制區(qū)防止故障蔓延。ROS并沒有特定的功能來實(shí)現(xiàn)鎖步，然而模塊化架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)接口有助于鎖步系統(tǒng)的開發(fā)以提高系統(tǒng)可靠性。

應(yīng)用及支持

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：在多傳感器系統(tǒng)中會(huì)定義多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，如攝像頭、車本身或全局坐標(biāo)系統(tǒng)，這就需要將數(shù)據(jù)在不同坐標(biāo)系統(tǒng)中頻繁轉(zhuǎn)換，ROS則提供了基于時(shí)間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)某一坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)向任意其他坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換（強(qiáng)大的TF庫）。

多速率系統(tǒng)：在自動(dòng)駕駛汽車中，基于傳感器的信息通常以固定的速率交互。例如攝像頭的圖像信息以15Hz速率獲取并更新，而GNSS位置確定則只有在1Hz或5Hz速率下。當(dāng)將多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時(shí)，數(shù)據(jù)同步是非常重要的一方面。為了簡(jiǎn)化多速率系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)同步，ROS提供了基于時(shí)間戳的同步原理－消息過濾器（Message Filter），它從多個(gè)數(shù)據(jù)源采集不同類型的數(shù)據(jù)，只有每個(gè)信息源的信息具有相同時(shí)間戳的時(shí)候才會(huì)將信息發(fā)布出去。

可視化：ROS提供了兩個(gè)擴(kuò)展性極強(qiáng)的工具－rqt和rviz，其可幫助我們實(shí)現(xiàn)圖像顯示，3D畫圖（點(diǎn)云）、車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)（里程）等。

3、總結(jié)

通過上面的敘述，最后以一張圖表的形式對(duì)三種軟件架構(gòu)做個(gè)比較：

備注：上中下水平依次以＋＋   o    －－代表

從上面的對(duì)比中，我們可清楚的看到ROS在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時(shí)所具有的優(yōu)勢(shì)，尤其在原型設(shè)計(jì)方面。像百度早期的阿波羅、開源的Autoware都是基于ROS做的自動(dòng)駕駛項(xiàng)目，很多Tier1的供應(yīng)商及OEM，如BOSCH、BMW等也都會(huì)選擇ROS作為他們自動(dòng)駕駛項(xiàng)目開發(fā)的一個(gè)有力組件和工具。

－ END －