面向異構(gòu)無人駕駛車輛的互操作性研究

余雪瑋 趙熙俊 蘇波

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

主題詞：異構(gòu) 無人駕駛車輛 互操作性 標(biāo)準(zhǔn) 中間件

1 前言

目前，在無人駕駛車輛的異構(gòu)性（在功能架構(gòu)、編程語言、操作系統(tǒng)等方面的差異）逐漸擴(kuò)大的同時(shí)，人們希望無人駕駛車輛能夠完成復(fù)雜度更高的任務(wù)，而利用群體智能的集群任務(wù)模式是提高無人駕駛車輛靈活性與智能性的有效途徑。綜上，無人駕駛車輛多樣性的發(fā)展趨勢與集群任務(wù)的需求帶來了異構(gòu)無人駕駛車輛的互操作性問題。

GJB/Z 144A—2015《軍事信息系統(tǒng)互操作性等級(jí)與評(píng)估》中定義互操作性為兩個(gè)或兩個(gè)以上的系統(tǒng)或應(yīng)用之間交換信息并相互利用所交換信息的能力[1]。對(duì)無人駕駛車輛互操作性的研究將為開發(fā)統(tǒng)一的操控終端、跨域（海、陸、空）的互操作實(shí)現(xiàn)、車輛任務(wù)單元快速實(shí)時(shí)的無縫融合與接入等問題的解決提供基礎(chǔ)，互操作能力是無人駕駛車輛間交流協(xié)作的保障，對(duì)未來所有無人系統(tǒng)的發(fā)展具有關(guān)鍵作用。

本文圍繞面向異構(gòu)無人駕駛車輛的互操作性問題，分析對(duì)比了目前主流的解決方案，選擇了基于標(biāo)準(zhǔn)的中間件技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)手段，基于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、去中心化、松散耦合、支持一對(duì)多通信的原則，設(shè)計(jì)了面向異構(gòu)無人駕駛車輛的互操作系統(tǒng)。系統(tǒng)包括基于互操作標(biāo)準(zhǔn)的互操作中間件以及兼容異構(gòu)無人駕駛車輛（以基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）[2]架構(gòu)與4維實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)（4D Real-time Control Systems，4D/RCS）架構(gòu)[3]的異構(gòu)車輛為例）的統(tǒng)一操控終端兩部分，并在Gazebo仿真環(huán)境下進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 異構(gòu)無人駕駛車輛集群對(duì)互操作系統(tǒng)的需求

面向異構(gòu)無人駕駛車輛集群的互操作系統(tǒng)應(yīng)滿足對(duì)多種異構(gòu)車輛的通用控制、不同單體數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理、開放式體系的任務(wù)單元擴(kuò)展與刪減、多元異構(gòu)傳感器與執(zhí)行單元的無縫接入與數(shù)據(jù)融合等互操作性需求。

如圖1所示，將以上需求實(shí)例化，在該異構(gòu)無人駕駛車輛集群系統(tǒng)中，有操控終端（Operator Control Unit，OCU）、異構(gòu)的無人駕駛車輛A、B、C、D共5類單體。在互操作系統(tǒng)的支持下，這些在功能、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等方面異構(gòu)的單體應(yīng)能實(shí)現(xiàn)信息與控制指令的共享。例如，OCU可以控制任意無人駕駛車輛A、B、C、D，如改變其速度、航向、軌跡，或者獲取偵察圖像等。

圖1 異構(gòu)無人駕駛車輛集群對(duì)互操作系統(tǒng)的需求

3 互操作問題的解決方案

3.1 總體方案

解決互操作性問題的典型手段包括制定私有協(xié)議、制定互操作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及開發(fā)互操作中間件等[4-5]。在解決簡單系統(tǒng)的互操作性問題時(shí)，常采用定制私有協(xié)議的解決方案，即在限定應(yīng)用的情況下，針對(duì)某一特定的設(shè)備制定滿足彼此互操作要求的協(xié)議。該方案比較靈活，但具有“一式一議”性，即對(duì)不同的設(shè)備每次均需臨時(shí)設(shè)計(jì)，因此復(fù)用性差、適用范圍小、效率低下。

解決私有協(xié)議復(fù)用性差的有效手段是制定并推廣統(tǒng)一的公用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，遵循統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范開展設(shè)計(jì)是互操作問題的根本解決方案，但地面無人駕駛車輛體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的推進(jìn)需要時(shí)間，頂層的規(guī)范只給出了基本的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，欠缺對(duì)細(xì)節(jié)的具體設(shè)計(jì)，短期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還無法應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)工作[6]。

基于標(biāo)準(zhǔn)的中間件技術(shù)將標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二次封裝，開放通用接口，實(shí)現(xiàn)了無人駕駛車輛之間的資源管理和網(wǎng)絡(luò)通訊。這些中間件系統(tǒng)的普及形成了龐大的組件庫，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛車輛新功能組件化的高效率開發(fā)[7]?；跇?biāo)準(zhǔn)的中間件技術(shù)是將標(biāo)準(zhǔn)逐步落地的有效方案，是私有協(xié)議向公有標(biāo)準(zhǔn)過渡的橋梁，本文將采用基于互操作標(biāo)準(zhǔn)的中間件技術(shù)作為解決異構(gòu)無人駕駛車輛集群互操作問題的總體方案。

3.2 核心功能的實(shí)現(xiàn)

結(jié)合面向異構(gòu)無人駕駛車輛集群的互操作系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提出自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、去中心化、松散耦合、支持一對(duì)多通信的原則[8]，并基于這些原則實(shí)現(xiàn)互操作系統(tǒng)所必需的運(yùn)行時(shí)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)與異構(gòu)模塊間可通信兩大核心功能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)異構(gòu)平臺(tái)的兼容性，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

3.2.1 運(yùn)行時(shí)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)的功能

設(shè)想如圖2所示的場景，消息產(chǎn)生方（例如異構(gòu)無人駕駛車輛集群中的某單體車輛）A′、B′、C′分別產(chǎn)生類型1、類型2、類型3等3種類型的消息，消息請(qǐng)求方A、B、C分別請(qǐng)求類型2、類型1、類型3的消息。使同類型消息的產(chǎn)生方與請(qǐng)求方動(dòng)態(tài)地互相發(fā)現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無人駕駛車輛集群互操作系統(tǒng)中各單體交流信息的前提。

圖2 基于中心化的消息配對(duì)機(jī)制

3.2.1.1 去中心化的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制

圖2所示的是基于中心化的解決方案，即設(shè)立一個(gè)消息的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)中心，由該中心根據(jù)消息自身的配對(duì)信息對(duì)消息進(jìn)行分揀與轉(zhuǎn)發(fā)。各單體不必關(guān)心中心的消息分發(fā)機(jī)制，但這種對(duì)中心的強(qiáng)依賴性降低了整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)性與抗毀性，一旦中心崩潰，消息分發(fā)機(jī)制將全部癱瘓。此外，消息的分揀基于消息本身攜帶的配對(duì)信息進(jìn)行，但在異構(gòu)無人駕駛車輛集群中，各單體往往是異構(gòu)的，彼此的通信協(xié)議差別很大，配對(duì)信息的提取將十分復(fù)雜。

針對(duì)基于中心化的消息配對(duì)機(jī)制存在的兩點(diǎn)問題，需要一種去中心化、配對(duì)信息規(guī)范化的解決方案。在圖3所示的去中心化的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)架構(gòu)中，基于中心化的消息配對(duì)機(jī)制中中心的功能被分布在各單體上，因此，異構(gòu)無人駕駛車輛集群中的每個(gè)單體均高度自主，單體間處于平等地位，可實(shí)現(xiàn)彼此的自由連接，形成新的連接單元，為后續(xù)任務(wù)的執(zhí)行提供保障。例如，圖3中的每個(gè)單體都有消息配對(duì)功能，使得消息的請(qǐng)求方A、B、C與發(fā)送方B′、A′、C′得以自主配對(duì)，最后經(jīng)由廣播或組播等方式發(fā)現(xiàn)彼此，建立連接。

3.2.1.2 基于面向服務(wù)思想的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制

在緊耦合的系統(tǒng)中，不同應(yīng)用程序的組件間的接口與功能緊密相連，當(dāng)需要應(yīng)用程序修改或變更時(shí)，接口的復(fù)用性很差，系統(tǒng)的整體架構(gòu)就需要更改，緊耦合的架構(gòu)無法保證系統(tǒng)的靈活升級(jí)，也無法滿足建立統(tǒng)一的異構(gòu)平臺(tái)操控終端的需求。而對(duì)于松耦合的系統(tǒng)來說，接口與功能的實(shí)現(xiàn)方式（具體平臺(tái)或應(yīng)用）無關(guān)，實(shí)現(xiàn)方式的改變不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)造成影響[9]。建立面向服務(wù)的架構(gòu)是構(gòu)造松耦合系統(tǒng)的重要思想。結(jié)構(gòu)化信息標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)組織（Organization for the Advancement of Structured Information Standards，OASIS）將面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA）定義為“用于組織和利用不同所有權(quán)范圍控制下的分布式系統(tǒng)的一個(gè)范式”，它是構(gòu)造分布式系統(tǒng)應(yīng)用程序的方法，將應(yīng)用程序功能作為服務(wù)發(fā)送給最終用戶或其他服務(wù)，采用開放標(biāo)準(zhǔn)，與軟件資源進(jìn)行交互并采用標(biāo)準(zhǔn)的表示方式[10]。這一思想很好地適應(yīng)了地面無人集群互操作系統(tǒng)的需求。

圖3 去中心化的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制

在圖4所示的系統(tǒng)中，A是服務(wù)調(diào)用者（即用戶），向服務(wù)的提供者請(qǐng)求某一服務(wù)，該服務(wù)可以由B1、B2、B3等異構(gòu)平臺(tái)以不同的方式實(shí)現(xiàn)，中間件負(fù)責(zé)將服務(wù)調(diào)用者與提供者的消息進(jìn)行轉(zhuǎn)化以符合同一輸入、輸出標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)用者用統(tǒng)一的方式調(diào)用同一種服務(wù)的不同實(shí)現(xiàn)方式。

圖4 面向服務(wù)的體系架構(gòu)

在動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)去中心化的基本架構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)功能將發(fā)送方產(chǎn)生的信息類型與接受方請(qǐng)求的信息類型進(jìn)行匹配，將面向服務(wù)的思想引入后，發(fā)現(xiàn)用于匹配的條件將得到擴(kuò)展，即信息類型擴(kuò)展為服務(wù)類型。如圖5所示，每個(gè)單體都具備發(fā)現(xiàn)功能這一項(xiàng)服務(wù)，該服務(wù)以廣播或組播的形式，將自身擁有的服務(wù)、請(qǐng)求的服務(wù)以固定頻率廣播或組播。這樣，在通信范圍內(nèi)的即使是異構(gòu)的單體也能動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)彼此，并建立相應(yīng)的設(shè)備列表（發(fā)現(xiàn)設(shè)備的ID、權(quán)限信息、所擁有的服務(wù)、請(qǐng)求的服務(wù)等）。例如，圖5所示場景中，A、B、C、A′、B′、C′分別代表異構(gòu)的無人駕駛車輛單體，它們擁有發(fā)現(xiàn)等服務(wù)，利用組播/廣播的形式，各單體間共享彼此的設(shè)備信息，并建立了能被發(fā)現(xiàn)的設(shè)備擁有的以及請(qǐng)求的服務(wù)的列表（LIST），根據(jù)列表可建立配對(duì)結(jié)果。

圖5 基于面向服務(wù)思想的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制

3.2.2 異構(gòu)模塊間的通信功能

如圖6所示，在面向服務(wù)的架構(gòu)中，為了實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)、子系統(tǒng)、組件間的交流，需要傳輸服務(wù)作為溝通的橋梁，連接應(yīng)用層服務(wù)與傳輸層服務(wù)。傳輸服務(wù)是互操作標(biāo)準(zhǔn)傳輸層的接口，通過抽象的雙向通信模型屏蔽了特定的物理介質(zhì)，可以通過特定的ID信息進(jìn)行尋址，設(shè)置單播、系統(tǒng)內(nèi)廣播和全局廣播等通信方式。

圖6 傳輸層服務(wù)架構(gòu)

在圖7所示的基于面向服務(wù)思想的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制中，已經(jīng)完成了單體B與單體C′間的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)，并建立了各單體擁有與請(qǐng)求服務(wù)的列表。為了完成消息的傳輸，引入傳輸服務(wù)。圖7中，單體B中的傳輸服務(wù)負(fù)責(zé)采集其他服務(wù)產(chǎn)生的消息，并上傳到物理傳輸層，隨后下發(fā)到單體C′的傳輸服務(wù)。傳輸服務(wù)將進(jìn)行信息的分揀，將不同的信息傳遞給需要的服務(wù)（假定消息類型1、2、3與服務(wù)5、6、7所需要的消息類型一一對(duì)應(yīng)）。

圖7 基于面向服務(wù)思想的傳輸機(jī)制

4 面向異構(gòu)無人駕駛車輛的互操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)現(xiàn)手段

去中心化的面向服務(wù)的思想是解決異構(gòu)無人駕駛車輛集群互操作性問題的有效思路，而基于標(biāo)準(zhǔn)的中間件技術(shù)是推廣互操作規(guī)范的必要途徑?，F(xiàn)有的與互操作性相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：美軍公布的提高陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的各種地面無人車輛及其有效載荷和外圍設(shè)備之間通用性的無人地面車輛互操作性指導(dǎo)原則（Interoperability Profile，IOP）[11]；美國國防部于 1998年提出的無人系統(tǒng)聯(lián)合架構(gòu)（Joint Architecture for Unmanned Systems，JAUS）[12]，它是一種面向服務(wù)的開放式體系架構(gòu)，基于分級(jí)式體系架構(gòu)，提供了在無人系統(tǒng)間交換信息的標(biāo)準(zhǔn)，目的在于提高無人系統(tǒng)間的互操作能力。本文選擇JAUS標(biāo)準(zhǔn)作為實(shí)現(xiàn)手段。

4.2 互操作能力的分層設(shè)計(jì)

JAUS將互操作能力劃分為3個(gè)級(jí)別，圖8～圖10[13]分別為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)互操作模型。一級(jí)互操作能力指在子系統(tǒng)間使用JAUS消息進(jìn)行信息交換（如圖8中的操控者到無人系統(tǒng)），但每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部不受約束，這使得多個(gè)無人系統(tǒng)間可相互通信，或者一個(gè)OCU能夠控制多個(gè)無人系統(tǒng)；二級(jí)互操作能力指節(jié)點(diǎn)間使用JAUS消息進(jìn)行信息交換（如圖9中的自動(dòng)載荷到無人系統(tǒng)），但節(jié)點(diǎn)內(nèi)部不受約束，這使得搭載于無人系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可被車輛、載荷等共享；三級(jí)互操作能力指組件間通過JAUS消息進(jìn)行信息交換，可在無人系統(tǒng)的組件間（如圖10中的無人系統(tǒng)內(nèi)部JAUS的路點(diǎn)驅(qū)動(dòng)服務(wù)到JAUS本體驅(qū)動(dòng)服務(wù)）進(jìn)行共享，提高了源代碼的重用率。

圖8 一級(jí)互操作模型

圖9 二級(jí)互操作模型

圖10 三級(jí)互操作模型

本文研究上述體系架構(gòu)中互操作能力的各個(gè)層次，實(shí)現(xiàn)操控端與異構(gòu)的無人駕駛車輛以及其間的各節(jié)點(diǎn)與組件間的互操作性。

4.3 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖11所示，操控終端和基于ROS和RCS等其他架構(gòu)的無人車通過基于JAUS標(biāo)準(zhǔn)的互操作中間件進(jìn)行互聯(lián)互通。對(duì)于控制終端，操控人員通過鍵盤、鼠標(biāo)、搖桿等外設(shè)控制異構(gòu)的無人駕駛車輛，其中互操作中間件是連接操控終端與無人駕駛車輛的橋梁。在各異構(gòu)系統(tǒng)中，互操作中間件之間遵守互操作協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)消息交互。互操作中間件被封裝在一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)，針對(duì)不同的異構(gòu)系統(tǒng)的定制部分，將消息轉(zhuǎn)化為各系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)的消息格式，因此該方式不會(huì)影響系統(tǒng)自身各節(jié)點(diǎn)間的通信。

4.4 具體模塊的實(shí)現(xiàn)

按照上述的系統(tǒng)整體框架，軟件設(shè)計(jì)分為2個(gè)部分：指揮控制端單元軟件，包括軟件界面設(shè)計(jì)，以及指揮控制單元端的互操作中間件設(shè)計(jì)；無人駕駛車輛端的互操作中間件設(shè)計(jì)。

圖11 面向異構(gòu)無人駕駛車輛的互操作系統(tǒng)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)中各異構(gòu)車輛通過基于標(biāo)準(zhǔn)的互操作中間件連接，選擇JAUS標(biāo)準(zhǔn)，JAUS++軟件開發(fā)工具包（Soft?ware Development Kit，SDK）作為實(shí)現(xiàn)手段，互操作中間件的設(shè)計(jì)流程為：創(chuàng)建面向某一端的中間件的類A；在構(gòu)造函數(shù)中初始化ID信息（系統(tǒng)號(hào)、子系統(tǒng)號(hào)、組件號(hào)）；在類A中根據(jù)需求創(chuàng)建不同組件a、b、c；為各組件添加所需要的服務(wù)（核心服務(wù)必須添加，其他服務(wù)按需添加，并可新建自定義的服務(wù)）；初始化組件與服務(wù)；功能函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)過程中根據(jù)需求為各組件添加服務(wù)十分關(guān)鍵，其中核心服務(wù)是實(shí)現(xiàn)互操作的基礎(chǔ)，包括傳輸服務(wù)、事件服務(wù)、訪問控制服務(wù)、管理服務(wù)、生存性服務(wù)、時(shí)間服務(wù)以及發(fā)現(xiàn)服務(wù)[14]。此外，JAUS標(biāo)準(zhǔn)中還定義了機(jī)動(dòng)服務(wù)集[15]、擴(kuò)展服務(wù)集等服務(wù)集[16]，可以根據(jù)需求添加。

5 仿真驗(yàn)證

本文提出的面向異構(gòu)無人車輛的互操作系統(tǒng)主要包括兼容異構(gòu)無人駕駛車輛（以ROS架構(gòu)與RCS架構(gòu)為例）的統(tǒng)一操控終端OCU以及基于互操作標(biāo)準(zhǔn)的互操作中間件（分別部署在OCU端與異構(gòu)的無人駕駛車輛端）兩部分。仿真主要測試本系統(tǒng)的各服務(wù)功能以及對(duì)異構(gòu)無人駕駛車輛的兼容性，以證明該互操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)組件級(jí)別的互操作能力。

5.1 Gazebo中仿真車輛的搭建

為了實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的可視化，在ROS環(huán)境下的三維動(dòng)態(tài)仿真軟件Gazebo中建立仿真場景，Gazebo可以有效地模擬復(fù)雜室內(nèi)外環(huán)境下的無人駕駛車輛群體，提供與常規(guī)游戲類似的高保真度的物理引擎、一套傳感器和程序接口[17-18]。

Gazebo仿真模型搭建的關(guān)鍵點(diǎn)主要包括：建立含有仿真器中所有元素的World描述文件；建立使模型能夠重復(fù)并簡化使用的Model文件；修改環(huán)境變量以對(duì)服務(wù)器和客戶端之間的通信進(jìn)行設(shè)置和定位文件。建立如圖12所示的3輛基于ROS架構(gòu)的輪式車輛的模型，使用統(tǒng)一的操控終端對(duì)3臺(tái)車輛進(jìn)行控制，利用封裝在ROS節(jié)點(diǎn)內(nèi)的互操作中間件與操控端進(jìn)行消息交互。

圖12 Gazebo中的車輛模型

5.2 互操作系統(tǒng)功能測試

圖13所示為基于跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架Qt開發(fā)的統(tǒng)一操控終端OCU，結(jié)合該OCU可實(shí)現(xiàn)基于服務(wù)的以下功能：

a. 發(fā)現(xiàn)，按照用戶選擇的服務(wù)，顯示所有具有該服務(wù)的組件的ID信息，用戶按照需求輸入該組件的ID信息，并獲得該組件的控制權(quán)限；

b. 操控，操控所選擇的組件，用戶控制所選擇組件所在車輛的線速度和角速度，并可以設(shè)置每次調(diào)整的線速度和角速度的步長；

c.路點(diǎn)跟隨，將設(shè)置好的路徑信息下發(fā)給所選的具有路點(diǎn)服務(wù)的車輛，并下達(dá)執(zhí)行指令；

d.回傳，將無人駕駛車輛回傳至操控端的位置等信息，以數(shù)字及坐標(biāo)圖的形式顯示；

e. 偵察，實(shí)時(shí)顯示無人駕駛車輛回傳的視頻信息；

f.激光可視化，對(duì)無人駕駛車輛回傳的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。

圖13 機(jī)動(dòng)與路點(diǎn)服務(wù)演示

5.2.1 發(fā)現(xiàn)、操控、路點(diǎn)跟隨、回傳功能測試

該系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)組件間的互操作性為目標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)具有所需要功能（遙控、路點(diǎn)跟隨、偵察）的組件，每個(gè)子系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)、組件均有自己特定的標(biāo)識(shí)信息，用戶可根據(jù)顯示的組件ID信息進(jìn)行選擇與操作。在圖13所示的操控終端中，用戶可以操控Gazebo中的3輛仿真車輛，在終端界面選擇所需要的服務(wù)。在JAUS標(biāo)準(zhǔn)中，無人駕駛車輛可以實(shí)現(xiàn)6自由度遙控駕駛，包括X、Y、Z3個(gè)方向的推進(jìn)、制動(dòng)和3個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)制動(dòng)，這些值被抽象并封裝到WrenchEffort結(jié)構(gòu)[17]中，控制端通過向車輛發(fā)送這組控制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遙控。路點(diǎn)服務(wù)中，用戶可將預(yù)設(shè)的軌跡發(fā)送給具有路點(diǎn)服務(wù)組件的車輛，車輛可實(shí)時(shí)反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)，并在坐標(biāo)軸及提示框中顯示仿真車輛的位置、線速度、角速度。

5.2.2 視頻功能測試

圖14所示為視頻功能展示，操控端通過發(fā)現(xiàn)功能，經(jīng)由用戶選擇獲得具有視頻服務(wù)的車輛的控制權(quán)限，并可以控制視頻的播放與停止。

圖14 視頻服務(wù)演示

5.3 互操作系統(tǒng)對(duì)異構(gòu)無人車輛的兼容性測試

以激光可視化功能為例，采用基于ROS架構(gòu)的無人駕駛車輛與基于RCS架構(gòu)無人駕駛車輛的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)異構(gòu)車輛的兼容性。在RCS和JAUS中，輸入的數(shù)據(jù)是.PCD格式的激光點(diǎn)云，在ROS中，輸入的數(shù)據(jù)是.BAG格式的激光點(diǎn)云。采用來自RCS與ROS架構(gòu)實(shí)車的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由ROS節(jié)點(diǎn)與RCS節(jié)點(diǎn)發(fā)送激光數(shù)據(jù)，經(jīng)由互操作系統(tǒng)完成異構(gòu)無人平臺(tái)間的激光數(shù)據(jù)傳輸。

圖15所示為ROS架構(gòu)無人車拍攝到的室內(nèi)實(shí)景畫面，以及ROS端在RViz（ROS官方的一款3D可視化工具）中顯示的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和OCU端對(duì)來自ROS架構(gòu)無人車的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化功能。圖16所示為RCS架構(gòu)無人車攝像頭拍攝到的道路畫面，以及RCS端基于PCL點(diǎn)云庫顯示的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和OCU對(duì)來自RCS架構(gòu)無人車的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化功能。

圖16 接收來自RCS架構(gòu)無人車的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

5.4 仿真結(jié)果分析

互操作系統(tǒng)功能測試以發(fā)現(xiàn)、操控、路點(diǎn)、回傳、視頻等基于服務(wù)的各功能的實(shí)現(xiàn)證明了本文設(shè)計(jì)方案的可行性，互操作系統(tǒng)對(duì)異構(gòu)無人車輛的兼容性測試結(jié)合激光服務(wù)，以ROS架構(gòu)與RCS架構(gòu)的無人車為例證明了該方案對(duì)異構(gòu)無人駕駛車輛的兼容性。綜上，本文設(shè)計(jì)的互操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無人駕駛車輛集群系統(tǒng)間組件級(jí)別的互操作，該方案體現(xiàn)的設(shè)計(jì)原則與思想是解決異構(gòu)無人駕駛車輛互操作性問題的有效途徑。

6 結(jié)束語

本文分析了異構(gòu)無人駕駛車輛集群對(duì)互操作性的需求及當(dāng)前主流解決方案的優(yōu)劣，選擇了基于標(biāo)準(zhǔn)的中間件技術(shù)的解決方案，針對(duì)典型的異構(gòu)無人駕駛車輛集群應(yīng)用場景進(jìn)行了構(gòu)想，結(jié)合應(yīng)用場景的需求，基于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、去中心化、松散耦合、支持一對(duì)多通信的原則進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)，在目前主流的互操作協(xié)議中選擇JAUS協(xié)議，基于Qt設(shè)計(jì)了可以操控異構(gòu)車輛的統(tǒng)一操控端中間件以及無人駕駛車輛端的互操作中間件，利用ROS環(huán)境下的Gazebo仿真模型驗(yàn)證了解決方案的可行性。后續(xù)工作將進(jìn)一步增加更多服務(wù)，并在實(shí)車上進(jìn)行驗(yàn)證。