Autoware.universe 高效学习第三章 -- 智驾技术务虚会之智驾技术栈讨论 其一

1 前言和资料

前两篇文章，我们为大家引入了 autoware.universe，并完成了环境搭建。本文我们不着急进行 autoware 算法模块的研究，而是跳出算法框架，从更宏观的视角对智驾进行一次讨论，可以视为一次“智驾技术务虚会”。本文主要讨论智驾有哪些技术栈，或者说技术方向。
本文参考资料如下：
（1）autowareclass Architectures

2 智驾技术栈分解

下面这张图就是智驾技术栈拓扑图，我们从下而上依次分析，大的技术方向主要分为五个：硬件技术栈（Hardware Stack），离线软件和数据技术栈（Off-Board Software and Data），方法论（Methodologies），板载软件（On-Board Software），产品（Product）。

2.1 硬件技术栈

（1）车辆（Vehicle）：车辆方向基本就是汽车电子方向，主要涉及 can 信号控车，控的就是油门，刹车和转向系统，智驾所有的技术都是落地到这三处控制上。
（2）组件（Components）：这块比较杂，涉及几个方向：
车载 ECU：为智驾提供算力，最有名的就是英伟达和地平线的芯片。
车联网：比如 OTA 远程升级，数据回传。
车载以太网：车内各种传感器和 ECU 之间需要一个车载以太网交换机进行数据通信。
数采机和数据存储：智驾数据是珍贵资源，而且数据量很大，一般会给研发车辆配置专门的数采机进行数据采集和临时存储。
（3）传感器（Sensors）：自动驾驶之所以能实现，就是因为给汽车配置了很多传感器，可以让汽车感知道路情况，挨个分析一下：
GNSS：就是 GPS 和北斗，提供定位（精度米级），授时和导航，缺点是密闭空间会失效。
IMU：Inertial Measurement Unit，惯性测量单元，主要由加速度计（获取加速度），陀螺仪（获取角速度），磁力计（获取偏航角）组成，可以监测车辆自身的运动。
Lidar：激光雷达，通过发射激光束，扫描周围环境，获取点云。对黑暗环境优势明显，但比较贵，且对雨天，雾霾天效果不好。
Camera：摄像头，获取车周围影像，能得到颜色信息，可以看交通灯，价格便宜。
Radar：毫米波雷达，便宜好用，可以准确获取车辆周围较远物体的距离和速度（多普勒效应），且对环境的要求不高，雨天雾霾天也可用。对金属物体探测效果好，可以用来探测周边车和高速护栏。
补充：radar 的波长是毫米级，lidar 的波长是纳米，波长越长，越能穿过障碍物。

2.2 离线软件和数据技术栈

（1）高精地图（Maps）：高精地图包含大量的驾驶辅助信息，最重要的是道路网的精确“三维表征”，比如红路灯，交通牌，车道，转向标识，因此高精地图提供了大量语义信息，能为各个算法模块提供数据支撑。
（2）制图（Mapping）：关于高精地图制图，主要有五步：地图数据采集，地图数据处理，对象检测，手动验证和地图发布。
补充：由于地图涉及到大量的专业知识，本人了解不多，就不继续展开了。
（3）远程操作（Operations）：主要是车队管理（智驾公司都有自己的车队），远程登陆（开发人员会远程登陆研发车进行调试），远程诊断（汽车诊断是一大块内容，各个故障都会被记录并回传，用于故障诊断）。
（4）数据处理（Data Processing）：智驾数据也是一大块内容，包括智驾数据采集（量产车没有数采机，但也要进行数采），数据回放（一般是 rosbag 回放），数据标注，数据管理和分析。
（5）开发工具（Development tools）：这里的开发工具指智驾软件开发工具，包括开发环境（主要是提供编译环境），可视化以及仿真（用于对开发的功能提供初步验证能力）。

2.3 方法论

（1）智驾产品人机交互设计（Design）：包括用户体验，内外部人机交互设计（暂时不理解内外是如何区分的？）
（2）测试（Testing）：由于智驾是一个大型软硬件系统，本身是分了很多层次的，因此验证系统的可靠性就需要多层测试，包括单元测试（函数级别），软件在环测试（基于模拟器），硬件在环测试（基于实际的硬件平台），车辆在环测试（实际车辆测试，一般有专门的测试场地），回归测试（每发版一次，就需要一轮整体测试）。
补充：关于测试理论，推荐《软件测试的艺术》这本书，学的非常好，而且不厚。
（3）功能安全（Functional safety）：大家都知道汽车上的软硬件应该非常安全，毕竟人命关天。但是工程上就没有100%安全的事情，即使有，成本也是不可负担的。那么安全的边界在哪里呢？就在功能安全的标准 ISO 26262。车企按照这个标准搞，并完成合规验证，即使出了问题，也可以无责。
补充：关于功能安全更具体的讨论，我们会专门开一篇博客。

2.4 板载软件和产品

（1）操作系统（OS）：包括系统内核，调度器，驱动。一般智驾会选择实时操作系统，比如 QNX，而桌面 Linux，Windows 并不符合这个要求。
补充：关于智驾实时性的讨论，后面会专门开一篇博客讨论。
（2）框架软件（Framework Software）：最典型的就是通信中间件，比如 ros。还有各种硬件抽象层软件，各种基础库，比如 opencv，pcl 等。还有故障诊断相关的代码，一般以库的形式提供，由各模块调用。
（3）算法软件（Algorithmic Software）：一般我们说搞智驾，默认就是搞算法，其实这只是一小部分而已，但这也是最关键的。正是由于算法的突破，才有了真正的自动驾驶。目前主流的算法还是分模块的，也就是：定位，感知（包括跟踪和预测动态物体），规划（包括导航和规则两层），控制。
补充：目前智驾端到端大模型越来越火，但 autoware 还未采纳，本系列博客仍然按模块进行算法研究。
（4）集成和发版：由于智驾是一个很大的软硬件系统，各层次各模块独立开发，因此智驾行业有一个很重要的岗位，就是集成和发版。专业的集成人员，能把一堆零散开发的功能汇聚成一个有效的智驾产品，如高架行车，城区行车，泊车等，并保证产品质量。这要求集成人员对整个智驾系统有足够的了解，有足够的经验积累（踩坑经验）。

3 总结

文中有理解不到位的，期待读者指正，大家共同进步。