Apollo进阶课程㉜丨Apollo ROS原理—1

原文链接:进阶课程㉜丨Apollo ROS原理—1 

ROS在开发过程中,基于功能把整个自动驾驶系统分成多个模块,每个模块负责自己消息的接收、处理、发布。当模块需要联调时,通过框架可以把各个模块快速的集成到一起。

上周阿波君为大家详细介绍了「进阶课程㉛Apollo ROS概述」。

此课程简单地阐述了ROS的历史,详细地讲解了ROS的五大特征有:点对点、支持分布式、跨语言、轻量级的ROS程序、开源的框架,以及几个核心概念,其概念包括:松耦合、节点、节点管理器、Topic。此外,还有ROS的操作实践。

本周阿波君将继续与大家分享Apollo ROS原理—1的相关课程。下面,我们一起进入进阶课程第32期。

目前ROS仅适用于Apollo 3.0之前的版本,最新代码及功能还请参照Apollo 3.5及5.0版本。

目录

1.ROS的不足

大数据传输性能瓶颈

单中心的网络存在单点风险

数据传输格式缺乏后向兼容

2.Apollo ROS对ROS的改进

通信性能优化

消息通信延时

吞吐量

CPU资源占用率


1.ROS的不足

ROS是很多大学或者实验室进行探索性项目实验所采用的基本框架,但在实际的自动驾驶工程化需求面前,还有很多明显不足。

大数据传输性能瓶颈

实验性项目里面采用的Topic是Message,数据量是比较小的,可能只有几K或者最多1~2MHZ,但在实际自动驾驶场景里面数据量非常大。例如Lidar一帧数据大概是7M,一秒钟10帧,就会产生70M/S的流量;一个Camera按5M计算,四个Camera就是20M,如果是按10HZ计算一秒钟会产生200M左右的数据。ROS架构对大数据传输存在很大的性能瓶颈,一种直接后果是时延非常高,这在自动驾驶整个系统里面是非常危险的。

单中心的网络存在单点风险

中心化的网络存在明显的单点风险,整个ROS虽然是一个松耦合的架构,它包含一个节点管理器,节点管理器介入的时候,只是在节点建立通信之前有一个简单的拓扑映射,这种关系虽说极大程度释放了各个节点之间开发的耦合,但同时也带来了比较大的风险。如果Roscore存在一些故障退出,而节点之间使用了需要不定时的交互方式,像Service 、Parem进行数据交互的时候就会存在一定的风险。如果是分布式系统, Roscore只存在于一台机器上,Roscore如果出现故障,两台机器之间通信就处于一个不可信的状态。

数据传输格式缺乏后向兼容

ROS是基于Message的分发和订阅的消息通讯框架,使用Message需要提前设置Message包含哪些类型的数据。把这个模块放到一个更复杂的系统里面的时候,要格外注意Message之间的数据兼容。

我们根据实际的场景需求,在定义的Obstacle信息里面加一段文字,那么相应的下游所有订阅此Obstacle的节点都要去做对应的适配,同时基于之前的Message所录制的一些实验数据,想在新的框架下使用也都需要一个批量的转化。ROS现有的数据格式缺少后向兼容,此问题在Apollo ROS里面得到解决。


2.Apollo ROS对ROS的改进

通信性能优化

首先,我们看看为什么要进行通信优化,主要有以下几点原因:

  • 自动驾驶大量使用传感器引发很大的传输带宽需求

自动驾驶使用大量的传感器,这些传感器的数据量非常庞大。大量数据在目前ROS的通讯架构里面会带来比较高的延迟或是丢帧。节点之间通信是一帧一帧进行的,如果上一帧消息高延迟时,下一帧消息的发送就需要等待。ROS提供了这种消息丢弃的机制,如果等待时间长会丢弃一些数据,数据丢弃在实际自动驾驶系统中会造成比较大的风险。

  • 单路传感器消息有多个消费者时负载成倍增长

自动驾驶系统发送传感器数据是一对一进行的。例如Lidar向自动驾驶系统发送数据时,如果只有一个订阅节点,传输的数据量是7M乘以10HZ,也就是70MB/S。自动驾驶系统是一个比较复杂的拓扑结构,一个传感器数据可能会有很多的下游订阅节点。例如感知的障碍物检测、通过视觉定位的模块、用红绿灯识别等都会订阅Camera信息。在单点的情况下是一对一,如果是一对多,传输的数据会被复制多次,造成网络负载成倍增加。

针对这一问题,Apollo ROS做了一个基于共享内存的通信机制减少数据的复制次数,从而提升这种通信模式的效率。

如上图所示,左侧是ROS原生的通讯框架,一个数据从发送方到接收方经历四次数据复制。第一次是从节点到用户内存的数据复制,第二次是从发送方到内核的数据复制,第三次是经过TCP连接,从内核再向接收节点用户态空间的复制,第四次是接收节点拿到这个信息之后,通过反序列化把信息取出来组成一个结构变化的信息。

右侧是Apollo ROS优化后的框架,它基于共享内存改进,可以减少两次数据拷贝。第一次是发送节点把消息序列化成流式数据,第二次是接收节点直接从共享内存里面取相应的消息指针,把共享内存消息取出来进行反序列化成结构化信息进行使用。减少了从用户到内核态以及从内核态到用户的两次数据拷贝。

对于有多个订阅节点的情况,例如Camera下游会有很多订阅节点,如果是三个节点,会有三条通信链路,分别是四次的内存拷贝,也就是12次数据拷贝。而在基于共享内存的通信方式下,每一条链路内存拷贝的次数只需要两次,三条链路只需要六次。

上图是一个有优化的Apollo ROS Benchmark效果展示,用Apollo ROS替代原生ROS  Socket的通信方式之后,从实际的路测数据表现情况来看,性能提升非常明显。以上三张图分别从三个指标对比两者的性能。


消息通信延时

如图右上角所示:随着消息逐渐增大,基于共享内存通信延时比基于原声ROS Socket的通信延时降低一半。以5M数据为例,传送一帧5M大小的数据,基于ROS Socket大概需要四毫秒左右的时间,基于共享内存通信只需要两毫秒左右。


吞吐量

如图左下角所示:整个自动驾驶系统的网络拓扑结构非常复杂,数据流向的拓扑结构也比较复杂。在一些极端的情况下,整机数据量会增加。在一些多车道,路面状况比较复杂,车辆较多的情况下,感知和Planning模块,或者和其它模块之间的数据流就会成倍增加,所以在测试一些极端情况下,系统吞吐量也是自动驾驶需要考虑的一个重要方面。

如上图所示,在吞吐量测试1:1情况下,整机性能可以达到5.5GB每秒的速度,如果是1:4,性能提升会更明显。


CPU资源占用率

如图右下角所示:CPU资源占用率在共享内存通信情况下降低约30%, 主要是因为减少了多次内存复制。

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