自动驾驶---基于dds/ros的通信中间件

1 背景

DDS（数据分发服务，Data Distribution Service）和ROS（机器人操作系统，Robot Operating System）是两种在各自领域内具有重要影响的技术。它们是两种不同的中间件，并且在分布式系统、尤其是机器人和自动驾驶车辆的系统中发挥着关键作用。

2 DDS（数据分发服务）

（1）概述

DDS是一种用于分布式系统高效、可靠、实时数据通信的协议。它采用发布/订阅模式，支持多种数据类型，广泛应用于工业自动化、航空航天、智能交通、医疗和国防等领域。DDS通过分布式发现机制和服务质量（QoS）策略，确保数据传输的实时性和可靠性，并具有广泛的适用性和可扩展性。

（2）核心概念和架构

核心概念

Domain：全局数据空间，代表一个通信平面，由Domain ID唯一标识。
Domain Participant：代表域内通信的应用程序的本地成员身份。
Topic：数据的抽象概念，由TopicName标识，关联相应数据的数据类型。
DataWriter：数据写入者，将需要发布的主题数据从应用层写入到DataWriter中。
DataReader：数据读取者，从订阅者得到主题数据，随之传给应用层。
Publisher：发布者，发布主题数据。
Subscriber：订阅者，订阅主题数据。

架构

应用层：使用DDS API在分布式系统中实现通信的用户应用程序。
DDS层：DDS通信中间件的稳健实现，允许部署一个或多个DDS域。
RTPS层：实施Real-Time Publish-Subscribe protocol（实时发布-订阅协议），以实现与DDS应用程序的互操作性。
传输层：DDS可用于各种传输协议，如UDP、TCP、SHM。

（3）通信流程

基于DDS的分布式系统中，节点发布自己想要发布的（或想要订阅的）Topic和QoS。DDS网络上已存在的节点收听到这个请求后，与自己的发布订阅情况及QoS标准进行对照。如果新加入节点的Topic信息与自己相关且QoS标准符合要求，则主动与新加入的节点进行通信，将自己的Topic信息发送给新加入节点，并将新加入节点的相应信息注册到本节点上，以便有通信需求时建立点到点连接。

（4）特点
DDS是一种标准的中间件，用于实时数据通信，特别是在分布式系统中。它由Object Management Group (OMG) 维护，是一种发布-订阅（pub-sub）消息传递模型的实现。DDS的主要特点包括：

实时性：DDS设计用于满足严格的实时性要求，确保数据传输的及时性和可靠性。
可扩展性：DDS能够处理从小型到大型的分布式系统，支持数千个节点的数据分发。DDS允许系统组件（如传感器、控制器等）发布数据而无需知道哪些组件会订阅这些数据，同样，组件可以订阅它们需要的数据而无需知道哪些组件会发布这些数据。这种解耦合的通信模型减少了系统组件之间的依赖性，提高了通信的灵活性和可扩展性。
容错性：DDS提供了数据的持久性和可靠性，即使在网络分区或节点故障的情况下也能保持数据的完整性。
质量服务（QoS）：DDS允许开发者为不同类型的数据流指定不同的服务质量参数，如可靠性、传输速率和数据新鲜度。例如，可以设置数据传输的可靠性级别，确保关键数据在网络条件不佳时也能被可靠传输。
数据模型：DDS支持复杂的数据模型，可以定义丰富的数据类型和结构。
安全性：DDS提供了安全特性，包括数据加密和访问控制，以保护数据传输的安全。
分布式架构：DDS支持分布式部署，可以在车辆的不同ECU（电子控制单元）之间实现高效的数据分发，支持大规模分布式系统。
互操作性：DDS标准定义了一套互操作性协议（如RTPS），确保不同厂商的DDS实现能够无缝通信。

在自动驾驶的实际应用中，DDS可以用于整合来自各种传感器（如雷达、摄像头、激光雷达）的数据，实现环境感知、决策规划以及车辆控制等功能。通过DDS服务，自动驾驶系统能够快速响应环境变化，提供安全、高效的驾驶体验。

（5）应用

DDS在工业自动化、航空航天、智能交通、医疗和国防等领域有广泛应用。例如，在工业自动化领域，DDS被用于工厂自动化和过程控制系统中，确保传感器数据、控制指令等数据的快速、准确传输；在航空航天领域，DDS对于飞行控制系统和导航系统的实时数据通信至关重要。

DDS是一种以数据为中心的通信模型，它在实时系统中的数据分发和可靠通信方面发挥着重要作用。DDS在汽车领域的应用逐渐增多，特别是在自动驾驶技术的发展中。例如，DDS被用于车载软件的通信中间件开发中，它能够实现低延迟、高可靠、高实时性的数据融合服务，有助于降低软件的耦合性、复杂性，提高软件的模块化特性。DDS在车辆上的部署可以采用不同的形式，包括直接部署在操作系统上，或者集成在AUTOSAR AP平台上，以及面向资源受限设备的轻量化版本部署。例如，DDS在奥迪、大众等多家OEM厂商的智能驾驶、泊车充电、仿真测试平台等场景中得到应用，国内的造车新势力如小鹏汽车也已经将DDS技术应用到量产车型上。

#include <string>  struct MyData {  int id;  std::string message;  
};  // 注意：在真实DDS应用中，你需要使用DDS工具从IDL生成类型。// 伪代码，具体API取决于DDS实现  
void initializeDDS() {  // 创建域参与者  DDS::DomainParticipantFactory_var dpf = DDS::TheDomainParticipantFactoryWithArgs(0);  DDS::DomainParticipant_var participant = dpf->create_participant(DDS::DOMAIN_ID_DEFAULT,  DDS::PARTICIPANT_QOS_DEFAULT, NULL, DDS::STATUS_MASK_NONE);  // 其余初始化代码（如创建发布者/订阅者、话题等）  
}void publisherFunction() {  // 假设初始化DDS的代码已经执行  // 创建发布者  DDS::Publisher_var publisher = participant->create_publisher(DDS::PUBLISHER_QOS_DEFAULT, NULL, DDS::STATUS_MASK_NONE);  // 省略：定义话题、数据写入器等  // 发送数据  while (true) {  MyData data = {1, "Hello DDS!"};  // 写入数据到DDS（此处省略具体实现，需要类型支持等）  }  
}void subscriberFunction() {  // 假设初始化DDS的代码已经执行  // 创建订阅者  DDS::Subscriber_var subscriber = participant->create_subscriber(DDS::SUBSCRIBER_QOS_DEFAULT, NULL, DDS::STATUS_MASK_NONE);  // 定义话题、数据类型、数据读取器等  // 读取数据  while (true) {  // 等待并读取数据（此处省略具体实现）  // 处理接收到的MyData数据  }  
}int main() {  initializeDDS();  // 启动发布者和订阅者（通常在多线程环境中）  std::thread publisherThread(publisherFunction);  std::thread subscriberThread(subscriberFunction);  // 等待线程结束（或运行直到被外部信号中断）  publisherThread.join();  subscriberThread.join();  // 清理DDS资源  // 注意：清理代码取决于DDS实现的具体API  return 0;  
}

3 ROS（机器人操作系统）

（1）概述

ROS是一个专为机器人软件开发所设计的开源元级操作系统（后操作系统），提供类似于操作系统的服务，包括硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能的执行、程序间消息传递、程序发行包管理等。ROS的运行架构是一种使用ROS通信模块实现模块间P2P的松耦合网络连接的处理架构。

（2）核心概念和架构

核心概念

节点（Nodes）：ROS中的基本运行单元，每个节点负责执行一个特定的任务。
主题（Topics）：节点之间进行异步通信的机制，节点可以发布数据到主题，其他节点可以订阅该主题以获取数据。
服务（Services）：提供同步通信机制，节点可以提供某个特定的服务，其他节点可以请求该服务。
参数服务器（Parameter Server）：用于存储系统中的参数和配置信息，节点可以从参数服务器获取参数或写入参数。

架构

roscore：ROS系统的核心组件，提供ROS Master及其他关键服务。
节点通信：通过ROS Master进行协调，节点启动时向ROS Master注册，报告自己能够发布和订阅的主题以及提供的服务。

（3）通信机制

ROS支持多种通信机制，包括基于服务的同步RPC（远程过程调用）通信、基于Topic的异步数据流通信以及参数服务器上的数据存储。这些机制共同构成了ROS的分布式处理框架。

（4）主要特性

开源性：ROS的源代码、文档和相关资源都可以在互联网上免费获取。
模块化设计：通过将机器人软件系统划分为独立的、可重用的组件，提高了系统的可维护性和可扩展性。
实时通信：ROS使用基于话题（topics）的发布-订阅模型进行节点之间的通信，类似于DDS。
工具和算法：ROS提供了一套丰富的工具和算法库，用于机器人感知、导航、操作和交互。
硬件抽象：ROS提供了硬件抽象层，使得开发者可以专注于算法开发，而不必关心底层硬件细节。
模拟和可视化：ROS集成了多种模拟器和可视化工具，方便开发者测试和调试机器人程序。
多语言支持：ROS支持多种编程语言，如C++、Python等，使得开发者可以根据自己的偏好和项目需求选择最合适的语言。
大型社区：ROS拥有一个庞大且活跃的开发者社区，为新手提供了学习资源，为专业开发者提供了交流和合作的平台。

（6）应用

ROS在机器人领域有广泛应用，包括工业机器人、移动机器人、无人机等。制造商和研究机构利用ROS构建自动化系统，提高了生产线的灵活性和生产效率。同时，ROS还提供了丰富的导航、避障和路径规划工具，使得开发者能够轻松构建具有自主导航能力的机器人系统。

ROS是一个开源的机器人软件平台，它提供了一套完整的工具集合，使得机器人开发者可以更加便捷地进行机器人软件开发。ROS的应用案例非常广泛，包括但不限于以下几个领域：

工业自动化：ROS可以应用于工业自动化领域，如机器人装配、物流搬运等。
农业领域：ROS在农业机器人、智能农业等方面有所应用。
医疗领域：ROS被用于开发机器人手术、康复机器人等医疗设备。
家庭服务机器人：ROS在智能家居、智能家电等服务机器人领域有所应用。
娱乐领域：ROS也被应用于娱乐领域，如机器人足球、机器人游戏等。

ROS的模块化设计、多语言支持、大量的工具和库以及社区支持，使其成为机器人开发的重要工具。例如，美国NASA基于ROS开发的Robonaut 2已经在国际空间站里工作，百度Apollo无人车的底层也是基于ROS开发的。

4 总结

DDS和ROS都是分布式系统中的关键技术，但它们服务于不同的目的。DDS更侧重于数据分发和实时通信，而ROS提供了一个完整的机器人软件开发框架。在实际应用中，可以根据系统的需求和特性选择合适的技术。例如，DDS可能更适合于需要严格实时性和可靠性的自动驾驶车辆，而ROS可能更适合于需要灵活性和模块化的机器人研究项目。