CN114036645B - 一种基于ros的仿真方法、装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于ROS的仿真方法，包括：获取目标对象的待仿真数据、仿真架构信息，以及仿真架构信息中各模块的消息发送频率；基于仿真架构信息中各模块的消息发送频率以独立发送消息命令的形式确定各模块的仿真推进虚拟时钟；将待仿真数据输入仿真系统中，并基于仿真推进虚拟时钟以及对应的虚拟时钟推进阈值对待仿真数据进行仿真，得出仿真结果；将至少两次仿真结果进行对比，确定分析结果。本发明具有更强的稳定性、兼容性；同时，本发明容易实现、使用操作简易，无需根据具体使用场景，分类使用繁杂的调度器，易实现、适用范围广、开发周期短、所需成本低。

Description

一种基于ROS的仿真方法、装置和电子设备

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种基于ROS的仿真方法、装置和电子设备。

背景技术

在基于车路协同的自动驾驶（无人驾驶）系统中，智能车系统由多个功能模块组成，且各功能模块之间存在一定的依赖关系，如预测模块依赖于感知模块的输出；不同模块的触发条件也不相同，如规划模块是依据时钟触发的，而预测模块是依赖于感知模块数据触发的。由依赖关系和触发条件共同形成的功能模块执行顺序就是自动驾驶系统的时序。在理想情况下，每个模块都能在满足触发条件时立刻执行并在预期的时间内完成任务，即只要确保各模块的输出真实性与及时性就可以完全复现实际路测可能遇到的问题，由于仿真时路况较为复杂且考虑到最大化利用计算资源，各功能模块将无法严格按照正确的顺序执行。例如当智能车经过拥堵路段时，感知模块需要处理的数据会明显增多，规划模块也可能因为交通参与者过多导致耗时增加，时序必然与理想情况不符合，故每一次计算环境的轻微变化都有可能导致时序的变化，进而导致仿真结果行为不一致。目前主流的仿真系统内部节点的调度系统主要是基于ROS通信机制，由于ROS底层架构设计适用于机器人系统，对于智能车执行逻辑并非完美适配，故导致了“行为不一致问题”，即无法确定节点的消息处理时间，无法确定消息是否处理完成，无法确定节点运行顺序，无法保证时序一致性。在智能车系统运行中，当出现系统资源的变化，其行为也随之发生变化。例如，当仿真任务在一台机器上运行时，系统产生的结果和这台机器的状态有关，这台机器被独占使用或是和其它任务同时运行，其结果会存在差异。并且，即使不考虑资源利用率，让仿真任务独占机器资源，同一任务运行多次，结果也会有微弱的扰动。在离线环境中此问题更为凸显，由于离线环境追求资源利用率的最大化，意味着计算资源十分紧张。此时，扰动将变得不再轻微，结果也将变得更不可靠，仿真结果也就失去了价值。

因此，现有的基于ROS的仿真方法存在时序不一致的技术问题，需要改进。

发明内容

本发明提供一种基于ROS的仿真方法、装置和电子设备，用以解决现有的基于ROS的仿真方法时序不一致的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种基于ROS的仿真方法，包括：

获取目标对象的待仿真数据、仿真架构信息，以及所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率；

基于所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率以独立发送消息命令的形式确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟；

将所述待仿真数据输入仿真系统中，并基于所述仿真推进虚拟时钟以及对应的虚拟时钟推进阈值对所述待仿真数据进行仿真，得出仿真结果；

将至少两次所述仿真结果进行对比，确定分析结果。

优选的，所述确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟包含以下步骤：

确定各模块消息的初始状态；

根据所有模块的消息发送频率确定最小仿真时间单位；

根据所述确定最小仿真时间单位确定虚拟时钟推进指令及虚拟时钟推进规则。

进一步优选的，所述最小仿真时间单位为各模块的消息频率在每个子阶段最大公因数。

进一步优选的，所述待仿真数据包括车辆的位置信息、速度信息。

进一步优选的，所述目标对象的仿真架构信息包括中定位、感知、跟踪、预测、规划、控制模块的架构信息以及各模块之间的耦合关系。

进一步优选的，各模块的消息发送频率，存储于相应的模块数据包。

进一步优选的，所述仿真结果进行对比是通过对同一时间戳的距离偏差求平方和的方式进行对比。

本发明还提供一种基于ROS的仿真装置，包括：

获取模块，用于获取目标对象的待仿真数据、仿真架构信息，以及所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率；

确定模块，用于基于所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率以独立发送消息命令的形式确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟；

仿真计算模块，用于将所述待仿真数据输入仿真系统中，并基于所述仿真推进虚拟时钟以及对应的虚拟时钟推进阈值对所述待仿真数据进行仿真，得出仿真结果；

分析模块，用于将至少两次所述仿真结果进行对比，确定分析结果。

优选的，确定模块302包括：

第一确定单元，用于确定各模块消息的初始状态；

第二确定单元，用于根据所有模块的消息发送频率确定最小仿真时间单位；

第三确定单元，用于根据所述确定最小仿真时间单位确定虚拟时钟推进指令及虚拟时钟推进规则。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器；所述存储器存储有应用程序，所述处理器用于运行所述存储器内的应用程序，以执行上述任一项所述的基于ROS的仿真方法中的操作。

有益效果：本发明提供一种基于ROS的仿真方法、装置和电子设备，相比于直接使用基于ROS通信机制的节点调度系统，本发明技术方案具有更强的稳定性、兼容性；同时，本发明容易实现、使用操作简易，无需根据具体使用场景，分类使用繁杂的调度器，易实现、适用范围广、开发周期短、所需成本低。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本发明的基于ROS的仿真方法的流程示意图。

图2为本发明的各模块的仿真推进虚拟时钟示意图。

图3为本发明的各模块的仿真虚拟时钟推进。

图4为本发明的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于ROS的仿真方法、装置和电子设备，用以解决现有的基于ROS的仿真方法时序不一致的技术问题。

请参阅图1，图1是本发明的基于ROS的仿真方法的流程示意图，该方法包括：

S101：获取目标对象的待仿真数据、仿真架构信息，以及所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率。

从仿真系统中获取目标对象的待仿真数据、仿真架构信息，以及所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率，例如，定位模块频率为100Hz，感知模块频率为10Hz，跟踪模块频率为10Hz，预测模块频率为10Hz，规划模块频率为10Hz，控制模块频率为100Hz，待仿真数据、仿真架构信息可以从仿真系统中直接调取，也可以手动输入，待仿真数据包括但不限于车辆的位置信息、速度信息等信息；目标对象的仿真架构信息包括中定位、感知、跟踪、预测、规划、控制模块的架构信息以及各模块之间的耦合关系，具体的，感知模块的消息是由仿真平台从数据包读取并发送的，故需要区分测试模块发送的消息与仿真平台自发的消息，各模块的消息发送频率，可以在相应的模块数据包中直接读取，也可以根据实际仿真需要，手动调整其发送消息的频率，由于平台自发数据频率是需要由仿真平台进行精准控制得，模块发送消息的频率在仿真测试中无法控制，只有获得了每个消息的来源，才能够精准地进行控制。根据每个模块提供的消息频率，明确各个消息实际的发送频率，并进行相应修改，达到与实际相符，才能实现真实的仿真。

S102：基于所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率以独立发送消息命令的形式确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟。

现有的基于ROS的仿真控制方法是在回调函数中执行发送消息的命令，这样会导致此消息的频率无法准确控制，故为了各模块的消息发送频率可控，将发送消息的命令与每个回调函数分开处理，以独立发送消息命令的形式确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟，接着通过主函数获取的频率来控制触发回调函数的频率。

参照附图2，所述确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟包含以下步骤：

S102a：确定各模块消息的初始状态；

S102b：根据所有模块的消息发送频率确定最小仿真时间单位；

S102c：根据所述确定最小仿真时间单位确定虚拟时钟推进指令及虚拟时钟推进规则。

为了实现时序一致性，本专利采用虚拟时钟控制仿真时间的推进，虚拟时钟与物理时钟是分离开的，仿真系统获取所有模块的消息发送频率，通过各模块的消息频率计算得出每个子阶段最大公因数数值，该数值为最小仿真时间单位。确定最小仿真时间单元后，将当前虚拟时钟值按照预设的时钟推进规则，推进到下一虚拟时钟值。需要说明的是，为了提高仿真精度的需要，可对虚拟时钟推进规则进行微调。

S103：将所述待仿真数据输入仿真系统中，并基于所述仿真推进虚拟时钟以及对应的虚拟时钟推进阈值对所述待仿真数据进行仿真，确定仿真结果。

在本发明中，将所述待仿真数据输入仿真系统中，仿真系统实时监听各个模块的消息命令，根据S102中确定的各模块的消息频率与最小仿真单位时间之间的关系，通过设置虚拟时钟推进阈值的方式，明确在固定时间戳进行固定频率的消息接收验证，若均收到消息，则推动虚拟时钟进入下一仿真时刻，否则暂停仿真时间，等待消息全部处理完成，以确保每个消息在其理论处理时间段中处理完成。以此类推，可以确保每个模块在其理论处理时间段中都完成了消息的处理步骤，并且各模块所接收的消息均为最新消息，以保证每次仿真的输出结果保持一致。

S104：将至少两次所述仿真结果进行对比，确定分析结果。

在本发明中，获取至少两次所述仿真结果，参照表1数据，通过对同一时间戳的距离偏差求平方和的方式进行对比，首先按照最小仿真单位时间保存每个时间戳的位置信息，为了保证同一时刻开始场景与录制消息，需要在开始场景与开始录制两处加入开关信息，以确保每次开始场景与开始录制的时刻为同一刻，否则将产生误差，然后对每一时刻的位置偏差求平方和，比较启动时序一致性与未启动时序一致性两种情况下的误差大小，确定最终分析结果。未启动时序一致性时会存在丢帧情况，此时利用上一帧的位置代替丢失帧的位置信息。对同一场景在不同计算资源情况下进行多次仿真测试，录制每次仿真的数据包，数据包中有每个消息发送的历史记录。

定量对比：

表1 定量对比表

在表1中， 2cpus、0.5cpus与0.2cpus是针对感知与规划模块所设置的计算资源限制参数，表示所能利用的最大计算资源。表格为了展示在相同场景、不同计算资源情况下，使用时序一致性的差异性。参考对象是之后实验对比所利用的对比对象，参考对象利用的是2块cpu计算资源。对比对象1是利用2cpus计算资源情况下的实验结果，可以看出未采用时序一致性的误差大约是使用时序一致性的三倍。对比对象2和对比对象3是为了进一步对比压力测试。对比对象2是利用0.5cpus计算资源情况下的实验结果，可以看出未采用时序一致性的误差急剧增加，因为计算资源的紧缺导致消息处理的时序出现了极大的扰乱，导致实验结果误差极大，而采用时序一致性的误差与2cpus误差相近。对比对象3是利用0.2cpus计算资源情况下的实验结果，可以看出未采用时序一致性以至于无法正常运行，场景中前一帧数据未处理结束，后一帧数据又已经到达，故无法确定正确的输出，导致场景无法运行。而采用时序一致性能够正常运行，虽然误差明显提高，但是与未采用时序一致性的情况进行对比，其增大的误差可以忽略不计。

相应的，图3为本发明的基于ROS的仿真装置结构示意图，包括：

获取模块301，用于获取目标对象的待仿真数据、仿真架构信息，以及所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率。

获取模块301从仿真系统中获取目标对象的待仿真数据、仿真架构信息，以及所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率，待仿真数据、仿真架构信息可以从仿真系统中直接调取，也可以手动输入，待仿真数据包括但不限于车辆的位置信息、速度信息等信息；目标对象的仿真架构信息包括中定位、感知、跟踪、预测、规划、控制模块的架构信息以及各模块之间的耦合关系，具体的，感知模块的消息是由仿真平台从数据包读取并发送的，故需要区分测试模块发送的消息与仿真平台自发的消息，各模块的消息发送频率，可以在相应的模块数据包中直接读取，也可以根据实际仿真需要，手动调整其发送消息的频率，由于平台自发数据频率是需要由仿真平台进行精准控制得，模块发送消息的频率在仿真测试中无法控制，只有获得了每个消息的来源，才能够精准地进行控制。根据每个模块提供的消息频率，明确各个消息实际的发送频率，并进行相应修改，达到与实际相符，才能实现真实的仿真。

确定模块302，用于基于所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率以独立发送消息命令的形式确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟。

仿真系统将发送消息的命令与每个回调函数分开处理，以独立发送消息命令的形式确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟，接着通过主函数获取的频率来控制触发回调函数的频率。

确定模块302包括：

第一确定单元，用于确定各模块消息的初始状态；

第二确定单元，用于根据所有模块的消息发送频率确定最小仿真时间单位；

第三确定单元，用于根据所述确定最小仿真时间单位确定虚拟时钟推进指令及虚拟时钟推进规则。

为了实现时序一致性，本专利采用虚拟时钟控制仿真时间的推进，虚拟时钟与物理时钟是分离开的，仿真系统获取所有模块的消息发送频率，通过各模块的消息频率计算得出每个子阶段最大公因数数值，该数值为最小仿真时间单位。确定最小仿真时间单元后，将当前虚拟时钟值按照预设的时钟推进规则，推进到下一虚拟时钟值。

仿真计算模块303，用于将所述待仿真数据输入仿真系统中，并基于所述仿真推进虚拟时钟以及对应的虚拟时钟推进阈值对所述待仿真数据进行仿真，得出仿真结果。

将所述待仿真数据输入仿真系统中，仿真系统实时监听各个模块的消息命令，根据确定模块302中确定的各模块的消息频率与最小仿真单位时间之间的关系，仿真计算模块303通过设置虚拟时钟推进阈值的方式，明确在固定时间戳进行固定频率的消息接收验证，若均收到消息，则推动虚拟时钟进入下一仿真时刻，否则暂停仿真时间，等待消息全部处理完成，以确保每个消息在其理论处理时间段中处理完成。以此类推，可以确保每个模块在其理论处理时间段中都完成了消息的处理步骤，并且各模块所接收的消息均为最新消息，以保证每次仿真的输出结果保持一致。

分析模块304，用于将至少两次所述仿真结果进行对比，确定分析结果。

获取至少两次所述仿真结果，分析模块304通过对同一时间戳的距离偏差求平方和的方式进行对比，首先按照最小仿真单位时间保存每个时间戳的位置信息，为了保证同一时刻开始场景与录制消息，需要在开始场景与开始录制两处加入开关信息，以确保每次开始场景与开始录制的时刻为同一刻，否则将产生误差，然后对每一时刻的位置偏差求平方和，比较启动时序一致性与未启动时序一致性两种情况下的误差大小。未启动时序一致性时会存在丢帧情况，此时利用上一帧的位置代替丢失帧的位置信息。对同一场景在不同计算资源情况下进行多次仿真测试，录制每次仿真的数据包，数据包中有每个消息发送的历史记录。

如图4所示，本发明还提供一种电子设备，包括处理器401、存储器402、输入单元403和显示单元404；所述存储器402存储有应用程序，所述处理器401用于运行所述存储器402内的应用程序，本领域技术人员可以理解，图4中示出的电子设备结构并不构成对电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

存储器402可用于存储软件程序以及模块，处理器401通过运行存储在存储器402的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。输入单元403可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与用户设置以及功能控制有关的键盘、鼠标、操作杆、光学或者轨迹球信号输入。

显示单元404可用于显示由用户输入的信息或提供给用户的信息以及电子设备的各种图形用户接口，这些图形用户接口可以由图形、文本、图标、视频和其任意组合来构成。

处理器401是电子设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个手机的各个部分，通过运行或执行存储在存储器402内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器402内的数据，执行电子设备的各种功能和处理数据。

电子设备还包括给各个部件供电的电源409（比如电池），优选的，电源可以通过电源管理系统与处理器401逻辑相连，从而通过电源管理系统实现管理充电、放电以及功耗管理等功能。

尽管未示出，电子设备还可以包括给各个部件供电的电源等模块，在此不再赘述。具体在本实施例中，电子设备中的处理器401会按照如下指令，将一个或一个以上的应用程序的进程对应的可执行文件加载到存储器402中并由处理器401来运行存储在存储器402中的应用程序，从而实现以下功能：

获取目标对象的待仿真数据、仿真架构信息，以及所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率；基于所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率以独立发送消息命令的形式确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟；将所述待仿真数据输入仿真系统中，并基于所述仿真推进虚拟时钟以及对应的虚拟时钟推进阈值对所述待仿真数据进行仿真，得出仿真结果；将至少两次所述仿真结果进行对比，确定分析结果；从而达到基于ROS的仿真方法保证时序一致的效果。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成。

以上对本发明所提供的一种基于ROS的仿真方法、装置和电子设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于ROS的仿真方法，其特征在于，包括：

获取目标对象的待仿真数据、仿真架构信息，以及所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率；

基于所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率以独立发送消息命令的形式确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟；

所述确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟包含以下步骤：

S102a：确定各模块消息的初始状态；

S102b：根据所有模块的消息发送频率确定最小仿真时间单位；

S102c：根据所述确定最小仿真时间单位确定虚拟时钟推进指令及虚拟时钟推进规则；

将所述待仿真数据输入仿真系统中，并基于所述仿真推进虚拟时钟以及对应的虚拟时钟推进阈值对所述待仿真数据进行仿真，得出仿真结果；

将至少两次所述仿真结果进行对比，确定分析结果。

2.如权利要求1所述的基于ROS的仿真方法，其特征在于，所述最小仿真时间单位为各模块的消息频率在每个子阶段最大公因数。

3.如权利要求1所述的基于ROS的仿真方法，其特征在于，所述待仿真数据包括车辆的位置信息、速度信息。

4.如权利要求1所述的基于ROS的仿真方法，其特征在于，所述目标对象的仿真架构信息包括中定位、感知、跟踪、预测、规划、控制模块的架构信息以及各模块之间的耦合关系。

5.如权利要求1所述的基于ROS的仿真方法，其特征在于，所述各模块的消息发送频率，存储于相应的模块数据包。

6.如权利要求1所述的基于ROS的仿真方法，其特征在于，所述仿真结果进行对比是通过对同一时间戳的距离偏差求平方和的方式进行对比。

7.一种基于ROS的仿真装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取目标对象的待仿真数据、仿真架构信息，以及所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率；

确定模块，用于基于所述仿真架构信息中各模块的消息发送频率以独立发送消息命令的形式确定所述各模块的仿真推进虚拟时钟；

所述确定模块包括：

第一确定单元，用于确定各模块消息的初始状态；

第二确定单元，用于根据所有模块的消息发送频率确定最小仿真时间单位；

第三确定单元，用于根据所述确定最小仿真时间单位确定虚拟时钟推进指令及虚拟时钟推进规则；

仿真计算模块，用于将所述待仿真数据输入仿真系统中，并基于所述仿真推进虚拟时钟以及对应的虚拟时钟推进阈值对所述待仿真数据进行仿真，得出仿真结果；

分析模块，用于将至少两次所述仿真结果进行对比，确定分析结果。

8.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，包括所述存储器存储有应用程序，所述处理器用于运行所述存储器内的应用程序，以执行权利要求1-6中任一项所述的基于ROS的仿真方法。

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