前言
本文主要內(nèi)容是——無(wú)人駕駛中的CAN(Controller Area Network )總線。
CAN總線在整個(gè)無(wú)人駕駛系統(tǒng)中有著十分重要的作用。除了在VCU信號(hào)需要通過(guò)CAN總線進(jìn)行傳輸外,無(wú)人車上的某些傳感器(如雷達(dá)、Mobileye)的信號(hào)傳遞也是通過(guò)CAN實(shí)現(xiàn)的。
我在無(wú)人駕駛,個(gè)人如何研究?中提到過(guò)實(shí)現(xiàn)一個(gè)無(wú)人駕駛系統(tǒng),會(huì)有幾個(gè)層級(jí): 感知層 → 融合層 → 規(guī)劃層 → 控制層 更具體一點(diǎn)為: 傳感器層 → 驅(qū)動(dòng)層 → 信息融合層 → 決策規(guī)劃層 → 底層控制層
“傳感器層”在之前的分享中已經(jīng)介紹過(guò)了,這次主要介紹的是“驅(qū)動(dòng)層”相關(guān)的內(nèi)容。
正文
CAN通信是一套高性能、高可靠性的通信機(jī)制,目前已廣泛應(yīng)用在汽車電子領(lǐng)域。有關(guān)CAN的總線的原理及特性并不是本次分享的重點(diǎn)。本文的重點(diǎn)在無(wú)人駕駛系統(tǒng)獲取到CAN消息后,如何根據(jù)CAN協(xié)議,解析出想要的數(shù)據(jù)。從CAN總線中解析出傳感器的信息,可以說(shuō)是每個(gè)自動(dòng)駕駛工程師,甚至每一個(gè)汽車電子工程師必備的技能。
認(rèn)識(shí)CAN消息
以百度推出的Apollo開(kāi)源的代碼為例做CAN消息的講解,我們先看到每一幀的CAN消息是如何被定義的。
可以看到這個(gè)名為CanFrame的消息結(jié)構(gòu)中包含4個(gè)關(guān)鍵信息,分別是:
1. uint32_tid
CAN消息的ID號(hào)。
由于CAN總線上傳播著大量CAN消息,因此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí),會(huì)先看id號(hào),以確保這是節(jié)點(diǎn)想要的CAN消息。最初的CAN消息id號(hào)的范圍是000-7FF(16進(jìn)制數(shù)),但隨著汽車電控信號(hào)的增多,需要傳遞的消息變多,信息不太夠用了。工程師在CAN消息基礎(chǔ)上,擴(kuò)展了id號(hào)的范圍,大大增加了id號(hào)的上限,并將改進(jìn)后的CAN消息稱為“擴(kuò)展幀”,舊版CAN消息稱為“普通幀”。
如果拿寫信做比較,這個(gè)id就有點(diǎn)類似寫在信件封面上的名字。
2. uint8_tlen
CAN消息的有效長(zhǎng)度。
每一幀CAN消息能夠傳遞最多8個(gè)無(wú)符號(hào)整形數(shù)據(jù),或者說(shuō)能夠傳遞8*8的bool類型的數(shù)據(jù)。這里的len最大值為8,如果該幀CAN消息中有些位沒(méi)有數(shù)據(jù),這里的len就會(huì)小于8。
3. uint8_tdata[8]
CAN消息的實(shí)際數(shù)據(jù)。
正如剛才提到的,每一幀CAN消息都包含至多8*8個(gè)bool類型的數(shù)據(jù),因此可以通過(guò)8*8個(gè)方格,可視化CAN消息中的data。如下圖所示:
在沒(méi)有CAN協(xié)議幫助我們解析的情況下,這里的數(shù)據(jù)無(wú)異于亂碼,根本無(wú)法得到有用的消息,這也是CAN消息難以破解的原因之一。
4.timestamp
CAN消息的時(shí)間戳。
時(shí)間戳表示的是收到該CAN消息的時(shí)刻。通過(guò)連續(xù)多幀的時(shí)間戳,可以計(jì)算出CAN消息的發(fā)送周期,也可以用于判斷CAN消息是否被持續(xù)收到。
綜上,每幀CAN消息中最重要的部分其實(shí)是data,即8*8的bool值。所謂解析CAN消息,其實(shí)就是解析這8*8個(gè)bool類型的值。
認(rèn)識(shí)CAN協(xié)議
目前業(yè)界的CAN協(xié)議,都是以后綴名為dbc的文件進(jìn)行存儲(chǔ)的。德國(guó)Vector公司提供CANdb++ Editor是一款專門用于閱讀dbc文件的軟件。
如下圖所示,為Mobileye提供的車道線的dbc文件。(文末提供CANdb++ Editor安裝包和Mobileye車道線的dbc文件的獲取方法)
以id號(hào)為0x766的LKA_Left_Lane_A為例,這是Mobileye檢測(cè)無(wú)人車左側(cè)車道線的部分信息,包括了左側(cè)車道線的偏移量,曲率等。該幀CAN消息(Message)中的五個(gè)信號(hào)(Signal),分別是Lane_Type、Quality、Curvature、Curvature_Derivative、Width_left_marking、Position。
每個(gè)信號(hào)的具體描述顯示在軟件右側(cè),其中與解析直接相關(guān)的三個(gè)要素已用綠色框選中。
1. Value Type(Unsigned或Signed)
某些物理量在描述時(shí)是有符號(hào)的,比如溫度。而描述另外一些量時(shí),是沒(méi)有符號(hào)的,即均為正數(shù),比如說(shuō)曲率。
2. Factor 和 Offset
這兩個(gè)參數(shù)需要參與實(shí)際的物理量運(yùn)算,F(xiàn)actor是倍率,Offset是偏移量。例如Lane_Type和Quality信號(hào)的Factor為1,Offset為0,而其他信號(hào)的Factor均為小數(shù)。具體的計(jì)算方法請(qǐng)往下看。
雙擊LKA_Left_Lane_A,打開(kāi)Layout頁(yè),會(huì)發(fā)現(xiàn)很熟悉的方塊陣列,如下圖所示。
工程師真正關(guān)心的恰好是這塊彩色圖,因?yàn)樵搱D上的每個(gè)小方塊和data中的每一個(gè)bool量一一對(duì)應(yīng)。這就是CAN協(xié)議的真面目。
解析CAN信號(hào)
由于彩色方塊圖與data是一一對(duì)應(yīng)的,我們將兩個(gè)圖疊加,將得到如下圖所示的data圖。
每個(gè)信號(hào)物理量的計(jì)算公式為:
1.Factor為1的物理量
由于Lane_Type和Quality的Factor為1,Offset為0,因此十進(jìn)制值為多少,實(shí)際物理量即為多少。
從圖中就能直接看出Quality這個(gè)信號(hào)占據(jù)兩個(gè)位,二進(jìn)制數(shù)11,換算為十進(jìn)制是3(1*2 + 1*1);Lane_Type占據(jù)四個(gè)位,二進(jìn)制數(shù)為0010,換算為十進(jìn)制是2(0*8 + 0*4 + 1*2 + 0*1)。
所以這一幀信號(hào)表示此時(shí)的左車道線Lane_Type值為2,Quality值為3。對(duì)于整數(shù)值,通信雙方可以約定規(guī)則,比如Mobileye就規(guī)定了,Quality為0或者1時(shí)表示車道線的置信度較低,不推薦使用此時(shí)的值;2表示置信度中等,3表示置信度較高,請(qǐng)放心使用。
2.Factor為小數(shù)的物理量
對(duì)于Factor不為1的物理量,比如Position,需要使用移位的方法進(jìn)行解析,但解析公式保持不變。以百度 Apollo提供的源碼為例進(jìn)行講解。
這里的bytes即為CAN消息中的data,首先將Position信號(hào)所在的行取出來(lái),將第1行的8個(gè)bool值存儲(chǔ)在變量t1中,將第二行的8個(gè)bool值存儲(chǔ)在變量t0中。由于在這條CAN消息中,Position同時(shí)占據(jù)了高8位和低8位,因此需要將第一行和第二行的所有bool位拿來(lái)計(jì)算,高8位存儲(chǔ)在32位的變量x中,低8位存儲(chǔ)在32位的變量t中。
現(xiàn)在需要將高8位和低8位拼接,將高8位左移8位,然后與低8位求或運(yùn)算,即可得到Position的二進(jìn)制值。隨后進(jìn)行的左移16位,再右移16位的操作是為了將32位的變量x的高16位全部初始化為0。之后將x乘以Factor再加上Offset即可得到真實(shí)的Position值,給真實(shí)值加上單位meter,即可獲取實(shí)際的物理量。
與CAN類似的通信協(xié)議
VCU、雷達(dá)等通過(guò)CAN總線傳遞信號(hào),隨著CAN的負(fù)載越來(lái)越高,很多傳感器選擇了其他通信方式。比如激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量太過(guò)龐大,使用的是局域網(wǎng)的方式進(jìn)行傳遞;再比如GPS和慣導(dǎo)使用的是串口進(jìn)行通信。
雖然通信方式和通信協(xié)議千差萬(wàn)別,但解析的方法都是一樣的。
結(jié)語(yǔ)
好了\(^o^)/~,這篇分享的內(nèi)容基本上講清楚了CAN總線消息的解析過(guò)程。這是無(wú)人駕駛系統(tǒng)傳感器驅(qū)動(dòng)層的基本理論。
由于不同ID的CAN消息的結(jié)構(gòu)不一樣,因此在寫解析代碼時(shí),需要十分仔細(xì),否則會(huì)給后續(xù)處理帶來(lái)想不到的bug。
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原文標(biāo)題:自動(dòng)駕駛技術(shù)之——無(wú)人駕駛中的CAN總線
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