百度阿波羅、英偉達(dá)Drive、Autoware和EB robins四大開源平臺對比
四大自動駕駛軟件開源平臺分別是百度的阿波羅、Autoware基金會的Autoware、英偉達(dá)的Drive（主要是DriveWorks）和大陸汽車子公司Elektrobit的EB robinsand Predictor。
上圖是自動駕駛軟件棧，以NXP的二代藍(lán)盒子為硬件基礎(chǔ)，除了英偉達(dá)的DriveWorks無法支持，大部分都支持。這四大自動駕駛軟件開源平臺最大的區(qū)別在于底層，最上層的應(yīng)用模塊差別不大。硬件系統(tǒng)方面，阿波羅和英偉達(dá)都推薦64位x86指令集的CPU加英偉達(dá)GPU架構(gòu)。Autoware主要使用英偉達(dá)的AGX Xavier或PX2，也就是推薦ARM的V8指令集架構(gòu)CPU。當(dāng)然，也支持64位x86指令集的CPU加英偉達(dá)GPU架構(gòu)。EB robins一開始就針對車載嵌入式系統(tǒng)，自然推薦使用ARM架構(gòu)。
毫無疑問，百度的阿波羅是熱度最高的自動駕駛開源平臺，139家合作伙伴幾乎囊括全球各大車廠和Tier-1，39萬行代碼都在GitHub上。2017年4月推出的阿波羅平臺，目前已經(jīng)迭代到5.0版。 阿波羅最大改變是3.5版放棄傳統(tǒng)的ROS，轉(zhuǎn)用自己開發(fā)的CyberRT。自動駕駛系統(tǒng)的底層OS除英偉達(dá)有用QNX外，大部分都用Linux，中間件大部分都用ROS。ROS這個開源社區(qū)擁有眾多豐富的經(jīng)過驗證的免費應(yīng)用軟件，避免了從頭開發(fā)的天量工作量，大大縮短研發(fā)成本和時間。但是Linux 本身是一個通用系統(tǒng)，內(nèi)核中的調(diào)度器對上面的算法業(yè)務(wù)邏輯并不清楚。它只是在盡量滿足公平的情況下讓大家都得到調(diào)度。所以，ROS Node運(yùn)行順序并無任何邏輯。但本質(zhì)上自動駕駛是一個專用系統(tǒng)，任務(wù)應(yīng)按照一定的業(yè)務(wù)邏輯執(zhí)行。特別是傳統(tǒng)車廠，對手工代碼排斥，對邏輯結(jié)構(gòu)異常重視，他們的研發(fā)人員有些甚至不會用Python，研發(fā)人員的任務(wù)就是設(shè)計安全合理的邏輯結(jié)構(gòu)。邏輯結(jié)構(gòu)是保證安全的最重要步驟，至于手工代碼，bug是無法避免的，用模型生成代碼才是最可靠的。
ROS 的主要挑戰(zhàn)之一是沒有調(diào)度，為了解決 ROS 遇到的問題，Cyber RT 的核心設(shè)計將調(diào)度、任務(wù)從內(nèi)核空間搬到了用戶空間。調(diào)度可以和算法業(yè)務(wù)邏輯緊密結(jié)合。之所以能這么做，主要是“協(xié)程”的運(yùn)用。線程分為內(nèi)核態(tài)線程和用戶態(tài)線程，用戶態(tài)線程需要綁定內(nèi)核態(tài)線程，CPU并不能感知用戶態(tài)線程的存在，它只知道它在運(yùn)行1個線程，這個線程實際是內(nèi)核態(tài)線程。用戶態(tài)線程實際還有個名字叫協(xié)程（co-routine），為了便于區(qū)分，我們使用協(xié)程指用戶態(tài)線程，使用線程指內(nèi)核態(tài)線程。協(xié)程跟線程是有區(qū)別的，線程由CPU調(diào)度是搶占式的，協(xié)程由用戶態(tài)調(diào)度是協(xié)作式的，一個協(xié)程讓出CPU后，才執(zhí)行下一個協(xié)程。 協(xié)程是個好東西，不少語言支持了協(xié)程，比如：Lua、Erlang、Java（C++即將支持），還有庫支持協(xié)程，比如C語言的coroutine、Kotlin的kotlinx.coroutines、Python的gevent。協(xié)程的有點是一是上下文（子程序）切換效率很高，因為切換對于內(nèi)核來說是無感知的，不需陷入內(nèi)核空間，其切換開銷基本和函數(shù)調(diào)用差不多；線程越多，協(xié)程的優(yōu)勢越明顯。二是協(xié)程的時間開銷是確定的，汽車領(lǐng)域最注重的就是可確定性，深度學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)以太網(wǎng)就無法實現(xiàn)可確定性。三是能用同步的風(fēng)格寫異步的邏輯。
協(xié)程和線程有3種映射關(guān)系：第一種，多個協(xié)程綁定1個線程，優(yōu)點就是協(xié)程在用戶態(tài)線程即完成切換，不會陷入到內(nèi)核態(tài)，這種切換非常的輕量快速。但也有很大的缺點，1個進(jìn)程的所有協(xié)程都綁定在1個線程上，一是某個程序用不了硬件的多核加速能力，二是一旦某協(xié)程阻塞，造成線程阻塞，本進(jìn)程的其他協(xié)程都無法執(zhí)行了，根本就沒有并發(fā)的能力了。這種映射最好設(shè)計。 第二種是1個協(xié)程綁定1個線程，協(xié)程的創(chuàng)建、刪除和切換的代價都由CPU完成，代價太高。第三種是多個協(xié)程綁定多個線程，這樣可以發(fā)揮多核CPU的性能，也對CPU利用效率很高，多個線程之間的調(diào)度還是要進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)，不過相比一般的純多線程還是要好很多。第三種的復(fù)雜程度很高，編譯起來很難。 Linux中是多對多的模型，用戶態(tài)線程通過LWP和內(nèi)核線程綁在一塊，LWP是個輕量級的東東，實際執(zhí)行就是LWP要決定這次帶哪個綁在自己身上的用戶態(tài)進(jìn)程執(zhí)行，也就是局部調(diào)度。然后CPU再決定讓哪個內(nèi)核線程執(zhí)行，也就是全局調(diào)度。
上圖為英偉達(dá)整個自動駕駛領(lǐng)域的軟件分布，DriveWorks實際只是其中的最上層，關(guān)鍵的底層DriveOS，英偉達(dá)并未開源，因為DriveOS有相當(dāng)多QNX的貢獻(xiàn)，而QNX肯定是要收費的。
DRIVE AR主要是增強(qiáng)現(xiàn)實，將車載系統(tǒng)所進(jìn)行的環(huán)境感知、路線規(guī)劃等環(huán)節(jié)直接映射到車輛顯示界面（HUD或中控屏）中。DRIVE IX主要是車內(nèi)人機(jī)交互，包括手勢識別，語音識別和唇語讀出，頭部姿態(tài)追蹤，眼球追蹤。
英偉達(dá)不僅拋棄了ROS，連Ubuntu也拋棄了，英偉達(dá)使用了微內(nèi)核的QNX來代替Ubuntu。QNX的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)與阿波羅的CyberRT 異曲同工，同樣也是在用戶空間做類似于協(xié)程的調(diào)度。 關(guān)于微內(nèi)核與宏內(nèi)核，如同RISC和CISC一樣長期有爭論，也有人認(rèn)為純粹的微內(nèi)核或宏內(nèi)核（應(yīng)該叫Monolithic Kernel單內(nèi)核更準(zhǔn)確）不存在，大家都是混合內(nèi)核。不過QNX應(yīng)該是非常純的微內(nèi)核。眾所周知，微內(nèi)核非常難做，全球成功的微內(nèi)核只有QNX一家（華為的鴻蒙還未確定能否成功，諾基亞的Symbian已經(jīng)失?。?，其余都可以說是宏內(nèi)核。
微內(nèi)核最大特色就是安全性高，因為用戶服務(wù)是獨立于內(nèi)核服務(wù)的，因此任何用戶服務(wù)崩潰都不會影響到內(nèi)核服務(wù)，內(nèi)核很大程度上只是轉(zhuǎn)發(fā)信息。應(yīng)用程序調(diào)用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用，或者內(nèi)核調(diào)用其他組件（比如文件系統(tǒng)，驅(qū)動程序）的功能都是通過IPC的方式。邏輯越清晰簡單，安全性就越高。 其次，微內(nèi)核具備實時性，其實實時性并非是幾乎沒有時間延遲，而是有時間可確定。內(nèi)核空間里，微內(nèi)核非常精簡（QNX內(nèi)核據(jù)說代碼僅4000行，12kb），自然延遲很低。但是其他模塊和系統(tǒng)功能全部作為獨立模塊放到用戶態(tài)空間中運(yùn)行，功能分散了以后增加了通信的成本，降低了效率。 再次，微內(nèi)核的擴(kuò)展性強(qiáng)。添加一個功能，只需要建立一個新的服務(wù)到用戶空間當(dāng)中，而內(nèi)核空間不需要任何的修改。因此，微內(nèi)核可移植性強(qiáng)、安全并且易于擴(kuò)展。最后，微內(nèi)核對虛擬化支持度很高，隔離和再現(xiàn)很容易做。
英偉達(dá)的DriveOS集成了黑莓的64位QNX系統(tǒng)，據(jù)稱可以達(dá)到最高的汽車安全等級，即ASIL-D級。在2019年11月，現(xiàn)代也選擇了黑莓的QNX系統(tǒng)做ADAS和自動駕駛的軟件平臺。英偉達(dá)的DriveOS還集成了TTTech的Motion Wise。 TTTech是一家奧地利公司，擅長飛機(jī)和汽車的特殊以太網(wǎng)，上汽榮威MarvelX，奧迪A8，NASA獵戶座號宇航飛船、波音787等項目，都成功地運(yùn)用了TTTech核心技術(shù)。MotionWise安全軟件平臺是包含MotionWise服務(wù)和第三方軟件stack的集成解決方案。Motion Wise運(yùn)行在多主機(jī)環(huán)境，其中一個Safety Host通常運(yùn)行Classic AUTOSAR, 一個或多個Performance Host運(yùn)行POSIX操作系統(tǒng)。MotionWise支持的Safety Host安全等級可以達(dá)到ASIL-D。MotionWise提供了三大核心服務(wù)： 1、調(diào)度服務(wù)（Scheduling Services）：時間觸發(fā)調(diào)度和混合策略調(diào)度，保證實時性和抗干擾性，達(dá)到ASIL-D級標(biāo)準(zhǔn)。 2、通信服務(wù)（Communication Services）：RTE層，數(shù)據(jù)同步層，Middleware 層，主干網(wǎng)通信層之間的通信，MotionWise中間層抽象了多核環(huán)境的管理。該層不僅實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者之間的零拷貝，并且buffer的實現(xiàn)符合ISO 26262的ASIL-D要求。Middleware 層與以太網(wǎng)傳輸層一起工作，處理所有設(shè)備之間的通信。確定性以太網(wǎng)主干網(wǎng)用于ECU內(nèi)部通信。 3、時間服務(wù)（Time Services）：MotionWise時間服務(wù)遵循時間感知架構(gòu)設(shè)計。MotionWise的不同實體（例如應(yīng)用程序和運(yùn)行這些應(yīng)用程序的芯片）被同步到同一個時間基準(zhǔn)。這是實現(xiàn)ECU全局時間觸發(fā)調(diào)度的前提。 DRIVEOS還全面支持汽車界的自適應(yīng)Autosar。不過使用英偉達(dá)DriveWorks的絕大部分用戶還是用傳統(tǒng)的Ubuntu。 百度的阿波羅和英偉達(dá)的DRIVE都無法擺脫商業(yè)化氣息，尤其英偉達(dá)，必須使用英偉達(dá)的GPU。真正的開源且獨立是Autoware。 名古屋大學(xué)客座副教授，東京大學(xué)副教授Shinpei Kato（加藤真平）在2015年首次提出開源算法Autoware。2018年12月，自動駕駛軟件公司 Apex.AI、Tier IV（Shinpei Kato是CTO，目前已獲得1.3億美元融資，是自動駕駛軟件行業(yè)融資額最高的）和開源協(xié)作組織 Linaro 96Boards 共同宣布成立 Autoware 基金會。第一屆董事會成員包括Shinpei Kato、Jan Becker（Apex）、Zhangyang（中科院AI研究所與Linaro/96Boards）。Linaro 96Boards就是 ARM 聯(lián)合 Linaro 定義的一個以 Cortex-A 系列處理器開發(fā)板為主的 ARM 開放平臺規(guī)范，取名 96Boards，意在說明囊括了“32 位+64 位”的板卡。 Autoware基金會分三個等級，第一級是Premium，每年會費為5萬美元，目前有16家，包括華為/海思，Velodyne，ARM，Linaro 96Boards，LG（提供模擬仿真器），Apex、、Autonomoustuff、Kalray（多核加速器初創(chuàng)廠家）、Parkopedia（停車大數(shù)據(jù)服務(wù)公司）、南京潤和軟件、streetdrone（英國無人車初創(chuàng)公司）、TierIV、ITD-LAB（雙目專家）、esol（日本實時嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商，全球第三大汽車部件廠家電裝持有其20%股份，豐田的視覺系統(tǒng)底層軟件平臺由其提供，達(dá)到ASIL-D級）、MACNICA（日本主要電子產(chǎn)品分銷商）、TRI-AD（豐田先進(jìn)研究院）。Autoware的線控車由豐田提供，為Lexus的LS450H。 Autoware基金會第二級的工業(yè)與機(jī)構(gòu)，每年會費1萬美元，目前是19家，包括英特爾、愛信科技（豐田關(guān)聯(lián)公司）、中國臺灣廣達(dá)（全球第一大筆記本電腦代工廠）、日立、Xilinx、Cadence、速騰聚創(chuàng)、鐳神、禾賽和美國高速公路管理局。最后是非營利組織或大學(xué)，每年2000美元會費，包括名古屋大學(xué)、open robotics、日本琦玉大學(xué)、法國UTBM大學(xué)、SEMI和中國臺灣工研院IT IS。 毫無疑問，Autoware是ARM鼎力支持的。Linaro背后也主要是ARM，還包括NXP、谷歌、海思、三星、意法半導(dǎo)體、富士通、Cypress、Marvell、索喜、德州儀器和高通。
Autoware的主要模塊，在V2X領(lǐng)域?qū)AM和DENM已經(jīng)支持。 目前Autoware是基于ROS2.0的，1.0的主要問題（實時性、master節(jié)點、跑不了嵌入式等）基本都解決了。
ROS1的通訊系統(tǒng)基于TCPROS/UDPROS，強(qiáng)依賴于master節(jié)點的處理，可以想像master失效，整個系統(tǒng)崩潰。但是從右邊ROS2的架構(gòu)中我們可以發(fā)現(xiàn)，之前讓人耿耿于懷的master終于消失了，ROS2的通訊系統(tǒng)是基于DDS的。DDS的全稱是Data Distribution Service，即數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。它是對象管理組織OMG（ObjectManagement Group）在2004年正式發(fā)布的一個專門為實時系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)分發(fā)/訂閱標(biāo)準(zhǔn)，最早應(yīng)用于美國海軍和星際網(wǎng)絡(luò)，解決艦船復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中大量軟件升級的兼容性問題，目前已經(jīng)成為美國國防部的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，同時廣泛應(yīng)用于國防、民航、工業(yè)控制等領(lǐng)域，成為分布式實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。它特別適合通信環(huán)境不佳，經(jīng)常中斷，但又要求絕不能出錯的場合。ROS2.0刪除了master機(jī)制，用自動發(fā)現(xiàn)機(jī)制代替，這個通信組網(wǎng)機(jī)制和汽車網(wǎng)絡(luò)CAN完全一致。當(dāng) CAN 總線上的一個節(jié)點（站）發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文的形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點，對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其接收。每個節(jié)點都會周期性發(fā)廣播。
上圖為Autoware的路線圖，應(yīng)該說是Apex的路線圖，Apex計劃在2020年用自己的產(chǎn)品化的OS取代ROS。另一方面，Autoware的Premium會員esol試圖用自己的eMCOS（微內(nèi)核）取代linux，并跑在嵌入式系統(tǒng)上（micro-ros）。
不過微內(nèi)核難度極高，這么多年成功的只有一個QNX，esol是一家年收入不到1億美元的公司，做微內(nèi)核資源恐怕不足。
在瑞薩R-Car H3（4個A57和4個A53，40kDMIPs）上跑Autoware。 最后來看Elektrobit的EB robins and Predictor。
Elektrobit是大陸汽車的子公司，也是全球最大汽車軟件公司。其EB robins完全沒考慮非車規(guī)級的底層系統(tǒng)。它是高度依賴Autosar的。
EB robins架構(gòu)，Elektrobit只做自己最擅長的模塊。Elektrobit也有自己完整的自適應(yīng)Autosar模塊。
EB robins對高精度實時升級地圖、ADASIS V3和V2X考慮得最多。地圖則來自TomTom的支持。ADASIS協(xié)會開發(fā)了EB robinos Provider & Reconstructor。
Elektrobit自然會繼承母公司德國大陸汽車的電子地平線，所謂電子地平線基本可看做類似專用網(wǎng)的V2X。自動駕駛領(lǐng)域原型開發(fā)與HiL專家dSpace與Elektrobit關(guān)系密切，在其新型ADASIS v3 Horizon Reconstructor Blockset模塊組中引入了Elektrobit的模塊，EBrobinos Provider提供最新的基于SD和HD地圖數(shù)據(jù)的電子地平線數(shù)據(jù)源，EB robinos Reconstructor重構(gòu)并有效存儲相關(guān)的電子地平線數(shù)據(jù)。
考慮到研發(fā)資源有限，同時也要考慮成本，EB robinos的目標(biāo)似乎主要是高速公路的自動駕駛。 綜合來看，阿波羅的勢力最強(qiáng)，合作伙伴最多，但車規(guī)方面和嵌入式系統(tǒng)方面考慮還不夠。英偉達(dá)在車規(guī)方面考慮最周全，但硬件有限制，有封閉性，也未考慮太多嵌入式應(yīng)用。Autoware考慮嵌入式系統(tǒng)最多，車規(guī)方面較少。EB robinos未考慮底層的適配性，應(yīng)用面窄。
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