摘要：隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)不斷發(fā)展與落地，無人駕駛車輛逐漸涌入廠區(qū)內(nèi)物流配送行業(yè)。本文以公司廠區(qū)內(nèi)低速無人配送車為載體，在無人駕駛控制器上，建立與無人駕駛控制系統(tǒng)的通訊鏈路，開發(fā)設(shè)計(jì)一款基于Ubuntu18.04+ROS 系統(tǒng)的可實(shí)時(shí)控制并顯示當(dāng)前無人物流車位置、電量等基本信息的HMI 應(yīng)用，同時(shí)具備錄制& 調(diào)整無人物流車的路線以及設(shè)置車輛參數(shù)等功能，便于無人車運(yùn)維人員對(duì)當(dāng)前車輛運(yùn)行狀態(tài)查看以及對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)試。

關(guān)鍵詞：無人車控制系統(tǒng)；無人物流配；應(yīng)用開發(fā)

中圖分類號(hào)：U270.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

具備自主感知定位的低速智能移動(dòng)機(jī)器人逐步替代人工進(jìn)行生產(chǎn)物料的配送工作，為企業(yè)降低人工配送成本[1]。在無人駕駛車輛配送過程中，配送物料的取放過程都需要對(duì)車輛進(jìn)行操控，一個(gè)可以和無人車控制器底層交互的車載HMI（HumanMachine Interface，人機(jī)界面）就顯得十分重要，可在無人物流車的無人駕駛控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)一個(gè)觸摸屏，開發(fā)一款面向客戶的HMI 應(yīng)用，將系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息從系統(tǒng)形式向人們習(xí)慣查看的形式轉(zhuǎn)換，這樣操作人員就可通過屏幕對(duì)車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行查看及控制車輛啟停等。

1 HMI 開發(fā)背景簡(jiǎn)介

自2019 年起，公司無人駕駛物流方案落地，并在2020 年后擴(kuò)大規(guī)模，批量覆蓋到各個(gè)生產(chǎn)基地。在這樣的形勢(shì)下，新場(chǎng)景開發(fā)與批量化部署尤為重要，按開發(fā)階段的部署方案，線路采集和部署都需要以Linux 命令的方式進(jìn)行，采集的線路有缺陷時(shí)需要對(duì)線路重新采集，采集的工作量非常大。

同時(shí)，在調(diào)試過程中需要查看車輛狀態(tài)也需要通過命令行的方式進(jìn)行查看，查看的方式以及結(jié)果顯示更偏向算法開發(fā)人員，并不能直觀地展示給客戶。

2 開發(fā)需求分析

由于駕控系統(tǒng)的操作難度過高，團(tuán)隊(duì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行深入調(diào)研，對(duì)于HMI 需要的功能進(jìn)行歸類匯總，主要包括以下幾方面。

（1）車輛基礎(chǔ)功能控制組件實(shí)現(xiàn)，包括對(duì)車輛車窗、雨刮、遠(yuǎn)近光燈等基礎(chǔ)控制，車輛電量信息顯示等。

（2）無人物流車運(yùn)行過程控制按鈕，包括對(duì)正在自動(dòng)運(yùn)行的車輛進(jìn)行暫?；蛘呋謴?fù)行駛，下發(fā)目標(biāo)站點(diǎn)或者切換站點(diǎn)，切換手自動(dòng)等操作。

（3）無人物流車算法模塊信息顯示，包括對(duì)各個(gè)算法模塊的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，以及報(bào)錯(cuò)提示等。

（4）車輛路線軌跡網(wǎng)格及車輛位置顯示，可以顯示當(dāng)前正在運(yùn)行的路線，以及車輛位于路線上的位置。

（5）線路編輯功能，包括新線路的錄制，錄制好的線路微調(diào)，設(shè)置線路點(diǎn)的屬性等。

（6）參數(shù)設(shè)置，包括對(duì)線路上各個(gè)場(chǎng)景及速度等參數(shù)的設(shè)置。

（7）拓展功能，包括對(duì)當(dāng)前車輛的OTA 功能開發(fā)、軟件版本和路線版本維護(hù)等。

3 軟硬件架構(gòu)

本文以公司無人物流車搭載的無人駕駛系統(tǒng)為載體，在無人駕駛控制器上通過HDMI 線外接一塊屏幕，即可對(duì)控制器進(jìn)行操作及軟件開發(fā)調(diào)試。公司無人物流配送車輛的硬件架構(gòu)如圖1所示，基礎(chǔ)車輛通過CAN 總線與無人車控制器進(jìn)行交互，包括車輛本體的運(yùn)行速度、轉(zhuǎn)向角度等的數(shù)據(jù)獲取，以及控制器下發(fā)控車指令給到車輛執(zhí)行；無人車的感知定位傳感器通過網(wǎng)線或者CAN 總線等形式，將感知定位參數(shù)返回到無人車控制器；通過HDMI 線將控制器與屏幕連接，顯示控制器的UI 界面，這個(gè)架構(gòu)的核心是控制器，本文采用的是米文Apex Xavier Ⅱ （ 或米文Apex Xavier Ⅱ +） 作為控制核心，各個(gè)算法模塊的開發(fā)主要基于ROS（Robot Operating System， 機(jī)器人操作系統(tǒng)） 系統(tǒng)。

無人駕駛控制系統(tǒng)軟件采用具備高效通訊架構(gòu)的ROS 系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，分別有與車輛底層交互的驅(qū)動(dòng)模塊、感知定位模塊、規(guī)劃控制模塊以及HMI 模塊，各個(gè)模塊通過定時(shí)發(fā)布或者解析話題進(jìn)行交互。本文設(shè)計(jì)的HMI 應(yīng)用，采用前后端分離設(shè)計(jì)，車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)源于無人車控制系統(tǒng)的各個(gè)算法模塊發(fā)布的ROS 話題[2]，通過前后端接口模塊對(duì)所需的各個(gè)話題解析，并定時(shí)回傳到前端UI 顯示。

同樣的，當(dāng)通過UI 控件操控車輛時(shí)，控件的事件被觸發(fā)，通過回調(diào)函數(shù)自動(dòng)把指定命令轉(zhuǎn)發(fā)到前后端接口模塊，接口模塊通過命令屬性，將控件事件按既定交互協(xié)議轉(zhuǎn)換成ROS 的話題發(fā)布到系統(tǒng)[3]，供底層驅(qū)動(dòng)模塊訂閱解析，并轉(zhuǎn)發(fā)到車輛CAN 總線，控制車輛執(zhí)行對(duì)應(yīng)命令。

HMI 應(yīng)用框架如圖2 所示，前端主要是UI 布局設(shè)計(jì)，自定義控件設(shè)計(jì)、控件事件處理、數(shù)據(jù)顯示等，前端的UI 設(shè)計(jì)是基于ImGUI 開源庫進(jìn)行開發(fā)，該庫是一個(gè)用于C++ 的用戶界面庫，跨平臺(tái)、無依賴，支持OpenGL、DirectX 等多種渲染API ；后端主要是建立無人車控制器和UI 前端交互鏈路，獲取數(shù)據(jù)并回傳前端顯示，或者接收前端命令下發(fā)到無人車控制器，后端開發(fā)主要是通過新建一個(gè)ROS 功能包，建立一個(gè)專門解析所需數(shù)據(jù)話題的節(jié)點(diǎn)，解析到指定話題后封裝成前端所需的數(shù)據(jù)類型并回傳到前端顯示。

4 HMI 功能模塊設(shè)計(jì)& 布局

4.1 主頁面設(shè)計(jì)

本文 HMI主頁面布局設(shè)計(jì)主要分為 5 個(gè)小模塊（圖 3）。

（1）模塊一顯示車輛電量以及車輛車窗、燈光等開關(guān)，同時(shí)也是設(shè)計(jì)頁面的入口，主要用到的是自定義的按鈕控件ButtonWidget、自定義的圖文控件ImageWidget 和自定義彈窗控件PopupWidget，在彈窗界面中，設(shè)計(jì)了車輛的車窗和燈光的控制按鍵。

（2）模塊二顯示車輛運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)信息，有行駛速度、轉(zhuǎn)向角度、路程信息等， 主要使用的是ImGUI 自帶的文本控件Text。

（3）模塊三是部分控制車輛狀態(tài)的按鈕，以及下拉選擇目標(biāo)站點(diǎn)，給車輛下發(fā)啟動(dòng)或暫停命令的按鈕，使用的都是自定義控件，有下拉控件ListBox，多功能按鈕控件MutilFuncButton 等。

（4）模塊四顯示的是車輛當(dāng)前行駛的路線，以及車輛在路線上的位置，該線路顯示模塊是自定義的點(diǎn)、線、圖標(biāo)顯示編輯模塊Grid，是基于Imgui 庫自帶的CANVAS 進(jìn)行重構(gòu)的，處理顯示路線和位置信息，還支持縮放、選擇對(duì)象的功能。

（5）模塊五顯示的是無人駕駛控制系統(tǒng)的各個(gè)算法模塊的狀態(tài)，主要使用的是自定義的圖文顯示控件ImageWidget。當(dāng)算法模塊正常運(yùn)行時(shí)，顯示綠色打勾，當(dāng)算法模塊異常時(shí)，顯示紅色打叉，并支持查看異常的具體原因。

4.2 設(shè)置頁面設(shè)計(jì)

設(shè)置頁面（圖4）是所有子頁面的入口，車輛設(shè)置或者路線編排之類頁面都是排布的設(shè)置頁面內(nèi)部。子頁面主要包括有標(biāo)定、參數(shù)設(shè)置、路線編排、系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)版本等頁面， 該模塊使用的控件是自定義的列表控件ListBox，左側(cè)顯示主要項(xiàng)目，右側(cè)顯示對(duì)應(yīng)的子項(xiàng)目列表，通過選擇右側(cè)子列表，可跳轉(zhuǎn)到具體的子頁面內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)操作或者返回主頁面。

4.3 路線編輯模塊設(shè)計(jì)

無人車行駛過程是依據(jù)既有的高精度地圖和路線進(jìn)行循跡行走的，所以在正式部署到生產(chǎn)線上前，需進(jìn)行高精地圖和路線制作[1]。利用HMI 制作路線，只需啟動(dòng)HMI 路線錄制功能和車輛定位模塊，按既定線路人工駕駛車輛行駛一遍路線，將跑經(jīng)的線路經(jīng)度緯度高度以及車輛的轉(zhuǎn)向角度等屬性，記錄到Json 格式的路線文件內(nèi)，即可完成線路的初版錄制工作。

新路線錄制好之后，并非完全沒有問題，針對(duì)有缺陷的局部路段，可通過路線編輯頁面（圖5）對(duì)線路位置進(jìn)行重新編排，使得車輛通過該路段更加合理，同樣的，對(duì)于缺陷太多的路段，只需將該路段刪除再重新錄制即可，無需全部路線都要重新錄制，這樣可以極大提高布線工作的效率。

4.4 調(diào)試頁面設(shè)計(jì)

在無人車功能開發(fā)階段，除了要制作點(diǎn)云地圖和路線外，還需對(duì)車輛的基礎(chǔ)功能進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，以及交付使用前的對(duì)車輛進(jìn)行壓力測(cè)試。針對(duì)調(diào)試階段，團(tuán)隊(duì)開發(fā)一個(gè)調(diào)試頁面（圖6），主要包括車輛各個(gè)算法模塊的狀態(tài)和故障信息顯示、車輛本體VCU＼EPS 等模塊的狀態(tài)信息、給車輛下發(fā)下一站的功能按鍵、自動(dòng)托掛鉤的操作等。

4.5 OTA 頁面設(shè)計(jì)

在無人車批量復(fù)制和部署過程中，為了減輕大量重復(fù)工作，團(tuán)隊(duì)還考慮增加OTA 功能，設(shè)計(jì)了地圖和路線以及各個(gè)算法的OTA 頁面。主要功能是在車輛與云管理平臺(tái)建立連接后，可通過點(diǎn)擊升級(jí)按鈕，從云端獲取指定最新版本的文件并下載保存到指定路徑。

5 結(jié)束語

本次開發(fā)HMI 應(yīng)用主要是基于客戶使用需求及調(diào)試和部署過程高效性考慮。HMI 的開發(fā)主要是基于ROS 系統(tǒng)和C/C++ 語言進(jìn)行的，應(yīng)用的啟動(dòng)使用的是bash 腳本編寫，渲染主要利用到ImGUI 開源庫[4]。部分控件是團(tuán)隊(duì)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)的，控件布局使用的是XML 文件[5]。整個(gè)應(yīng)用的開發(fā)經(jīng)過了多個(gè)版本迭代，目前已滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 呂冀權(quán). 基于ROS 技術(shù)的無人物流配送車[J]. 中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（ 全文版） 工程技術(shù)，2023（12）：9-12.

[2] 劉伏志， 朱有鵬著.ROS 機(jī)器人編程零基礎(chǔ)入門與實(shí)踐[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2023.

[3] 曾俊皓. 基于ROS 的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)，2018.

[4] 格雷厄姆· 塞勒斯， 小理查德· 賴特， 尼古拉斯· 海梅爾著.OpenGL 超級(jí)寶典[M]. 第7 版. 顏松柏， 薛陶， 張林蘋， 譯. 北京： 人民郵電出版社，2020.

[5] 楊柳青， 孫運(yùn)強(qiáng)， 姚愛琴.TinyXml 在Linux 平臺(tái)中的應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009（05）：41-43.

作者簡(jiǎn)介：

黃政華，本科，工程師，研究方向?yàn)橹悄荞{駛、無人物流。

羅程，本科，工程師，研究方向?yàn)橹悄荞{駛、機(jī)器視覺。