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Dig into Apollo - Map GitHub

Table of Contents

其实我们只需要知道map模块的主要功能是“加载openstreet格式的地图,并且提供一系列的API给其他模块使用”。然后再根据具体的场景来了解地图各个部分的作用,就算是对map模块比较了解了。

本章主要介绍下apollo代码的map模块,map的代码目录结构如下:

├── data           // 生成好的地图
│   └── demo
├── hdmap          // 高精度地图
│   ├── adapter    // 从xml文件读取地图(openstreet保存格式为xml)
│   │   └── xml_parser
│   └── test-data
├── pnc_map        // 给规划控制模块用的地图
│   └── testdata
├── proto          // 地图各元素的消息格式(人行横道,车道线等)
├── relative_map   // 相对地图
│   ├── common
│   ├── conf
│   ├── dag
│   ├── launch
│   ├── proto
│   ├── testdata
│   │   └── multi_lane_map
│   └── tools
├── testdata       // 测试数据?
│   └── navigation_dummy
└── tools          // 工具

apollo的高精度地图采用了opendrive格式,opendrive是一个统一的地图标准,这样保证了地图的通用性。其中map模块主要提供的功能是读取高精度地图,并且转换成apollo程序中的Map对象。直白一点就是说把xml格式的opendrive高精度地图,读取为程序能够识别的格式。
map模块没有实现的功能是高精度地图的制作,简略的制图过程将在下面章节介绍。

由于openstreet格式是一个标准,可以它的参考官方网站。下面主要介绍下apollo是如何读取xml地图,并且使用的。
地图的读取在adapter中,其中xml_parser目录提供解析xml的能力。而"opendrive_adapter.cc"则实现了地图的加载,转换为程序中的Map对象。然后地图在"hdmap_impl.cc"中提供一系列api接口给其他模块使用。
下面先介绍下地图消息格式,主要在proto目录。
"map.proto" 分为地图头部信息和结构体,头部信息主要介绍了地图的基本信息“版本,时间,投影方法,地图大小,厂家等”。结构体主要是道路的不同组成部分,包括“人行横道,路口区域,车道,停车观察,信号灯,让路标志,重叠区域,禁止停车,减速带,道路,停车区域,路边的小路,或者行人走的路”。

首先是地图的基本信息

message Header {
  optional bytes version = 1;   //地图版本
  optional bytes date = 2;      //地图时间
  optional Projection projection = 3; //投影方法
  optional bytes district = 4;        //区
  optional bytes generation = 5;      //
  optional bytes rev_major = 6;       //
  optional bytes rev_minor = 7;       //
  optional double left = 8;           //左
  optional double top = 9;            //上
  optional double right = 10;         //右
  optional double bottom = 11;        //底
  optional bytes vendor = 12;         //供应商
}

下面是地图的道路信息,其中有2个标志(StopSign,YieldSign)是美国才有的,后来查看了下知乎发现对应到国内是(停,让),具体的含义都是一样,停车的意思是到路口先停止,看下有没有车,然后再开始启动,让车就是先让行,比如交汇路口,理应让直行的车辆先通过,然后再汇入道路。参考
下面在介绍下overlap,overlap在注释里的解释是“任何一对在地图上重合的东西,包括(车道,路口,人行横道)”,比如路口的人行横道和道路是重叠的,还有一些交通标志和道路也是重叠的,这是创造的一个逻辑概念。(不知道这样理解是否正确)

message Map {
  optional Header header = 1;        //上面所说的地图基本信息

  repeated Crosswalk crosswalk = 2;  //人行横道
  repeated Junction junction = 3;    //交叉路口
  repeated Lane lane = 4;           //车道
  repeated StopSign stop_sign = 5;  //停车标志
  repeated Signal signal = 6;       //信号灯
  repeated YieldSign yield = 7;     //让车标志
  repeated Overlap overlap = 8;     //重叠区域
  repeated ClearArea clear_area = 9;  //禁止停车区域
  repeated SpeedBump speed_bump = 10;  //减速带
  repeated Road road = 11;             //道路
  repeated ParkingSpace parking_space = 12; //停车区域
  repeated Sidewalk sidewalk = 13;  //路边的小路,或者行人走的路,现在的版本已经去掉?但是其他模块有些还有sidewalk
}

map_crosswalk.proto 人行横道(google图片搜索出了彩虹人行横道和三维人行横道,就问深度学习该怎么办?)

message Crosswalk {
  optional Id id = 1;        //编号

  optional Polygon polygon = 2;  //多边形

  repeated Id overlap_id = 3;   //重叠ID
}

crosswalk

map_junction.proto 路口,道路汇聚点

message Junction {
  optional Id id = 1;    //编号

  optional Polygon polygon = 2;     //多边形

  repeated Id overlap_id = 3;    //重叠id
}

junction

map.lane.proto 车道线,介绍的比较复杂

// A lane is part of a roadway, that is designated for use by a single line of vehicles.
// Most public roads (include highways) have more than two lanes.
message Lane {
  optional Id id = 1;         //编号

  // Central lane as reference trajectory, not necessary to be the geometry central.
  optional Curve central_curve = 2;     //中心曲线

  // Lane boundary curve.
  optional LaneBoundary left_boundary = 3;          //左边界
  optional LaneBoundary right_boundary = 4;         //右边界

  // in meters.
  optional double length = 5;                       //长度

  // Speed limit of the lane, in meters per second.
  optional double speed_limit = 6;           //速度限制

  repeated Id overlap_id = 7;                //重叠区域id

  // All lanes can be driving into (or from).
  repeated Id predecessor_id = 8;           //前任id
  repeated Id successor_id = 9;             //继任者id

  // Neighbor lanes on the same direction.
  repeated Id left_neighbor_forward_lane_id = 10;    //前面左边邻居id
  repeated Id right_neighbor_forward_lane_id = 11;   //前面右边邻居id

  enum LaneType {               //车道类型
    NONE = 1;                  //无
    CITY_DRIVING = 2;           //城市道路
    BIKING = 3;                 //自行车
    SIDEWALK = 4;               //人行道
    PARKING = 5;                //停车
  };
  optional LaneType type = 12;         //车道类型

  enum LaneTurn {
    NO_TURN = 1;        //直行
    LEFT_TURN = 2;      //左转弯
    RIGHT_TURN = 3;     //右转弯
    U_TURN = 4;         //掉头
  };
  optional LaneTurn turn = 13;          //转弯类型

  repeated Id left_neighbor_reverse_lane_id = 14;       //保留(后面?)左边邻居
  repeated Id right_neighbor_reverse_lane_id = 15;      //右边邻居

  optional Id junction_id = 16;

  // Association between central point to closest boundary.
  repeated LaneSampleAssociation left_sample = 17;      //中心点与最近左边界之间的关联
  repeated LaneSampleAssociation right_sample = 18;     //中心点与最近右边界之间的关联

  enum LaneDirection {
    FORWARD = 1;     //前
    BACKWARD = 2;    //后,潮汐车道借用的情况?
    BIDIRECTION = 3;  //双向
  }
  optional LaneDirection direction = 19;   //车道方向

  // Association between central point to closest road boundary.
  repeated LaneSampleAssociation left_road_sample = 20;    //中心点与最近左路边界之间的关联
  repeated LaneSampleAssociation right_road_sample = 21;    //中心点与最近右路边界之间的关联
}

lane

map_stop_sign.proto 停止信号

message StopSign {

  optional Id id = 1;         //编号

  repeated Curve stop_line = 2;    //停止线,Curve曲线应该是基础类型

  repeated Id overlap_id = 3;     //重叠id

  enum StopType {
    UNKNOWN = 0;        //未知
    ONE_WAY = 1;        //只有一车道可以停
    TWO_WAY = 2;
    THREE_WAY = 3;
    FOUR_WAY = 4;
    ALL_WAY = 5;
  };
  optional StopType type = 4;
}

StopSign

map_signal.proto 交通信号标志

message Subsignal {
  enum Type {
    UNKNOWN = 1;    //未知
    CIRCLE = 2;     //圈???
    ARROW_LEFT = 3;  //左边
    ARROW_FORWARD = 4;  //前面
    ARROW_RIGHT = 5;    //右边
    ARROW_LEFT_AND_FORWARD = 6;   //左前
    ARROW_RIGHT_AND_FORWARD = 7;  //右前
    ARROW_U_TURN = 8;   //掉头
  };

  optional Id id = 1;
  optional Type type = 2;

  // Location of the center of the bulb. now no data support.
  optional apollo.common.PointENU location = 3;    //也是基础类型?
}

message Signal {
  enum Type {
    UNKNOWN = 1;
    MIX_2_HORIZONTAL = 2;
    MIX_2_VERTICAL = 3;
    MIX_3_HORIZONTAL = 4;
    MIX_3_VERTICAL = 5;
    SINGLE = 6;
  };

  optional Id id = 1;
  optional Polygon boundary = 2;    //多边形
  repeated Subsignal subsignal = 3;   //子信号
  // TODO: add orientation. now no data support.
  repeated Id overlap_id = 4;   //重叠id
  optional Type type = 5;      //这里的类型是主要指交通标识的个数及位置??
  // stop line
  repeated Curve stop_line = 6;     //在哪里结束?
}

Signal

map_yield_sign.proto 让行标志(美国才有)

message YieldSign {
  optional Id id = 1;       //编号

  repeated Curve stop_line = 2;    //在哪里结束

  repeated Id overlap_id = 3;     //重叠id
}

YieldSign

map_overlap.proto 这里只介绍了LaneOverlapInfo,其他的还没有对应的格式

message LaneOverlapInfo {
  optional double start_s = 1;  //position (s-coordinate)
  optional double end_s = 2;    //position (s-coordinate)
  optional bool is_merge = 3;
}
// Information about one object in the overlap.
message ObjectOverlapInfo {
  optional Id id = 1;

  oneof overlap_info {
    LaneOverlapInfo lane_overlap_info = 3;
    SignalOverlapInfo signal_overlap_info = 4;
    StopSignOverlapInfo stop_sign_overlap_info = 5;
    CrosswalkOverlapInfo crosswalk_overlap_info = 6;
    JunctionOverlapInfo junction_overlap_info = 7;
    YieldOverlapInfo yield_sign_overlap_info = 8;
    ClearAreaOverlapInfo clear_area_overlap_info = 9;
    SpeedBumpOverlapInfo speed_bump_overlap_info = 10;
    ParkingSpaceOverlapInfo parking_space_overlap_info = 11;
    SidewalkOverlapInfo sidewalk_overlap_info = 12;
  }
}

// Here, the "overlap" includes any pair of objects on the map
// (e.g. lanes, junctions, and crosswalks).
message Overlap {
  optional Id id = 1;

  // Information about one overlap, include all overlapped objects.
  repeated ObjectOverlapInfo object = 2;
}

逻辑概念,没有具体的规则显示这个区域

map_clear_area.proto 禁止停车

// A clear area means in which stopping car is prohibited

message ClearArea {
  optional Id id = 1;            //编号
  repeated Id overlap_id = 2;    //重叠id
  optional Polygon polygon = 3;  //多边形
}

ClearArea

map_speed_bump.proto 减速带

message SpeedBump {
    optional Id id = 1;          //编号
    repeated Id overlap_id = 2;   //重叠区域
    repeated Curve position = 3;  //曲线位置
}

SpeedBump

map_road.proto 道路的信息,是由一些RoadSection组成

// road section defines a road cross-section, At least one section must be defined in order to
// use a road, If multiple road sections are defined, they must be listed in order along the road
message RoadSection {
  optional Id id = 1;
  // lanes contained in this section
  repeated Id lane_id = 2;
  // boundary of section
  optional RoadBoundary boundary = 3;
}

// The road is a collection of traffic elements, such as lanes, road boundary etc.
// It provides general information about the road.
message Road {
  optional Id id = 1;
  repeated RoadSection section = 2;

  // if lane road not in the junction, junction id is null.
  optional Id junction_id = 3;
}

Road

map_parking.proto 停车区域

// ParkingSpace is a place designated to park a car.
message ParkingSpace {
  optional Id id = 1;

  optional Polygon polygon = 2;

  repeated Id overlap_id = 3;

  optional double heading = 4;
}

ParkingSpace

map_sidewalk.proto 路边的小路,或者行人走的路

// A sidewalk (American English) or pavement (British English), also known as a footpath or footway, is a path along the side of a road.

message Sidewalk {
  optional Id id = 1;
  repeated Id overlap_id = 2;
  optional Polygon polygon = 3;
}

Sidewalk

其中还包括剩下的4个没有介绍 map_id.proto 这里的map_id是基础id?

message Id {
  optional string id = 1;     //id,字符类型
}

map_speed_control.proto 限制速度

message SpeedControl {
  optional string name = 1;
  optional apollo.hdmap.Polygon polygon = 2;
  optional double speed_limit = 3;
}

map_geometry.proto 地图的几何形状?

// Polygon, not necessary convex.
message Polygon {
  repeated apollo.common.PointENU point = 1;
}

// Straight line segment.
message LineSegment {
  repeated apollo.common.PointENU point = 1;
}

// Generalization of a line.
message CurveSegment {
  oneof curve_type {
    LineSegment line_segment = 1;
  }
  optional double s = 6;  // start position (s-coordinate)
  optional apollo.common.PointENU start_position = 7;
  optional double heading = 8;  // start orientation
  optional double length = 9;
}

// An object similar to a line but that need not be straight.
message Curve {
  repeated CurveSegment segment = 1;
}

map_pnc_junction.proto PNC路口(具体的场景是什么??)

message PNCJunction {
  optional Id id = 1;

  optional Polygon polygon = 2;

  repeated Id overlap_id = 3;
}

上面只是简单的介绍了下地图的数据格式,具体的应用场景,还需要结合planning模块进一步学习。
我们再回过头来看adapter模块,其中xml_parser就是针对道路的不同元素部分做的解析。

├── adapter
│   ├── BUILD
│   ├── coordinate_convert_tool.cc    // 坐标转换工具
│   ├── coordinate_convert_tool.h
│   ├── opendrive_adapter.cc          // 加载opendrive格式地图
│   ├── opendrive_adapter.h
│   ├── proto_organizer.cc            // 
│   ├── proto_organizer.h
│   └── xml_parser          // xml_parser针对道路的不同元素做相应解析
│       ├── common_define.h
│       ├── header_xml_parser.cc
│       ├── header_xml_parser.h
│       ├── junctions_xml_parser.cc
│       ├── junctions_xml_parser.h
│       ├── lanes_xml_parser.cc
│       ├── lanes_xml_parser.h
│       ├── objects_xml_parser.cc
│       ├── objects_xml_parser.h
│       ├── roads_xml_parser.cc
│       ├── roads_xml_parser.h
│       ├── signals_xml_parser.cc
│       ├── signals_xml_parser.h
│       ├── status.h
│       ├── util_xml_parser.cc
│       └── util_xml_parser.h

最后在看下hdmap_impl.cc,主要实现了一系列的api来查找道路中的元素。由于实现的接口太多,后面有时间了看是否能够整理下api文档。
关于pnc_map和relative_map还没有介绍,关于一些道路元素的使用场景没有介绍。

前面介绍了为什么需要高精度地图,那么我们如何制作一张高精度地图呢?
制作一张高精度地图可以大概分为3个过程:采集、加工、转换。

如何采集地图?

我们需要需要一些传感器来获取数据,下面是需要的传感器列表:

  1. lidar
  2. 摄像头
  3. gnss
  4. imu

hardware

  • lidar 主要是来采集点云数据,因为激光雷达可以精确的反应出位置信息,所以激光雷达可以知道路面的宽度,红绿灯的高度,以及一些其他的信息,当然现在也有厂家基于视觉SLAM(纯摄像头测距)来制作地图的,有兴趣的也可以看下相关介绍。
  • 摄像头 主要是来采集一些路面的标志,车道线等,因为图像的像素信息更多,而位置信息不太精确,所以采用摄像头来识别车道线,路面的一些标志等。
  • gnss 记录了车辆的位置信息,记录了当前采集点的坐标。
  • imu 用来捕获车辆的角度和加速度信息,用来校正车辆的位置和角度。

需要的操作系统和软件:

  • ubuntu 16.04
  • apollo
    用apollo的录制bag功能,可以把传感器的数据都录制下来,提供生成高精地图的原始数据。其实在录制数据之前,需要对上面所说的传感器进行校准工作,这部分的工作比较专业,涉及到坐标系转换,也涉及到一些传感器的知识,所以对非专业人士来说不是那么好理解。或者开发一系列工具来实现校准。
    接下来就是采集了,采集过程中需要多次采集来保证采集的数据比较完整,比如你在路口的时候,从不同的角度开车过去看到的建筑物的轮廓是不一样的,这些轮廓就是激光雷达扫描到的数据。所以遇到路口,或者多车道的情况,尽可能的多采集几次,才能收集到比较完整的地图信息。并且速度不要太快,apollo上的介绍是不超过60km/h(这里没有特别说明会出现什么问题)。
    以下是我的一点个人想法:

上面的采集方案依赖很多,首先需要一系列的硬件,其次是需要apollo,并且熟悉apollo的启动流程,最后还需要传感器校准的知识。实际上采集的过程中我们不需要自动驾驶。可以开发一个轻量级的采集方案,硬件全部集中到一个盒子中,软件只需要提供录制bag包的能力就可以了,这点ros都可以做到,最后校准由于硬件都是一体化的盒子,只需要校准一个传感器就可以把其中所有传感器的坐标系确定。相对于上面的方案来说更加轻量,可能只需要邮寄一套设备就可以开始录制地图了。
here的地图是分层的,比如路面是很少更新的,而路灯,车道标识,或者红绿灯可能会更换,所以路面信息可能需要激光雷达去采集一次,而路灯,车道标识,红绿灯等可以通过摄像头的方案来更新,因为高精度地图需要实时更新,上面的方案可能更加适合一些地图更新的场景。

如何加工上述地图?

首先需要生成一张原始的地图,这里我们采用点云生成原始的地图,因为点云的距离位置信息比较准确,因为点云数据是0.1s采集一帧,下面我们可以做一个计算。如果车速是100km/h,对应27.8m/s。即0.1s车行驶的距离是2.78m,而激光雷达的扫描距离大概是150m,所以前后2帧大部分地方是重合的。因为数据是一帧一帧的,我们需要把上面的说的每一帧进行合并,生成一张完整的地图,有点类似全景照片拼接,这样我们就可以得到一张原始的采集路段的地图。这里用到了点云的配准技术,有2种算法ICP和NDT,基于上面的算法,可以把点云的姿态进行变换并且融合。具体的介绍可以参考register
上图红色和绿色的部分是从不同方位扫描得到的结果,最后是配准融合之后的结果,可以把地球想象成上图这个模型放大了1000万倍的效果,我们的车相当于一个扫描设备,把每次扫描的结果拼接起来,就制作好了一张点云地图。
点云拼接好了之后,我们就需要在道路上标出路沿,车道线,红绿灯,路口,一些交通标识等。大部分的工作都可以用深度学习结合图像的方法去解决,查找出上面的一些信息并且标识出来,目前有些场景还是需要人工标识出来,比如路口停止线和红绿灯的关系,如果一些特殊场景的车道线等,需要人工去做一些校正。
上面的过程可以说是一个简易的制图过程。实际上这里还需要讲下高精地图的格式,因为如果没有一个统一的格式,高精度地图是没有太多意义的。我们可以把高精度地图分为三层:

  • 地图图层 地图图层主要是道路的信息,比如道路的路沿,车道线,路口信息,主要是道路的一些基本信息。
  • 定位图层 定位图层主要是具备独特的目标或特征,比如红绿灯,交通标志,道路的点云数据等。
  • 动态图层 动态图层主要是一些实时路况,修路或者封路等需要实时推送或者更新的数据。 通过下面的加工流程:
点云地图校准 -> 地图标注加工 -> 高精度地图

这样就生成了一张高精度地图,当然加工过程中首要的目标是提高效率和质量,尽量的采用算法自动化处理会很大的提高效率,这可能是后面地图厂家的核心竞争力。因为地图需要实时更新,谁的效率更高,谁的图就越新,用的人越多,之后的数据也越完善。

转换主要是得到一个通用的自动驾驶系统可以使用的高精度地图。

上面的高精地图格式可能还是原始的数据格式,需要转换为apollo中高精度地图的格式,apollo中高精度地图采用了opendrive的格式,并且做了改进,总之这是一个通用的标准,这个很重要,否则每个厂家的数据如果不兼容,会导致很大的问题,你需要开发一系列的转换工具,去处理不同地图的差异,并且不同的自动驾驶系统和不同的地图厂家采用的方式不一样,会带来很多兼容性问题。

convert opendrive to base_map.xml 点云拼接注册
百度技术讲堂
四维图新
Apollo 2.5地图采集功能使用指南