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Dig into Apollo - Canbus GitHub

黑发不知勤学早,白首方悔读书迟。

Table of Contents

我们先看下什么是Canbus: 控制器局域网 (Controller Area Network,简称CAN或者CAN bus) 是一种车用总线标准。被设计用于在不需要主机(Host)的情况下,允许网络上的节点相互通信。采用广播机制,并利用标识符来定义内容和消息的优先顺序,使得canbus的扩展性良好,同时不基于特殊类型(Host)的节点,增加了升级网络的便利性。
这里的Canbus模块其实可以称为Chassis模块,主要的作用是反馈车当前的状态(航向,角度,速度等信息),并且发送控制命令到车线控底盘,可以说Canbus模块是车和自动驾驶软件之间的桥梁。由于这个模块和"drivers/canbus"的联系紧密,因此也一起在这里介绍。
Canbus模块是车和自动驾驶软件之间的桥梁,通过canbus驱动(drivers/canbus)来实现将车身信息发送给apollo上层软件,同时接收控制命令,发送给汽车线控底盘实现对汽车的控制。

那么canbus模块的输入是什么?输出是什么呢?
input
可以看到canbus模块:

  • 输入 - 1. ControlCommand(控制命令)
  • 输出 - 1. Chassis(汽车底盘信息), 2. ChassisDetail(汽车底盘信息详细信息)

Canbus模块的输入是control模块发送的控制命令,输出汽车底盘信息,这里apollo的上层模块被当做一个can_client来处理,实现接收和发送canbus上的消息。

Canbus模块的目录结构如下:

├── BUILD                    // bazel编译文件
├── canbus_component.cc      // canbus主入口
├── canbus_component.h       
├── canbus_test.cc           // canbus测试
├── common                   // gflag配置
├── conf                     // 配置文件
├── dag                      // dag依赖
├── launch                   // launch加载
├── proto                    // protobuf文件
├── testdata                 // 测试数据
├── tools                    // 遥控汽车和测试canbus总线工具
└── vehicle                  //   

接着我们来分析下Canbus模块的执行流程。

Canbus模块的主流程在文件"canbus_component.cc"中,canbus模块为定时触发,每10ms执行一次,发布chassis信息,而ControlCommand则是每次读取到之后触发回调"OnControlCommand",发送"control_command"到线控底盘。

bool CanbusComponent::Proc() {
  PublishChassis();
  if (FLAGS_enable_chassis_detail_pub) {
    PublishChassisDetail();
  }
  return true;
}

由于不同型号的车辆的canbus命令不一样,在"/vehicle"中适配了不同型号车辆的canbus消息格式,所有的车都继承自Vehicle_controller基类,通过对Vehicle_controller的抽象来发送和读取canbus信息。
main

在vehicle中可以适配不同的车型,而每种车型都对应一个vehicle_controller,创建每种车辆的控制器(VehicleController)和消息管理(MessageManager)流程如下: factory
VehicleFactory类通过创建不同的类型AbstractVehicleFactory,每个车型自己的Factory在创建出对应的VehicleController和MessageManager,用林肯来举例子就是: VehicleFactory创建LincolnVehicleFactory,之后通过CreateMessageManager和CreateVehicleController创建对应的控制器(LincolnController)和消息管理器(LincolnMessageManager)。
上述代码流程用到了设计模式的工厂模式,通过车辆工厂创造不同的车辆类型。

下面以林肯来介绍LincolnController,以及如何接收chassis信息,其它的车型可以以此类推,下面主要分为2部分介绍,第一部分为controller的init->start->stop流程,第二部分为chassis信息获取: process
可以看到control模块初始化(init)的过程获取了发送的消息的格式,通过can_sender应该发送那些消息,而启动(start)之后启动一个看门狗,检查canbus消息格式是否正确,最后关闭(stop)模块则是结束看门狗进程。

chassis
而chassis的获取则是通过message_manager_获取chassis_detail,之后对chassis进行赋值。

上层的canbus就介绍完成了,而canbus的发送(CanSender)和接收(CanReceiver),还有消息管理(MessageManager)都是在"drivers/canbus"中实现的。

MessageManager是如何获取消息的呢?

MessageManager主要作用是解析和保存canbus数据,而具体的接收和发送则是在"CanReceiver"和"CanSender"中,拿接收消息举例子,也就是说CanReceiver收到消息后,会调用MessageManager中的parse去解析消息,消息的解析协议在"modules/canbus/vehicle/lincoln/protocol"中,每个消息把自己对应的信息塞到"chassis_detail"中完成了消息的接收。
canbus

canbus消息的接收在上面有介绍,在CanReceiver中的"Start"调用"RecvThreadFunc"实现消息的接收,这里会启动一个异步进程去完成接收。

template <typename SensorType>
::apollo::common::ErrorCode CanReceiver<SensorType>::Start() {
  if (is_init_ == false) {
    return ::apollo::common::ErrorCode::CANBUS_ERROR;
  }
  is_running_.exchange(true);
  
  // 启动异步接收消息
  async_result_ = cyber::Async(&CanReceiver<SensorType>::RecvThreadFunc, this);
  return ::apollo::common::ErrorCode::OK;
}

RecvThreadFunc通过"can_client_"接收消息,然后通过"MessageManager"去解析消息,在MessageManager中有讲到。

template <typename SensorType>
void CanReceiver<SensorType>::RecvThreadFunc() {

  ...
  while (IsRunning()) {
    std::vector<CanFrame> buf;
    int32_t frame_num = MAX_CAN_RECV_FRAME_LEN;
    
    // 1. can_client_接收canbus数据
    if (can_client_->Receive(&buf, &frame_num) !=
        ::apollo::common::ErrorCode::OK) {
      
      cyber::USleep(default_period);
      continue;
    }
    ...

    for (const auto &frame : buf) {
      uint8_t len = frame.len;
      uint32_t uid = frame.id;
      const uint8_t *data = frame.data;

      // 2. MessageManager解析canbus数据
      pt_manager_->Parse(uid, data, len);
      if (enable_log_) {
        ADEBUG << "recv_can_frame#" << frame.CanFrameString();
      }
    }
    cyber::Yield();
  }
  AINFO << "Can client receiver thread stopped.";
}

消息发送对应的是在CanSender中的"Start"调用"PowerSendThreadFunc",我们可以看具体实现:

template <typename SensorType>
common::ErrorCode CanSender<SensorType>::Start() {
  if (is_running_) {
    AERROR << "Cansender has already started.";
    return common::ErrorCode::CANBUS_ERROR;
  }
  is_running_ = true;
  
  // 启动线程发送消息
  thread_.reset(new std::thread([this] { PowerSendThreadFunc(); }));

  return common::ErrorCode::OK;
}

PowerSendThreadFunc再通过"can_client"发送消息:

      std::vector<CanFrame> can_frames;
      CanFrame can_frame = message.CanFrame();
      can_frames.push_back(can_frame);
      
      // 通过can_client发送消息
      if (can_client_->SendSingleFrame(can_frames) != common::ErrorCode::OK) {
        AERROR << "Send msg failed:" << can_frame.CanFrameString();
      }

CanClient是canbus客户端,同时也是canbus的驱动程序,针对不同的canbus卡,对发送和接收进行封装,并且提供给消息发送和接收控制器使用。
canclient
拿"EsdCanClient"来举例子,发送在"Send"函数中,调用的是第三方的硬件驱动,目录在"third_party/can_card_library/esd_can",实现can消息的发送:

ErrorCode EsdCanClient::Send(const std::vector<CanFrame> &frames,
                             int32_t *const frame_num) {
  ...

  // canWrite为第三方库的硬件驱动,third_party/can_card_library/esd_can
  // Synchronous transmission of CAN messages
  int32_t ret = canWrite(dev_handler_, send_frames_, frame_num, nullptr);
  if (ret != NTCAN_SUCCESS) {
    AERROR << "send message failed, error code: " << ret << ", "
           << GetErrorString(ret);
    return ErrorCode::CAN_CLIENT_ERROR_BASE;
  }
  return ErrorCode::OK;
}

其他的can卡可以参考上述的流程,至此整个canbus驱动就分析完成了。

Controller Area Network (CAN BUS) 通訊​協定​原理​概述