Apollo自动驾驶系统中Planning模块的架构设计与核心逻辑解析（流程伪代码示例）

1. Planning模块的核心架构

Apollo的Planning模块采用Scenario-Stage-Task三层架构，通过有限状态机（Finite State Machine, FSM）动态切换场景，并基于配置文件驱动任务执行。以下是其核心架构的流程图：

graph TDA[感知数据] --> B{Scenario Manager}B --> C[场景选择]C --> D[Stage执行]D --> E[Task执行]E --> F[路径规划结果]F --> G[控制模块]

1.1 Scenario（场景）

• 定义：场景描述车辆当前所处的驾驶情境，例如车道保持、路口通行、紧急停车等。
• 功能：
  • 通过ScenarioManager动态切换场景。
  • 每个场景包含多个Stage，定义不同阶段的执行流程。
• 示例：

  enum class ScenarioType {LANE_FOLLOW = 0,BARE_INTERSECTION_UNPROTECTED = 2,EMERGENCY_STOP = 12,// 其他场景...
  };

1.2 Stage（阶段）

• 定义：场景下的具体执行步骤，例如车道保持阶段、路口通行阶段。
• 功能：
  • 每个Stage包含多个Task，按顺序或条件执行。
  • 通过Stage::Process()方法调用Task列表。
• 示例：

  class LaneFollowStage : public Stage {
  public:void Process() override {for (const auto& task : task_list_) {task->Execute();}}
  private:std::vector<std::shared_ptr<Task>> task_list_;
  };

1.3 Task（任务）

• 定义：Stage中的具体逻辑单元，例如路径决策、速度优化、避障等。
• 功能：
  • 通过继承Task基类实现具体逻辑。
  • 任务之间通过接口回调或共享数据传递结果。
• 示例：

  class ReferenceLineProvider : public Task {
  public:void Execute() override {// 生成参考路径reference_line_ = GenerateReferenceLine();}
  private:ReferenceLine reference_line_;
  };

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2. 核心逻辑详解

2.1 场景切换与状态机

• 状态机设计：ScenarioManager通过感知数据和地图信息判断当前场景，并切换至对应的Scenario。
• 代码示例：

  class ScenarioManager {
  public:ScenarioType GetCurrentScenario() {if (IsInIntersection()) {return ScenarioType::BARE_INTERSECTION_UNPROTECTED;} else if (IsEmergency()) {return ScenarioType::EMERGENCY_STOP;} else {return ScenarioType::LANE_FOLLOW;}}
  private:bool IsInIntersection() { /* 判断是否进入路口 */ }bool IsEmergency() { /* 判断是否紧急情况 */ }
  };

2.2 配置文件驱动

• 配置文件：所有Scenario、Stage和Task的配置通过.proto文件定义，例如planning_config.proto。
• 示例配置片段：

  message ScenarioConfig {repeated StageConfig stages = 1;
  }message StageConfig {repeated string task_names = 1;
  }

• 作用：通过修改配置文件，可灵活调整场景逻辑，无需修改代码。

2.3 Task执行流程

• 执行顺序：Stage中的Task按配置顺序依次执行，每个Task输出结果供后续Task使用。
• 代码示例：

  class PathDecider : public Task {
  public:void Execute() override {// 调用ReferenceLineProvider的输出reference_line_ = GetReferenceLine();// 生成避障路径path_ = GeneratePathWithObstacles(reference_line_);}
  private:ReferenceLine reference_line_;Path path_;
  };

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3. 实际应用场景：施工路段绕行

以施工路段绕行为例，说明Scenario-Stage-Task的协作流程：

1. 场景切换：ScenarioManager检测到施工路段（通过锥桶位置），切换至ConstructionScenario。
2. Stage执行：ConstructionScenario的Stage包括路径更新、速度调整、绕行决策。
3. Task执行：
   • UpdatePathBoundary：更新路径边界，增加锥桶缓冲距离。
   • GenerateDetourPath：生成绕行路径，避开施工区域。
   • SpeedOptimizer：调整速度，确保安全通过施工区。

class UpdatePathBoundary : public Task {
public:void Execute() override {cones_ = GetConePositions(); // 获取锥桶位置updated_boundary_ = UpdateBoundaryWithBuffer(cones_);}
private:std::vector<Position> cones_;PathBoundary updated_boundary_;
};

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4. 模块化设计的优势

1. 灵活性：通过配置文件动态调整场景和任务逻辑。
2. 可扩展性：新增场景或任务只需添加配置和代码，无需重构现有模块。
3. 可维护性：每个Task独立开发和测试，降低耦合度。

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5. 总结

Apollo的Planning模块通过Scenario-Stage-Task架构实现了复杂驾驶场景的高效管理，其核心逻辑可概括为：

• 场景选择：动态切换驾驶情境。
• 阶段执行：分步骤处理场景需求。
• 任务驱动：模块化实现具体逻辑。

对于初学者，建议从以下步骤入手：

1. 理解基本概念：熟悉Scenario、Stage、Task的定义与关系。
2. 阅读配置文件：通过planning_config.proto学习如何定义场景和任务。
3. 调试代码示例：从简单的LaneFollowStage入手，逐步扩展到复杂场景。

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参考文献

1. Apollo官方文档https://github.com/ApolloAuto/apollo
2. CSDN博客：Apollo Planning模块详解https://blog.csdn.net/sinat_39307513/article/details/121467515
3. Apollo源码分析：路径规划https://blog.csdn.net/qq_41667348/article/details/129103600#:~:text=%E6%9C%AC%E6%96%87%E8%AF%A6%E7%BB%86%E4%BB%8B%E7%BB%8D%E4%BA%86Apollo%E8%87%AA%E5%8A%A8%E9%A9%BE%E9%A9%B6%E5%B9%B3%E5%8F%B0%E7%9A%84%E8%A7%84%E5%88%92%E6%A8%A1%E5%9D%97%EF%BC%8C%E5%8C%85%E6%8B%AC%E7%AE%97%E6%B3%95%E6%A1%86%E6%9E%B6%E5%8E%9F%E7%90%86%E3%80%81%E5%8A%9F%E8%83%BD%E6%A6%82%E8%BF%B0%E5%92%8C%E4%BB%A3%E7%A0%81%E6%A1%86%E6%9E%B6%E3%80%82%20%E8%A7%84%E5%88%92%E6%A8%A1%E5%9D%97%E5%9F%BA%E4%BA%8E%E5%A4%9A%E4%B8%AA%E5%9C%BA%E6%99%AF%E6%89%A7%E8%A1%8C%E4%BB%BB%E5%8A%A1%EF%BC%8C%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E5%AE%89%E5%85%A8%E3%80%81%E5%90%88%E8%A7%84%E7%9A%84%E8%BD%A8%E8%BF%B9%E8%A7%84%E5%88%92%E3%80%82,%E6%96%87%E4%B8%AD%E6%8F%90%E5%88%B0%E7%9A%84OnLanePlanning%E3%80%81NaviPlanning%E5%92%8COpenSpacePlanning%E5%88%86%E5%88%AB%E9%80%82%E7%94%A8%E4%BA%8E%E4%B8%8D%E5%90%8C%E9%81%93%E8%B7%AF%E6%9D%A1%E4%BB%B6%E3%80%82%20%E6%AD%A4%E5%A4%96%EF%BC%8C%E6%96%87%E7%AB%A0%E8%BF%98%E8%AE%A8%E8%AE%BA%E4%BA%86%E6%A8%A1%E5%9D%97%E7%9A%84%E8%BF%90%E8%A1%8C%E6%9C%BA%E5%88%B6%EF%BC%8C%E5%A6%82PlanningComponent%E7%9A%84%E6%B5%81%E7%A8%8B%E3%80%81%E5%9C%BA%E6%99%AF%E9%80%89%E6%8B%A9%E5%92%8C%E8%BD%A8%E8%BF%B9%E8%A7%84%E5%88%92%E8%BF%87%E7%A8%8B%E3%80%82