ALFA-Pi: generic LiDAR ethernet interface

Abstract

In recent years, the great growth of the automotive industry combined with rapid technological ad vances in areas such as electronics, has enabled the development of more robust and safer vehicles. This growth also allowed for a paradigm shift towards autonomous driving. An autonomous driving system typically refers to a system capable of moving with little or no human intervention. These systems require highly reliable perception features to navigate the environment, being Light Detection And Ranging (LiDAR) sensors a key instrument in perceiving the vehicles’ vicinity. However, for a reliable operation, current perception systems require LiDAR sensors to deliver high-resolution point clouds at a high frame rate, resulting in millions of data points per second and consequently high-speed data handling requirements. This dissertation proposes ALFA-Pi, a hardware solution to handle high-speed data output of automotive LiDAR sensors that send data through an Ethernet interface. By using dedicated hardware accelerators to interface and decode LiDAR data, ALFA-Pi is able to handle the high-throughput of multiple LiDAR sensors, simultaneously. The proposed system also provides a common output, independent of sensor type or manufacturer, allowing for higher levels of abstraction for the data processing units. Moreover, the ALFA-Pi features various run-time configuration capabilities, accessible by a Robot Operating System (ROS) package. The system passed through a rigorous validation process, which compared the software-based LiDAR setup (native ROS driver; native Ethernet port; Linux network stack; no acceleration support) with the proposed hardware-based solution (hardware Ethernet port; tweaked network stack/interface; ALFA-Pi hardware modules). The results reveal that ALFA-Pi features better performance metrics (packet decoding time) than the native solutions, demonstrating the performance capabilities of fully specialized hardware systems, and that the ALFA-Pi solution features low hardware resource costs and great scalability.

Nos últimos anos, o grande crescimento da indústria automóvel, aliado aos rápidos avanços tecnológi cos em áreas como a eletrónica, permitiu o desenvolvimento de automóveis mais robustos e seguros. Este crescimento permitiu ainda uma mudança de paradigma no que diz respeito à condução autónoma. Um sistema de condução autónoma normalmente refere-se a um sistema capaz de se mover com pouca ou nenhuma intervenção humana. Para isso, um sistema deste tipo necessita de sensores que sejam ca pazes de avaliar o ambiente em torno do veículo, de forma a poder tomar decisões que não ponham em risco os seus ocupantes ou o próprio veículo. Geralmente, estes sistemas sensoriais incluem câmaras, sistemas Radio Detection And Ranging (RADAR), e mais recentemente dispositivos Light Detection And Ranging (LiDAR), sendo estes últimos considerados elementos-chave para o futuro da condução autónoma. No entanto, a necessidade de grandes resoluções e altos frame rates que estes sistemas apresentam, faz com que sensores LiDAR modernos produzam milhões de pontos por segundo, o que representa um problema para as unidades de tratamento de dados. Esta dissertação propõe ALFA-Pi, uma solução baseada em tecnologias de aceleração para o trata mento de dados de sensores LiDAR que usam uma interface Ethernet. Usando aceleradores em hardware, o ALFA-Pi é capaz de receber e descodificar os dados de múltiplos sensores LiDAR, simultaneamente. Adi cionalmente, o sistema usa um formato de dados genérico para representar os dados descodificados dos sensores, independentemente do seu tipo (2D ou 3D). Esta abordagem, permite que aplicações de alto nível que usem os dados produzidos por ALFA-Pi tenham níveis mais altos de abstração, simplificando o seu desenvolvimento e implementação. Finalmente, usando uma interface Robot Operating System (ROS), o sistema oferece várias configurações em tempo de execução, dando mais flexibilidade ao ALFA-Pi. O sistema desenvolvido foi submetido a um rigoroso processo de validação, que o avaliou em termos de precisão dos dados produzidos, performance e custos de hardware. O sistema foi ainda submetido a uma avaliação final que o comparou com a solução oferecida pelos fabricantes (driver nativo do ROS; porta Ethernet nativa; pilha de rede do Linux; sem capacidades de aceleração). Todos estes testes revelaram que o ALFA-Pi apresenta uma melhor performance que a solução nativa, enquanto oferece uma boa escalabilidade e baixo uso de recursos de hardware.