CARLA 客户端文档目录

一、概述

二、主要类与功能

• 2.1 Client 类
• 2.2 Actor 类
• 2.3 ClientSideSensor 类
• 2.4 TrafficManager 类
• 2.5 BlueprintLibrary 与 ActorBlueprint 类
• 2.6 Sensor 类与传感器使用（以摄像头为例）
• 2.7 World 类

三、扩展模块

• 3.1 DebugHelper 模块
• 3.2 FileTransfer 模块
• 3.3 Junction 模块
• 3.4 LaneInvasion 模块
• 3.5 Light 模块
• 3.6 Vehicle 模块

四、类之间的调用关系

五、总结

六、参考链接

概述

CARLA 是一个开源的自动驾驶模拟平台，提供了丰富的 API 以支持仿真环境的控制、车辆的管理以及自动驾驶算法的验证。客户端部分的 API 主要通过 Client 类与模拟器进行交互，执行仿真控制、传感器管理、交通流管理等功能。该文档主要介绍 CARLA 客户端相关类的功能和使用方式。

主要类与功能

1. Client 类

Client 类是与 CARLA 模拟器交互的核心类，提供了连接仿真器、加载世界、设置物理参数、控制传感器等功能。在 Carla 自动驾驶仿真平台中，Client 类是开发者与 Carla 服务器（服务端）交互的核心接口。它负责建立客户端与服务器之间的连接，并通过网络通信管理仿真世界中的实体（如车辆、传感器、行人等）。通过 Client 类，开发者可以灵活控制 Carla 仿真环境，实现从简单的车辆控制到复杂的多智能体协同仿真。

核心作用

构造函数

• Client(const std::string &host, uint16_t port, size_t worker_threads = 0u)
• 构建一个与 CARLA 仿真器的客户端连接。
• host：模拟器所在主机的 IP 地址。
• port：与模拟器的连接端口。
• worker_threads：使用的异步工作线程数，默认为 0（使用所有可用线程）。

核心方法

• std::string GetClientVersion() const

• 获取当前客户端的版本。

• std::string GetServerVersion() const

• 获取当前连接的模拟器的版本。

• std::vector<std::string> GetAvailableMaps() const

• 获取所有可用的地图名称。

• World LoadWorld(std::string map_name, bool reset_settings = true, rpc::MapLayer map_layers = rpc::MapLayer::All) const

• 加载指定的仿真地图。

• World ReloadWorld(bool reset_settings = true) const

• 重新加载当前仿真世界。

• void SetTimeout(time_duration timeout)

• 设置与模拟器的网络超时时间。

• TrafficManager GetInstanceTM(uint16_t port = TM_DEFAULT_PORT) const

• 获取当前模拟器中的交通管理实例（TrafficManager）。

• void StartRecorder(std::string name, bool additional_data = false)

• 启动仿真数据记录器。

• void StopRecorder()

• 停止仿真数据记录器。

• World GenerateOpenDriveWorld(std::string opendrive, const rpc::OpendriveGenerationParameters &params, bool reset_settings = true) const

• 使用 OpenDrive 文件生成仿真世界。

2. Actor 类

Actor 类代表仿真中的任何实体（例如：车辆、行人等）。通过该类，用户可以控制行为体的位置、速度、碰撞、物理状态等。

核心方法

• geom::Location GetLocation() const

• 获取行为体的当前位置。

• geom::Transform GetTransform() const

• 获取行为体的变换（位置与方向）。

• void SetLocation(const geom::Location& location)

• 设置行为体的位置。

• void SetTransform(const geom::Transform& transform)

• 设置行为体的变换（位置与方向）。

• void AddImpulse(const geom::Vector3D& impulse)

• 向行为体添加冲量。

• void AddForce(const geom::Vector3D& force)

• 向行为体施加力。

• void SetSimulatePhysics(bool enabled = true)

• 启用或禁用行为体的物理模拟。

• bool Destroy()

• 销毁行为体。

3. ClientSideSensor 类

ClientSideSensor 类继承自 Sensor 类，代表 CARLA 中的客户端传感器（如摄像头、激光雷达等）。

核心方法

• void Enable()

• 启用传感器。

• void Disable()

• 禁用传感器。

• bool IsEnabled() const

• 检查传感器是否启用。

4. 交通管理器（TrafficManager）

TrafficManager 类用于管理仿真中的交通流，控制交通行为，包括交通灯的状态、车辆的行驶路线、交通规则等。

核心方法

• void SetGlobalDistanceToLeadingVehicle(float distance)

• 设置车辆与前车的最小安全距离。

• void SetVehicleDistanceToLeadingVehicle(float distance)

• 设置单个车辆与前车的最小安全距离。

• void SetSynchronousMode(bool enabled)

• 启用或禁用同步模式，在同步模式下仿真步进是由用户控制的。

5. BlueprintLibrary 与 ActorBlueprint 类

在 CARLA 客户端中，BlueprintLibrary 类用于提供创建行为体（Actor）的模板集合，而 ActorBlueprint 则描述具体实体的构造配置参数。

主要功能

• BlueprintLibrary

• 获取可创建的实体蓝图列表（如车辆、传感器等）

• 支持通过关键词过滤蓝图

• ActorBlueprint

• 表示单个实体的构造参数（如车辆类型、颜色，传感器分辨率等）
• 可设置和查询各类属性值

示例

auto blueprint_library = world.GetBlueprintLibrary();

// 选择一辆特斯拉车型的 blueprint
auto vehicle_blueprint = (*blueprint_library)->Find("vehicle.tesla.model3");

// 设置车辆颜色
vehicle_blueprint->SetAttribute("color", "255,0,0");

// 从地图上获取一个出生点
auto spawn_points = world.GetMap()->GetRecommendedSpawnPoints();
auto transform = spawn_points[0];

// 生成车辆 Actor
auto vehicle_actor = world.SpawnActor(*vehicle_blueprint, transform);

6. Sensor 类与传感器使用（以摄像头为例）

CARLA 支持多种传感器类型，例如摄像头、激光雷达、碰撞传感器等，传感器均继承自 ClientSideSensor 类。

创建与附加传感器的步骤

• 从 BlueprintLibrary 获取传感器蓝图

• 设置传感器参数（如图像分辨率、视场角等）

• 附加到目标 Actor（如车辆）

• 注册数据回调处理函数

示例（以摄像头为例）

auto camera_bp = blueprint_library->Find("sensor.camera.rgb");
camera_bp->SetAttribute("image_size_x", "800");
camera_bp->SetAttribute("image_size_y", "600");
camera_bp->SetAttribute("fov", "90");

// 定义相对于车辆的位置（车顶前部）
Transform camera_transform(Location(1.5f, 0.0f, 2.4f));

// 创建摄像头并附加到车辆
auto camera = world.SpawnActor(*camera_bp, camera_transform, vehicle_actor);

// 注册数据处理回调
std::static_pointer_cast<ClientSideSensor>(camera)->Listen([](auto data) {
    auto image = std::static_pointer_cast<sensor::data::Image>(data);
    image->SaveToDisk("output/%06d.png", image->GetFrame());
});

7. World 类

World 类表示一个仿真世界实例，它封装了场景中的地图、实体、天气、环境参数等。通过 Client::LoadWorld() 可获得 World 对象。

常用方法

• GetActors()：获取当前世界中所有实体

• GetBlueprintLibrary()：获取实体蓝图列表

• SpawnActor()：创建新实体

• Tick()：推进世界一帧（同步模式）

• SetWeather()：设置天气（如雨、雾、阳光）

• GetMap()：获取当前地图信息

示例（以设置天气为例）

carla::rpc::WeatherParameters weather;
weather.cloudiness = 80.0f;
weather.precipitation = 30.0f;
weather.sun_altitude_angle = 45.0f;
world.SetWeather(weather);

扩展板块

1、DebugHelper 模块：CARLA 客户端调试可视化工具

DebugHelper 是 CARLA client 部分的重要组件之一，主要用于在仿真世界中可视化各种调试信息，帮助开发者直观地了解仿真环境中各类实体和交互的运行状态。

该模块基于 rpc::DebugShape 实现了多个图形绘制方法，包括点、线、箭头、边界框和文本等。所有形状通过调用统一的模板函数 DrawShape 实现绘制，绘图内容会被添加到当前模拟剧集中（EpisodeProxy）。

功能概览

DebugHelper 提供以下绘图接口，每个函数内部都调用 DrawShape 模板函数生成具体的 rpc::DebugShape：

• DrawPoint：绘制普通点
• DrawHUDPoint：绘制 HUD 点（投影到 HUD 层的点）
• DrawLine：绘制线段
• DrawHUDLine：绘制 HUD 线段
• DrawArrow：绘制带箭头的线
• DrawHUDArrow：绘制 HUD 箭头
• DrawBox：绘制三维边界框
• DrawHUDBox：绘制 HUD 边界框
• DrawString：在空间中绘制文字信息

所有方法均支持设置：

• 颜色（Color）
• 生命周期（life_time）
• 是否为持久绘图（persistent_lines）

内部实现结构

所有绘图方法都通过调用如下统一模板函数实现绘制：

template <typename T>
static void DrawShape(detail::EpisodeProxy &episode,
                      const T &primitive,
                      rpc::Color color,
                      float life_time,
                      bool persistent_lines) {
  const Shape shape{primitive, color, life_time, persistent_lines};
  episode.Lock()->DrawDebugShape(shape);
}

使用场景

• 在开发过程中验证 AI 行为（例如绘制导航路线）

• 调试地图元素（如车道线、交通标志检测）

• 实时可视化传感器数据结果

• 在科研或演示过程中进行辅助说明

小结

DebugHelper 是 CARLA 提供的轻量级可视化调试接口，极大提升了开发效率。它通过统一封装和生命周期控制，使用户可以灵活地向仿真场景中添加临时的可视图形，方便排查问题、验证逻辑或演示系统能力。

2、FileTransfer 模块：CARLA 客户端的文件读写与缓存机制

FileTransfer 是 CARLA 客户端中的静态类模块，专用于文件的本地读写、缓存管理以及路径设置等操作。其设计初衷是为了在客户端环境中缓存或传输所需的文件数据，如地图片段、传感器结果或其他模拟资源，减少不必要的重复下载或传输。

该模块主要由两个文件组成：

• FileTransfer.h：定义了该类的接口及核心成员变量。
• FileTransfer.cpp：实现了各个接口的具体功能。

核心功能接口

文件路径结构与平台兼容性

模块中根据操作系统自动设置默认的缓存根目录 _filesBaseFolder：

• Windows 系统：%USERPROFILE%/carlaCache/
• Linux / macOS：$HOME/carlaCache/

所有操作文件的路径会被扩展为如下格式： <基础路径>//<目标文件>

其中 <CARLA版本> 通过调用 carla::version() 获取。

路径验证与创建逻辑

在 WriteFile 函数中，使用了 CARLA 内部的 FileSystem::ValidateFilePath() 方法来确保路径存在并合法，如不存在会自动创建相应目录。这一机制增强了程序的健壮性与用户的易用性。

示例：写入与读取缓存文件

std::vector<uint8_t> data = {0x01, 0x02, 0x03};
FileTransfer::WriteFile("sensor/lidar.bin", data);

std::vector<uint8_t> result = FileTransfer::ReadFile("sensor/lidar.bin");

设计特点

• 所有函数为静态方法（类不能被实例化）

• 内部缓存路径根据系统平台自动设定

• 所有路径操作均以当前 CARLA 版本为中间层级，便于区分不同版本的数据

• 支持二进制文件的高效读写

• 利用 std::vector 管理数据，兼容性好

总结

FileTransfer模块提供了 CARLA 客户端中重要的本地文件操作机制，适合用于缓存地图、传感器数据、AI模型结果等静态资源。通过该模块可以显著提高数据复用效率、降低文件操作出错率，并为系统性能和用户体验带来明显提升。

3、Junction 模块：CARLA 道路交叉口（Junction）建模与访问

Junction 是 CARLA 客户端地图模块中的一个关键类，用于表示道路网络中的交叉口区域。该类提供对交叉口 ID、边界范围和交叉区域内道路点（Waypoint）信息的访问能力，通常被用于路径规划、交通规则模拟与可视化渲染等功能中。

该模块由以下两个文件组成：

• Junction.h：定义了类的结构与接口。
• Junction.cpp：实现了其功能逻辑。

类结构与设计

此外，Junction 类继承了 EnableSharedFromThis，并被标记为 NonCopyable，以确保对象管理的正确性与唯一性。

构造函数与访问控制

构造函数 Junction(SharedPtr<const Map>, const road::Junction *) 被设为 private，仅允许 Map 类作为友元进行构造。这种设计符合“只允许地图构建交叉口对象”的意图，防止外部模块随意构造非法交叉口。

提供的接口函数

其中 GetWaypoints 默认仅返回行驶车道（Driving）的相关路径点对，调用时可按需调整车道类型参数。

示例：获取交叉口路径点对

auto junction_list = map->GetJunctions();
for (auto& junction : junction_list) {
    auto wp_pairs = junction->GetWaypoints(road::Lane::LaneType::Driving);
    for (auto& pair : wp_pairs) {
        auto entry = pair.first;
        auto exit = pair.second;
        // 可用于路径规划或交通仿真
    }
}

应用场景

• 获取交叉口覆盖区域，用于渲染、碰撞检测或自动驾驶决策；

• 获取进入与离开交叉口的路径点对，实现行为规划（如左转、右转、直行）；

• 通过 Junction::GetId() 与道路拓扑结构联动，解析交通节点关系。

总结

Junction 类为 CARLA 中交叉口建模提供了清晰、面向对象的封装方式。它作为 Map 类的组成部分，隐藏了底层拓扑数据的复杂性，同时提供了丰富的 API 支持，是交通仿真与路径分析不可或缺的模块。

4、LaneInvasion 模块：CARLA 车道入侵（Lane Invasion）检测与处理

LaneInvasion 是 CARLA 传感器系统中的一个事件检测模块，用于监测车辆是否越过车道线。该模块广泛用于驾驶策略评估、车辆行为监控以及安全规则验证，是自动驾驶测试中的重要工具之一。

该模块的主要组成包括：

• LaneInvasionSensor.h：定义了传感器的基本结构与回调接口；
• LaneInvasionSensor.cpp：实现了车道线检测的逻辑；
• LaneInvasionEvent.h / .cpp：封装了每次触发的事件信息。

类结构与设计

传感器作为 Sensor 的派生类，通过 CARLA 的 Actor 系统被附着到车辆上。每当车辆穿越车道标线时，该传感器便会生成一次事件，并触发回调。

提供的接口函数

其中，Listen 是最关键的接口，用户可通过传入 Lambda 函数或回调对象，自定义入侵响应逻辑。

示例：注册车道入侵事件监听器

auto sensor = world.SpawnActor(sensor_bp, transform, vehicle);
auto lane_invasion_sensor = boost::static_pointer_cast<carla::sensor::data::LaneInvasionEvent>(sensor);

sensor->Listen([](auto data) {
    auto event = boost::static_pointer_cast<carla::sensor::data::LaneInvasionEvent>(data);
    for (auto mark : event->GetCrossedLaneMarkings()) {
        std::cout << "Lane invasion detected: " << mark.TypeToString() << std::endl;
    }
});

应用场景

• 驾驶员违规行为监控：识别是否压线行驶，评估驾驶行为合规性；

• 路径偏移检测：在路径规划中判断车辆是否偏离既定路线；

• 规则执行引擎支持：结合交通规则仿真，在违反道路线规则时进行惩罚或报警；

• 系统调试与可视化：在自动驾驶开发中用于调试控制策略，结合可视化界面标注压线轨迹。

事件结构（LaneInvasionEvent）

每次入侵会生成一个 LaneInvasionEvent 对象，包含以下信息：

总结

LaneInvasion 模块为 CARLA 中提供了高效、可扩展的车道线检测机制，是自动驾驶测试流程中的重要一环。通过该模块，开发者可方便地监控车辆是否遵循车道规范，并可将入侵事件集成至评估、报警或控制逻辑中，显著提升仿真测试的准确性与现实性。

5、Light 模块：CARLA 中的交通灯与照明灯控制接口

Light 模块是 CARLA 客户端中用于操作和管理灯光对象（包括交通灯、街道灯、车灯等）的类。它通过封装 LightManager 的控制接口，允许用户读取和设置灯光属性、状态、分组以及开关控制，在交通仿真与可视化系统中扮演关键角色。

该模块主要由以下文件组成：

• Light.h：声明 Light 类的接口；
• Light.cpp：实现灯光状态的读取和设置功能；
• 依赖 LightManager 实现实际的灯光控制。

类结构与设计

所有灯光状态操作均通过 _light_manager 执行，确保集中管理和同步执行。

提供的接口函数

示例：设置灯光颜色与状态

auto light = some_actor.GetLight();

// 设置灯光颜色为红色
light.SetColor(carla::Color(255, 0, 0));

// 设置强度为5.0
light.SetIntensity(5.0f);

// 设置状态为开启状态并指定组别
carla::rpc::LightState state;
state.active = true;
state.intensity = 5.0f;
state.color = carla::Color(255, 255, 0);
state.group = carla::rpc::LightState::LightGroup::Street;

light.SetLightState(state);

应用场景

• 交通灯仿真控制：控制红绿灯的开关状态与颜色变换；
• 街道照明模拟：控制夜间场景下街灯的亮度与颜色；
• 视觉感知测试：模拟不同灯光环境用于测试自动驾驶感知算法；
• 动态灯光效果渲染：在交互式仿真场景中创建逼真的灯光效果变化。

模块特性与设计优势

• 所有接口均通过 LightManager 管理，集中控制所有灯光对象；
• 利用 weak_ptr 提高资源管理效率，避免循环引用；
• 支持细粒度的灯光操作，如单独控制颜色、强度、分组等；
• 可作为传感器、视觉系统或控制模块的辅助工具。

总结

Light模块为 CARLA 中所有可控灯光对象提供了统一、灵活的控制接口。它结合 LightManager实现了强大的灯光仿真能力， 为真实感可视化和智能交通仿真提供关键支持。该模块对提升自动驾驶仿真环境的真实性和交互性具有重要意义。

6、Vehicle 模块：CARLA 车辆实体控制与状态管理

Vehicle 是 CARLA 模拟器中用于表示和操作模拟场景中的车辆 Actor 的基本类。该类接口完善，支持车辆的控制操作、自动驾驶切换、物理参数调用以及交通灯交互，是自动驾驶仿真中的核心组件之一。

该模块包括两部分文件：

• Vehicle.h：定义车辆类的基本结构和操作接口。
• Vehicle.cpp：实现了车辆控制逻辑和状态查询功能。

类设计与主要成员

Vehicle 类继承自 Actor，并使用多类型符合 CARLA 控制器标准。

公共接口函数

示例：启用自动驾驶

// 车辆初始化
carla::client::Vehicle vehicle = ...;

// 启用自动驾驶
vehicle.SetAutopilot(true);

应用场景

• 自动驾驶模拟控制：接入 TrafficManager 实现汽车流量自动控制
• 车辆系统调用分析：通过接口获取操作、物理和状态数据
• 高级路径控制实验：配合 Ackermann 控制器进行路径跳转与车轮方向控制

总结

Vehicle 模块是 CARLA 中表示和操作车辆的核心类。它包括了驾驶、控制、物理反应和交通环境交互等方面， 是完成实时交通模拟与自动驾驶系统组装的基石。

类之间的调用关系

以下是 CARLA 客户端部分类之间的调用关系图，展示了各个类如何交互以及它们之间的依赖关系。

调用关系说明

Client 类与其他类的交互：

Client 类是与模拟器交互的主要接口，它通过方法如 LoadWorld()、GetAvailableMaps()、StartRecorder() 等来控制仿真世界。

Client 类使用 World 对象来表示仿真世界并操作其中的行为体（Actor 类）。

Actor 类与 Client 类的关系：

Actor 类表示仿真中的个体实体（如车辆、行人等），Client 类通过 Actor 对象控制仿真中的行为体（例如获取位置、速度，设置物理属性等）。

Actor 类也与传感器和交通管理相关联，可以通过 ClientSideSensor 和 TrafficManager 与交通流和传感器交互。

TrafficManager 类与 Client 类的关系：

TrafficManager 管理仿真中的交通流，Client 类通过 TrafficManager 提供的接口（如 SetSynchronousMode()）来控制仿真中的交通规则、车辆行为等。

ClientSideSensor 类与 Actor 类的关系：

ClientSideSensor 类用于模拟仿真中的传感器，能够附加到 Actor 上，例如摄像头、激光雷达等。

传感器可以用来获取 Actor 周围的环境数据（例如图像、点云等），以支持自动驾驶算法的训练与验证。

World 类与其他类的关系：

World 类表示仿真中的一个世界，它与 Client 和 Actor 类紧密关联。World 提供对仿真环境的访问，可以控制仿真世界中的所有行为体和传感器。

World 还负责管理交通流、物理环境、天气等仿真环境因素。

总结

CARLA 客户端部分提供了与仿真环境交互的丰富 API，支持开发者控制仿真世界中的各种元素，包括行为体（Actor）、传感器（ClientSideSensor）和交通流（TrafficManager）等。通过 Client 类，开发者能够加载地图、获取世界状态、管理传感器、操作物理环境等。类之间的交互使得开发者能够在仿真环境中进行精确的控制和验证。

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