CN102692918A - 一种容错实时转向控制系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种容错实时转向控制系统设计方法，建立由4个分布式容错单元组成的系统,设定每个单元由两个复制节点形成，每个复制节点设计成故障静默单元,相当于一个最小可替换单元，每个故障静默单元由一个服务提供者和一个错误检测器组成；各个节点之间通过FlexRay总线进行通信，在FlexRay通信周期的静态段时节点使用事件触发报文进行数据交换，在FlexRay通信周期的动态段时节点使用事件触发报文；在数据交换时，每个通信周期中，在一个静态时隙里只能有一个节点的数据发送或接收，当此节点出行故障时，在下一个静态时隙里发送或接收同单元的另一个复制节点。提高了系统的安全性、可靠性、可维护性。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种基于时间与事件触发通信的容错实时转向控制系统设计方法。
背景技术
随着汽车电气化的发展，汽车OEM都逐渐将机械控制信号变成了电控制信号，实现对汽车运动中的电子控制，这种技术的支撑点便是X-by-Wire技术，随后根据电子技术和控制理论的发展，发展出了一种线控转向系统（Steer-by-Wire，简称SBW），他是未来汽车驾驶智能化的转折点。
线控转向系统具有有效提高了汽车前轮部分的设计自由度，便于操控部分的布置；转向效率高，响应快，控制灵敏；取消转向机械干涉因素，为汽车的无人驾驶及其汽车动态控制系统和平稳控制系统的集成提供先决条件等优点，但是无容错的线控转向系统无法修正电子器件损坏带来的故障，会给驾驶员、乘客以及行人带来人身财产的危害，因此，容错控制技术就成为了线控转向系统的关键技术之一。
汽车中的通信系统在过去的几年里逐步地从模拟域转换到了数字域。车载通信数字化的下一步就是在性能、可靠性和组装性方面达到更高的层次，以应对未来更高的应用要求。一方面是因为车载电子器件的数量在迅猛增长。另外一个方面就是人们希望汽车能实现个人电脑的所有功能，比如在车上收发电子邮件或是获取路况信息等。这样就会造成在同一时间里产生大量的数据，对车内外的通信系统就提出了更高的要求，因此车载总线就出现了。CAN总线在20世纪80年代被引入汽车中，现今仍主宰着车载网络。但CAN总线满足不了现今对汽车控制越来越高的要求，比如说X-By-Wire系统。而FlexRay协议最终版本3.0出现后，FlexRay网络受到了汽车制造商的青睐。因为FlexRay协议既有TTP/C的同步时间触发性，又有Byteflight的异步时间触发方式，同时还具有一定的灵活性，是未来车载网络的主流之一。
目前，在已有的技术中，有一种汽车线控转向的冗余及容错系统及控制方法，其提出了该线控转向系统与汽车中的多个控制器通过CAN网络进行通讯，并设置了看门狗模块，能够实现故障报警功能，但是其缺点在与没有考虑到CAN总线若使用在安全关键性系统中，其最大的缺点就是会发生“babbling idiot”错误，也就是说，错误的节点不停地在总线发送高优先级的报文，从而阻塞了整个网络，这个错误时CAN总线无法检测的。只考虑到实现系统故障的报警，并未考虑到在故障发生时真正保证系统的运行，同时无法保证系统的实时性。
发明内容
本发明是针对分布式线控转向系统在发展中面临的容错问题，提出了一种容错实时转向控制系统设计方法，基于时间与事件触发通信实现了能够容错的转向控制系统设计方法，提高了系统的安全性、可靠性、可维护性等。
本发明的技术方案为：一种容错实时转向控制系统设计方法，建立由4个分布式容错单元组成的系统, 4个单元分别为：车轮位移检测单元、转向电机控制器单元、驾驶转角检测单元、路感电机控制器单元；设定每个单元由两个复制节点形成，每个复制节点设计成故障静默单元,相当于一个最小可替换单元，每个故障静默单元由一个服务提供者和一个错误检测器组成；则车轮位移检测单元由两个车轮转角节点组成，接收检测车轮转角的位移传感器信号，转向电机控制器单元由两个电机驱动节点组成，输出伺服电机控制信号到转向电机，驾驶转角检测单元由两个控制设定节点组成，接收检测方向盘的转角传感器信号，路感电机控制器由两个路感节点组成，输出路感电机控制信号到路感电机；各个节点之间通过FlexRay总线进行通信，在FlexRay通信周期的静态段时节点使用事件触发报文进行数据交换，在FlexRay通信周期的动态段时节点使用事件触发报文；在数据交换时，每个通信周期中，在一个静态时隙里只能有一个节点的数据发送或接收，当此节点出行故障时，在下一个静态时隙里发送或接收同单元的另一个复制节点。
所述控制设定节点检测到方向盘的转动信号，将转动值在规定的FlexRay通信时隙内以报文形式传送到FlexRay总线上，电机驱动节点在固定的时隙内收到控制设定节点发送的含方向盘转动角度的报文后，计算出伺服电机所需要的转数，经过判定和隔离电路，发送相应的信号给伺服卡控制转向电机转动，此时，车轮转角节点时刻监测实际的车轮转角，并在规定的FlexRay通信时隙内向总线发送报文形式的车轮转角数据，形成闭环系统，路感节点从FlexRay总线上获得实际的车轮转角后，根据经验算法，控制路感电机。所述控制设定节点选用两个扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片，当StAng有输入信号时两个单片机的CON1.1口呈高电平，并从Bus1，Bus2口发送数据到FlexRay总线上。
所述车轮转角节点选用两个扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片，转角信号经过扩压电路放大后输入控制芯片。所述电机驱动节点选用两个扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片，当Bus1，Bus2口接收到数据时，CON1.14，CON1.15呈高电平，所有信号经过判定和隔离电路，将处理过的数据发送到调速箱，调速箱通过CON1.（1-9）口控制电机转速，CON2.4，CON2.5口监测电机速度，在内部进行反馈算法，通过限位开关驱动转向电机。
本发明的有益效果在于：本发明容错实时转向控制系统设计方法，基于时间与事件触发通信实现了能够容错的转向控制系统设计方法，一但FlexRay总线上出现错误信息，FlexRay总线的通信机理能检测出错误，且能在难以修缮错误时停止工作。提高了系统的安全性、可靠性、可维护性。
附图说明
图1为本发明容错实时转向控制系统结构示意图；
图2为本发明实例容错驾驶系统的各节点与FlexRay总线双通道通信结构图；
图3为本发明实例容错驾驶系统的分布式控制回路示意图；
图4为本发明容错实时转向控制系统电路框图；
图5为本发明实例容错驾驶系统中方向盘转角测量原理图；
图6为本发明实例容错驾驶系统中伺服马达控制原理图；
图7为本发明实例容错驾驶系统中车轮转角测量原理图；
图8为本发明容错实时转向控制系统设计方法的软件冗余的各报文传输方案示意图。
具体实施方式
一种容错实时转向控制系统设计方法，利用FlexRay的双通道通信，实现整个系统的全局时间同步和时间与事件触发的报文交换，从而使系统的容错设计集中到节点设计上。如图1所示系统结构示意图，系统包括4个分布式容错单元（FTU，Fault-Tolerant Unit）,分别为：FTU1车轮位移检测器11、FTU2转向电机控制器8、FTU3驾驶转角检测器2、FTU4路感电机控制器5。每个FTU由两个复制节点形成，每个复制节点设计成故障静默单元（FSU, Fail-Silent Unit）,相当于一个最小可替换单元，每个故障静默FSU由一个服务提供者和一个错误检测器组成，故障静默单元在值域和时域上要么产生正确结果，要么不产生任何结果。图1中FTU1车轮位移检测器11由FSU1复制节点12和FSU2复制节点13两个单元组成，接收检测车轮转角的位移传感器18信号；FTU2转向电机控制器8由FSU3复制节点9和FSU4复制节点10两个单元组成，输出伺服电机控制信号到转向电机17，转向电机17控制车轮19和车轮20转动；FTU3驾驶转角检测器2由FSU5复制节点3和FSU6复制节点4两个单元组成，接收并检测方向盘14的转角传感器15信号；FTU4路感电机控制器5由FSU7复制节点6和FSU8复制节点7两个单元组成，输出路感电机控制信号到路感电机16。各个节点之间通过FlexRay总线1进行通信，通信过程中，FTU会产生0、1或2个正确的报文，产生的正确报文数为0，则FTU失效；产生的报文数为1个或2个，FTU仍在进行。每个FTU的两个节点是动态冗余的，很容易检测发现故障所导致的单一节点失效，及时进行控制算法优化或节点更换等。同时，每个FSU都采用双通道连接，如图2所示，一但FlexRay总线1上出现错误信息，FlexRay总线1的通信机理能检测出错误，且能在难以修缮错误时停止工作。
容错驾驶系统的各节点与FlexRay总线双通道通信结构图如图3所示，FSU5、FSU6控制设定节点3、4检测到方向盘14有转动时，将转动值在规定的FlexRay通信时隙内以报文形式传送到总线1上，FSU3、FSU4电机驱动节点9、10在固定的时隙内收到FSU5、FSU6控制设定节点3、4发送的含方向盘转动角度的报文后，计算出伺服电机所需要的转数，经过判定和隔离电路，发送相应的信号给伺服卡控制转向电机17转动。此时，FSU1、FSU2车轮转角节点12、13时刻监测实际的车轮转角18，并在规定的FlexRay通信时隙内向总线发送报文形式的车轮转角数据，形成闭环系统。FSU7、FSU8路感节点6、7从总线1上获得实际的车轮转角后，根据经验算法，控制路感电机16，是驾驶员能够更加真实的感觉的实际的车轮转动。具体的硬件原理框图如图4所示，各个节点的Bus1，Bus2口都与FlexRay总线1相连，方向盘转角测量和实际的车轮转角测量通过电位器进行，由限位开关来驱动电机转动，FTU4路感电机控制器5能够控制路感电机16的启停，正反转及转动力矩。
图5为方向盘转角测量原理图，FSU5、FSU6控制设定节点3、4选用两个扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片，当StAng有输入信号时两个单片机的CON1.1口呈高电平，并从Bus1，Bus2口发送数据到总线上。图7为车轮转角测量原理图，原理与图5相似，，FSU1、FSU2车轮转角节点12、13也选用两个扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片，但控制芯片的输入信号是要经过扩压电路将转角信号放大后才作为控制芯片的输入。
图6为伺服马达控制原理图，FSU3、FSU4电机驱动节点9、10也选用两个扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片，当Bus1，Bus2口接收到数据时，CON1.14，CON1.15呈高电平，所有信号经过判定和隔离电路，将处理过的数据发送到调速箱，调速箱通过CON1.（1-9）口控制电机转速大小，CON2.4，CON2.5口能够时刻监视电机速度，在内部进行反馈算法，通过限位开关驱动转向电机17转动。
本发明一种容错实时转向控制系统设计方法的软件冗余实现方法如图8所示，软件上，首先采用双通道的FlexRay通信网络，其本身具有双通道的通信结构，正常工作时，只用其中的一个通道的数据进行通信，当一个通道发生通信错误时，在两个通道进行的通信一致的前提下，系统仍然可以依靠另外一个通道工作。同时，为了保证传感器报文的实时性，必须利用FlexRay的静态时隙进行传输，这也就意味着同一时间只能有一个节点能够在该时隙进行传输。因此在软件上要实现备份的节点只能在不同时隙对报文信息进行冗余发送，使系统在发生故障时，能够直接使用备份节点。
这样的冗余控制方法体现了时间触发的分布式架构的优点。每个节点都有简单的功能，由一个个小的子系统组成，其数据与时间的关系在系统设计时就已经确定，每个子系统完成软硬件设计后，进行组装时，不会像CAN总线那样影响其实时性。周期性的报文很方便就能快速检测出主工作节点的运行情况，而不是等发现主工作节点无法工作后，才去维护系统。例如利用FlexRay的静态时隙，故障静默单元2为转角转矩传感器检测节点，将传感器的电压转换为数字量后，FSU 5在每个通信周期的第一个静态时隙进行发送。FSU6为FSU 5的冗余故障静默单元，在第二个静态时隙进行发送。FTU2为转向电机，其根据FSU 5的报文数据控制转向电机17的工作，达到实时转向的功能，若在该周期的时隙1不能接收到FSU 5的报文，则立即使用时隙2中的冗余传感器FSU 6的报文，并且在时隙3发出报文以便系统自身进行维护与诊断。
Claims (5)
1.一种容错实时转向控制系统设计方法，其特征在于，建立由4个分布式容错单元组成的系统, 4个单元分别为：车轮位移检测单元、转向电机控制器单元、驾驶转角检测单元、路感电机控制器单元；设定每个单元由两个复制节点形成，每个复制节点设计成故障静默单元,相当于一个最小可替换单元，每个故障静默单元由一个服务提供者和一个错误检测器组成；则车轮位移检测单元由两个车轮转角节点组成，接收检测车轮转角的位移传感器信号，转向电机控制器单元由两个电机驱动节点组成，输出伺服电机控制信号到转向电机，驾驶转角检测单元由两个控制设定节点组成，接收检测方向盘的转角传感器信号，路感电机控制器由两个路感节点组成，输出路感电机控制信号到路感电机；各个节点之间通过FlexRay总线进行通信，在FlexRay通信周期的静态段时节点使用事件触发报文进行数据交换，在FlexRay通信周期的动态段时节点使用事件触发报文；在数据交换时，每个通信周期中，在一个静态时隙里只能有一个节点的数据发送或接收，当此节点出行故障时，在下一个静态时隙里发送或接收同单元的另一个复制节点。
2.根据权利要求1所述容错实时转向控制系统设计方法，其特征在于，所述控制设定节点检测到方向盘的转动信号，将转动值在规定的FlexRay通信时隙内以报文形式传送到FlexRay总线上，电机驱动节点在固定的时隙内收到控制设定节点发送的含方向盘转动角度的报文后，计算出伺服电机所需要的转数，经过判定和隔离电路，发送相应的信号给伺服卡控制转向电机转动，此时，车轮转角节点时刻监测实际的车轮转角，并在规定的FlexRay通信时隙内向总线发送报文形式的车轮转角数据，形成闭环系统，路感节点从FlexRay总线上获得实际的车轮转角后，根据经验算法，控制路感电机。
3.根据权利要求2所述容错实时转向控制系统设计方法，其特征在于，所述控制设定节点选用两个扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片，当StAng有输入信号时两个单片机的CON1.1口呈高电平，并从Bus1，Bus2口发送数据到FlexRay总线上。
4.根据权利要求2所述容错实时转向控制系统设计方法，其特征在于，所述车轮转角节点选用两个扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片，转角信号经过扩压电路放大后输入控制芯片。
5.根据权利要求2所述容错实时转向控制系统设计方法，其特征在于，所述电机驱动节点选用两个扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片，当Bus1，Bus2口接收到数据时，CON1.14，CON1.15呈高电平，所有信号经过判定和隔离电路，将处理过的数据发送到调速箱，调速箱通过CON1.（1-9）口控制电机转速，CON2.4，CON2.5口监测电机速度，在内部进行反馈算法，通过限位开关驱动转向电机。
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