CN102902252A - 一种用于无人驾驶电动汽车的整车控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人驾驶电动汽车的整车控制器，包括微处理器、开关量采集模块、开关量输出模块、BDM调试接口、电源模块、模拟量采集模块、模拟量输出模块、PWM输出模块、数据存储模块、无线收发模块及GPS模块；通过采用集成化设计，运用集成器件代替分立元件进行信号处理和输出，减少了电气连接，降低了整车控制器工作中产生的电磁干扰，提高了整车在复杂环境下的抗干扰性和可靠性；设计的PWM输出模块能够对电机进行控制，无需再单独开发电机控制器，节约了研发和设计成本，实现无人驾驶车辆的自动行驶和人员远程遥控行驶，车辆数据的实时记录与传输及车辆的实时定位，具有结构紧凑，性能可靠，可裁剪性强，精确度高，控制方便等优点。

Description

一种用于无人驾驶电动汽车的整车控制器

技术领域

本发明主要涉及一种电动车辆技术领域的控制器，特别涉及一种用于无人驾驶电动汽车的整车控制器。

背景技术

随着化石燃料的短缺，开发电动汽车成为世界汽车制造商的共同目标。无人驾驶电动车辆，能有效避免因人为因素造成的各种交通事故，且适于在国防、安防及不适宜人类操作的恶劣环境下工作。二者的有机结合，将会是汽车工业一个新的发展方向。整车控制器，是车辆的核心部件，采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，对其进行分析判断后，控制下层各个部件控制器的动作，驱动车辆正常行驶。

对于结构简单的单电机驱动的电动汽车，通常采用电机控制器实现扭矩控制和再生制动控制等功能，并没有设计整车控制器。

目前，在无人驾驶电动汽车设计方面，多使用单电机进行驱动控制。但该方法有以下几个问题：1.需要单独开发适用于无人驾驶车的电机控制器，研发投入多，且周期长，难度高；2.无人驾驶车辆行驶过程中采集的数据量大，需要及时处理，电机控制器集成整车控制器，会为整车的快速实时响应带来困难。

独立的无人驾驶的整车控制器，是目前各大公司和院校采用的一种整车控制器开发模式。该方案将目前流行的嵌入式系统应用于整车控制器开发中，有力地解决整车控制问题。由于嵌入式的硬件可裁剪性较强，且硬件设计水平参差不齐，存在以下问题：1.电动车辆运行过程中，电机运行的电磁干扰及电动车辆启停时整车电器所产生的电磁干扰，对整车控制器的影响未能得到有效解决；2.未能考虑信息存储和无人驾驶车辆的远程控制。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种适用于无人驾驶电动汽车的整车控制器。

一种用于无人驾驶电动汽车的整车控制器，包括微处理器、开关量采集模块、开关量输出模块、BDM调试接口、电源模块、模拟量采集模块、模拟量输出模块、PWM输出模块、数据存储模块、无线收发模块及GPS模块；

PWM输出模块用于对步进电机进行控制；

用于保存车辆行驶数据的数据存储模块与微处理器通过SPI进行通信；

无线收发模块通过光耦与微处理器进行通信；

GPS模块用于采集实时位置信息；

对数据进行实时采集和处理的开关量采集模块、模拟量采集模块、脉冲量采集模块均与微处理器相连；

所述开关量采集模块所采集的信号至少包括钥匙开关信号、档位控制位置信号、车辆运行模式信号、车辆部件故障信号、空调控制信号及车辆行驶的运行状态请求信号；

所述模拟量采集模块所采集的信号至少包括整车的加速踏板信号、制动踏板信号和温度传感器信号；

所述脉冲量采集模块说采集的信号至少包括发动机转速信号、发电机转速信号及主电机转速信号。

用于无人驾驶电动汽车的整车控制器还包括用于与微处理器进行实时通信的CAN通信模块，CAN通信模块另一端与车辆的电机控制器及电池管理控制器相连，通过设定的ID地址通信端口进行数据传输，完成车辆控制通信。

所述开关量采集模块采用MC33884。

所述光耦采用HCPL-M600。

所述微处理器采用MC9S12XEP100。

所述开关量输出模块采用MC33879。

所述无线收发模块采用SI4432PA。

有益效果

本发明的一种用于无人驾驶电动汽车的整车控制器，通过采用集成化设计，运用集成器件代替分立元件进行信号处理和输出，减少了电气连接，降低了整车控制器工作中产生的电磁干扰，提高了整车在复杂环境下的抗干扰性和可靠性；设计的PWM输出模块能够对电机进行控制，无需再单独开发电机控制器，节约了研发和设计成本，采用开关量采集模块、模拟量采集模块、脉冲量采集模块及CAN通信模块实现了对采集数据的实时处理，通过对开关量采集模块的采集端口添加压敏电阻和电容，避免了过压对开关量采集模块造成损害；此外，该控制器还提供了三种控制模式，包括无人驾驶模式、远程控制模式及人工控制模式，极大的方便了研发设计和实际操作；各模块端口具有相应的扩展性，通过改变及启动相应端口，便可应用于混合动力汽车控制，具有较高的市场价值。

附图说明

图1是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的整车控制器结构框图；

图2是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的模拟量采集模块电路图；

其中，a图是模拟量信号分压选通部分电路图，b图是模拟量光耦选通电路图,c图是模拟量线性光耦处理电路图；

图3是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的开关量信号采集模块电路图；

其中，a图是开关量信号防信号突变电路，b图是开关量信号采集芯片电路图，c图是开关量信号光耦隔离电路图；

图4是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的脉冲量采集电路图；

图5是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的PWM输出电路图；

其中，a图是PWM光耦信号输出电路图，b图是PWM信号放大输出电路图；

图6是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的DA模块光耦隔离电路图；

其中，a图是DA模块光耦隔离电路图，b图是DA模拟信号量输出电路图；

图7是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的模拟量输出电路图；

图8是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的开关量信号输出模块电路图；

其中，a图是开关量信号光耦隔离电路图；b图是开关量输出处理芯片电路图；

图9是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的CAN通信模块电路图；

其中，a图是CAN高速光耦隔离电路图；b图是通信电平转换电路图；

图10是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的GPS模块电路图；

图11是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的数据存储模块电路图；

图12是本发明涉及的无人驾驶电动汽车的无线收发模块电路图；

其中，a图是无线收发芯片电路外围引脚连接图，b图是无线模块中的光耦隔离电路图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种用于无人驾驶的电动汽车的整车控制器包括微处理器、开关量输入处理模块、开关量输出模块、BDM调试接口、电源模块、模拟信号输入模块、PWM转模拟信号输出、DA模拟信号输出电路、PWM信号输出模块、脉冲信号处理模块、工作模式指示灯、CAN通信模块、SD卡模块、无线收发模块、GPS模块。开关量输入输出模块通过SPI总线与微处理器进行通信，SD卡和无线收发模块使用SPI总线与微处理器进行通信，GPS通过串口与微处理器进行通信。

整车控制器负责处理无人驾驶车输入信号，根据车辆行驶环境和路况，进行电动车辆的功率输出及能量回收，输出相应的控制信号。整个控制过程，实时性强，快速，准确，能有效完成车辆控制所需的功能。

整车控制器输入端的信号处理，有模拟量采集模块，开关量采集模块，脉冲量采集模块。

（1）模拟量采集。以图2为例，为模拟量输入处理过程。图2（a）图中输入的多路模拟量信号ANG IN00，经过分压处理，输入模拟量从0～12V降低到0～5V，将分压之后得到的模拟信号量ANG MIN00传送给模拟信号多路选择器CD4051，微控制器的IO端口通过光耦（如图2（b）），选择相应通道的模拟信号，经CD4051选择出来的模拟信号量ANG MINOUT，然后输入到图2（c）中所示的运算放大器LM2904中，再经过线性光耦HCNR200的隔离输出，将经线性光耦输出的模拟信号量传输给运算放大器LM2904，此运算放大器是为了保证电路的带负载能力，从而增强信号量，模拟信号量最后被传输到微处理器的ADC模块，模拟信号采集处理过程结束。

（2）开关量采集。开关量信号采集路数的增多，导致整车控制器体积的大幅增加。同时原始的单对单（即一路开关量输入接入微控制器的一个IO端口），不能满足整车控制器日益增多的功能需求。在开关量采集的处理过程中，使用基于总线协议的智能芯片模块势在必行。如图3所示。开关量信号采集过程中，存在电压突变和尖端电压情况，需要在输入端加入一0805封装压敏电阻和电容值为104的电容，避免过压对开关量采集模块造成损害；只有在高电平有效输入信号部分和可编程输入信号部分才有必要在输入部分添加压敏电阻，对于低电平有效开关信号只需并入一个电容值为104的电容即可。图3（a）所示的输入信号量SWIN00高电平有效输入信号、SWIN05可编程输入开关信号、SWIN11低电平有效开关信号经过压电路处理后，将开关量信号传输到图（b）所示的开关量处理芯片MC33884，开关量处理芯片MC33884将检测的开关量信号以十六位数据的格式打包并经SPI总线传输到图3（c）所示的光耦HCPL-M600，其中十六位数据的格式依据数据手册定义格式说明设定，前四位为数据状态位，后十二位为检测到的开关量信号，即检测到开关信号时为1，否则为0；光耦将相应的信号量传输到微处理器的SPI模块。注：SPI总线的MISO、MOSI、SCLK需要使用光耦连接开关量处理芯片MC33884与微处理器，开关量处理芯片MC33884的INT管脚、RST管脚和CS管脚使用普通光耦即可，多个开关量处理芯片MC33884可以有SPI总线串联使用和并联连接两种模式，此处使用并联连接模式，只需通过数据选择管脚即可进行相应开关量信号的数据采集处理，使用集成开关量处理芯片MC33884，能最大程度地节约成本，减小控制电路体积，同时提高了整车控制器的电磁兼容性。在开关量检测模块使用高速光耦HCPL-M600与低速光耦TLP121和微控制器进行通信，SPI总线的MOSI、MISO、SCLK使用数据转换速率高达10M/s高速光耦，而数据选通CS、中断端子INT与复位端子RST使用低速光耦TLP121与微控制器通信。

（3）脉冲量采集。车辆的脉冲量信号，主要是发动机转速、发电机转速和主电机转速脉冲信号。图4所示为脉冲量输入模块。脉冲量输入信号经过硬件高低可配且可分压的电压约束电路处理后，其中车辆输入脉冲信号可根据具体的应用电路，判断其为高电平有效或低电平有效，脉冲信号中间量经过迟滞比较器LM2903，输出相应的判断信号量。此迟滞比较器为上行迟滞比较器，参考电压选取采用5V分压后的2.5V，其中Rp/Rf＝0.8（Rp为输入电阻，Rf为反馈回路电阻，在本专利设计中，Rp=12KΩ，Rf＝15KΩ）,迟滞比较区间的上门限电平V0H为4.5V，下门限电平V0L为0.5V，输出0或5V的脉冲信号量。经过迟滞比较器输出的脉冲量信号，经由光耦TLP121，输入到微处理器的IO管脚，微处理器使用中断方式进行数据处理，保证脉冲信号的正确处理。

输出信号部分包括PWM输出、模拟量输出、开关量输出三部分。

（1）PWM输出。现代直流电机调速有方式主要有三种：调节电枢电压，改变电枢回路电阻及调节励磁。随着电力电子等技术的发展，采用全控型开关功率器件进行脉宽调制以实现电压调节成为绝对主流。在PWM控制中，电枢电压平均值U_av由电源电压、脉冲周期T及开关S1在每个周期内的导通时间t_on就决定，其可以用下式表示：

$U_{\mathrm{av}}=U\frac{t_{\mathrm{on}}}{T}=\mathrm{aU}---\left(1\right)$

式（1）中a为占空比，就是导通时间与脉冲周期之比。上式表明，平均电压由脉冲占空比及电源电压所决定，与占空比成正比。改变占空比能够相应改变平均电压，也就实现了电流电动机的调压调速。PWM信号的输出流程如图5。微处理器根据步进电机控制参数，调整其PWM模块的占空比和频率。微处理器输出的PWM信号经光耦TLP121传输到运算放大器LM2904中，运算放大器LM2904经两倍放大，输出PWM控制信号PWM1，接输出信号端子。该路设计作为整车控制设计的冗余设计，可以直接控制相应的步进电机。微控制器通过具体需要，输出相应占空比的PWM信号，根据占空比可以调节输出电流，控制步进电机转速。PWM信号的输出设计，保证了整车控制器的鲁棒性。

（1）模拟量输出。模拟量输出分为两部分输出，两路使用DAC5574模块输出，另外三路使用PWM+RC滤波方式输出。采用两种模拟量输出模式，在模拟量模块输出测试校正过程中，便于研发人员调试、调校，保证模拟信号输出的准确性。如图6所示，微处理器的I2C总线模块根据需要输出相应的数字信号，数字信号通过图6（a）中的光耦HCPL-M600与DAC5574进行通信，经DA转换后的模拟量，通过图6（b）中的运算放大器LM2904进行一倍放大，最后输出所需模拟量；

使用PWM+RC滤波方式输出模拟信号的流程如图7，微处理器输出的PWM信号，经光耦隔离器件，输出的PWM信号进行两阶RC滤波电路处理，RC滤波处理后的模拟信号，由运算放大器进行一倍放大处理，最后通过外接端子输出相应的模拟信号。

（2）开关量输出。车辆控制器件的增多，极大增加了开关量处理单元的数量；同时由于整车控制器只考虑了信号量的输出，往往忽略开关量信号诊断，缺乏对车辆控制信号的监控，在当今这个追求科技安全人合一的社会是格格不入的。本方案使用的开关量输出模块，采用集成化模块，将控制信号经总线协议传输到相应智能控制模块，且该方案控制模块拥有对输出开关的状态进行状态监控的功能，保证了车辆控制信号的正确执行和有效输出。图8是开关量信号处理。微控制器首先输出控制命令，通过图8（a）中的光耦隔离输出，对MC33879进行初始化，控制相应开关量输出的通断。当微控制器发送16位的控制信号时，经图8（a）的光耦隔离变换后，输出相应的控制信号，使MC33879输出相应的开关量信号；当微控制器向开关量输出模块发送16位的负载开路电流故障诊断命令数据（高8位有效）时，MC33879将会返回其故障寄存器的值，实现负载输出检测功能。首先微处理器的SPI模块和相应IO管脚信号经光耦输出相应的信号量，输出的信号量与图8（b）所示的MC338879相连。SPI总线的MOSI、MISO和SCLK使用光耦，EN管脚和CS管脚使用普通光耦TLP121，由于要输出12路高边信号量，6路低边信号量，6路高低可配的信号量，由于每个拥有8路开关信号输出，拟使用3个MC33879模块，第三个MC33879芯片输出端口，使用硬件可配置方法进行配置，可输出所需要的高低边信号量。使用MC33879开关信号芯片，其拥有两路高边输出，六路低边输出，四路可编程实现的高低可配的输出信号，增强了系统控制的灵活性和可扩展性，同时集成电路芯片的使用，有效减少了整车的电磁干扰。其中高边开关，是指所接器件的一个端子接地，另一端接开关控制电路；低边开关，是指器件的一个端子接高电平，另一端接开关控制电路，开关控制电路与地相连，构成回路。

整车控制器的CAN通信电路设计如图9，微处理器MC9S12XEP100使用的集成的MSCAN控制器模块，CAN通信模块通过图9（a）所示的光耦与CAN收发器模块PCA82C251T相连，经PCA82C251T的电平转换后，输出CAN通信信号，在本设计中如图9（b）所示，使用两路CAN收发器PCA82C251T，可以配置成高低两种速度的CAN通信电路。其中高速CAN的传输波特率范围在125Kb/s～1Mb/s，一般设置为500Kb/s，与动力电池和大功率电机控制器进行通信；低速CAN的传输波特率范围在0～125Kb/s，波特率一般设置为10kb/s，其用途是车载电器设备；设计不同的通信速率，便可满足车辆本身不同通信模块速率不同的情况。

车辆行驶地域的特点，决定了车辆参数匹配的迥异。这为车辆差异化设计提供依据，GPS模块能够对车辆行驶地点进行定位，能够及时有效记录车辆行驶方位，有助于整车厂的进一步改进整车参数和特性，提高车辆的使用性能和附加价值。GPS模块电路设计如图10，由于GPS模块与整车车体无电气连接，只在整车控制器内具有电气特性，因此与微处理器通信不需要使用光耦，GPS模块与微处理器通信使用RS232串口通信协议，GPS模块天线使用外置的天线。

车辆运行数据，是分析车辆运行状态的重要途径。及时有效记录车辆动力及电力需求特性，便于车辆设计的参数优化，提高驾驶体验，使车辆的运行更加环保节能，突出绿色效率的优点。SD卡模块电路设计如图11，直接与微处理器的SPI模块进行通信，多个SPI通信模块能使用一个SPI端口，只需配置相应的数据选择端口即可。

无人驾驶车辆行驶过程中，无线收发模块的使用能大大减少车辆行驶出现意外的可能。同时，无线收发模块的使用，在车辆研发过程中的难点确定起到关键作用，有效区分无人驾驶视觉辨识系统的准确性与整车控制器执行指令的有效性，便于研发设计人员的故障问题定位。无线收发模块SI4432PA电路设计如图12所示。车辆行驶过程，突发紧急情况无可避免，人员随车测试危险性极大，使用具有远程控制功能的无线收发器是能有效处理因道路视觉检测系统出现差错而造成的危害。因此，无线收发模块需满足：1，有效实现车辆与人的数据交互；2，足够的距离，能够满足车辆加速等动力性能测试。综合考虑，使用具有通信距离达到2公里以上，同时能有快速传输车辆行驶数据和远程控制端信息的无线控制链路，能有通过无线数据链路进行数据通信的无线模块。其通过相应的SPI总线与微处理器的SPI模块相连，远程控制端使用相应的无线通信模块进行连接，即可实现远程控制。

无线收发模块图12（a）通过其SPI总线，将控制命令与数据，经高速光耦图12（b）传输到微控制器中，有效降低了车辆自身较强的电磁干扰，实现数据的高速传输和数据传输的有效性。无线收发模块发送整车控制器的运行状态数据，该数据采用433M的ISM频带，经FSK编码调试方式，然后进行通信；同时，由于本模块采用天线自动匹配及双向开关控制，实现远程控制端和整车控制器的双向通信，保证数据的及时有效处理。

本整车控制器发明适应于无人驾驶模式、人工驾驶模式、远程控制模式。人工驾驶权限的优先级高于远程控制，远程控制权限的优先级高于无人驾驶权限优先级。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于无人驾驶电动汽车的整车控制器，其特征在于：包括微处理器、开关量采集模块、开关量输出模块、BDM调试接口、电源模块、模拟量采集模块、模拟量输出模块、PWM输出模块、数据存储模块、无线收发模块及GPS模块；

PWM输出模块用于对步进电机进行控制；

用于保存车辆行驶数据的数据存储模块与微处理器通过SPI进行通信；

无线收发模块通过光耦与微处理器进行通信；

GPS模块用于采集实时位置信息；

对数据进行实时采集和处理的开关量采集模块、模拟量采集模块、脉冲量采集模块均与微处理器相连；

所述开关量采集模块所采集的信号至少包括钥匙开关信号、档位控制位置信号、车辆运行模式信号、车辆部件故障信号、空调控制信号及车辆行驶的运行状态请求信号；

所述模拟量采集模块所采集的信号至少包括整车的加速踏板信号、制动踏板信号和温度传感器信号；

所述脉冲量采集模块所采集的信号至少包括发动机转速信号、发电机转速信号及主电机转速信号。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶车辆整车控制器，其特征在于，还包括用于与微处理器进行实时通信的CAN通信模块，CAN通信模块另一端与车辆的电机控制器及电池管理控制器相连，通过设定的ID地址通信端口进行数据传输。

3.根据权利要求1或2任一项所述的无人驾驶车辆整车控制器，其特征在于，所述开关量采集模块采用MC33884。

4.根据权利要求3所述的无人驾驶车辆整车控制器，其特征在于，所述光耦采用HCPL-M600。

5.根据权利要求4所述的无人驾驶车辆整车控制器，其特征在于，所述微处理器采用MC9S12XEP100。

6.根据权利要求5所述的无人驾驶车辆整车控制器，其特征在于，所述开关量输出模块采用MC33879。

7.根据权利要求4-6任一项所述的无人驾驶车辆整车控制器，其特征在于，所述无线收发模块采用SI4432PA。

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