CN107367982A - 基于嵌入式的低速电动车智能驾驶控制系统 - Google Patents
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Abstract
种基于嵌入式的低速电动车智能驾驶控制系统，通过多套控制单元对系统的监控，在工作控制单元与候选控制单元之间切换，提高了系统的可靠性和稳定性。另外，在电动车的原有基础上增加机械结构对电动车进行控制，方便了对电动车的改装，同时也提高了电动车的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车智能驾驶领域的技术领域，更具体地，涉及一种基于嵌入式的低速电动车智能驾驶控制系统。
背景技术
一般来说，汽车智能驾驶主要用到的技术有脉冲宽度调制（PWM），PID控制，嵌入式系统。其中，嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，升级换代也是同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。
发明内容
现有技术中，系智能驾驶控制统容错机制和稳定性差，一旦主要的控制系统故障全车就会进入瘫痪。另外，安全性较差，一旦行驶途中电路出现故障难以快速反应做出保证安全的操作。
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种给智能车提供一个安全稳定的，保护车原有电路，低成本，可移植的底层控制解决方案。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是如下。
一种基于嵌入式的低速电动车智能驾驶控制系统，其包括：操作系统和多组控制单元；
其中，所述操作系统包括油门控制系统、制动控制系统和转向控制系统中的一个或多个；
所述多组控制单元中的一组为工作控制单元，其余的为候选控制单元；
所述工作控制单元控制所述操作系统工作，并按照固定的周期频率通过特定频道发送组播数据包；
所述候选控制单元监听所述工作单元发送的组播数据包信息；
当所述候选控制单元在超过规定时间仍未接收到所述工作控制单元发送的组播数据包信息时，所述候选控制单元按照预设的接管顺序接管所述工作控制单元的工作。
进一步，所述智能驾驶控制系统还包括车载传感器；所述工作控制单元根据读取到的车载传感器数据和接收上层应用的控制指令控制操作系统工作；所述候选控制单元也读取车载传感器数据。
进一步，所述油门控制系统包括：第一钢绳、第一杠杆和第一步进电机；第一钢绳与第一杠杆的一端固定所述电动车的油门踏板，另一端连接第一步进电机；所述工作控制单元控制第一步进电机转动指定步数以拉动油门踏板向下、压下或者抬起，实现对车辆加速的准确控制。
进一步，所述制动控制系统包括：第二钢绳、第二杠杆和第二步进电机；第二钢绳与第二杠杆的一端固定所述电动车的制动踏板，另一端连接第二步进电机；所述工作控制单元控制第二步进电机转动指定步数以拉动制动踏板向下、压下或者抬起，实现对车辆制动的准确控制。
进一步，在电动车的方向柱下方安装大扭矩直流电机并搭配角度传感器；控制层的程序读取传角度感器数值并转换为当前电机的转向角度，并根据预期转角和当前转角调整对电机的控制策略，利用基于分层的模糊PID控制算法使得电机转动带动原车的方向柱转动，最终实现对车辆转向角度的准确控制。
进一步，将电动车的刹车状态开关信号线、当前油门电压信号线以及车速传感器的信号线接出，通过特定控制板的接口和程序，能够获得包括刹车状态、油门电压以及当前车速等车辆当前的状态信息，从而能够为上层应用提供车辆行驶的重要数据。
进一步，所述车载传感器包括：用于测量车速的轮速传感器、用于测量制动踏板状态的电源传感器、用于测量油门电压值的传感器、用于测量方向柱转向的角度传感器、Basler相机、Velodyne16线激光雷达和/或毫米波雷达。
与现有技术相比，有益效果是：一、使用机械控制，最大程度保证安全性；二、自动驾驶模式下多套控制单元同时工作，在低成本低功耗的前提下，增加了提高安全性的备份冗余，极大程度地提高了平台的安全性和稳定性。
附图说明
图1是本发明多套控制单元协同工作示意图。
图2是本发明电动车逻辑电路。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1，对原电动车的改造方式与控制机械的设计如下。
本发明创造将一辆订做的电动车进行如下改造，并添加了钢绳与杠杆的控制机械：
（1）在油门踏板和制动踏板处安装钢绳与杠杆。钢绳与杠杆的一端固定踏板，另一端对应地连接两台大扭矩的步进电机。控制层的程序接收上层应用的指令并控制步进电机转动指定步数拉动踏板向下压下或者抬起，从而实现对车辆制动和加速的准确控制。
（2）在电动车的方向柱下方安装大扭矩直流电机并搭配角度传感器。控制层的程序读取传感器数值并转换为当前电机的转向角度，并根据预期转角和当前转角调整对电机的控制策略，利用基于分层的模糊PID控制算法使得电机转动带动原车的方向柱转动，最终实现对车辆转向角度的准确控制。
（3）将电动车的刹车状态开关信号线、当前油门电压信号线以及车速传感器的信号线接出，通过特定控制板的接口和程序，能够获得包括刹车状态（是否进行制动）、油门电压（当前加速踏板的工作情况）以及当前车速等车辆当前的状态信息，从而能够为上层应用提供车辆行驶的重要数据。
如图2所示，本发明控制电路的设计如下。
本发明创造利用若干继电器、电阻丝等电路元件，将电动车原装的电压分出多路。该电压分为三个方面供车辆使用：
1）为用于自动驾驶的直流电机和步进电机供电
该部分电压用于提供为油门踏板与制动踏板步进电机以及控制转向的直流电机供电，此部分电路通过继电器开关实现对电路关闭与否的控制。
（1）当继电器开关闭合的时候，控制电机供电，车辆根据上层指令与控制层程序可以进行自动行驶；
（2）当继电器开关断开的时候，停止对直流电机与转向电机供电，电机的转子处于松弛状态，关闭了对踏板和转向方向柱的控制。此时为正常的人工驾驶模式，驾驶员可正常控制车辆；因此继电器可以直接作为自动驾驶和人工驾驶的切换开关。
2）为低工作电压的用电器供电
该部分电压接线可以直接为低功率的用电器供电：例如可以为工作电压为5V的控制板供电、可以为工作电压为12V的车载显示器供电、可以为工作电压为12V的车载路由器供电、可以为工作电压为12V的basler相机供电以及可以为工作电压为12V的激光雷达供电。
3）为高工作电压的用电器供电
该部分电压通过逆变器将电压升高至220V交流电压，为上层的车载应用：例如笔记本电脑等用电器供电。
其中第二部分和第三部分的用电都是随着车辆电源开启就直接供电，无需经过状态开关切换。这样能够保证即使在人工驾驶的模式下，上层传感器仍然能够正常工作，进行数据的采集，方便驾驶信息的采集和上层应用的调试。保证在人工模式下，仍然能够为某些特定的车载应用提供支持，例如辅助驾驶但无法做出具体决策的应用。这类应用通常只需要收集车载传感器数据即可。
另外，本发明创造在执行器、控制部分与上层应用的接口部分，使用了多种传感器进行数据的采集，一方面有利于协助完成准确的控制，另一方面为上层应用封装了数据接口，可以直接通过车载网络等方式获得有价值的车辆行驶过程中的各种数据。
这些传感器包括：
（1）测量车速的轮速传感器：该传感器返回的是车轮在单位时间内转动的圈数，以脉冲的形式展现出来，只需要通过单片机计算单位时间内的脉冲个数即为车轮的转数r，再根据公式C=2πR * r即可计算出来单位时间内车轮转动的长度即为车速，其中R代表车轮的半径，可以通过直接测量得到，该传感器在车辆电源开启后直接工作。
（2）测量制动踏板状态的电源传感器：该传感器通过检测制动踏板是否踩下，返回高或者低电平，控制板通过检测高低电平获得当前刹车踏板状态，数据通过AD/DA模块进行测量读取，该传感器在车辆电源开启后直接工作。
（3）测量油门电压值的传感器：该传感器读取油门的踏板踩下所产生的模拟电压值，由于电动车的油门系统完全属于电控系统，因此踏板踩下之后会由车辆自身的DA模块产生0-5V的模拟电压值。该传感器能够将模拟电压值返回给上层的AD/DA测量模块，从而得到当前油门踩下的程度。数据通过AD/DA模块进行测量读取，该传感器在车辆电源开启后直接工作。
（4）测量方向柱转向的角度传感器：该传感器是一个编码器，角度范围是0-1024对应圆周的一圈360°。该角度传感器与转向直流电机进行绑定，并且传感器能够随直流电机的转子旋转，从而检测到旋转值。直流电机左右转动至最大，记录此时传感器的读数，并将其映射到左右720°（电动车方向盘的左右最大转向角度）即可以通过该角度传感器得到此时转向的情况。数据以串口的形式进行读取传输，该传感器在车辆电源开启后直接工作。
（5）Basler相机：该传感器固定在驾驶员座位正上方，由于拍摄和采集驾驶员视野的前方道路信息。该传感器通过12V供电电压在车辆电源开启后直接工作，并通过以太网连接上层计算机，辅助壁障、定位等功能。该传感器在车辆电源开启后直接工作。
（6）Velodyne16线激光雷达：该传感器固定在电动车车顶正上方的架子上面，由于扫描电动车行驶的过程中远距离的障碍物，以3D点云的数据格式通过以太网连接上层计算机，辅助壁障、定位等功能。该传感器在车辆电源开启后直接工作，探测距离在5米左右。
（7）毫米波雷达：该传感器固定在电动车车前正中间，用于检测前方车辆的距离。该传感器在车辆电源开启后直接工作，探测距离在30米以内。
如图1所示，控制单元的具体实现。本发明创造用到的控制板包括：树莓派3台，树莓派ADS1256 AD/DA拓展板3台，arduino单片机6台。每台树莓派连接1台ADS1256拓展板，再通过USB转串口连接2台arduino单片机，组成1套控制单元。电动车上面共放置3套控制单元，当其中1套出现宕机的情况，有第2套控制单元及时启动并接管车辆的控制。
（1）三台树莓派接通5V电源持续供电，它的显示直接通过HDMI接线连接到12V的触屏车载显示器，搭配无线鼠标和键盘即可对其进行操作。三台树莓派均连接：测量车速轮速传感器、测量制动踏板状态的电源传感器、测量油门电压值的传感器以及测量方向柱转向的角度传感器。
（2）三台树莓派均通过车载路由器连接到车内局域网，树莓派利用此局域网，在不同的工作频道下，不断接收和发布两套组播消息。组播包的内容分别是上层应用发布的控制指令与树莓派采集的车载传感器的数据；当前进行工作的树莓派编号。前一套组播数据包用于实现上层应用与本控制平台的信息交互，后者用于三台树莓派自我检测：当前整个控制系统的工作情况。
（3）每台树莓派连接1台ADS1256的拓展模块，将树莓派原有的GPIO管脚转换为部分可以进行模拟信号读取的管脚，用于读取传感器的数据。每台树莓派通过串口转USB读取角度传感器的读数，通过ADS1256模块读取测量的油门电压值，通过ADS1256模块读取测量的制动踏板状态值，通过ADS1256模块读取测量车速的轮速传感器的数值。每台树莓派通过内置串口ttyACM0与ttyACM1连接两台arduino单片机，树莓派与两台单片机之间通过串口进行通信。
（4）树莓派通过局域网接收到上层应用传来的组播控制指令数据包之后，将其进行解析：获取数据包内的加速踏板指令、制动踏板指令与转向角度指令。接下来程序将三个指令量化，作为此轮控制的目标，参考传感器传回当前的车辆状态值，利用基于分层的模糊PID控制算法，通过串口向arduino发出电机转动的指令。在每轮控制结束的时候，树莓派再将此轮车载传感器采集的数据以组播包的形式发布出去。即上层应用与本控制平台之间只需通过车载局域网组播的形式即可进行通信。
（5）为了保证系统的高可靠性和安全性，为了防止在形式过程中出现突然宕机的情况，本系统用了3套控制单元，这3套单元可以通过车载网络进行实时地通信与检测，了解当前整个系统的工作情况和当前正在工作的树莓派编号，在出现意外的时候可以随时替换。
自动驾驶模式下多套控制单元同时工作，该平台具备控制单元自我检测、自我备份的功能，能够防止单独一套设备宕机而出现车辆失控的情况，有很好的的。本发明创造在一部改装的电动车上面部署3套完全相同的控制单元，由于嵌入式设备的低成本、稳定性、低功耗等优点，在电动车上面部署多套相同的控制单元。但这种做法足够可以保证系统的安全性和稳定性。3套控制单元有各自的编号，分别为0号、1号和2号，并且能够依靠车载路由器的局域网进行组播通信。三套控制单元同时启动控制程序，初始化之后，首先由0号机器进行工作，正在工作的控制单元能够正常读取车载传感器数据和接收上层应用的控制指令，通过arduino单片机和ADS1256模块发送电机转动的控制信号，并且按照固定的周期频率通过特定频道发送组播数据包，该数据包里面的内容是当前正在工作的控制单元编号。其余没有工作的控制单元此刻只读取车载传感器数据和监听正在工作的控制单元发出的组播信息，这一类控制单元我们称为候选控制单元。每一个候选控制单元的程序中有一个计时器，当计时器超过规定时间没有收到工作控制单元的组播信息，此时则可以认为工作控制单元出现问题，发生了宕机的情况。在这种情况下，候选控制单元按照编号的顺序：根据工作控制单元的编号和自身的编号，自动进行接管工作。候选控制单元接管控制后，开启监听上层应用的控制信息以及开启对底层发送控制信号的线程。并且与先前的工作单元机制相同，以固定的周期频率发送含有自身编号的组播信息，代表当前正在执行工作的控制单元。通过这种方式，每辆电动车携带3套可以自我检测自我替换的控制单元，在低成本低功耗的前提下，增加了提高安全性的备份冗余，极大程度地提高了平台的安全性和稳定性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于嵌入式的低速电动车智能驾驶控制系统，其包括：操作系统和多组控制单元；
其中，所述操作系统包括油门控制系统、制动控制系统和转向控制系统中的一个或多个；
所述多组控制单元中的一组为工作控制单元，其余的为候选控制单元；
所述工作控制单元控制所述操作系统工作，并按照固定的周期频率通过特定频道发送组播数据包；
所述候选控制单元监听所述工作单元发送的组播数据包信息；
当所述候选控制单元在超过规定时间仍未接收到所述工作控制单元发送的组播数据包信息时，所述候选控制单元按照预设的接管顺序接管所述工作控制单元的工作。
2.根据权利要求1所述的智能驾驶控制系统，其特征在于：所述智能驾驶控制系统还包括车载传感器；所述工作控制单元根据读取到的车载传感器数据和接收上层应用的控制指令控制操作系统工作；所述候选控制单元也读取车载传感器数据。
3.根据权利要求1或2所述的智能驾驶控制系统，其特征在于：所述油门控制系统包括：第一钢绳、第一杠杆和第一步进电机；第一钢绳与第一杠杆的一端固定所述电动车的油门踏板，另一端连接第一步进电机；所述工作控制单元控制第一步进电机转动指定步数以拉动油门踏板向下、压下或者抬起，实现对车辆加速的准确控制。
4.根据权利要求1或2所述的智能驾驶控制系统，其特征在于：所述制动控制系统包括：第二钢绳、第二杠杆和第二步进电机；第二钢绳与第二杠杆的一端固定所述电动车的制动踏板，另一端连接第二步进电机；所述工作控制单元控制第二步进电机转动指定步数以拉动制动踏板向下、压下或者抬起，实现对车辆制动的准确控制。
5.根据权利要求1或2所述的智能驾驶控制系统，其特征在于：在电动车的方向柱下方安装大扭矩直流电机并搭配角度传感器；控制层的程序读取传角度感器数值并转换为当前电机的转向角度，并根据预期转角和当前转角调整对电机的控制策略，利用基于分层的模糊PID控制算法使得电机转动带动原车的方向柱转动，最终实现对车辆转向角度的准确控制。
6.根据权利要求2所述的智能驾驶控制系统，其特征在于：所述车载传感器包括：用于测量车速的轮速传感器、用于测量制动踏板状态的电源传感器、用于测量油门电压值的传感器、用于测量方向柱转向的角度传感器、Basler相机、Velodyne16线激光雷达和/或毫米波雷达。
7.根据权利要求6所述的智能驾驶控制系统，其特征在于：将电动车的刹车状态开关信号线、当前油门电压信号线以及车速传感器的信号线接出，通过特定控制板的接口和程序，能够获得包括刹车状态、油门电压以及当前车速等车辆当前的状态信息，从而能够为上层应用提供车辆行驶的重要数据。
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