CN108170126A - 控制系统及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制系统及汽车，属于汽车智能控制技术领域。所述控制系统包括传感模块、车身控制模块和数据处理模块。所述传感模块用于获取所述汽车的车辆行驶信息；与所述传感模块连接的车身控制模块包括优先用于控制所述车辆行驶信息的采集和传输的第一控制单元，以及优先用于控制所述汽车的行驶功能的第二控制单元；与所述车身控制模块连接的数据处理模块包括用于分析处理所述车辆行驶信息完成路径规划并基于所述路径规划生成车辆运行指令的第一处理单元。所述控制系统的所述第一控制单元和所述第二控制单元均可根据所述车辆运行指令，提高了汽车自动驾驶的容错率和安全可靠性。

Description

控制系统及汽车

技术领域

本发明涉及汽车智能控制技术领域，具体而言，涉及一种控制系统及汽车。

背景技术

随着科技水平和经济水平的迅速发展，越来越多的智能设备进入到人们的生活之中，其中，无人驾驶汽车也逐渐步入大众市场。智能无人驾驶汽车集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。

但是现有的无人驾驶汽车大多对行驶道路具有特殊要求，需要地磁等辅助设施辅助汽车进行道路识别和路线规划。此种类型的无人驾驶汽车在进行普及时，需要对道路、路标、交通指示系统等相关基础设施进行大规模的基础设施改造，会极大地耗费人力物力，成本高昂。同时，基于地磁等辅助设施的无人驾驶汽车还存在汽车本身控制系统或道路辅助设施任一出现故障时无法正常行驶，以及汽车本身控制系统为分层递阶式串行结构，容错率低、可靠性不高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制系统及汽车，以改善现有无人驾驶汽车需要配套基础道路辅助设施成本高，汽车控制系统容错率低的问题。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明提供了一种控制系统，所述控制系统包括传感模块、车身控制模块和数据处理模块。所述传感模块用于获取所述汽车的车辆行驶信息的传感模块。与所述传感模块连接的车身控制模块包括优先用于控制所述车辆行驶信息的采集和传输的第一控制单元，以及优先用于控制所述汽车的行驶功能的第二控制单元。与所述车身控制模块连接的数据处理模块，包括用于分析处理所述车辆行驶信息完成路径规划并基于所述路径规划生成车辆运行指令的第一处理单元。其中，所述第一处理单元将所述车辆运行指令传输至所述车身控制模块，以控制所述汽车行驶。

在本发明可选的实施例中，所述第一控制单元和所述第二控制单元为微控制器。

在本发明可选的实施例中，所述数据处理模块还包括第二处理单元。

在本发明可选的实施例中，所述第一处理单元和所述第二处理单元均包含图形处理器和中央处理器。

在本发明可选的实施例中，所述第一处理单元和所述第二处理单元为嵌入式计算平台。

在本发明可选的实施例中，所述控制系统还包括数据交换模块，所述数据交换模块分别与所述第一控制单元、所述第二控制单元、所述第一处理单元以及所述第二处理单元连接，构成对称多处理结构，从而使所述第一控制单元、所述第二控制单元、所述第一处理单元以及所述第二处理单元中的任意两者之间能够进行数据交换。

在本发明可选的实施例中，所述数据交换模块包括网络交换芯片和用于将外接电源装换为所述网络交换芯片所需电源的电源转换芯片。

在本发明可选的实施例中，所述传感模块包括雷达单元、图像采集单元、卫星定位单元以及姿态采集单元。

在本发明可选的实施例中，所述控制系统还包括数字集成电路模块，所述数字集成电路模块的一端与所述传感模块和所述汽车的CAN总线连接，所述数字集成电路模块的另一端与所述车身控制模块连接。

本发明还提供了一种汽车，所述汽车包括所述的控制系统。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供了一种控制系统及汽车，所述控制系统包括传感模块、车身控制模块和数据处理模块。所述车身控制模块将所述传感模块获取的信息传输至所述数据处理模块，所述数据处理模块基于所述信息完成路径规划并生成车辆运行指令，所述车身控制模块根据所述车辆运行指令以完成无人行驶；所述车身控制模块和所述数据处理模块通过数据交换模块进行高速数据传输，提高了所述控制系统的运行速度和可靠性；所述车身控制模块包括第一控制单元和第二控制单元，所述数据处理模块包括第一处理单元和第二处理单元，并通过所述数据交换模块构成对称多处理结构，在其中某个单元发生故障时其他单元能够保证所述汽车的基础行驶功能，极大地提高了所述控制系统的容错率和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明实施例提供的一种控制系统的结构示意图；

图2为本发明本实施例提供的一种传感模块的模块图；

图3为本发明实施例提供的一种数据交换模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种数字集成电路模块的连接示意图。

图标：100-控制系统；110-传感模块；112-雷达单元；114-图像采集单元；116-卫星定位单元；118-姿态采集单元；120-车身控制模块；122-第一控制单元；124-第二控制单元；130-数据处理模块；132-第一处理单元；134-第二处理单元；140-数据交换模块；150-数字集成电路模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

无人驾驶汽车是通过车载环境感知系统感知道路环境、自动规划和识别行车路线并控制车辆到达预定目标地点的智能汽车。它是利用环境感知系统来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路状况、车辆位置、和障碍物信息等，控制车辆的行驶方向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。无人驾驶汽车是传感器、计算机、人工智能、无线通信、导航定位、模式识别、机器视觉、智能控制等多种先进技术融合的综合体。

与一般的智能汽车比较，无人驾驶汽车需要具有更先进的环境感知系统、中央决策系统以及底层控制系统，无人驾驶汽车能够实现完全自主的控制、全程检测交通环境，能够实现所有的驾驶目标。驾驶员只需要提供目的地或者输入导航信息，在任何时候均不需要对车辆进行操控。

无人驾驶的阶段分为无自动(0级)、个别功能自动(1级)、多种功能自动(2级)、受限自动驾驶(3级)和完全自动驾驶(4级)五个级别。无自动，驾驶者享有完全且唯一的控制权；个别功能自动，包括例如电子稳定控制或预充电刹车等一到两个特定的控制功能；多种功能自动，包括至少两种用于共同协作减少驾驶者控制的主要基本自动控制功能，例如结合了车道中央定位功能的自适应巡航控制；受限自动驾驶，能够在特定交通或环境条件下，或较大程度上依赖车辆本身来检测外界环境的变化，或要求将控制权转回到驾驶者手中来的情况下，将驾驶者从所有安全性相关的功能中完全解放出来；完全自动驾驶，汽车能够操作所有安全性相关的驾驶功能，并在整个行驶过程中监测道路情况。就国内外情况对比而言，国外某些互联网公司已经加快了研发步伐，基本处于自动驾驶2级(多种功能自动)到自动驾驶3级(受限自动驾驶)的过渡阶段，根据各自目标规划，预计2020年前后有望推出第一批真正意义上的量产自动驾驶汽车产品；而国内无人驾驶汽车的发展整体上处于自动驾驶1级(个别功能自动)到自动驾驶2级(多种功能自动)的过渡阶段，发展明显滞后于国外。为加快提升技术水平，我国重点领域技术路线图已经将无人驾驶汽车作为汽车产业未来转型升级的重要方向之一，未来将不断加大政策支持力度。同时，随着5G建设的推进，“万物互联”将成为可能，从而为智能驾驶汽车的迅速发展奠定网络基础条件。但是现有的依赖于地磁等道路标识的无人驾驶汽车，需要投入大量的资源和人力到改造道路、更新交通系统基础设施和研发信号标识等方面，同时此类型的无人驾驶汽车存在容错率低、可靠性低的问题，严重阻碍了我国无人驾驶汽车技术的发展。同时现有的传统无人驾驶系统多采用“感知-规划-控制”分层递阶式结构，本质上是一种串联式结构，当某一个层级出现故障，系统整体性能受到影响，可靠性因此较差。为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种控制系统100。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种控制系统的结构示意图。

控制系统100包括传感模块110、车身控制模块120和数据处理模块130。传感模块110通过车身控制模块120与数据处理模块130连接。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种传感模块的模块图。

传感模块110用于获取所述汽车的车辆行驶信息，其中，所述车辆行驶信息包括路况信息和所述汽车的车辆状态信息。所述路况信息具体为所述汽车附近的图像信息、障碍物及其他车辆距离信息和卫星定位信息，作为一种实施方式，本实施例中的传感模块110对应设置有雷达单元112、图像采集单元114、卫星定位单元116以及姿态采集单元118。可选地，雷达单元112包括四个中距雷达，分别安装在所述汽车的前面、后面和两个侧面；还包括两个长距雷达，分别安装在所述汽车的前面和后面。图像采集单元114包括四个摄像，分别安装在所述汽车的前面、后面和两个侧面。卫星定位单元116可以是基于全球定位系统(GPS)或北斗定位系统(BDS)的各种定位模组芯片。姿态采集单元118可以包括陀螺仪和加速度计。

可选地，所述中距雷达和所述长距雷达可以是超声波测距雷达和激光测距雷达的组合，以进一步提高所述控制系统100的适用性。

传统的汽车只有一个车身控制器，在车身控制器发生故障时，因为传统汽车主要由用户人工进行操控，所以勉强能够在保证安全性的前提下实现汽车的短暂基本行驶控制，进行紧急停车操作。但是无人驾驶汽车在车身控制器发生故障后，可能会无法保证基础行驶功能。为了解决上述问题，本实施例提供的车身控制模块120包括第一控制单元122和第二控制单元124。作为一种实施方式，第一控制单元122和第二控制单元124相互连接，以增强控制系统100的协同控制能力。第一控制单元122优先用于控制所述车辆行驶信息的采集和传输，即在第一控制单元122和第二控制单元124都正常工作时，第一控制单元122只用于对传感模块110传输来的所述车辆行驶信息进行分类处理并传输至对应的其他模块。与此匹配的是，第二控制单元124优先用于控制所述汽车的行驶功能，即在第一控制单元122和第二控制单元124都正常工作时，第二控制单元124只用于基于车辆运行指令对所述汽车的行驶进行控制。为了实现上述控制功能，车身控制模块120还与所述汽车的CAN总线连接，以对所述汽车的基本控制运行情况和信息进行接受。CAN是控制器局域网络(ControllerArea Network,CAN)的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准(ISO 11898)，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线能够对汽车中各种电子控制子系统的数据通信进行统一、可靠的传输，适应了“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需求。

应当理解的是，第一控制单元122和第二控制单元124相互连接且拥有对方的所有控制功能，第一控制单元122和第二控制单元124其中之一出现故障时，剩下的第一控制单元122或第二控制单元124能够同时控制所述汽车的行驶功能，以及所述车辆行驶信息的采集和传输，以基于冗余容错以及降级跛行的可靠性模块化设计方法，解决部件因软硬件故障、外设变动以及应用变更时的系统重置问题，保障无人驾驶终端在满足功能性前提下的高可靠性以及降级跛行能力。其中，汽车跛行是指当汽车ECU中的电控单元出现故障时，ECU自动启用后备控制回路对发动机进行简单控制，使汽车可以开回家或是到附近的汽修厂进行修理。

可选地，第一控制单元122或第二控制单元124为MPC5748G微控制器。MPC5748G是基于PowerPC架构的三核(2个160M的e200Z4，1个80M的e200Z2核)MCU，具有较强的并行事务协同处理能力，另外拥有8路原生CAN控制器、2路以太网接口及32个DMA通道，主要用于面向汽车的中央车身控制盒网关应用。

数据处理模块130用于分析处理所述车辆行驶信息完成路径规划，并基于所述路径规划生成车辆运行指令，包括第一处理单元132。由于控制系统100需要基于传感模块110采集到的大量图像信息以及定位信息等其他类型的数据进行快速稳定地处理，第一处理单元132应同时包含图形处理器和中央处理器。

作为一种实施方式，第一处理单元132可以是，但不限于是TX2嵌入式计算平台。TX2嵌入式计算平台可被运用于无人驾驶汽车、无人机等人工智能设备，内设有CPU和GPU，支持Wifi和蓝牙，编解码支持H.265，体积小巧且功耗较低。

可选地，为了进一步提升控制系统100的跛行容错率和可靠程度，数据处理模块130还可以包括第二处理单元134。与第一处理单元132相同，第二处理单元134也可以是同时包含图形处理器和中央处理器的TX2嵌入式计算平台。进一步地，为了提高协同处理能力以及跛行能力，第一处理单元132和第二处理单元134相互连接，以进行数据通信。

请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种数据交换模块的结构示意图。

应当理解的是，所述汽车的各模块之间的数据通信速度及可靠性直接影响着控制系统100对所述汽车的控制，在保证各模块之间的通信前提下，本实施例中的第一控制单元122和第二控制单元124之间、第一处理单元132和第二处理单元134之间还需进行数据通信，即第一控制单元122、第二控制单元124、第一处理单元132和第二处理单元134四者之间需要有高速、稳定地数据传输通道。为了解决这个问题，本实施例在车身控制模块120和数据处理模块130之间还设置有数据交换模块140，数据交换模块140分别与第一控制单元122、第二控制单元124、第一处理单元132和第二处理单元134连接，构成对称多处理结构，以使上述各单元任意两者之间能够进行数据传输。对称多处理(Symmetrical Multi-Processing)简称SMP，是指在一个计算机上汇集了一组处理器(多CPU)，各CPU之间共享内存子系统以及总线结构。在这种架构中，一个处理系统不再由单个CPU组成，而同时由多个处理器运行操作系统的单一复本并共享内存和一个处理系统的其他资源。对称多处理系统将任务队列对称地分布于多个CPU之上，所有的处理器都可以平等地访问内存、I/O和外部中断，工作负载能够均匀地分配到所有可用处理器之上，从而极大地提高了整个系统的数据处理能力。

作为一种实施方式，数据交换模块140包括网络交换芯片和用于将外接电源装换为所述网络交换芯片所需电源的电源转换芯片。可选地，网络交换芯片为88E6095芯片，88E6095是拥有8个FE和3个GE接口的以太网数据交换芯片，可以构成Crossbar模式的高速数据交换互联系统；所述电源转换芯片为LM1085-5.0电源转换芯片和FAN2106电源转换芯片的组合，电源采用12V稳压电源供电，经过LM1085-5.0电源转换芯片输出5V的稳压电源，再经过3块电源转换芯片FAN2106分别输出3.3V、2.5V和1.2V的电压用来给交换芯片88E6095和其他部件供电。

在本实施例中，以所述网络交换芯片为核心结合传感器接入MCU即第一控制单元122、控制执行MCU即第二控制单元124以及数据融合与规划决策GPU即第一处理单元132和第二处理单元134构建多处理器数据互联结构，根据不同的任务层级采用模块化软件方法，合理分配处理器资源。其中传感器接入MCU与控制执行MCU处理器主要实现比较底层的传感器数据感知及执行控制任务，处理器类型完全相同、逻辑结构完全对称，互为冗余备份关系。数据融合与规划决策GPU即第一处理单元132和第二处理单元134主要实现较高层次传感器数据融合及规划决策等任务，互为冗余备份关系。其中传感器接入及控制执行接口单元根据传感器接入MCU、控制执行MCU的数据通道选择指令，合理选择数据的传输通道，有效解决系统故障情况下的处理器资源重配置问题。这种互补对称结构一方面可以有效防止某一处理单元软硬件故障下的系统可靠性问题，另一方面根据任务层级进行模块化的软件设计方法及处理器资源分配策略可以实现某一层级故障情况下的任务层次下调控制即降级跛行控制，进一步加强系统的可靠性。

进一步地，数据交换模块140还与V2V模块即车对车通信模块连接。

请参考图4，图4为本发明实施例提供的一种数字集成电路模块的连接示意图。

除了车身控制模块120和数据处理模块130的数据传输，传感模块110与车身控制模块120的连接也直接决定着控制系统100的实际控制功能。为了使传感模块110与车身控制模块120之间的数据通信高速稳定，本实施例还提供了数字集成电路模块150。数字集成电路模块150的一端分别与传感模块110和所述汽车的CAN总线连接，数字集成电路模块150的另一端与车身控制模块120连接。其中，数字集成电路模块150可以是基于CPLD的多路数据复用通道，CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。CPLD具有它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，在控制系统100中能够提供较好的复杂数据传输功能。

综上所述，本发明提供了一种控制系统及汽车，所述控制系统包括传感模块、车身控制模块和数据处理模块。所述车身控制模块将所述传感模块获取的信息传输至所述数据处理模块，所述数据处理模块基于所述信息完成路径规划并生成车辆运行指令，所述车身控制模块根据所述车辆运行指令以完成无人行驶；所述车身控制模块和所述数据处理模块通过数据交换模块进行高速数据传输，提高了所述控制系统的运行速度和可靠性；所述车身控制模块包括第一控制单元和第二控制单元，所述数据处理模块包括第一处理单元和第二处理单元，并通过所述数据交换模块构成对称多处理结构，在其中某个单元发生故障时其他单元能够保证所述汽车的基础行驶功能，极大地提高了所述控制系统的容错率和稳定性，增强了无人驾驶汽车在跛行时的安全可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制系统，其特征在于，应用于汽车，包括：

用于获取所述汽车的车辆行驶信息的传感模块，所述车辆行驶信息包括路况信息和所述汽车的车辆状态信息；

与所述传感模块连接的车身控制模块，包括优先用于控制所述车辆行驶信息的采集和传输的第一控制单元，以及优先用于控制所述汽车的行驶功能的第二控制单元；

与所述车身控制模块连接的数据处理模块，所述数据处理模块包括第一处理单元，所述第一处理单元用于分析处理所述车辆行驶信息完成路径规划，并基于所述路径规划生成车辆运行指令；所述第一处理单元将所述车辆运行指令传输至所述车身控制模块，以控制所述汽车行驶。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一控制单元和所述第二控制单元为微控制器。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述数据处理模块还包括第二处理单元。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述第一处理单元和所述第二处理单元均包含图形处理器和中央处理器。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述第一处理单元和所述第二处理单元为嵌入式计算平台。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括数据交换模块，所述数据交换模块分别与所述第一控制单元、所述第二控制单元、所述第一处理单元以及所述第二处理单元连接，构成对称多处理结构，从而使所述第一控制单元、所述第二控制单元、所述第一处理单元以及所述第二处理单元中的任意两者之间能够进行数据交换。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述数据交换模块包括网络交换芯片和用于将外接电源装换为所述网络交换芯片所需电源的电源转换芯片。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述传感模块包括雷达单元、图像采集单元、卫星定位单元以及姿态采集单元。

9.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括数字集成电路模块，所述数字集成电路模块的一端与所述传感模块和所述汽车的CAN总线连接，所述数字集成电路模块的另一端与所述车身控制模块连接。

10.一种汽车，其特征在于，所述汽车包括权利要求1-9任一权项所述的控制系统。