CN109298666A - 一种无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构 - Google Patents

一种无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构 Download PDF

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钱毓铃
周海鹰
董秀娟
邵俊
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Abstract

本发明属于车辆无人驾驶和车级控制器领域，公开了一种无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，采用模块化的设计方法，以两片MPC5748G单片机、两块GPU核心板及千兆以太网数据互联芯片构成SMP结构(对称多处理器结构)。本发明用于无人驾驶汽车高速行驶安全性需要的感知数据高速传输与较强运算速度及可靠性处理，具有强实时、高精度、多冗余、低功耗、传感器接口多样的特征，并实现了跛行功能；同时，大大提高了智能控制节点的通用性、可扩展性和可移植性，也减少了二次开发的成本和周期。

Description

一种无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构
技术领域
本发明属于车辆无人驾驶和车级控制器领域，尤其涉及一种无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
随着科技和经济的快速发展，为满足人们对美好生活追求，以为汽车主要代表的出行方式在未来将变得更加便捷智能，新一代的智能交通通过无人驾驶的方式取代传统的人力，把人们从劳力中解脱出来。交通变得更加安全，出行更加舒适，成为一种生活的享受。同时有序的车辆控制缓解了道路的压力，人与自然和谐一片。在工业4.0的号召下，无人驾驶更是国内外电商的宠儿，掌握核心技术，开发新一代产品，就相当于掌握了无人驾驶领域的经济的命脉。
对于无人驾驶汽车而言，其最重要的部分是控制节点，控制节点如同人类的大脑一样，协调整车的动力分配，控制车辆的运动方式，诊断与监控着汽车的运行状态。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)由于无人驾驶方式的特殊性，一般的控制节点远远不能满足数据采集强实时、传输高速率、控制高可靠、较强的数据处理和较高运算速度；
(2)功能较为单一，容错能力低，没有跛行设计；面对无人驾驶行车的复杂环境，达不到对运行环境的完全感知和故障时冗余容错操作；
(3)灵活性和通用性不够，可移植性不强；
(4)通信介质单一，不能满足不同类型的节点接入，通信网络兼容性低；
(5)集成度不高，体型不够小巧,硬件设计复杂，软件编写周期长。
解决上述技术问题的难度和意义：
难度在于：上述控制器的技术问题再进行开发和改进,也只能服务于智能辅助驾驶.而且硬件成本和软件成本也是指数增加的,也不能满足无人驾驶车辆特定控制器要求。它只适合普通驾驶的通信控制要求,无法适应未来发展需求,所以需要对智能控制节点硬件重新的架构，上述控制器也可作为辅助控制器存在。
解决现有技术后带来的意义：
利用新一代集成度和性能双高的集成模块对智能控制节点硬件重新的架构，提供一种满足无人驾驶车辆通信要求的智能控制器，是实时以太网在车载应用的重大突破，推进了无人驾驶前进的步伐，同时给软件开发技术人员的二次开发提供现实依据，加快无人驾驶领域研究的进程，以实现2020年无人驾驶落地使用的目标。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构。
本发明是这样实现的，一种无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，包括三个组成模块，分别是第一模块、第二模块和第三模块。第一模块由两片MPC5748G单片机构成；第二模块由两块GPGPU核心板TX2组成；第三模块为单片千兆以太网数据互联芯片。
MPC5748G为高度集成的安全的低功耗单片机，基于PowerPC架构的3核MCU，内部提供的多个内核可独立工作，也可以协调工作，用于智能控制节点数据采集及传输，既可以有效的采集大量的车载传感数据，还可以保证强实时性和准确性，实现整车实时监测和控制，为车辆提供安全稳定可靠的保障。
GPGPU核心板TX2是NVIDIA PascalTM架构的AI单模块超级计算机，性能等同于两台计算机，其强大的并行计算，具有更高的精度和更快的响应时间，用于处理多车载传感器数据的融合及规划决策算法的运行，用于增强车辆对复杂多样的运行环境的完全感知和反应速度。
千兆以太网数据互联芯片利用以太网为主干网络的以太网交换机，利用其高速和大数据传输的性能，为第一模块、第二模块提供强大的数据交换能力，缩短通信时间，传输提供8个FE和3个GE接口，构成Crossbar模式的高速数据交换互联系统。
智能控制节点以第一模块、第二模块及第三模块构成SMP结构(对称多处理器结构)。保证了传感器数据的高速传输、感知数据的融合及规划决策算法的运行，具有较强的实时性。对称多处理器结构可以有效的降低系统程序设计的复杂性并保证系统具有较强的容错能力、可靠性、准确性，安全性和稳定性能显著提升。
本发明可选的实施例中，所述第一模块包含的MPC5748G是基于PowerPC架构的3核MCU，内部提供的多个内核协调工作，提供较强的并行处理能力，不存在程序延时被中断影响的问题和运行速度慢的问题，保证智能控制节点实时的数据采集及高速传输，其强实时性有效的实现整车实时监测和控制。
本发明可选的实施例中，所述第一模块提供16路原生CAN控制器，可满足无人驾驶汽车车载传感器单元的CAN接口通信需求，具有良好的普适性，多类型汽车平台应用。
本发明可选的实施例中，所述第一模块提供2路以太网接口，可搭载车载实时以太网协议，使得智能控制节点具有高带宽和高信息量的数据传输；同时增强了智能控制节点的可扩展性，适应通信多样化的需求。
本发明可选的实施例中，所述第一模块提供32个DMA通道，采用与3级数据缓存块指针交换相结合的传感数据高速采集传输技术，降低了CPU的负担，有效防止资源冲突，具有较强的传感器数据完整性和传感器数据传输。
本发明可选的实施例中，所述第一模块包含的两片MPC5748G，一片实现车载传感器数据的实时采集及高速传输。另一片完成控制算法的实现及无人驾驶汽车的跛行控制。当智能控制节点中的一路电控单元出现故障时，降级“跛行”的可靠设计，使汽车可以开回家或是到附近的汽修厂进行修理，使得系统具有较强的容错能力及可靠性，安全性能显著提升。
本发明可选的实施例中，所述第二模块用于处理多车载传感器数据的融合，具有较强的并行数据处理能力，保证了感知数据的融合及规划决策算法的运行；用于增强车辆对复杂多样的运行环境的完全感知和反应速度，无人驾驶车辆可以灵活自如的面对不同的复杂工况。
本发明可选的实施例中，所述第三模块提供8个FE(快速以太网)和3个GE(千兆以太网)接口，构成Crossbar(交叉开关)模式的高速数据交换互联系统。
本发明可选的实施例中，所述第一模块、第二模块及第三模块相结合，组成对称多处理器结构，具有较强的事务协同处理能力，高速数据交换能力及并行数据处理能力；可在一方出现故障时代替另一方正常工作，并实现降级“跛行”的可靠设计，使汽车可以开回家或是到附近的汽修厂进行修理，从而有效保证系统的鲁棒性、安全性及可靠性；网络具有较强的容错能力、低响应时间、高带宽和可扩充性。
本发明另一目的在提供一种搭载所述无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构多类型汽车驾驶控制平台。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明采用模块化的设计方法，以两片MPC5748G单片机、两块GPU核心板及千兆以太网数据互联芯片构成SMP结构(对称多处理器结构)。用于无人驾驶汽车高速行驶安全性需要的感知数据高速传输与较强运算速度及可靠性处理，具有强实时、高精度、多冗余、低功耗、传感器接口多样的特征，并实现了跛行功能；同时，大大提高了智能控制节点的通用性、可扩展性和可移植性，也减少了二次开发的成本和周期。
本发明使用的模块均为低功耗，高性能，扩展性高；
MPC5748G的多核处理器并行运算，数据采集量大，传输速率高；
高性能TX2的处理能力强，实现感知数据的融合及规划决策算法的运行；
DMA与3级数据缓存块指针交换相结合的高速数据传输，降低CPU的负荷。
多CAN接口满足无人驾驶车载传感器挂载需求，可移植性高；
基于千兆以太网数据互联芯片的以太网高速数据交换，传输数据包大，实时性高；
对称多处理器结构具有较强的容错能力及可靠性，并实现降级“跛行”的可靠设计，保证了故障时汽车的性能处于较高的水平，安全性能显著。
附图说明
图1是本发明实施例提供的无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构图。
图2是本发明实施例提供的DMA与3级数据缓存块指针交换相结合的高速数据传输流程图。
图3是本发明实施例提供的基于冗余容错以及降级“跛行”的可靠模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于无人驾驶方式的特殊性，一般的控制节点远远不能满足数据采集强实时、传输高速率、控制高可靠、较强的数据处理和较高运算速度；灵活性和通用性不够，可移植性不强；功能较为单一，容错能力低，没有跛行设计；面对无人驾驶行车的复杂环境，达不到对运行环境的完全感知和故障时冗余容错操作。
下面结合具体实施例对本发明的应用作进一步描述。
本发明专利提供了一种无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，所述架构包括三个组成模块，分别是第一模块、第二模块和第三模块。第一模块由两片MPC5748G单片机构成；第二模块由两块GPGPU核心板TX2组成；第三模块为单片千兆以太网数据互联芯片。
MPC5748G为高度集成的安全的低功耗单片机，基于PowerPC架构的3核MCU，内部提供的多个内核可独立工作，也可以协调工作，用于智能控制节点数据采集及传输，既可以有效的采集大量的车载传感数据，还可以保证强实时性和准确性，实现整车实时监测和控制，为车辆提供安全稳定可靠的保障。
GPGPU核心板TX2是NVIDIA PascalTM架构的AI单模块超级计算机，性能等同于两台计算机，其强大的并行计算，具有更高的精度和更快的响应时间，用于处理多车载传感器数据的融合及规划决策算法的运行，用于增强车辆对复杂多样的运行环境的完全感知和反应速度。
千兆以太网数据互联芯片利用以太网为主干网络的以太网交换机，利用其高速和大数据传输的性能，为第一模块、第二模块提供强大的数据交换能力，缩短通信时间，传输提供8个FE和3个GE接口，构成Crossbar模式的高速数据交换互联系统。
智能控制节点以第一模块、第二模块及第三模块构成SMP结构(对称多处理器结构)。上述模块保证了传感器数据的高速传输、感知数据的融合及规划决策算法的运行，具有低响应时间和较强的实时性。对称多处理器结构可以有效的降低系统程序设计的复杂性并保证系统具有较强的容错能力、可靠性、准确性，安全性和稳定性能显著提升。智能控制节点硬件架构图如图1所示，DMA与3级数据缓存块指针交换相结合的高速数据传输流程图如图2所示，基于冗余容错以及降级“跛行”的可靠模块示意图如图3所示。
所述第一模块包含的MPC5748G是基于PowerPC架构的3核MCU，内部提供的多个内核协调工作，提供较强的并行处理能力，不存在程序延时被中断影响的问题和运行速度慢的问题，保证智能控制节点实时的数据采集及高速传输，其强实时性有效的实现整车实时监测和控制。
所述第一模块提供16路原生CAN控制器，可满足无人驾驶汽车车载传感器单元的CAN接口通信需求，具有良好的普适性，多类型汽车平台应用。
本发明可选的实施例中，所述第一模块提供2路以太网接口，可搭载车载实时以太网协议，使得智能控制节点具有高带宽和高信息量的数据传输；同时增强了智能控制节点的可扩展性，适应通信多样化的需求。
所述第一模块提供32个DMA通道，采用与3级数据缓存块指针交换相结合的传感数据高速采集传输技术，降低了CPU的负担，有效防止资源冲突，具有较强的传感器数据完整性和传感器数据传输。
所述第一模块包含的两片MPC5748G，一片实现车载传感器数据的实时采集及高速传输。另一片完成控制算法的实现及无人驾驶汽车的跛行控制。当智能控制节点中的一路电控单元出现故障时，降级“跛行”的可靠设计，使汽车可以开回家或是到附近的汽修厂进行修理，使得系统具有较强的容错能力及可靠性，安全性能显著提升。
所述第二模块用于处理多车载传感器数据的融合，具有较强的并行数据处理能力，保证了感知数据的融合及规划决策算法的运行；用于增强车辆对复杂多样的运行环境的完全感知和反应速度，无人驾驶车辆可以灵活自如的面对不同的复杂工况。
本发明可选的实施例中，所述第三模块提供8个FE(快速以太网)和3个GE(千兆以太网)接口，构成Crossbar(交叉开关)模式的高速数据交换互联系统。
本发明可选的实施例中，所述第一模块、第二模块及第三模块相结合，组成对称多处理器结构，具有较强的事务协同处理能力，高速数据交换能力及并行数据处理能力；可在一方出现故障时代替另一方正常工作，并实现降级“跛行”的可靠设计，使汽车可以开回家或是到附近的汽修厂进行修理，从而有效保证系统的鲁棒性、安全性及可靠性；网络具有较强的容错能力、低响应时间、高带宽和可扩充性。
下面结合具体实施例对本发明的应用作进一步描述。
本实施例中，将智能控制节点接入车辆并组成车载网络。如图1所示，接入中距雷达、长距雷达、摄像头以及惯导，通过CAN总线与车载传感器连接。所获得的CAN数据经过处理转换为Ethernet数据通过以太网交换机传输到TX2处理单元。TX2通过算法数据融合运算之后，把规划决策的数据通过以太网传输出去，再利用CAN总线传输到各个执行器件，实现对环境的实时感知与车辆行驶姿态的控制；经验证，车辆可循迹并识别路障，实现特定场合的无人驾驶，反应速度灵敏，与传统控制节点相比，实现更为稳定、精准、快速，安全性高。
本实施例中，通过3种条件下的错误测试。第一种，即断开第一模块其中一片单片机，模拟单片MPC5748G发生故障；第二种，即断开第二模块其中一块GPGPU核心板TX2，模拟GPGPU核心板TX2发生故障；第三种，即断开第一模块其中一片单片机和第二模块其中一块GPGPU核心板TX2，模拟智能控制节点最低性能时候的工作状况。经上述错误测试验证，在“跛行条件下”，系统的整体性能均没有太多的降低，仍可以高效的完成指定项目，安全可靠的保障人身和车辆的安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，其特征在于，所述无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，包括：
第一模块，包括两片单片机；用于智能控制节点数据采集及传输，并进行整车实时监测和控制；
第二模块，包括两块核心板TX2；用于车辆对复杂多样的运行环境的完全感知和反应速度调整；
第三模块，为单片千兆以太网数据互联芯片，为第一模块、第二模块提供数据交换进程，并提供多个FE和多个GE接口，构成Crossbar模式的高速数据交换互联系统；
第一模块、第二模块及第三模块构成SMP结构；用于传感器数据的传输、感知数据的融合及规划决策算法的运行。
2.如权利要求1所述的无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，其特征在于，
第一模块的单片机为基于PowerPC架构的3核MCU，内部提供的多个内核用于协调工作，用于智能控制节点实时的数据采集及传输，实现整车实时监测和控制。
3.如权利要求1所述的无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，其特征在于，所述第一模块还提供16路原生CAN控制器，用于满足无人驾驶汽车车载传感器单元的CAN接口通信。
4.如权利要求1所述的无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，其特征在于，所述第一模块还提供2路以太网接口，搭载车载实时以太网协议，用于智能控制节点进行数据传输。
5.如权利要求1所述的无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，其特征在于，所述第一模块提供32个DMA通道，采用与3级数据缓存块指针交换相结合的传感数据高速采集传输技术，进行传感器数据传输；
两片单片机，一片实现车载传感器数据的实时采集及高速传输；另一片完成控制算法的实现及无人驾驶汽车的跛行控制；当智能控制节点中的一路电控单元出现故障时，降级跛行的可靠设计，使汽车进行修理。
6.如权利要求1所述的无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，其特征在于，所述第二模块用于处理多车载传感器数据的融合及规划决策算法的运行；用于增强车辆对复杂多样的运行环境的完全感知和反应速度。
7.如权利要求1所述的无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构，其特征在于，所述第三模块提供8个FE和3个GE接口，构成Crossbar模式的高速数据交换互联系统。
8.一种搭载权利要求1所述无人驾驶汽车智能控制节点硬件架构多类型汽车驾驶控制平台。
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