CN109606290B - 电动汽车的双拓扑网络化控制系统及其调度方法 - Google Patents

电动汽车的双拓扑网络化控制系统及其调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电动汽车控制技术及系统领域，具体为电动汽车的双拓扑网络化控制系统及其调度方法；包括多个车辆传感器节点、多个电机执行器节点、车辆控制器和星型网络拓扑和总线型网络拓扑；车辆传感器节点与车辆控制器之间既通过星型网络拓扑相连又通过总线型网络拓扑相连，车辆控制器与车辆执行器节点之间既通过星型网络拓扑相连又通过总线型网络拓扑相连。控制系统及控制单元中的调度器模块采用基于基本周期管理的主动调度方法，兼有容错功能。本发明可有效解决车载网络诱导的信号延时、信号不同步及网络故障问题，提高车辆网络化控制性能与容错能力，为确保电动汽车网络化控制的实时性、同步性及可靠性提供技术支持。

Description

电动汽车的双拓扑网络化控制系统及其调度方法
技术领域
本发明属于电动汽车控制技术及系统领域，具体为电动汽车的双拓扑网络化控制系统及其调度方法。
背景技术
借助于智能传感器、智能执行器、车载网络及线控技术的快速发展，电动汽车的性能获得了很大提升。当前追求高性能化、智能化和网络化已成为电动汽车技术发展的主流趋势。然而，另一方面，大量传感器、执行器、车载网络及线控技术的应用，已使电动汽车成为一种典型的多输入、多输出网络化控制系统。多传感器、车辆控制器与多执行器之间通过车载网络交换数据，形成基于车载网络控制回路。车载网络的使用将不可避免地引入信号传输延时、信号传输不同步以及车载网络故障等安全隐患。这些安全隐患将直接影响车辆控制的实时性、同步性与可靠性，成为电动汽车技术发展的新挑战。目前，现有的车载网络研究大多聚焦于解决网络延时或者冗余容错等单个问题，并未综合考虑网络诱导的实时性、同步性与可靠性问题，具有一定的局限性，无法满足电动汽车控制的实际应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提出一种电动汽车的双拓扑网络化控制系统及其调度方法，可以有效解决网络诱导的信号传输延时、信号不同步及车载网络容错问题，提高车辆控制的实时性、同步性和可靠性，为确保电动汽车控制的实际综合性能提供技术支持。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：电动汽车的双拓扑网络化控制系统，采用星型网络拓扑和总线型网络拓扑相集成的双拓扑网络化控制结构方案，包括多个车辆传感器节点、多个电机执行器节点、车辆控制器和两种拓扑车载网络；所述的两种拓扑车载网络包括星型网络拓扑和总线型网络拓扑；所述车辆传感器节点与车辆控制器之间既通过星型网络拓扑相连又通过总线型网络拓扑相连，车辆控制器与电机执行器节点之间既通过星型网络拓扑相连又通过总线型网络拓扑相连，从而形成双拓扑网络化控制系统。
所述车辆控制器包括接收模块、控制器模块、调度器模块和发送模块。其中，接收模块通过两种拓扑车载网络与车辆传感器节点连接，构成闭环控制回路的反馈通道，接收模块还与控制器模块连接；调度器模块与控制器模块连接，调度器模块还与发送模块连接；控制器模块与发送模块连接；发送模块通过两种拓扑车载网络与电机执行器节点连接，构成闭环控制回路的前向通道。所述调度器模块根据网络性能需求及网络故障情况产生相应的调度命令，并实现数据信号在适当的通道上传输，以保证控制系统的实时、可靠通讯。
进一步地，所述的调度模块采用基于基本周期的柔性实时调度方法，实现数据传输的调度管理，具体是指：所述调度模块的调度策略采用多个基本周期实现，基本周期由车辆控制器通过发送参考帧或控制帧启动，在每个基本周期内分别完成采样信号与控制信号的传输。所述基本周期的设计应满足以下调度不等式：
Tbase-cycle＞∑[max(Tmessage)]
其中，Tbase-cycle为基本周期时间长度，Tmessage表示指基本周期内的信息传输时间，∑[]表示指求和运算，max()表示求取最大值运算。
所述双拓扑网络，接受整车控制器调度模块管理，存在三种不同的网络通讯模式：第一，当反馈通道与前向通道的网络都正常时，来自传感器的采样信号在星型拓扑网络内传输，车辆控制器的控制命令信号在总线型拓扑网络内传输，即正常双拓扑模式；第二，当反馈通道网络出现故障时，采样信号与控制命令信号均在总线型拓扑网络内传输，即总线型拓扑模式；第三，当前向通道网络出现故障时，采样信号与控制命令信号均在星型拓扑网络内传输，即星型拓扑模式。以下分别讨论三种模式下基本周期设计应满足的调度不等式：
(1)在正常双拓扑模式下，两通道的基本周期设计满足以下调度不等式：
Figure GDA0002487607730000021
其中，Tmessage-schedule表示调度命令信号传输时间，Tmessage-sensor表示传感器采样信号传输时间，Tmessage-control表示控制命令信号传输时间，n表示传感器节点个数，{}表示集合。
(2)在总线型拓扑模式下，两通道的基本周期设计满足以下调度不等式：
Figure GDA0002487607730000022
(3)在星型拓扑模式下，两通道的基本周期设计满足以下调度不等式：
Figure GDA0002487607730000023
其中，m表示电机执行器节点个数。
本发明的有益效果是：
(1)采用双拓扑的网络架构：正常情况下，星型拓扑用于反馈通道，多个传感器节点可及时反馈各自的采样信号，提高实时性；总线型拓扑用于前向通道，控制器模块可通过广播的方式将控制命令发送给各个电机执行器节点，提高同步性。当某一通道的网络出现故障时，调度器模块通过适当的调度策略产生调度命令，使信号可以在另一正常通道内完成数据传输，提高可靠性。
(2)同时采用基于基本周期的柔性实时调度方法，通过设计合理的基本周期长度，实现对网络通讯的实时调度管理，有效抑制网络诱导的信号传输延时，同时通过设计合理的调度策略及多模式通信管理，保证信号传递的同步性及网络容错能力，进而有效改进电动汽车分布式驱动控制的实时性、同时性及可靠性；
附图说明
图1为实施例四轮独立驱动电动汽车的力矩分配控制原理图；
图2为车辆网络化控制系统结构原理图；
图3为实施例双拓扑网络控制系统及控制单元示意图；
图4(a)为实施例中调度策略的调度表原理图之一；
图4(b)为实施例中调度策略的调度表原理图之二；
图5(a)为采用传统控制方案的网络化控制执行效果图；
图5(b)为实施例采用本发明网络通讯方案(1)和(2)的网络化控制执行效果图；
图5(c)为实施例采用本发明网络通讯方案(3)的网络化控制执行效果图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，以某四轮分布式驱动电动汽车的力矩分配控制为例，本实施例中以常用的CAN协议车载网络为例。该系统执行力矩分配命令的过程为：四个电机传感器将采集到的车轮转速信息通过车载网络反馈传递给车辆控制器，同时车辆控制器接收来自驾驶员的指令信息，并根据获得的车辆/车轮状态信息，依据车辆动力学控制的要求以及相应的控制策略计算产生力矩控制命令，再通过车载网络(CAN)将计算得到的力矩控制命令发送给4个电机执行器节点，实现的车辆的驱动控制。该车辆的网络化控制系统结构图如图2所示，其是一种典型的多输入多输出网络化控制系统，该系统包括车辆控制器、4个电机传感器节点、4个电机执行器节点(注：实际应用中，电机传感器节点和电机执行器节点可集成在电机控制器节点总成中)、车载网络(CAN)等。由于车载网络的使用，将不可避免地引入信号传输延时、信号不同步及网络故障等安全隐患，导致车辆控制实时性与可靠性降低。
为解决上述问题，设计的四轮分布式驱动电动汽车双拓扑网络架构控制系统示意图如图3所示。所设计的双拓扑网络架构是指，车辆传感器节点与车辆控制器之间既通过星型网络拓扑相连又通过总线型网络拓扑相连，车辆控制器与电机执行器节点之间既通过星型网络拓扑相连又通过总线型网络拓扑相连，从而形成双拓扑网络化控制系统。所设计的车辆控制器包括接收模块、控制器模块、调度器模块和发送模块。其中，接收模块通过两种拓扑车载网络与车辆传感器节点连接，构成闭环控制回路的反馈通道，又与控制器模块连接；调度器模块与控制器模块连接，并与发送模块连接；控制器模块与发送模块连接；发送模块通过两种拓扑车载网络与电机执行器节点连接，构成闭环控制回路的前向通道。所设计的调度器模块根据网络性能需求及网络故障情况产生相应的调度命令，并实现数据信号在适当的通道上传输，以保证控制系统的实时、可靠通讯。
采用双拓扑网络架构，一方面可以降低网络负载率、减小网络资源竞争诱导的信号传输排队延时，提高实时性，另一方面可以提高系统的冗余容错性能，当某一通道的网络出现故障时，调度器模块通过适当的调度策略产生调度命令，使信号可以在另一正常通道内完成数据传输。因此，本发明存在三种不同的网络通讯方案：第一，当反馈通道与前向通道的网络都正常时，来自传感器的采样信号在星型网络内传输，车辆控制器的控制命令信号在总线型网络内传输；第二，当反馈通道网络出现故障时，采样信号与控制命令信号均在总线型网络内传输；第三，当前向通道网络出现故障时，采样信号与控制命令信号均在星型网络内传输。
为依据本发明所提出的调度策略对本实例设计的调度表，调度表由基本周期组成。在本实例中，设置CAN总线波特率为250kbps，系统采样周期为20ms，基本周期设置为10ms，每个采样周期包含两个基本周期，其中在第一个基本周期内完成采样信息传输的管理，第二个基本周期内完成命令信息传输的管理。根据CAN2.0B规定的消息帧格式，扩展帧长度计算公式为：
Figure GDA0002487607730000041
可知扩展帧长度最长可为160位。以下分别讨论上述三种网络通讯方案的调度策略设计：
(1)反馈通道与前向通道的网络都正常，来自传感器的采样信号在星型网络内传输，车辆控制器的控制命令信号在总线型网络内传输。
如图4(a)所示,在本例中，反馈通道中一个基本周期要完成发送4条转速信号数据帧(n＝5)和1条调度命令数据帧，前向通道中一个基本周期要完成1条控制命令数据帧：
Figure GDA0002487607730000042
即，本实例中基本周期满足调度不等式Tbase-cycle＞∑[max(Tmessage)]
(2)反馈通道网络出现故障，采样信号与控制命令信号均在总线型网络内传输。
此种情况下，调度表需满足的条件同(1)，反馈通道中一个基本周期要完成发送4条转速信号数据帧和1条调度命令数据帧(n＝5)，前向通道中一个基本周期要完成1条控制命令数据帧，计算过程同上。
即，本实例中基本周期满足调度不等式Tbase-cycle＞∑[max(Tmessage)]。
(3)前向通道网络出现故障，采样信号与控制命令信号均在星型网络内传输。
如图4(b)所示,在本例中，反馈通道中一个基本周期要完成发送4条转速信号数据帧和4条调度命令数据帧(n＝4)，前向通道中一个基本周期要完成4条控制命令数据帧(m＝4)：
Figure GDA0002487607730000051
即，本实例中基本周期满足调度不等式Tbase-cycle＞∑[max(Tmessage)]。
如图5(a)到图5(c)所示，为实施例中的网络化控制执行效果解析图，其中图5(a)为采用传统控制方案(未采用调度器)的网络化控制执行效果图，图5(b)为采用本发明所提上述网络通讯方案(1)和(2)的网络化控制执行效果图，图5(c)为采用本发明所提上述网络通讯方案(3)的网络化控制执行效果图。对比可知，本发明所提方案有效地解决了网络信息发送不同步问题，同时将网络诱导延时减少至一个采样周期内。而传统方案存在较大的不同步性和较大的时变延时。综上，所提方案在确保车轮驱动控制的实时性和同步性方面具有明显的技术优势，同时双拓扑的构型又提高了网络容错能力，可为分布式驱动电动汽车的实时、同步、可靠控制提供技术支撑。
以上所述仅为本发明的一个具体实例，本发明不仅仅局限于上述实现实施例，凡在本发明的精神和原则之所所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.电动汽车的双拓扑网络化控制系统的调度方法，所述的电动汽车的双拓扑网络化控制系统，包括多个车辆传感器节点、多个电机执行器节点、车辆控制器和两种拓扑车载网络；所述的两种拓扑车载网络包括星型网络拓扑和总线型网络拓扑；所述车辆传感器节点与车辆控制器之间既通过星型网络拓扑相连又通过总线型网络拓扑相连，车辆控制器与电机执行器节点之间既通过星型网络拓扑相连又通过总线型网络拓扑相连，形成双拓扑网络化控制系统；
所述车辆控制器包括接收模块、控制器模块、调度器模块和发送模块；所述的接收模块通过两种拓扑车载网络与车辆传感器节点连接，接收模块还与控制器模块连接；调度器模块与控制器模块连接，还与发送模块连接；控制器模块与发送模块连接；发送模块通过两种拓扑车载网络与电机执行器节点连接；所述调度器模块根据网络性能需求及网络故障情况产生相应的调度命令，并实现数据信号在适当的通道上传输，以保证控制系统的实时、可靠通讯；
所述的调度器模块采用基于基本周期的柔性实时调度方法，实现数据传输的调度管理，具体是指：所述调度器模块的调度策略采用多个基本周期实现，基本周期由车辆控制器通过发送参考帧或控制帧启动，在每个基本周期内分别完成采样信号与控制信号的传输；所述基本周期的设计应满足以下调度不等式：
Tbase-cycle＞∑[max(Tmessage)]
其中，Tbase-cycle为基本周期时间长度，Tmessage表示指基本周期内的信息传输时间，∑[]表示求和运算，max()表示求取最大值运算；
其特征在于，包括以下过程：
所述双拓扑网络，接受整车控制器调度器模块管理，存在三种不同的网络通讯模式：
第一，当反馈通道与前向通道的网络都正常时，来自传感器的采样信号在星型拓扑网络内传输，车辆控制器的控制命令信号在总线型拓扑网络内传输，即正常双拓扑模式；
第二，当反馈通道网络出现故障时，采样信号与控制命令信号均在总线型拓扑网络内传输，即总线型拓扑模式；
第三，当前向通道网络出现故障时，采样信号与控制命令信号均在星型拓扑网络内传输，即星型拓扑模式。
2.根据权利要求1所述的电动汽车的双拓扑网络化控制系统的调度方法，其特征在于，在正常双拓扑模式下，两通道的基本周期设计满足以下调度不等式：
Figure FDA0002487607720000011
其中，Tbase-cycle为基本周期时间长度，Tmessage表示指基本周期内的信息传输时间，∑[]表示指求和运算，max()表示求取最大值运算；Tmessage-schedule表示调度命令信号传输时间，Tmessage-sensor表示传感器采样信号传输时间，Tmessage-control表示控制命令信号传输时间，n表示传感器节点个数。
3.根据权利要求1所述的电动汽车的双拓扑网络化控制系统的调度方法，其特征在于，在总线型拓扑模式下，两通道的基本周期设计满足以下调度不等式：
Figure FDA0002487607720000021
其中，Tbase-cycle为基本周期时间长度，Tmessage表示指基本周期内的信息传输时间，∑[]表示指求和运算，max()表示求取最大值运算；Tmessage-schedule表示调度命令信号传输时间，Tmessage-sensor表示传感器采样信号传输时间，Tmessage-control表示控制命令信号传输时间，n表示传感器节点个数。
4.根据权利要求1所述的电动汽车的双拓扑网络化控制系统的调度方法，其特征在于，在星型拓扑模式下，两通道的基本周期设计满足以下调度不等式：
Figure FDA0002487607720000022
其中，Tbase-cycle为基本周期时间长度，Tmessage表示指基本周期内的信息传输时间，∑[]表示指求和运算，max()表示求取最大值运算；Tmessage-schedule表示调度命令信号传输时间，Tmessage-sensor表示传感器采样信号传输时间，Tmessage-control表示控制命令信号传输时间，n表示传感器节点个数，m表示电机执行器节点个数。
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