CN109698780B - 一种无人驾驶车辆通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无人驾驶车辆通信系统，属于无人驾驶技术领域，解决了现有智能车通信系统结构可拓展性弱、各模块间数据传输效率较低的问题。包括上层通信系统和底层通信系统，上层通信系统包括数据交换设备、以太网CAN转换模块、CAN1网络；数据交换设备接收环境及定位信息并发送至工控机，工控机生成车辆运行控制量，并经以太网CAN转换模块转换为CAN信号、经CAN1网络发至底层通信系统；底层通信系统包括CAN2网络、CAN3网络，整车控制器通过CAN1网络接收车辆运行控制量、与能量控制器进行信息交互；整车控制器通过CAN2网络与整车控制底层驱动设备通信；能量控制器通过CAN3网络与能量控制底层驱动设备通信。该系统便于功能拓展，数据传输速率快，网络负载率低。

Description

一种无人驾驶车辆通信系统
技术领域
本发明涉及无人驾驶技术领域，尤其涉及一种无人驾驶车辆通信系统。
背景技术
随着现代科学技术的飞速发展，各高新技术正快速的运用到人们的生产实践中。其中，在智能化和清洁化的主题号召下，电动汽车和无人车高速发展，同时，基于线控的电传动的车辆平台在智能车的技术实现上具备优势。车辆智能化的需求对车载通信系统在传输大量数据时的准确性和及时性提出较高要求。
而目前智能车平台通信系统单一，结构可拓展性不强，无法满足多传感器智能平台各模块间的数据高效传输。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种无人驾驶车辆通信系统，用以解决现有智能车平台通信系统结构可拓展性不强、各模块间数据传输效率较低的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种无人驾驶车辆通信系统，包括上层通信系统和底层通信系统，其中，
所述上层通信系统包括数据交换设备、以太网CAN转换模块、CAN1网络；其中，所述数据交换设备用于接收环境及定位信息，并将所述环境及定位信息发送至工控机，工控机处理所述环境及定位信息得到车辆运行控制量，所述车辆运行控制量经由所述以太网CAN转换模块转换为CAN信号后，通过所述CAN1网络发送至底层通信系统；
所述底层通信系统包括CAN2网络、CAN3网络，整车控制器通过所述CAN1网络接收所述车辆运行控制量、与能量控制器进行信息交互；所述整车控制器通过所述CAN2网络与整车控制底层驱动设备进行通信；所述能量控制器通过所述CAN3网络与能量控制底层驱动设备进行通信。
本发明有益效果如下：本实施例提供的无人驾驶车辆通信系统，将大量通信数据分配到多个CAN网中进行处理，进行针对性通信，有效降低了CAN网络的负载量，保证了CAN通信网络的高效性。同时，本实施例通过模块化设计实现分散通信的方案，便于功能拓展，能够适应更多的应用场景。此外，该通信网络结构简单清晰，利于进行大量的数据交互，能很好地保证数据通信的及时性和高效性，且该机构的可移植性和适应性较强，对于不同的车辆平台，可沿用该通信架构，且针对传感器的增减的适应性足够大，在单个传感器缺失的情况下，不影响其他模块的正常工作。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述数据交换设备分别与接收激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、摄像头、GPS接收机相连，接收激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、摄像头采集的环境信息及GPS接收机采集的GPS定位信息；
所述数据交换设备通过Nport与惯性导航系统相连；所述惯性导航系统接收GPS接收机发送的GPS定位信息，处理得到车辆姿态信息，通过所述Nport发送至所述数据交换设备。
采用上述进一步方案的有益效果是：数据交换设备用于负责该网段下各设备信息的中转，用于保证通信的实时性。
进一步，所述工控机包括感知工控机，所述感知工控机处理接收到的所述环境信息，得到当前车辆所处的环境信息；所述感知工控机处理接收到的所述定位信息，得到当前车辆自身的位置信息。
进一步，所述工控机还包括规划控制工控机，所述规划控制工控机接收并处理所述感知工控机发送的车辆所处的环境信息、车辆自身的位置信息以及所述数据交换设备发送的车辆姿态信息，规划出当前车辆的行驶路径、行驶速度、转向程度。
采用上述进一步方案的有益效果是：感知工控机负责感知层面的数据处理，规划控制工控机负责规划层面和控制层面的信息处理，通过将不同层面的处理过程分开进行，实现模块化设计，可拓展性较强，便于设备维护及调试，同时，在代码维护层面，可实现代码的模块化，便于算法的拓展研究。
进一步，所述规划控制工控机输出的当前车辆的行驶速度规划结果、转向程度规划结果，经由所述以太网CAN转换模块转换为CAN信号后，经由所述以太网CAN转换模块转换为CAN信号，通过CAN1网络发送至所述整车控制器。
进一步，所述CAN2网络用于将整车控制底层驱动设备的控制量下发至所述整车控制底层驱动设备；所述整车控制底层驱动设备的控制量由所述整车控制器根据行驶速度规划结果、转向程度规划结果处理得到；
所述整车控制底层驱动设备接收所述整车控制底层驱动设备的控制量，驱动所述整车控制底层驱动设备工作，改变车辆的行驶状态；同时，所述CAN2网络，还用于将所述整车控制底层驱动设备自身的状态反馈信息上传至所述整车控制器。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过通信连接和通信内容的设计，有效降低信息冗余，使得各底层驱动设备可进行高效通讯，同时，通信结构的模块化设计可保证该结构具有较强鲁棒性，便于维护和开发。
进一步，所述CAN1网络还用于将能量控制器的控制量发送至能量控制器；所述能量控制器的控制量由所述整车控制器根据所述当前车辆行驶速度规划结果、转向程度规划结果处理得到；
所述CAN1网络，还用于将所述能量控制器自身的状态反馈信息通过所述CAN1网络发送至所述整车控制器。
进一步，所述CAN3网络用于将能量控制底层驱动设备的控制量下发至所述能量控制底层驱动设备；所述能量控制底层驱动设备的控制量由能量控制器根据所述能量控制器的控制量处理得到；
所述能量控制底层驱动设备接收所述能量控制底层驱动设备的控制量，驱动所述能量控制底层驱动设备工作，为无人驾驶车辆的运行提供能量；同时，所述CAN3网络，还用于将所述能量控制底层驱动设备自身的状态反馈信息上传至所述能量控制器。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过通信连接和通信内容的设计，在现有的设备能力情况下保证通信网络的最优化，同时实现通信信息的高效传输，降低信息冗余度。使得在满足车辆各设备的信息交互要求的情况下保证通信网络中的负载率最低，如CAN网负载率，通过网络的优化和信息内容的必要简化，能够有效降低负载率。
进一步，所述整车控制底层驱动设备进一步包括：双侧驱动电机控制系统、双侧两挡自动变速箱系统、制动控制系统，所述各整车控制底层驱动设备利用CAN2网络、采取广播的形式与所述整车控制器进行信息传输。
进一步，所述能量控制底层驱动设备进一步包括：APU系统、动力电池组管理系统、一体化电源系统、冷却系统，所述各能量控制底层驱动设备利用CAN3网络、采取广播的形式与所述能量控制器进行信息传输。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中的无人驾驶车辆通信系统示意图；
图2为本发明实施例中的无人驾驶车辆上层通信系统示意图；
图3为本发明实施例中的无人驾驶车辆底层通信系统示意图；
图4为本发明实施例中的整车控制器与驱动电机控制系统通信过程示意图；
图5为本发明实施例中的整车控制器与双侧两挡自动变速箱系统通信过程示意图；
图6为本发明实施例中的整车控制器与制动控制系统通信过程示意图；
图7为本发明实施例中的整车控制器与能量控制器通信过程示意图；
图8为本发明实施例中的能量控制器与一体化电源系统通信过程示意图；
图9为本发明实施例中的能量控制器与冷却系统通信过程示意图；
图10为本发明实施例中的能量控制器与动力电池组管理系统通信过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种无人驾驶车辆通信系统，如图1所示，包括上层通信系统和底层通信系统，其中，
所述上层通信系统包括数据交换设备、以太网CAN转换模块、CAN1网络；其中，所述数据交换设备用于接收环境及定位信息，并将所述环境及定位信息发送至工控机，工控机处理所述环境及定位信息得到车辆运行控制量，所述车辆运行控制量经由所述以太网CAN转换模块转换为CAN信号后，通过所述CAN1网络发送至底层通信系统；
所述底层通信系统包括CAN2网络、CAN3网络，整车控制器通过所述CAN1网络接收所述车辆运行控制量、与能量控制器进行信息交互；所述整车控制器通过所述CAN2网络与整车控制底层驱动设备进行通信；所述能量控制器通过所述CAN3网络与能量控制底层驱动设备进行通信。
本发明中的上层通信系统，用于实现上层各设备的通讯，规划出当前车辆的行驶路径、行驶速度、转向程度，保证车辆各传感器及工控机的协调工作；本发明中的底层通信系统，利用规划出的当前车辆的行驶速度、转向程度，得到各底层驱动设备对应的执行量，通过在不同网段下下发各执行量，有效提高了通信效率。
与现有技术相比，本实施例提供的无人驾驶车辆通信系统，将大量通信数据分配到多个CAN网中进行处理，进行针对性通信，有效降低了CAN网络的负载量，保证了CAN通信网络的高效性。同时，本实施例通过模块化设计实现分散通信的方案，便于功能拓展，能够适应更多的应用场景。
上层通信系统的示意图如图2所示，具体介绍如下：优选地，所述数据交换设备分别与接收激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、摄像头、GPS接收机相连，接收激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、摄像头采集的环境信息及GPS接收机采集的GPS定位信息；
所述数据交换设备通过Nport与惯性导航系统相连；所述惯性导航系统接收GPS接收机发送的GPS定位信息，处理得到车辆姿态信息，通过所述Nport发送至所述数据交换设备。
数据交换设备用于负责该网段下各设备信息的中转，传感器激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、摄像机和GPS接收机分别将采集的数据通过USP协议的网络信号传输给交换机，同时GPS接收机也将GPS定位信息通过RS232协议发送至惯性导航，惯性导航融合GPS定位信息及车辆姿态信息后将车辆位姿信息通过RS232协议发送至Nport，转成UDP协议通过网络信号传输至数据交换设备。由于上层无人设备数据量大，故采取网络通信，并通过UDP协议进行通信，保证通信的实时性。
优选地，所述工控机包括感知工控机，所述感知工控机处理接收到的所述环境信息，得到当前车辆所处的环境信息；所述感知工控机处理接收到的所述定位信息，得到当前车辆自身的位置信息。
感知工控机负责感知层面的数据处理，通过对各传感器输入的原始数据进行处理，利用相关算法提取路面信息、检测障碍物位置、并计算障碍物相对于车的位置。利用结构化道路检测算法、非结构化道路检测算法、行人检测算法、目标检测算法等识别出环境感知信息中的结构化道路、非结构化道路、行人和其他目标。并在地图中对该信息作出标注，传至规划工控机进行轨迹规划。
优选地，所述工控机还包括规划控制工控机，所述规划控制工控机接收并处理所述感知工控机发送的车辆所处的环境信息、车辆自身的位置信息以及所述数据交换设备发送的车辆姿态信息，规划出当前车辆的行驶路径、行驶速度、转向程度。
规划控制工控机负责规划层面和控制层面的信息处理，基于感知传感器传来的有标注信息的地图以及车辆姿态信息，利用路径规划算法(如基于搜索的算法、基于采样的算法、优化算法等)在地图上选取一条无碰撞、且可通行的路径。再在该路径下进行速度规划，给路径上的每个路径点赋予速度，得到一条可行得轨迹，再基于该轨迹，结合车辆的动力学模型，通过模型预测控制算法得到底层发至底层控制器的控制量(行驶路径、行驶速度、转向程度)。
优选地，所述规划控制工控机输出的当前车辆的行驶速度规划结果、转向程度规划结果，经由所述以太网CAN转换模块转换为CAN信号后，经由所述以太网CAN转换模块转换为CAN信号，通过CAN1网络发送至所述整车控制器。
由于上层无人设备数据量大，故采取网络通信，并通过UDP协议进行通信，保证通信的实时性。由于计算量巨大，故将感知层面和规划层面分别放置在不同的工控机中，通过数据交换设备，将来自不同的传感器的信息放置进行转换交互，传至感知工控机进行处理，再将处理后的环境信息传至规划控制工控机进行处理，再将处理得到的控制量传至底层通信CAN网络。该通信网络结构简单清晰，利于进行大量的数据交互，能很好地保证数据通信的及时性和高效性，且该机构的可移植性和适应性较强，对于不同的车辆平台，可沿用该通信架构，且针对传感器的增减的适应性足够大，在单个传感器缺失的情况下，不影响其他模块的正常工作。
下层通信系统的示意图如图3所示，具体介绍如下：
优选地，所述CAN2网络用于将整车控制底层驱动设备的控制量下发至所述整车控制底层驱动设备；所述整车控制底层驱动设备的控制量由所述整车控制器根据所述当前车辆的行驶速度规划结果、转向程度规划结果处理得到；
所述整车控制底层驱动设备接收所述整车控制底层驱动设备的控制量，驱动所述整车控制底层驱动设备工作，改变车辆的行驶状态；同时，所述CAN2网络，还用于将所述整车控制底层驱动设备自身的状态反馈信息上传至所述整车控制器。
优选地，所述CAN1网络还用于将能量控制器的控制量发送至能量控制器；所述能量控制器的控制量由所述整车控制器根据所述当前车辆的行驶速度规划结果、转向程度规划结果处理得到；
所述CAN1网络，还用于将所述能量控制器自身的状态反馈信息通过所述CAN1网络发送至所述整车控制器。
优选地，所述CAN3网络用于将能量控制底层驱动设备的控制量下发至所述能量控制底层驱动设备；所述能量控制底层驱动设备的控制量由能量控制器根据所述能量控制器的控制量处理得到。
所述能量控制底层驱动设备接收所述能量控制底层驱动设备的控制量，驱动所述能量控制底层驱动设备工作，为无人驾驶车辆的运行提供能量；同时，所述CAN3网络，还用于将所述能量控制底层驱动设备自身的状态反馈信息上传至所述能量控制器。
通过驱动部分和能量部分分开设计，实现了模块化设计，便于功能拓展，同时将大量通信数据分配到多个CAN网中，进行针对性通信，降低了CAN网络的负载率，保证了CAN通信网的高效性。通过通信连接和通信内容的设计，在现有的设备能力情况下保证通信网络的最优化，同时实现通信信息的高效传输，降低信息冗余度。使得在满足车辆各设备的信息交互要求的情况下保证通信网络中的负载率最低，如CAN网负载率，通过网络的优化和信息内容的必要简化，可将负载率降至20％左右。
优选地，所述整车控制底层驱动设备进一步包括：双侧驱动电机控制系统、双侧两挡自动变速箱系统、制动控制系统，所述各整车控制底层驱动设备利用CAN2网络、采取广播的形式与所述整车控制器进行信息传输。
优选地，所述能量控制底层驱动设备进一步包括：APU系统、动力电池组管理系统、一体化电源系统、冷却系统，所述各能量控制底层驱动设备利用CAN3网络、采取广播的形式与所述能量控制器进行信息传输。
在本发明的另一实施例中，给出了底层通信系统间信息交互的具体过程：
(1)整车控制器与驱动电机控制系统通过CAN2网络实现相互通信的具体内容如图4所示：
双侧驱动电机为平台驱动的核心部件，整车控制器对期望行驶状态的解析确定驱动电机的目标输出转速和转矩，通过总线向双侧驱动电机发送使能指令、运行模式(正反转)、控制模式(转速转矩控制模式)以及目标转速或者转矩指令，由驱动电机控制器完成电机速度和转矩的控制。驱动电机控制器向整车控制器进行状态反馈，反馈内容如图所示，以便整车控制器进行状态监测及反馈控制。
(2)整车控制器与双侧两挡自动变速箱系统通过CAN2网络实现相互通信的具体内容如图5所示：
为了满足平台高速机动行驶的需求在双侧驱动电机输出轴后增加两档变速系统，整车控制器通过总线向两挡自动变速箱控制器发送期望行驶速度等信息，由换挡控制器根据期望速度和换挡规律进行换挡操作。
整车控制器的控制策略制定时不仅需要发送控制指令，还要保证双侧电机工作同步性和双侧两挡自动变速箱换挡同步性，只有实现双电机独立驱动系统的协调控制，才能保证无人履带平台机动过程中直驶和转向的稳定性。故整车控制器向两挡自动变速箱控制系统下发换挡使能指令、当前车速和当前电机转速以及期望挡位，便于两挡自动变速箱控制系统进行换挡判断及控制。同时，两挡自动变速箱控制系统在换挡过程中需要驱动电机进行调速配合，故给整车控制器反馈期望的驱动电机运行状态，同时反馈当前状态，包括换挡过程及故障状态。
(3)整车控制器与制动控制系统通过CAN2网络实现相互通信的具体内容如图6所示：
制动控制系统包括电控机械制动和回馈制动两种状态，整车控制器根据电池SOC和制动需求确定制动方式和制动力，判断是否进行主动制动，发送制动使能指令及制动压力，制动控制系统反馈制动压力、故障状态及使能状态。
(4)整车控制器与能量控制器通过CAN1网络实现相互通信的具体内容如图7所示：
能量控制器对能量部分各部件进行策略控制，保证行车需求，其中，整车控制器发送上电指令，期望功率，同时将采集到的驱动电机电压电流信息反馈至能量控制器，能量控制器反馈能量部分的工作状态：上电反馈，电池电量，当前可提供的最大功率，状态反馈(包括：辅助动力系统温度，电池单体电流电压等信息)以及故障码和生命信号。
(5)能量控制器与一体化电源系统通过CAN3网络实现相互通信的具体内容如图8所示：
通过控制一体化电源系统的启停来控制高压电源为低压电源充电，保证各低压设备进行正常工作。能量控制器发送使能指令，一体化电源系统反馈电流电压，温度，状态反馈(接通状态或者未接通状态)，故障码和生命信号。
(6)能量控制器与冷却系统通过CAN3网络实现相互通信的具体内容如图9所示：
能量控制器发送使能指令，一体化电源系统反馈电流电压、温度、状态反馈(接通状态或者未接通状态)，故障码和生命信号。保证冷却系统整车工作。
(7)能量控制器与动力电池组管理系统通过CAN3网络实现相互通信的具体内容如图10所示：
能量控制器发送使能指令和预充命令(高压上电过程需进行预充，避免因瞬间电流过大烧毁控制器)，动力电池组管理系统反馈电流电压，工作状态(高压接通状态、高压未接通状态或者预充状态)，电池电量，当前最大放电电流，状态反馈(发动机压、控制器及电机故障温度等)，故障码和生命信号，以保证各工况下行车时的能量需求。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人驾驶车辆通信系统，其特征在于，包括上层通信系统和底层通信系统，其中，
所述上层通信系统包括数据交换设备、以太网CAN转换模块、CAN1网络；其中，所述数据交换设备用于接收环境及定位信息，并将所述环境及定位信息发送至工控机，工控机处理所述环境及定位信息得到车辆运行控制量，所述车辆运行控制量经由所述以太网CAN转换模块转换为CAN信号后，通过所述CAN1网络发送至底层通信系统；其中，所述车辆运行控制量包括当前车辆的行驶速度规划结果、转向程度规划结果；
所述底层通信系统包括CAN2网络、CAN3网络，整车控制器通过所述CAN1网络接收所述车辆运行控制量、与能量控制器进行信息交互；所述整车控制器通过所述CAN2网络与整车控制底层驱动设备进行通信；所述能量控制器通过所述CAN3网络与能量控制底层驱动设备进行通信；
所述CAN2网络用于将整车控制底层驱动设备的控制量下发至所述整车控制底层驱动设备；所述整车控制底层驱动设备的控制量由所述整车控制器根据所述当前车辆的行驶速度规划结果、转向程度规划结果处理得到；所述整车控制底层驱动设备接收所述整车控制底层驱动设备的控制量，驱动所述整车控制底层驱动设备工作，改变车辆的行驶状态；同时，所述CAN2网络，还用于将所述整车控制底层驱动设备自身的状态反馈信息上传至所述整车控制器；
所述CAN1网络还用于将能量控制器的控制量发送至能量控制器；所述能量控制器的控制量由所述整车控制器根据所述当前车辆的行驶速度规划结果、转向程度规划结果处理得到；所述CAN1网络，还用于将所述能量控制器自身的状态反馈信息通过所述CAN1网络发送至所述整车控制器；
所述CAN3网络用于将能量控制底层驱动设备的控制量下发至所述能量控制底层驱动设备；所述能量控制底层驱动设备的控制量由能量控制器根据所述能量控制器的控制量处理得到；所述能量控制底层驱动设备接收所述能量控制底层驱动设备的控制量，驱动所述能量控制底层驱动设备工作，为无人驾驶车辆的运行提供能量；同时，所述CAN3网络，还用于将所述能量控制底层驱动设备自身的状态反馈信息上传至所述能量控制器。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，
所述数据交换设备分别与激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、摄像头、GPS接收机相连，接收激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、摄像头采集的环境信息及GPS接收机采集的GPS定位信息；
所述数据交换设备通过Nport与惯性导航系统相连；所述惯性导航系统接收GPS接收机发送的GPS定位信息，处理得到车辆姿态信息，通过所述Nport发送至所述数据交换设备。
3.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，所述工控机包括感知工控机，所述感知工控机处理接收到的所述环境信息，得到当前车辆所处的环境信息；所述感知工控机处理接收到的所述定位信息，得到当前车辆自身的位置信息。
4.根据权利要求3所述的通信系统，其特征在于，所述工控机还包括规划控制工控机，所述规划控制工控机接收并处理所述感知工控机发送的车辆所处的环境信息、车辆自身的位置信息以及所述数据交换设备发送的车辆姿态信息，规划出当前车辆的行驶路径、行驶速度、转向程度。
5.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述规划控制工控机输出的当前车辆的行驶速度规划结果、转向程度规划结果，经由所述以太网CAN转换模块转换为CAN信号后，经由所述以太网CAN转换模块转换为CAN信号，通过CAN1网络发送至所述整车控制器。
6.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述整车控制底层驱动设备进一步包括：双侧驱动电机控制系统、双侧两挡自动变速箱系统、制动控制系统，所述各整车控制底层驱动设备利用CAN2网络、采取广播的形式与所述整车控制器进行信息传输。
7.根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于，所述能量控制底层驱动设备进一步包括：APU系统、动力电池组管理系统、一体化电源系统、冷却系统，所述各能量控制底层驱动设备利用CAN3网络、采取广播的形式与所述能量控制器进行信息传输。
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