CN109969192A - 一种车辆及自动驾驶控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆及自动驾驶控制系统，该控制系统包括感知融合控制器、监督决策控制器和安全执行控制器。本发明使用多个独立的控制器来分担一个控制器的工作，每个独立的控制器的工作按照特定的功能进行划分，从而实现特定的控制功能。这种分布式控制的方法，通过对分级以及监督的方式，协调控制，从而提高车辆自动行驶的安全性，实现车辆的自动行驶控制。本发明能够大大降低使用单个控制器时造成的负担，能够并行感知、优化和决策，执行对应的任务，成倍的提升控制系统的速度以及实时性。

Description

一种车辆及自动驾驶控制系统

技术领域

本发明属于车辆自动驾驶技术领域，具体涉及一种车辆及自动驾驶控制系统。

背景技术

整车的智能辅助驾驶和自动驾驶已经成为未来发展的趋势。SAE对整车的自动驾驶进行了分级，各大汽车都将在2020年左右推出L3级以上的量产车型。要想实现更高级别的自动驾驶就需要更全面的数据(更全面、清晰、稳定的传感器)、更强大的数据分析能力(运算能力更高的处理器)和更有逻辑的决策管理程序(更符合人类驾驶习惯的控制软件)，整车企业和新技术企业都在围绕着这些能力进行软硬件布局。

目前的技术方案，大多智能辅助驾驶和自动驾驶依赖于强大的ECU和复杂的学习算法，在单一的控制器实现复杂的逻辑和处理。

例如，授权公布号为CN107176169A的中国专利公开了一种车辆的自动驾驶控制系统，该系统将自动驾驶的控制放在一个ECU中进行判断、处理，以对车辆实现自动控制，该ECU需要处理复杂的控制逻辑，处理效果不好；而且，对单个ECU的计算以及实时处理能力要求极高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车辆及自动驾驶控制系统，用以解决现有技术中由一个ECU控制自动驾驶时的对控制器的控制复杂、效果不佳的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种自动驾驶控制系统，包括如下系统方案：

系统方案一，包括感知融合控制器、监督决策控制器和安全执行控制器；感知融合控制器和监督决策控制器通讯连接，监督决策控制器和安全执行控制器通讯连接；

所述感知融合控制器用于根据获取的车辆当前的位置信息、运动状态信息、环境信息，得到影响车辆行驶的信息，将影响车辆行驶的信息以及获取的行驶目标信息发送给决策控制器；

所述监督决策控制器用于根据感知融合控制器发送的信息，计算得到整车行驶参数，并发送给安全执行控制器；

所述安全执行控制器用于根据监督决策控制器发送的信息，计算得到与整车行驶参数对应的各总成动力控制参数。

系统方案二，在系统方案一的基础上，所述环境信息包括行驶方向障碍物的距离信息以及速度信息、车道线信息、交通标志信息和信号灯信息。

系统方案三，在系统方案一的基础上，所述整车行驶参数包括车辆的速度和运动方向。

系统方案四，在系统方案一的基础上，所述动力控制参数包括底盘的请求姿态、动力总成输出的扭矩、转速、各轮的驱动和刹车力矩、转向的请求角度。

系统方案五，在系统方案一的基础上，所述感知融合控制器包括感知ECU组和融合控制器，感知ECU组和融合控制器通讯连接；

所述融合控制器用于根据通过感知ECU组获取环境信息，通过上位控制系统获取车辆当前的位置信息、运动状态信息，得到影响车辆行驶的信息；将影响车辆行驶的信息以及通过上位控制系统获取的行驶目标信息发送给决策控制器。

系统方案六，在系统方案五的基础上，所述融合控制器还根据通过感知ECU组获取的整车配置信息，对通过上位控制系统获取的车辆当前的位置信息、运动状态信息进行校验。

系统方案七，在系统方案一的基础上，所述监督决策控制器包括监督控制器和决策控制器，监督控制器和决策控制器通讯连接；

所述决策控制器用于根据感知融合控制器发送的信息，得到期望的整车行驶参数，并发送给决策控制器；并将监督控制器发送的整车行驶参数发送给安全执行控制器；

所述监督控制器用于获取车辆当前状态信息，将接收的期望的整车行驶参数进行优化，得到整车行驶参数，并发送给决策控制器。

系统方案八，在系统方案一的基础上，所述安全执行控制器包括整车安全控制器和整车执行控制器，整车安全控制器和整车执行控制器通讯连接；

所述整车执行控制器用于根据监督决策控制器发送的信息，得到期望的动力控制参数，并发送给整车安全控制器；并将整车安全控制器发送的各总成动力控制参数发送给对应的被控对象；

所述整车安全控制器用于根据获取的总成状态信息和接收的期望的动力控制参数，得到各总成动力控制参数，并发送给整车执行控制器。

系统方案九，在系统方案七的基础上，所述车辆当前状态信息包括车辆的尺寸、轴距、车速、加速度、行驶方向、舒适性设备的参数、车内温度、座椅状态、用电设备状态、功率中的至少一种。

系统方案十，在系统方案八的基础上，所述总成状态信息包括动力总成、刹车模块、底盘和转向模块、舒适性总成、车载信息娱乐模块信息中的至少一种。

本发明还提供了一种车辆，包括如下车辆方案：

车辆方案一，包括自动驾驶控制系统，所述自动驾驶控制系统包括感知融合控制器、监督决策控制器和安全执行控制器；感知融合控制器和监督决策控制器通讯连接，监督决策控制器和安全执行控制器通讯连接；

所述感知融合控制器用于根据获取的车辆当前的位置信息、运动状态信息、环境信息，得到影响车辆行驶的信息，将影响车辆行驶的信息以及获取的行驶目标信息发送给决策控制器；

所述监督决策控制器用于根据感知融合控制器发送的信息，计算得到整车行驶参数，并发送给安全执行控制器；

所述安全执行控制器用于根据监督决策控制器发送的信息，计算得到与整车行驶参数对应的各总成动力控制参数。

车辆方案二，在车辆方案一的基础上，所述环境信息包括行驶方向障碍物的距离信息以及速度信息、车道线信息、交通标志信息和信号灯信息。

车辆方案三，在车辆方案一的基础上，所述整车行驶参数包括车辆的速度和运动方向。

车辆方案四，在车辆方案一的基础上，所述动力控制参数包括底盘的请求姿态、动力总成输出的扭矩、转速、各轮的驱动和刹车力矩、转向的请求角度。

车辆方案五，在车辆方案一的基础上，所述感知融合控制器包括感知ECU组和融合控制器，感知ECU组和融合控制器通讯连接；

所述融合控制器用于根据通过感知ECU组获取环境信息，通过上位控制系统获取车辆当前的位置信息、运动状态信息，得到影响车辆行驶的信息；将影响车辆行驶的信息以及通过上位控制系统获取的行驶目标信息发送给决策控制器。

车辆方案六，在车辆方案五的基础上，所述融合控制器还根据通过感知ECU组获取的整车配置信息，对通过上位控制系统获取的车辆当前的位置信息、运动状态信息进行校验。

车辆方案七，在车辆方案一的基础上，所述监督决策控制器包括监督控制器和决策控制器，监督控制器和决策控制器通讯连接；

所述决策控制器用于根据感知融合控制器发送的信息，得到期望的整车行驶参数，并发送给决策控制器；并将监督控制器发送的整车行驶参数发送给安全执行控制器；

所述监督控制器用于获取车辆当前状态信息，将接收的期望的整车行驶参数进行优化，得到整车行驶参数，并发送给决策控制器。

车辆方案八，在车辆方案一的基础上，所述安全执行控制器包括整车安全控制器和整车执行控制器，整车安全控制器和整车执行控制器通讯连接；

所述整车执行控制器用于根据监督决策控制器发送的信息，得到期望的动力控制参数，并发送给整车安全控制器；并将整车安全控制器发送的各总成动力控制参数发送给对应的被控对象；

所述整车安全控制器用于根据获取的总成状态信息和接收的期望的动力控制参数，得到各总成动力控制参数，并发送给整车执行控制器。

车辆方案九，在车辆方案七的基础上，所述车辆当前状态信息包括车辆的尺寸、轴距、车速、加速度、行驶方向、舒适性设备的参数、车内温度、座椅状态、用电设备状态、功率中的至少一种。

车辆方案十，在车辆方案八的基础上，所述总成状态信息包括动力总成、刹车模块、底盘和转向模块、舒适性总成、车载信息娱乐模块信息中的至少一种。

本发明的有益效果：

本发明的车辆及自动驾驶控制系统，使用多个独立的控制器来分担一个控制器的工作，每个独立的控制器的工作按照特定的功能进行划分，从而实现特定的控制功能。这种分布式控制的方法，通过对分级以及监督的方式，协调控制，从而提高车辆自动行驶的安全性，实现车辆的自动行驶控制。本发明能够大大降低使用单个控制器时造成的负担，能够并行感知、优化和决策，执行对应的任务，成倍的提升控制系统的速度以及实时性。

进一步的，本发明将感知融合控制器划分成感知ECU组和融合控制器，将监督决策控制器划分成监督控制器和决策控制器，将安全执行控制器划分成整车安全控制器和整车执行控制器，将控制器进一步细化，进一步提升了控制系统并行处理的能力。

附图说明

图1是本发明的自动驾驶控制系统框架图；

图2是自动驾驶示意图；

图3是本发明的另一种实施方式的自动驾驶控制系统框架图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种车辆，该车辆是自动驾驶车辆。该车辆的自动驾驶控制系统参考了人体大脑控制的思想。

大脑由不同的功能区组成，包括大脑、小脑、间脑、胸干，各部分的功能为：大脑主要包括左、右大脑半球，是中枢神经中最大和最复杂的结构，是调节机体功能的器官，也是意识、精神、语言、学习、记忆和智能等高级神经活动的物质基础；小脑是运动的重要调节中枢；间脑是感觉冲动传向大脑皮层的转换站，在维持和调节意识状态、警觉和注意力方面起重要作用；脑干负责调节复杂的反射活动，包括调节呼吸作用、心跳、血压等。

神经系统能感受到外部环境的变化，接受内外环境的变化信息，对体内各种功能不断进行迅速而完善的调整，使人体适应体内外环境的变化。

也就是说，每个功能区负责不同的职责。

按照大脑功能划分以及神经系统传递系统的方式，本发明将自动驾驶控制系统各个功能划分到不同的控制器，并对进行分层控制，层与层之间以及控制器之间传递最有效的信息，从而将任务并行运行起来，降低对控制器处理频率的要求，减少系统通信的负荷。

该控制系统接收传感器采集的各种信息，通过外部的通信机制与外部进行联系、交流、以及数据交互，该控制系统的输出为系统各总成的控制请求，命令整车各部分按照期望命令进行工作。该控制系统与大脑控制系统相比，传感器类似于人的感官，整车的网络类似于神经系统，形成了如图1所示的控制系统。

根据自动驾驶控制系统的功能，将该控制系统划分成三层结构，分别为感知融合层、监督决策层和安全执行层。每层皆包括两个控制器，每个控制器实现不同的特定功能，各司其职。

感知融合层包括感知ECU组和融合控制器，两者之间可以互相通信。同时，感知ECU采样连接摄像头、雷达等传感器，各传感器采集的信息传递给感知ECU组进行相应处理；融合控制器通过外部的通信机制获取各种相对位置信息，使融合控制器能够进行综合的统筹分析，并将统筹分析的结果传递给监督决策层。

监督决策层包括监督控制器和决策控制器，两者之间可以互相通信。同时，监督控制器还能够通过整车通信网络获取车辆的运行状态信息，决策控制器还接收感知融合层的融合控制器传递的统筹分析结果。监督控制器根据获取车辆运行的状态，对整车行驶参数进行限制，以监督车辆的安全和稳定；决策控制器是通过对当前环境的分析，以及内外部的命令信息对车辆的行驶进行规划，输出经过限制的整车行驶参数。

安全执行层包括整车安全控制器和整车执行控制器，两者之间可以互相通信。同时，整车安全控制器还能够通过通信网络获取各总成的状态信息，整车执行控制器还接收监督决策层的决策控制器传递的整车行驶参数，并根据整车行驶参数得到期望的动力控制参数。安全执行层能够根据获取的总成的状态信息，对期望的动力控制参数进行限制，得到与整车行驶参数对应的各总成动力控制参数，以输出对整车总成控制器的参数请求。

在大致了解了该控制系统所包含的控制以及其对应的功能划分后，下面对该控制系统的所包含的控制器的具体的功能，以及该系统的工作过程做具体的介绍。

1、感知融合层

感知ECU组用于根据各感知ECU识别道路信息，并获取车辆配置信息。感知ECU组包括雷达ECU、摄像头ECU。雷达ECU用于根据雷达采集的信息输出该方向障碍物的距离、以及速度信息，摄像头ECU用于根据摄像头拍摄的信息输出描述车道线、交通标志以及信号灯等信息，并将识别的道路信息发送给融合控制器。

融合控制器接收来自GPS、C2X以及车载的通信系统发送的车辆运动状态信息和位置信息，通过GPS还能够获知车辆的行驶目标信息，即车辆需要以什么样的速度往哪个方向行走，相当于车辆的导航系统。

融合控制器结合车辆配置信息，对当前的车辆运动状态信息、位置信息、环境信息等进行校核，得到有效的位置信息、运动状态信息、环境信息，保证数据的有效性和可靠性。同时，将校核的结果反馈给感知ECU组，告知感知ECU组其某些传感器出现了问题。

融合控制器根据有效的位置信息、运动状态信息，以及环境信息，对车辆的行驶状态进行建模和融合，建立车辆和环境的关联模型，得到影响车辆行驶的信息，连同获取的行驶目标信息，并发送给监督决策层中的决策控制器。

2、监督决策层

决策控制器根据融合控制器发送的影响车辆行驶的信息以及行驶目标信息，得到车辆的行驶目标参数；车辆的行驶目标参数包括车辆的初始速度和方向；结合环境信息和车辆的行驶目标参数，得到优化的驾驶位置信息；在优化的驾驶位置下，计算得到期望的整车行驶参数，并将该期望的整车行驶参数发送给监督控制器。

监督控制器对整车的配置进行管理，以及车辆的行驶状态进行管理，建立车辆运动模型；根据当前的车辆行驶状态，以及整车运动需求，在执行目标的请求条件下，对决策控制器发送的期望的整车行驶参数进行限制，得到整车行驶参数，并发送给决策控制器，决策控制器将该整车行驶参数，发送给安全执行层。

在这里，车辆行驶状态包括但不局限于以下的信息：车辆的尺寸、轴距、车速、加速度、行驶方向、舒适性设备的参数、车内温度、座椅状态、用电设备状态、功率等等。针对不同的车辆以及实际情况，可相应增加或减小车辆的行驶状态信息。

3、安全执行层

整车执行控制器用于根据监督决策控制器发送的信息，通过整车动态模型，得到各总成的期望输出，即期望的动力控制参数，并发送给整车安全控制器。整车动态模型包括：

1)整车驱动模型，将车辆的期望速度和方向，转化成满足行驶限制要求的轮胎期望驱动力；

2)底盘运动学模型，将轮胎的期望驱动力，转化成在总成允许范围内的驱动扭矩以及刹车等的请求；

3)动力传动模型，将轮胎的期望速度和驱动力，转化成在总成允许范围内的对动力总成的速度和扭矩的请求；

4)根据驾驶和舒适性要求，对其他总成进行控制，比如温度和舒适性模块。

整车安全控制器根据获取的总成状态信息，通过总成模型计算允许的参数范围，根据允许的参数范围对接收的期望的动力控制参数进行限制，得到整车行驶参数对应的各总成动力控制参数。并将这些各总成动力控制参数发送给对应的被控对象，以实现自动驾驶控制。

总成模型包括：

1)动力总成的扭矩和转速模型；

2)车载附件系统的闭环控制模型，比如温度，舒适度等模块；

3)底盘系统的驾驶模型，包括转向稳定，驾驶平顺，刹车稳定模型。

也就是说，总成状态信息包括但不局限于：动力总成、刹车模块、底盘和转向模块、舒适性总成、车载信息娱乐模块信息。针对不同的车辆以及实际运行情况，可相应增加或减小上述介绍的总成状态信息。

该控制系统输出的是对车内各总成动力控制参数，各总成按照此参数，结合自身的工作特性进行控制，并反馈实际执行的状态到整车执行控制器，车辆整体的行驶状态反馈到决策控制器。

需说明的是，上述介绍的过程，是一个循环的数据走向。在实际工作的工程中，每层的控制器是可以同时工作的，是可以并行处理的。也就是说，有可能安全执行层在处理上一循环的数据，而监督决策层已经在处理新的一循环的数据。

本发明将车辆作为一个自动行驶整体考虑，控制系统作为整车的大脑，对车辆工作特性以及过程建立模型，基于整车的工作模型，将车辆视为一个整体，并参考大脑对行为的监督方式，以及ISO26262对功能安全的分层要求，对每一层的功能进行基于模型的控制、监督和管理，能够有效的传递控制并对相应的总成进行独立控制，实现车辆自动驾驶。

在该实施例中，对于感知融合层、监督决策层和安全执行层，分别是通过对应的两个控制器来实现其功能，为了减低系统复杂度以及总线负担，可将每层只设置一个控制器来实现对应的功能，形成的系统如图3所示。

下面结合一个具体的实例，如图2所示，来对该自动驾驶控制系统进行详细的说明。

车辆从位置A沿车道向前行驶的情境中：

在感知融合层，通过视频传感器、雷达等采集周边环境信息(包括车道线信息)检测发现当前方向有三个车道，三个车道均没有其他车辆，没有障碍物。

外部通信系统命令(GPS导航)或者驾驶者命令车辆在当前地图定位的位置向行驶路径前进。检测发现该车处于中间的车道中，设定车辆的速度Vmax。

得到期望的方向路径的引导，以及周边信息之后，在监督决策层，根据行驶条件，结合整车的运行状态设定理想的方向和车速控制命令。

当前车辆在直线行驶，车速V，根据实现的路径的方向，规划可以选择到目标左C，右D和优化位置B。当前车辆状况限制车辆的速度以及转向的角度，最优的保持路径规划为优化位置；在优化的行驶条件下，定义驶向B点的期望车速和转向角度信息。

根据期望的车速和位置情况，在安全执行层根据车辆动力学模型设定对各总成的控制目标，车辆的速度以及转向角度的变化，会对车辆的牵引力，稳定性以及舒适性有不同的请求；结合当前各总成的状态限制，在车辆模型以及动态优化模型输出最优的对动力总成输出的扭矩，转速，各轮的驱动和刹车力矩，转向的请求角度，以及底盘的请求姿态(高度，刚度，阻尼等)。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种自动驾驶控制系统，其特征在于，包括感知融合控制器、监督决策控制器和安全执行控制器；感知融合控制器和监督决策控制器通讯连接，监督决策控制器和安全执行控制器通讯连接；

所述感知融合控制器用于根据获取的车辆当前的位置信息、运动状态信息、环境信息，得到影响车辆行驶的信息，将影响车辆行驶的信息以及获取的行驶目标信息发送给决策控制器；

所述监督决策控制器用于根据感知融合控制器发送的信息，计算得到整车行驶参数，并发送给安全执行控制器；

所述安全执行控制器用于根据监督决策控制器发送的信息，计算得到与整车行驶参数对应的各总成动力控制参数。

2.根据权利要求1所述的自动驾驶控制系统，其特征在于，所述环境信息包括行驶方向障碍物的距离信息以及速度信息、车道线信息、交通标志信息和信号灯信息。

3.根据权利要求1所述的自动驾驶控制系统，其特征在于，所述整车行驶参数包括车辆的速度和运动方向。

4.根据权利要求1所述的自动驾驶控制系统，其特征在于，所述动力控制参数包括底盘的请求姿态、动力总成输出的扭矩、转速、各轮的驱动和刹车力矩、转向的请求角度。

5.根据权利要求1所述的自动驾驶控制系统，其特征在于，所述感知融合控制器包括感知ECU组和融合控制器，感知ECU组和融合控制器通讯连接；

所述融合控制器用于根据通过感知ECU组获取环境信息，通过上位控制系统获取车辆当前的位置信息、运动状态信息，得到影响车辆行驶的信息；将影响车辆行驶的信息以及通过上位控制系统获取的行驶目标信息发送给决策控制器。

6.根据权利要求5所述的自动驾驶控制系统，其特征在于，所述融合控制器还根据通过感知ECU组获取的整车配置信息，对通过上位控制系统获取的车辆当前的位置信息、运动状态信息进行校验。

7.根据权利要求1所述的自动驾驶控制系统，其特征在于，所述监督决策控制器包括监督控制器和决策控制器，监督控制器和决策控制器通讯连接；

所述决策控制器用于根据感知融合控制器发送的信息，得到期望的整车行驶参数，并发送给决策控制器；并将监督控制器发送的整车行驶参数发送给安全执行控制器；

所述监督控制器用于获取车辆当前状态信息，将接收的期望的整车行驶参数进行优化，得到整车行驶参数，并发送给决策控制器。

8.根据权利要求1所述的自动驾驶控制系统，其特征在于，所述安全执行控制器包括整车安全控制器和整车执行控制器，整车安全控制器和整车执行控制器通讯连接；

所述整车执行控制器用于根据监督决策控制器发送的信息，得到期望的动力控制参数，并发送给整车安全控制器；并将整车安全控制器发送的各总成动力控制参数发送给对应的被控对象；

所述整车安全控制器用于根据获取的总成状态信息和接收的期望的动力控制参数，得到各总成动力控制参数，并发送给整车执行控制器。

9.根据权利要求7所述的自动驾驶控制系统，其特征在于，所述车辆当前状态信息包括车辆的尺寸、轴距、车速、加速度、行驶方向、舒适性设备的参数、车内温度、座椅状态、用电设备状态、功率中的至少一种。

10.一种车辆，其特征在于，包括自动驾驶控制系统，所述自动驾驶控制系统包括感知融合控制器、监督决策控制器和安全执行控制器；感知融合控制器和监督决策控制器通讯连接，监督决策控制器和安全执行控制器通讯连接；

所述感知融合控制器用于根据获取的车辆当前的位置信息、运动状态信息、环境信息，得到影响车辆行驶的信息，将影响车辆行驶的信息以及获取的行驶目标信息发送给决策控制器；

所述监督决策控制器用于根据感知融合控制器发送的信息，计算得到整车行驶参数，并发送给安全执行控制器；

所述安全执行控制器用于根据监督决策控制器发送的信息，计算得到与整车行驶参数对应的各总成动力控制参数。