CN112822656A - 一种支持5g通信的车载v2x智能终端 - Google Patents

一种支持5g通信的车载v2x智能终端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种支持5G通信的车载V2X智能终端，由5G/V2X OBU和车载传感系统组成；其中，5G/V2X OBU由ARM处理器、5G/V2X通信模块、电源电路、LTE‑V2X射频电路、5G射频电路、接口电路、BOOT电路、5G_CONTROL电路、RTC电路和5G_STATUS电路构成；车载传感系统由摄像头、惯性测量单元、毫米波雷达、GPS定位模块和GPS射频模块构成。本发明在通信距离、时延、可靠性、通信带宽等要求上满足基于V2X通信的自动驾驶协同控制要求；高效实现车车、车路、车人、车云等协同控制的同时，保证传输控制类信息的实时性。

Description

一种支持5G通信的车载V2X智能终端
技术领域
本发明属于汽车自动驾驶技术领域，尤其涉及一种支持5G通信的车载V2X智能终端。
背景技术
随着人工智能、电子信息、自动控制、智能制造等技术的进步，汽车自动驾驶技术得到 高速发展。基于车载传感系统的自主驾驶起步早、技术体系相对完善，但传统感知效果会受 光线、天气、距离因素等影响，且高精度传感器还会受到成本的制约，仅依赖车载传感器难 以实现高度或完全自动驾驶。得益于通信技术的进步，网联化成为汽车技术的主要发展趋势 之一。通过装备车载V2X终端，使汽车能够通过与交通参与者及网络设备实现信息交互，以 弥补车载传感器可靠性、感知距离及车载平台计算能力等方面的不足，为汽车基于V2X和车 载传感信息融合实现协同控制，并达到高度或完全自动驾驶提供了机遇。
当前多数车载V2X智能终端的通信方式采用DSRC通信或LTE-V2X通信。DSRC通信方式相对自动驾驶的实时控制要求而言，存在通信距离相对较短、高速移动通信可靠性下降 等不足。LTE-V2X通信方式在车云通信连接上，延时相对较高、数据传输量相对较少，云端 计算对实时控制的支持受限。
在《基于V2X无线通信的车载智能终端装置》(CN 106773968A)中，利用V2X通信模块、ARM-A9处理器、4G模块、GPS模块、摄像头模块、OBD接口信息模块、ETC模块、 电源模块、语音模块等设计出一种基于V2X无线通信的车载智能终端装置。该装置能够实现 车与车、车与物的相互通信、信息的实时显示和提醒，可以为用户提供驾乘安全、信息查询 与订购、娱乐以及购物等方面的应用。该方案采用IEEE 802.11p标准(即DSRC)进行V2X通 信，包含一些非安全信息的传输，在增加处理器开销的同时，可能会影响V2X通信性能。
在《一种基于LTE-V2X的车辆前向碰撞预警系统及方法》(CN 111354224A)中，通过GNSS数据接口和CAN数据接口读取的车辆信息，并封装成车辆基本安全信息，再利用 LTE-V2X通信模块将车辆基本安全信息发送到他车并接收到他车的基本安全信息，基于他车 和本车的基本安全信息计算出碰撞时间和碰撞安全距离，来提醒驾驶员规避风险。但从协同控制的角度来看，该系统环境感知能力有限，难以全面支持车车、车路协同控制；同时，该方案亦缺少对车人、车云通信的支持。
综上，现有的车载智能终端的技术方案主要不足有：一是，DSRC方案通信距离相对较 短、高速移动通信可靠性下降；二是，LTE-V2X方案对通过车云协同实现自动驾驶控制的支 持不足；三是，环境感知能力有限，难以全面支持V2X协同控制；四是，传输非控制类信息过多，如购物、娱乐、休闲等信息，这会导致通信负担过重，降低处理器的实时计算能力。
术语解释：
V2X：Vehicle to Everything,即车与交通参与者和网络设备的通信连接，主要包括V2V (Vehicle to Vehicle，车与车通信)、V2I(Vehicle to Infrastructure，车与基础设施)、V2N(Vehicle to Network，车与云)、V2P(Vehicle to People，车与人)的通信连接等。
5G/V2X OBU：5G/V2X On Board Unit，支持5G的V2X车载单元，可以采用该车载单元 通过LTE-V2X通信技术实现V2V、V2I、V2P通信，通过5G通信技术实现V2N通信。
NMEA：National Marine Electronics Association，美国国家海洋电子协会。NMEA 0183 格式是NMEA为海用电子设备制定的标准格式，现已成为GPS导航设备统一的RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Services，航海无线电技术委员会)标准协议。
NEMA 0183信息：NMEA 0183格式的全球导航卫星系统定位信息，包括位置信息、速度信息、时间信息、卫星状态信息等。
DSRC：Dedicated Short Range Communications，专用短程通信。
LTE-V2X：Long Term Evolution-Vehicle to Everything，长期演进的V2X通信。
ABS：Anti-lock Braking System，防抱死制动系统。
TCS：Traction Control System，牵引力控制系统。
发明内容
针对当前车载V2X智能终端相对于自动驾驶协同控制的通信需求而言，存在通信距离相 对较短、高速移动通信可靠性下降，或通信时延相对较高、对车-云协同自动驾驶实时控制的 支持不足，或环境感知能力有限，或非控制类信息过多等缺点，本发明提供一种支持5G通 信的车载V2X智能终端。
本发明的一种支持5G通信的车载V2X智能终端，由5G/V2X OBU和车载传感系统组成。
所述5G/V2X OBU由ARM处理器、5G/V2X通信模块、电源电路、LTE-V2X射频电路、 5G射频电路、接口电路、BOOT电路、5G_CONTROL电路、RTC电路和5G_STATUS电路 构成；所述车载传感系统由摄像头、惯性测量单元、毫米波雷达和GPS定位模块、GPS射频 模块构成。
所述5G/V2X通信模块通过串口1接收来自ARM处理器串口2整合后的信息，通过5G/V2X通信模块的串口2接收来自GPS定位模块传递的NMEA 0183信息，将上述信息整 合为车辆基本控制类信息，利用LTE-V2X射频电路将车辆基本控制类信息传递给他车、基础 设施和行人，利用5G射频电路将车辆基本控制类信息传递给网络设备。该通信模块通过 LTE-V2X射频电路接收车辆基本控制类信息、基础设施信息和行人信息，通过5G射频电路 接收网络信息，并利用串口1将接收到的车辆基本控制类信息、基础设施信息、行人信息和 网络信息发送给ARM处理器。
所述ARM处理器接收来自整车控制器的CAN信息、毫米波雷达通过CAN接口传递的与前方障碍物距离信息、惯性测量单元通过RS485接口传递的车身姿态信息、摄像头通过以太网接口传递的道路图像信息，由上述信息构成车辆基本控制类信息并通过ARM处理器的串口2传递给5G/V2X通信模块的串口1，同时接收5G/V2X通信模块的串口1传递的车辆基 本控制类信息、基础设施信息、行人信息和网络信息。
所述ARM处理器整合后的信息，包括整车控制器的CAN信息、毫米波雷达通过CAN接口传递的与前方障碍物距离信息、惯性测量单元通过RS485接口传递的车身姿态信息、摄像头通过以太网传递的道路图像信息。
所述车辆基本控制类信息，包括ARM处理器整合后的信息和来自GPS模块传递的NMEA 0183信息。
所述基础设施信息，包括道路危险位置信息、道路危险状况信息、红绿灯信息、车道属 性信息(左、直、右和掉头)、停车线位置信息、车道宽度信息，拥堵状态信息等。
所述行人信息，包括行人位置信息、行人行进方向角信息、行人速度信息、行人动力信 息(人力、动物、电动等)、行人使用状态信息(打字、听音乐、打电话等)、行人身材信息、 健康状态信息等。
所述网络信息，包括上行网络信息和下行网络信息，其中上行网络信息为车辆基本控制 类信息，其中下行网络信息为云端决策控制指令信息。
所述整车控制器的CAN信息，包括制动系统状态信息、车轮转角信息、油门踏板信息和 当前挡位信息。
所述云端决策控制指令信息，包括从云端传递控制汽车的制动踏板信息、油门踏板信息、 转向角度信息和挡位信息
所述电源电路给5G/V2X通信模块和ARM处理器供电。
所述RTC电路提供系统精确的实时时间；
所述BOOT电路提供系统不同的启动方式。
所述GPS定位模块选用差分GPS模块，通过5G/V2X通信模块的串口2和GNSS-PPS 接口与5G/V2X通信模块进行连接，将NMEA 0183信息传递给5G/V2X通信模块。
本发明和现有技术相比的有益技术效果为：
本发明在通信距离、时延、可靠性、通信带宽等要求上满足基于V2X通信的自动驾驶协 同控制要求。对道路图像信息、与前方障碍物距离信息、车身姿态信息、NMEA 0183信息、 车速信息、加速度信息，制动系统状态信息、车轮转角信息、油门踏板信息等车辆基本控制 类信息进行采集，不涉及对非控制类信息处理，在高效实现车车、车路、车人、车云等协同 控制的同时、保证传输控制类信息的实时性。采用支持5G的V2X通信技术，在车云通信连 接上采用5G通信，在车车、车路、车人通信连接上采用LET-V2X通信方式。相比于DSRC 有着更远的通信距离和更高的可靠性，相比于LTE-V2X通信技术在车云通信上有着更低的时延和更大的数据传输量，且能通过云端计算为自动驾驶车辆的实时控制提供更好的支撑。
附图说明
图1为本发明支持5G通信的车载V2X智能终端结构图。
图2为本发明5G/V2X OBU原理图。
图3(a)为RS485接口电路、图3(b)为CAN接口电路、图3(c)为SDCARD接口 电路、图3(d)为USB_OTG接口电路。
图4(a)为USB接口电路、图4(b)为USB_TTL接口电路。
图5(a)为5G_USB接口电路、图5(b)为5G_USIM接口电路。
图6为RGMII接口电路。
图7(a)为5G射频电路、图7(b)为LTE-V2X射频电路。
图8(a)为5G_TEST电路、图8(b)为5G_STATUS、图8(c)为5G_CONTROL电 路。
图9为DCDC电路。
图10(a)为RTC电路、图10(b)为BOOT电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种支持5G通信的车载V2X智能终端结构如图1所示，由5G/V2X OBU和车载传感系统组成。其中，5G/V2X OBU由ARM处理器、5G/V2X通信模块、电源电路、LTE-V2X 射频电路、5G射频电路、接口电路、BOOT电路、5G_CONTROL电路、RTC电路、5G_STATUS 电路构成；车载传感系统由摄像头模块、惯性测量单元、毫米波雷达、GPS定位模块和GPS 射频模块构成。
5G/V2X通信模块：选用华为的MH5000-871通信模块。该模块通过串口1接收来自ARM 处理器串口2整合后的信息、通过5G/V2X通信模块的串口2接收来自GPS定位模块传递的 NMEA 0183信息，将上述信息整合为车辆基本控制类信息，利用LTE-V2X射频电路将车辆基本控制类信息传递给他车、基础设施和行人，利用5G射频电路将车辆基本控制类信息传递给网络设备。该通信模块通过LTE-V2X射频电路接收车辆基本控制类信息、基础设施信息和行人信息，通过5G射频电路接收网络信息，并利用串口1将接收到的车辆基本控制类信息、基础设施信息、行人信息和网络信息发送给ARM处理器。
ARM处理器：ARM处理器选用飞凌IMX6Q-C核心板。该处理器主要接收来自整车控制器的CAN信息、毫米波雷达通过CAN接口传递的与前方障碍物距离信息、惯性测量单元 通过RS485接口传递的车身姿态信息、摄像头通过以太网接口传递的道路图像信息，将上述信息整合后通过ARM处理器的串口2传递给5G/V2X通信模块的串口1，同时接收5G/V2X 通信模块的串口1传递的车辆基本控制类信息、基础设施信息、行人信息和网络信息。
电源电路：主控芯片为TPS54332。给5G/V2X通信模块和ARM处理器供电。
接口电路：为外围器件提供连接接口。
RTC电路：提供系统精确的实时时间。
BOOT电路：提供系统不同的启动方式。
5G_CONTROL电路：ARM处理器对5G/V2X通信模块的控制电路。
5G_STATUS电路：显示5G/V2X通信模块的工作状态。
GPS定位模块：该模块选用INS-YI100C差分GPS模块。通过5G/V2X通信模块的串口2和GNSS-PPS接口与5G/V2X通信模块进行连接，将NMEA 0183信息传递给5G/V2X通信 模块。
摄像头：采用海康威视的DC-2CD3325-I摄像头。通过RJ45网口和以太网电路进行连接， 将道路图像信息通过以太网电路传递到ARM处理器。
毫米波雷达：采用大陆的ARS408毫米波雷达。通过CAN接口进行连接，将与前方障碍 物距离信息通过CAN传递到ARM处理器。
惯性测量单元：采用北微传感的BW-127惯性测量单元。通过RS485和ARM处理器进行连接，传递车身姿态信息到ARM处理器。
整车控制器信息：ARM处理器CAN接口连接整车控制器CAN接口，采集来自整车控制器的CAN信息：制动系统状态信息、车轮转角信息、油门踏板信息和当前挡位信息。
5G/V2X OBU主要包括IMX6Q_C核心板、RS485接口电路、SDCARD接口电路、CAN 接口电路、USB_OTG接口电路、USB接口电路、5G/V2X通信模块、5G射频电路、LTE-V2X 射频电路、5G_TEST电路、5G_STATUS电路、5G_CONTROL电路、5G_USB接口电路、 5G_USIM接口电路、DCDC电路、RTC电路、BOOT电路、RGMII接口电路。
具体的：
(1)接口电路：
1)RS485接口电路：由10kΩ电阻、20kΩ电阻、120Ω电阻、2个360Ω电阻、100nF电容、S8050三极管、MBR0520二极管、SP3485芯片、2P接线座组成。如图3(a)所示。
2)SDCARD接口电路：由6个10kΩ电阻、120Ω磁珠、10uF电容、100nF电容、MICRO SD卡座组成。如图3(c)所示。
3)CAN接口电路：由0Ω电阻、2个59Ω电阻、4.7kΩ电阻、10kΩ电阻、2个56pF电容、0.1uF电容、10uF电容、TJA1040芯片、2P接线座组成。如图3(b)所示。
4)USB_OTG接口电路：由2个1kΩ电阻、4个10kΩ电阻、0.1uF电容、3个AO3415 场效应管、两个S8050三极管、5V 0.5A贴片保险、0502B TVS二极管、MINI-USB母头组成。 如图3(d)所示。
5)USB_TTL接口电路：由3个100nF电容、10uF电容、CH340芯片、XC6206线性稳压器、MINI-USB母头、两个SGM3517模拟开关芯片、4P接插件组成。如图4(b)所示。
6)USB接口电路：由6个22Ω电阻、12kΩ电阻、5个100kΩ电阻、1MΩ电阻、2个 18pF电容、10个0.1uF电容、3个1uF电容、10uF极性电容、2个USB母头、2个5V 0.5A 贴片保险、两个0502B TVS二极管、USB控制器、24MHz晶振组成。如图4(a)所示。
7)5G_USB接口电路：6个0Ω电阻、2个1Ω电阻、2个10pF电容、PJEC5V0M1TA TVS 二极管、90Ω@100MHz共模电感组成。如图5(a)所示。
8)5G_USIM接口电路：由2个47kΩ电阻、3个33pF电容、100nF电容、4.7uF电容、SMF05C芯片、SIM卡座组成。如图5(b)所示。
9)RGMII接口电路：即为以太网电路，由2个0Ω电阻、12个22Ω电阻、2个330Ω电阻、1.5kΩ电阻、2.37kΩ电阻、4.7kΩ电阻、12个10kΩ电阻、2个22pF电容、7个0.1uF 电容、3个1uF电容、2个10uF电容、25MHz晶振、4.7uH电感、3个120Ω@100MHz共模 电感、RJ45以太网连接器、AR8031以太网芯片组成。如图6所示。
(2)5G射频电路：由2个0.2pF电容、2个0.3pF电容、4个0.5pF电容、2个33pF电容、 4个1nH电感、天线座组成。如图7(a)所示。
(3)LTE-V2X射频电路：由10个0.2pF电容、2个0.4pF电容、4个0.5pF电容、4个33pF电容、4个1nH电感、4个1.3nH电感、天线座组成。如图7(b)所示。
(4)5G_TEST电路：由6P接插件组成。如图8(a)所示。
(5)5G_STATUS电路：由3个1kΩ电阻、2个4.7kΩ电阻、2个10kΩ电阻、2个S8050三极管、2个发光二极管组成、2个按键。如图8(b)所示。
(6)5G_CONTROL电路：由4个1kΩ电阻、3个10kΩ电阻、3个10nF电容、3个2SK3018场效应管构成。如图8(c)所示。
(7)DCDC电路：由0Ω电阻、2kΩ电阻、2.5kΩ电阻、5.1kΩ电阻、10kΩ电阻、10.5kΩ电 阻、2个75kΩ电阻、2个1000kΩ电阻、4个10pF电容、2个33pF电容、2个100pF电容、 2个180pF电容、2个1nF电容、2个10nF电容、2个15nF电容、4个100nF电容、2个4.7uF 电容、4个10uF电容、4个22uF电容、3个220uF极性电容、2个4.7uH电感、2个B320A 肖特基二极管、SS54肖特基二极管、波动开关、2个TPS54332芯片、5V 3A贴片保险、4V 3A 贴片保险、LED二极管、AMS1117-3.3芯片、AMS1117-1.8芯片、拨动开关、DC-DC电源座 组成。如图9所示。
(8)RTC电路：由0Ω电阻、2个1.5kΩ电阻、2个4.7kΩ电阻、2个10kΩ电阻、0.1uF电容、RX8010SJ芯片、CR2032电池盒、BAT54C二极管组成。如图10(a)所示。
(9)BOOT电路：由2个4.7kΩ电阻、2个10kΩ电阻、0.1uF电容、拨码开关、按键组成。如图10(b)所示。
实现方法：
利用本发明提供的硬件架构制作出5G/V2X OBU；将制作完成的OBU，接入电源，烧录 程序；之后将差分GPS模块接入到5G_UART_TXD、5G_UART_RXD、GNSS_PPS引脚，摄 像头接到RJ45网口，惯性测量单元接到RS485接线座，毫米波雷达和整车控制器的CAN接 口连接到CAN接线座。
本发明提供的支持5G通信的车载V2X智能终端，其使用方法为：利用5G/V2X OBU接收GPS传递的NMEA 0183信息、接收整车控制器传递的CAN信息(制动系统状态信息、车 轮转角信息、油门踏板信息、当前挡位信息等)、接收毫米波雷达传递的与前方障碍物距离信息、接收惯性测量单元采集的车身姿态信息和摄像头采集的道路图像信息。5G/V2X OBU将上述信息进行整合，封装成车辆基本控制类信息(包括道路图像信息、与前方障碍物距离信息、车身姿态信息、NMEA 0183信息、车速信息、加速度信息、制动系统状态信息、车轮转 角信息、油门踏板信息)，将信息整合后利用LTE-V2X射频电路传递给他车、基础设施和行 人，并利用5G射频电路将信息传递给网络设备，5G/V2X OBU通过LTE-V2X射频电路接收 车辆基本控制类信息、基础设施信息和行人信息，通过5G射频电路接收网络信息。实现车 车、车路、车人、车云等的协同控制。
现有车载智能终端中的V2X通信技术，大多采用DSRC通信技术或LTE-V2X通信技术。 DSRC通信技术的通信有效距离为300m；支持最大移动速度为200km/h；时延约为50ms；传 输速率27Mbps。LTE-V2X通信技术的通信有效距离为500m；支持最大移动速度为500km/h； 时延约为50ms；传输速率12Mbps。5G通信时延约为1ms；传输速率大于1Gbps。本发明支持5G的V2X通信技术在车车、车路、车人通信上有效距离为500m，支持最大移动速度为500km/h，通信时延约为50ms，传输速率12Mbps；在车云通信上时延约为1ms，传输速率大 于1Gbps。因此相比于单纯采用DSRC或LTE-V2X，更能满足自动驾驶协同控制的高实时性 和高可靠性要求。

Claims (2)

1.一种支持5G通信的车载V2X智能终端，其特征在于，由5G/V2X OBU和车载传感系统组成；
所述5G/V2X OBU由ARM处理器、5G/V2X通信模块、电源电路、LTE-V2X射频电路、5G射频电路、接口电路、BOOT电路、5G_CONTROL电路、RTC电路和5G_STATUS电路构成；所述车载传感系统由摄像头、惯性测量单元、毫米波雷达、GPS定位模块和GPS射频模块构成；
所述5G/V2X通信模块通过串口1接收来自ARM处理器串口2整合后的信息，通过5G/V2X通信模块的串口2接收来自GPS定位模块传递的NMEA 0183信息，将上述信息整合为车辆基本控制类信息，利用LTE-V2X射频电路将车辆基本控制类信息传递给他车、基础设施和行人，利用5G射频电路将车辆基本控制类信息传递给网络设备；该通信模块通过LTE-V2X射频电路接收车辆基本控制类信息、基础设施信息和行人信息，通过5G射频电路接收网络信息，并利用串口1将接收到的车辆基本控制类信息、基础设施信息、行人信息和网络信息发送给ARM处理器；
所述ARM处理器接收来自整车控制器的CAN信息、毫米波雷达通过CAN接口传递的与前方障碍物距离信息、惯性测量单元通过RS485接口传递的车身姿态信息、摄像头通过以太网接口传递的道路图像信息，由上述信息构成车辆基本控制类信息并通过ARM处理器的串口2传递给5G/V2X通信模块的串口1，同时接收5G/V2X通信模块的串口1传递的车辆基本控制类信息、基础设施信息、行人信息和网络信息；
所述ARM处理器整合后的信息，包括整车控制器的CAN信息、毫米波雷达通过CAN接口传递的与前方障碍物距离信息、惯性测量单元通过RS485接口传递的车身姿态信息、摄像头通过以太网传递的道路图像信息；
所述车辆基本控制类信息，包括ARM处理器整合后的信息和来自GPS模块传递的NMEA0183信息；
所述基础设施信息，包括道路危险位置信息、道路危险状况信息、红绿灯信息、车道属性信息、停车线位置信息、车道宽度信息，拥堵状态信息；
所述行人信息，包括行人位置信息、行人行进方向角信息、行人速度信息、行人动力信息、行人使用状态信息、行人身材信息、健康状态信息；
所述网络信息，包括上行网络信息和下行网络信息，其中上行网络信息为车辆基本控制类信息，其中下行网络信息为云端决策控制指令信息；
所述云端决策控制指令信息，包括从云端传递控制汽车的制动踏板信息、油门踏板信息、转向角度信息和挡位信息；
所述电源电路给5G/V2X通信模块和ARM处理器供电；
所述RTC电路提供系统精确的实时时间；
所述BOOT电路提供系统不同的启动方式；
所述GPS定位模块选用差分GPS模块，通过5G/V2X通信模块的串口2和GNSS-PPS接口与5G/V2X通信模块进行连接，将NMEA 0183信息传递给5G/V2X通信模块。
2.根据权利要求1所述的一种支持5G通信的车载V2X智能终端，其特征在于，所述整车控制器的CAN信息包括制动系统状态信息、车轮转角信息、油门踏板信息和当前挡位信息。
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