CN113267992A - 一种基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动驾驶领域，特别涉及一种基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统，包括第一控制器、第二控制器、第三控制器、第四控制器；第一控制器实现无人驾驶矿卡与外界的通信交互，将来自矿卡外的通信与定位信号数据进行处理并传递给第三控制器，同时接收来自第三控制器的数据并对其进行处理，之后将处理后的数据发送出去；第二控制器对矿卡外环境和道路环境进行感知处理，将感知数据进行融合分析，与第三控制器进行数据交互；第三控制器为控制系统的决策规划单元和各子系统的控制单元；第四控制器实现对矿卡执行机构的控制，以及控制系统的电源管理。本发明提高了无人驾驶矿卡通信的稳定性、车辆行驶的安全性以及矿卡对于矿区道路的感知效果。

Description

一种基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统

技术领域

本发明属于自动驾驶领域，特别涉及一种基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统，具体涉及无人驾驶矿卡的硬件系统以及无人驾驶系统硬件的冗余设计方法。

背景技术

矿卡，又称翻斗车，常用作矿区中的装卸运输工作，具有载重大、装载车箱可翻斜的优点，同时相比于乘用车辆也有笨重、司机可视区域小的缺点，导致安全系数较低。

目前针对无人驾驶车辆的硬件系统冗余设计内容较少，传统乘用车辆相关研究主要是针对现有车辆的较少电气硬件架构进行冗余设计，且一般只包括一个整车控制器的冗余设计。中国专利CN201620289610.2公开了一一种分布式架构的控制器及供电冗余电动智能汽车电气系统，该技术主要针对单车控制方面的硬件冗余考虑较多，而没有对无人驾驶系统通信组件进行冗余设计，因此不能完全适用于无人驾驶的多控制器情况。中国专利CN201610578625.5虽然提到了无人驾驶车辆和装置的设计方法，但主要是对于乘用车、道路车辆的设计方法，对于行驶缓慢、体积庞大的矿卡来说并不完全适用。

发明内容

为解决矿卡实现无人驾驶应用没有可靠的无人驾驶硬件系统的问题，本发明提供了一种基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统，实现对无人驾驶矿卡的改造与运行。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统，包括第一控制器、第二控制器、第三控制器、第四控制器；

所述第一控制器用于实现矿卡与外界的通信交互，将来自矿卡外的通信信号与定位信号数据进行处理并传递给所述第三控制器，同时接收来自所述第三控制器的数据并对其进行处理，之后将处理后的数据发送出去；所述第一控制器采用冗余设计，包括互为冗余的原控制器1A和冗余控制器1B，正常工作时，原控制器1A参与工作，冗余控制器1B不参与工作，若冗余控制器1B发生异常，原控制器1A向人机交互应用层上传冗余控制器1B的故障信息；若原控制器1A发生异常，冗余控制器1B接管原控制器1A开始工作，并向人机交互应用层上传原控制器1A的故障信息；

所述第二控制器用于对矿卡外环境和道路环境进行感知处理，将来自多种雷达的感知数据进行融合分析，与所述第三控制器进行数据交互；

所述第三控制器用作所述控制系统的决策规划单元和矿卡的控制单元；所述第三控制器采用冗余设计，包括互为冗余的原控制器3A和冗余控制器3B，正常工作时，原控制器3A参与工作，冗余控制器3B不参与工作，若冗余控制器3B发生异常，原控制器3A向人机交互应用层上传冗余控制器3B的故障信息；若原控制器3A发生异常，冗余控制器3B接管原控制器3A开始工作，并向人机交互应用层上传原控制器3A的故障信息；

所述第四控制器用于实现对矿卡执行机构的控制，以及所述控制系统的电源管理。

一些实施方式中，所述第一控制器包括V2N通信模块、V2X通信模块、组合导航定位模块和网关CPU；

所述V2N通信模块用于提供长距稳定不中断的网络信号，矿卡通过所述V2N通信模块与互联网进行稳定的数据交互；所述V2X通信模块用于实现矿卡与其他驾驶单位的通信；所述组合导航定位模块包括处理单元、定位单元和陀螺仪，所述处理单元对所述定位单元接收的定位信号以及所述陀螺仪的加速度信息进行融合处理，得到矿卡的定位数据；所述网关CPU用于协调V2N通信模、V2X通信模块和组合导航定位模块的通信数据，并与第三控制器进行数据交互。

一些实施方式中，所述第二控制器包括CAN总线控制模块与感知CPU；所述CAN总线控制模块用于接收多种雷达的数据并传递给所述感知CPU；所述感知CPU用于分析处理各雷达的数据，并与所述第三控制器进行数据交互。

一些实施方式中，所述多种雷达包括毫米波雷达和激光雷达。

一些实施方式中，所述第三控制器包括决策规划CPU、无线模块和通信模块；

所述决策规划CPU为运算和控制处理器，用于接收来自所述第一控制器与所述第二控制器的数据并对接收的数据进行决策分析规划，最后运算得到矿卡的动作信息；所述无线模块用于实现矿卡的紧急停止控制；所述通信模块用于将运算得到的矿卡的动作信息实时传送给所述第四控制器，实现矿卡的快速反应。

一些实施方式中，所述无线模块在紧急情况下接收遥控设备的信息，由人工实现矿卡的紧急停止与启动。

在一些实施方式中，所述第四控制器包括线控MCU、POWER模块、ADC、DAC、PWM、继电器模块；所述线控MCU用于接收所述第三控制器下发的控制指令并将其转化成开关量和PWM线控信号；所述POWER模块用于根据所述控制系统的硬件实时消耗的功率动态调整电流，同时受所述第四控制器的控制，对出现供电异常的控制器进行断电操作，并且用于为所述控制系统供电，实现车电与可充电电池供电输入的自动切换，同时支持对可充电电池进行充电；所述ADC、DAC、PWM、继电器模块组合工作用于实现对矿卡的数据采集与线控信号的控制。

一些实施方式中，所述控制指令至少包括转向角度、制动踏板开度和油门踏板开度。

本发明的有益效果：

1）本发明的第一控制器融合了多种通信系统，当其中一种通信系统出现异常时，其他通信系统还可继续工作通信，不会出现某个通信系统异常整个系统就会瘫痪的情况，这大大提升了通信的稳定性；

2）本发明采用自研组合导航技术，使得车辆定位更加精准高效，大大提高了车辆行驶时的安全性；

3）本发明设计了车规级的5G通信，大大提升了通信的稳定性；

4）本发明采用多种感知雷达融合技术，结合无人驾驶矿卡的车辆体积大、行驶速度慢的特点，提升了矿卡对于矿区道路的感知效果。

附图说明

图1是本发明实施例的基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统整体框架图；

图2是本发明实施例的基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统的冗余设计的一般工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本实施例的基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统包括第一控制器、第二控制器、第三控制和第四控制器。

第一控制器为无人驾驶矿卡与外界进行通信交互的网关交互部分，对来自矿卡外的各种通信与定位信号数据进行处理，并将处理后的数据传递给第三控制器，同时接收来自第三控制器需要发出的数据并对其进行处理，之后将处理后的数据通过各种无线通信方式发送出去。本实施例中，第一控制器包括V2N（Vehicle to network，车与网络）通信模块、V2X（vehicle to everything，车与外界）通信模块、组合导航定位模块和网关CPU。其中，V2N通信模块主要负责长距稳定不中断的网络信号，包括但不限于4G/5G信号，无人驾驶矿卡通过V2N通信模块与互联网进行稳定的数据交互，将矿卡车辆的各项数据上报给云平台，技术管理人员通过云平台查看数据进行管理。V2X通信模块主要负责无人驾驶矿卡与其他驾驶单位的通信，包括但不限于矿卡与矿卡之间、矿卡与挖掘机之间的通信。例如，两台无人驾驶矿卡可通过V2X通信模块互相接收到来自对方的数据，并且解析数据得知对方的准确定位信息，从而增加车与车之间的安全性。组合导航定位模块主要用于无人驾驶矿卡本体的高精度定位，包括处理单元、定位单元和陀螺仪单元。处理单元通过定位单元接收例如卫星定位信号，并辅以陀螺仪单元中得到陀螺仪的加速度信息解算出高频次高精确的惯导信息，矿卡根据惯导信息，行驶轨迹将更精确。网关CPU用于协调V2N通信模块、V2X通信模块和组合导航定位模块的通信数据，并且网关CPU作为网关单元的大脑与第三控制器进行数据交互，将通信数据传送给第三控制器。

特别地，第一控制器采用冗余设计，包括互为冗余的原控制器1A和冗余控制器1B。正常工作时，原控制器1A参与工作，冗余控制器1B不参与工作，若冗余控制器1B发生异常，则原控制器1A通过交换机向人机交互应用层上传冗余控制器1B的故障信息；若原控制器1A发生异常，则冗余控制器1B接管原控制器1A开始工作，并通过交换机向人机交互应用层上传原控制器1A的故障信息。

第二控制器用于对无人驾驶矿卡外环境和道路环境进行感知处理，将来自例如毫米波雷达与激光雷达的感知数据进行融合分析，与第三控制器进行数据交互。本实施例中，第二控制器包括CAN总线控制模块与感知CPU。CAN总线控制模块接收毫米波雷达和激光雷达的关于车辆周围道路路况的数据，并将数据传送给感知CPU。其中，毫米波雷达可以实现车前后的短距有效抗扰感知，而激光雷达可以实现车辆的长距广度精确感知。感知CPU对各个雷达的数据进行分析处理，同时感知CPU作为感知单元的大脑与第三控制器进行数据交互，将感知雷达数据传送给第三控制器。

第三控制器用作整个控制系统的决策规划单元和线控车辆的控制单元。本实施例中，第三控制器包括决策规划CPU、无线模块和通信模块。其中，决策规划CPU用作第三控制器的运算和控制处理器，接收来自第一控制器的通信数据与第二控制器的感知雷达数据，并对数据进行决策分析规划后，运算出车辆的动作信息。无线模块用作整车的紧急停止控制模块，可在紧急情况下接收例如遥控手柄的信息，由人工实现无人矿卡的紧急情况处理，例如紧急停止与启动。通信模块用于将运算得到的矿卡的动作信息实时传送给第四控制器，实现无人驾驶矿卡的快速反应。

特别地，第三控制器采用冗余设计，包括互为冗余的原控制器3A和冗余控制器3B，正常工作时，原控制器3A参与工作，冗余控制器3B不参与工作，若冗余控制器3B发生异常，原控制器3A通过交换器向人机交互应用层上传冗余控制器3B的故障信息；若原控制器3A发生异常，冗余控制器3B接管原控制器3A开始工作，并通过向人机交互应用层上传原控制器3A的故障信息。

第四控制器用于实现对无人矿卡执行机构（包括车辆的电油门、电制动、档位、举升控制、方向盘等）的信号数据采集和控制，以及用于整个控制系统的电源管理，实现对各个控制器进行电源的动态管理。本实施例中，第四控制器包括线控MCU、POWER模块、ADC、DAC、PWM、继电器模块。其中，线控MCU用于接收第三控制器的决策规划CPU的包括转向角度、制动踏板开度和油门踏板开度等的控制指令，并将控制指令转化成开关量和PWM线控信号。POWER模块可以根据控制系统的硬件实时消耗的功率的多少，动态调整电流，同时受第四控制器线控MCU的控制，可对出现异常的控制器进行断电操作；同时，POWER模块可实现车电与可充电电池供电输入的自由切换，当其中一路供电出现异常时，可自动切换到另一路电源进行供电。特别地，当车电正常时，POWER模块还可通过自身的充电功能，对可充电电池进行充电。ADC、DAC、PWM、继电器模块组合工作用于实现对无人矿卡的数据采集与线控信号的控制。

特别地，如果矿卡进行无人驾驶改造前本身自带VCU模块，可以不使用第四控制器的线控功能，将车辆的VCU通信接口与第三控制器的通信模块的通信接口直连，在满足通信协议匹配的情况下，实现整个控制系统的兼容控制。因此，本发明可兼容更多型号的矿卡。

下面结合图2对本发明实施例的基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统的冗余设计工作进行说明，以第一控制器的控制器冗余设计为例进行说明，第三控制器的冗余设计逻辑同理，具体过程如下：

第一控制器工作时，原控制器1A与冗余控制器1B周期性发送CAN报文给对方，同时监听对方的CAN报文。当原控制器1A接收不到冗余控制器1B的CAN报文时，可认为冗余控制器1B发生了异常，之后原控制器1A将冗余控制器1B的异常信息上报给第三控制器。第三控制器收到原控制器1A的异常上报信息后，首先判断冗余控制器1B是否发生了异常，如果冗余控制器1B异常，则通知第四控制器关闭出现异常的冗余控制器1B的电源。特别地，只要工作中的原控制器1A不停止向冗余控制器1B发送CAN报文，相同功能的冗余控制器1B就一直处于待工作状态，此时原控制器1A正常与第二控制器和第三控制器进行数据交互。

原控制器1A发生异常时，其会停止发送CAN报文，此时处于待工作状态下的冗余控制器1B会由于接收不到来自原控制器1A的CAN报文，主动从待工作状态中唤醒进入工作状态，随后冗余控制器1B将原控制器1A的异常信息通知第三控制器，等待第三控制器的指派。第三控制器收到冗余控制器1B的异常上报信息后，首先判断原控制器1A是否发生了异常，随后决策是否选择将冗余控制器1B替换掉出现异常的原控制器1A。当第三控制器选择将冗余控制器1B替换为原控制器1A后，第三控制器会给冗余控制器1B发送指派命令，同时通知第四控制器关闭掉出现异常的原控制器1A的电源。冗余控制器1B接收到第三控制器的指派命令后，正式进入工作状态，随后正常与第二控制器与第三控制器进行数据交互，控制系统重新恢复到正常工作状态。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于冗余设计的矿卡无人驾驶控制系统，其特征在于，包括第一控制器、第二控制器、第三控制器、第四控制器；

所述第一控制器用于实现矿卡与外界的通信交互，将来自矿卡外的通信信号与定位信号数据进行处理并传递给所述第三控制器，同时接收来自所述第三控制器的数据并对其进行处理，之后将处理后的数据发送出去；所述第一控制器采用冗余设计，包括互为冗余的原控制器1A和冗余控制器1B，正常工作时，原控制器1A参与工作，冗余控制器1B不参与工作，若冗余控制器1B发生异常，原控制器1A向人机交互应用层上传冗余控制器1B的故障信息；若原控制器1A发生异常，冗余控制器1B接管原控制器1A开始工作，并向人机交互应用层上传原控制器1A的故障信息；

所述第二控制器用于对矿卡外环境和道路环境进行感知处理，将来自多种雷达的感知数据进行融合分析，与所述第三控制器进行数据交互；

所述第三控制器用作所述控制系统的决策规划单元和矿卡的控制单元；所述第三控制器采用冗余设计，包括互为冗余的原控制器3A和冗余控制器3B，正常工作时，原控制器3A参与工作，冗余控制器3B不参与工作，若冗余控制器3B发生异常，原控制器3A向人机交互应用层上传冗余控制器3B的故障信息；若原控制器3A发生异常，冗余控制器3B接管原控制器3A开始工作，并向人机交互应用层上传原控制器3A的故障信息；

所述第四控制器用于实现对矿卡执行机构的控制，以及所述控制系统的电源管理。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一控制器包括V2N通信模块、V2X通信模块、组合导航定位模块和网关CPU；

所述V2N通信模块用于提供长距稳定不中断的网络信号，矿卡通过所述V2N通信模块与互联网进行稳定的数据交互；所述V2X通信模块用于实现矿卡与其他驾驶单位的通信；所述组合导航定位模块包括处理单元、定位单元和陀螺仪，所述处理单元对所述定位单元接收的定位信号以及所述陀螺仪的加速度信息进行融合处理，得到矿卡的定位数据；所述网关CPU用于协调V2N通信模、V2X通信模块和组合导航定位模块的通信数据，并与第三控制器进行数据交互。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第二控制器包括CAN总线控制模块与感知CPU；所述CAN总线控制模块用于接收多种雷达的数据并传递给所述感知CPU；所述感知CPU用于分析处理各雷达的数据，并与所述第三控制器进行数据交互。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述多种雷达包括毫米波雷达和激光雷达。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第三控制器包括决策规划CPU、无线模块和通信模块；

所述决策规划CPU为运算和控制处理器，用于接收来自所述第一控制器与所述第二控制器的数据并对接收的数据进行决策分析规划，最后运算得到矿卡的动作信息；所述无线模块用于实现矿卡的紧急停止控制；所述通信模块用于将运算得到的矿卡的动作信息实时传送给所述第四控制器，实现矿卡的快速反应。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述无线模块在紧急情况下接收遥控设备的信息，由人工实现矿卡的紧急停止与启动。

7.根据权利要求1-6任一项所述的控制系统，其特征在于，所述第四控制器包括线控MCU、POWER模块、ADC、DAC、PWM、继电器模块；所述线控MCU用于接收所述第三控制器下发的控制指令并将其转化成开关量和PWM线控信号；所述POWER模块用于根据所述控制系统的硬件实时消耗的功率动态调整电流，同时受所述第四控制器的控制，对出现供电异常的控制器进行断电操作，并且用于为所述控制系统供电，实现车电与可充电电池供电输入的自动切换，同时支持对可充电电池进行充电；所述ADC、DAC、PWM、继电器模块组合工作用于实现对矿卡的数据采集与线控信号的控制。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制指令至少包括转向角度、制动踏板开度和油门踏板开度。

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