CN113460085B - 面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法及计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，以中央安全网关作为中心节点，通过车载以太网总线将3个域控制器进行连接作为主干网，整车动力控制系统直接与中央安全网关相连；根据自动驾驶场景抽象出来8种自动驾驶行驶服务，并按照紧急程度进行优先级排序。本发明以中央安全网关为中心节点，通过车载以太网总线将3个域控制器进行连接作为主干网，实现各域控制器之间的信息高效传输以及域控制器和其它系统单元之间的信号高效交互的网络拓扑结构，有效解决了自动驾驶汽车对于高带宽和高可靠性的要求。此外，按照紧急程度进行优先级排序抽象出来的8种自动驾驶行驶服务，能够有效解决自动驾驶智能网联汽车对于整车网络低时延的要求。
Description
技术领域
本发明属于自动驾驶领域，具体涉及一种面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法及计算机设备。
背景技术
随着电子技术的迅速发展和在新一轮科技革命和产业革命的驱动下，自动驾驶智能网联汽车已成为全球汽车产业发展的重要战略方向，在不久的将来，有条件自动驾驶和自动驾驶智能网联汽车将会落地并服务大众。
传统的基于CAN总线车载主干网络明显不能满足自动驾驶智能网联汽车车内/车外大量数据信息的交互和共享对网络带宽和实时性的需求。因此为了满足自动驾驶智能网联汽车对于车载网络提出的如高带宽、低延时及高可靠性等挑战，设计出一种新的车载主干网络结构和通信方式势在必行。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法及计算机设备，满足自动驾驶智能网联汽车对于低时延、高可靠和高带宽的苛刻需求。
本发明提供的技术方案如下：
一种面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，以中央安全网关作为中心节点，通过车载以太网总线将驾驶域控制器、车身信息域控制器和人机交互域控制器进行连接作为主干网，整车动力控制系统直接与中央安全网关相连；其中，中央安全网关负责报文信号的路由和服务的配置及调度；驾驶域控制器通过模式切换开关进行自动驾驶和人工驾驶模式切换，当为自动驾驶模式时通过总线收集并分析来自车辆自身状态感知数据和车辆外部环境感知数据，同时向中央安全网关请求需要的服务，调节整车动力控制系统的动力输出，并直接控制横向执行控制单元、纵向执行控制单元及垂向执行控制单元及时调整车辆姿态参数；当为人工驾驶模式时通过总线收集并分析来自车辆自身状态感知数据和车辆外部环境感知数据，同时向中央安全网关请求需要的服务，若无紧急制动必要仅提供视觉、听觉或者触觉的辅助警示，不请求调节动力输出和控制车辆姿态；车身信息域控制器实现车身控制和诊断相关功能，通过中央安全网关和其它模块进行报文信号交互，同时向中央安全网关注册和提供自动驾驶相关的服务；人机交互域控制器负责智能座舱功能，通过中央安全网关和其它模块进行报文信号交互，同时向CGW注册和提供自动驾驶相关的服务；
根据自动驾驶场景抽象出来8种自动驾驶行驶服务，并按照紧急程度进行优先级排序，按照优先级从低到高排分别为：服务1-保持当前行驶服务、服务2-向前行驶服务、服务3-向左行驶服务、服务4-向右行驶服务、服务5-向后行驶服务、服务6-加速行驶服务、服务7-减速行驶服务和服务8-紧急制动行驶服务。
优选地，车辆自身状态感知和车辆外部环境感知通过CAN/CANFD子网与驾驶域控制器进行通信。
优选地，车辆自身状态感知包括方向盘转角感知单元SAS、车速感知单元SPD、挡位采集单元GEAR和横向/纵向加速度感知单元AAU；车辆外部环境感知包括激光雷达感知单元LIDAR、超声波雷达组控制单元UIRAD、前摄像头控制器FCAM和前毫米波雷达控制器FRAD。
优选地，纵向执行控制单元、横向执行控制单元和垂向执行控制单元通过X-By-Wire线控系统与驾驶域控制器相连。
优选地，纵向执行控制单元包括自适应巡航控制ACC、电子制动执行单元EBD和电子挡位控制单元ESM；横向执行控制单元包括电子转向控制系统EPS、电子稳定程序ESP和车道保持LKA；垂向执行控制单元包括自动悬架调节控制系统ASC。
优选地，整车动力控制系统包括整车控制系统VECU、变速箱控制单元TCU和发送机管理系统EMS或电机电池管理系统。
优选地，车身信息域控制器通过CAN/LIN子网把车窗、门锁、车灯控制、空调控制、座椅控制连接起来进行信号交互。人机交互域控制器使用车载以太网子网连接车联网V2X和高精地图单元HMAP系统进行信息传输。
优选地，用户开启自动驾驶模式后，驾驶域控制器APD代替驾驶员接管控制车辆，进入自动驾驶模式AutoPolitOn状态，同时实时进行系统自诊断、驾驶模式切换开关监测和紧急制动判断，当发现有系统失效、模式被切换或者有紧急制动则退出AutoPolitOn状态，进入ADP控制车辆到等待驾驶员接管车辆的过度状态AutoPolitShutDown状态；
AutoPolitShutDown状态时，APD保持控制车辆令车辆可控并保持在安全行驶状态或安全行驶场景中，直到ADP分析判断驾驶员已经安全的接管了车辆控制，则退出自动驾驶；若ADP一直没有感知到驾驶员操控车辆，则激活自动安全停车指令并激活Ecall功能；
当车辆保持在AutoPolitOn状态下时，ADP控制器一是实时监控车辆当前状态，实时调整车辆姿态并规划行车路径；二是通过高精地图数据、导航和定位不断进行路径规划和刷新；三是通过外部环境感知进行目标识别和行为预测调整车辆状态。
优选地，8种自动驾驶行驶服务归类为3类：
第一类行驶服务，是车辆姿态保持周期请求服务，当车辆切换为自动驾驶模式后，经过APD对车辆轨迹预测和对外部环境目标识别的一种周期性请求保持车辆当前行驶轨迹和车辆姿态的服务，仅包含服务1；
第二类行驶服务，是车辆姿态调整事件请求服务，当APD通过车辆自身状态感知获取车辆当前姿态，对车辆外部环境感知预测外部目标的行驶轨迹和行为意图，从车联网及高精地图获取定位和交通信息，及对车辆内外状态收集和分析，对车辆姿态和轨迹进行新的规划和调整，并通过横向和纵向执行器控制单元完成上述调整，包含服务2、服务3、服务4、服务5、服务6和服务7；
第三类行驶服务，是车辆紧急制动退出自动驾驶事件请求服务，当ADP感知到突发事件或者检测出系统故障时，超出自动驾驶模式对车辆轨迹和行为的控制立即退出自动驾驶模式，并进行安全、可控的紧急制动请求，仅包含服务8。
一种计算机设备，计算机设备包括处理器和存储器，存储器中存储有至少一段程序，至少一段程序由处理器加载并执行以实现如上述的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法。
本发明的有益效果为：
本发明以中央安全网关为中心节点，通过车载以太网总线将车身信息域控制器、人机交互域控制器和驾驶域控制器进行连接作为主干网，实现各域控制器之间的信息高效传输以及域控制器和其它系统单元之间的信号高效交互的网络拓扑结构，有效解决了自动驾驶汽车对于高带宽和高可靠性的要求。此外，按照紧急程度进行优先级排序抽象出来的8种自动驾驶行驶服务，能够有效解决自动驾驶智能网联汽车对于整车网络低时延的要求。
附图说明
图1是本发明的面向服务的自动驾驶网络架构示意图。
图2是本发明的自动驾驶模式控制方法状态切换图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施案例，对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出一种面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，采用车载以太网作为主干网，通过中央安全网关配置和调度抽象服务将驾驶域控制器、车身信息域控制器和人机交互域控制器联系起来。根据自动驾驶场景抽象出8条自动驾驶行驶服务，配合整个自动驾驶网络设计实现一种面向服务的通信传输，来迎合自动驾驶智能网联汽车对于低时延、高可靠和高带宽的苛刻需求。
本发明实施例的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，如图1所示，以中央安全网关为中心节点，通过车载以太网总线将驾驶域控制器、车身信息域控制器和人机交互域控制器进行连接。车辆自身状态感知和车辆外部环境感知通过CAN/CANFD子网与驾驶域控制器进行通信。纵向执行控制单元、横向执行控制单元和垂向执行控制单元通过X-By-Wire线控系统与驾驶域控制器相连。整车动力控制系统直接通过CAN/CANFD总线与中央安全网关相接。车身信息域控制器通过CAN/LIN子网把车窗、门锁、车灯控制、空调控制、座椅控制等连接起来进行信号交互。人机交互域控制器使用车载以太网子网连接车联网V2X和高精地图单元HMAP等系统进行信息传输。
车辆自身状态感知包括如方向盘转角感知单元SAS、车速感知单元SPD、挡位采集单元GEAR和横向/纵向加速度感知单元AAU等。车辆外部环境感知包括如激光雷达感知单元LIDAR、超声波雷达组控制单元UIRAD、前摄像头控制器FCAM和前毫米波雷达控制器FRAD等。
纵向执行控制单元包括如自适应巡航控制ACC、电子制动执行单元EBD和电子挡位控制单元ESM等。横向执行控制单元包括如电子转向控制系统EPS、电子稳定程序ESP和车道保持LKA等。垂向执行控制单元如自动悬架调节控制系统ASC等。
整车动力控制系统包括整车控制系统VECU、变速箱控制单元TCU和发送机管理系统EMS或电机电池管理系统等。
中央安全网关CGW作为本自动驾驶网络设计的一个中心节点主要负责报文信号的路由和服务的配置及调度等功能。如根据服务情况更改服务的调用，使用负载均衡的调用策略，来配置每个实例的流量权重。也可提供服务寻址和注册以及对服务状态进行统计汇总，支持熔断限流等安全访问的策略，具有检测防止DoS（Denial of Service 拒绝服务攻击）攻击和日志记录功能。
驾驶域控制器APD是本自动驾驶网络设计的核心节点，一方面通过模式切换开关进行自动驾驶和人工驾驶模式切换，当自为动驾驶模式时通过总线收集并分析来自车辆自身状态感知数据和车辆外部环境感知数据，同时向中央安全网关请求需要的服务，调节整车动力控制系统的动力输出，并直接控制横向执行控制单元、纵向执行控制单元及垂向执行控制单元及时调整车辆姿态参数；当为人工驾驶模式时通过总线收集并分析来自车辆自身状态感知数据和车辆外部环境感知数据，同时向中央安全网关请求需要的服务，若无紧急制动必要仅提供视觉、听觉或者触觉的辅助警示，不请求调节动力输出和控制车辆姿态。
人机交互域控制器HID（Human-machine Interface Domain Controller）负责中控大屏显示、仪表显示、车联网信息交互和高精地图信息获取和显示等智能座舱功能，通过CGW和其它模块进行报文信号交互，同时向CGW注册和提供自动驾驶相关的服务。
车身信息域控制器BID（Body Information Domain Controller）主要通过CAN/LIN总线实现车窗、门锁、车灯、空调、座椅和天窗等车身控制和诊断相关功能，通过CGW和其它模块进行报文信号交互，同时向CGW注册和提供自动驾驶相关的服务。
抽象出来的自动驾驶行驶服务按照紧急程度进行优先级排序，按照优先级从低到高排分别为：服务1-保持当前行驶服务、服务2-向前行驶服务、服务3-向左行驶服务、服务4-向右行驶服务、服务5-向后行驶服务、服务6-加速行驶服务、服务7-减速行驶服务和服务8-紧急制动行驶服务。根据车辆行驶姿态可将这8条自动驾驶行驶服务归类为3种。
第一类行驶服务，是车辆姿态保持周期请求服务，当车辆切换为自动驾驶模式后，经过APD（Auto-Pilot Domain controller）对车辆轨迹预测和对外部环境目标识别的一种周期性请求保持车辆当前行驶轨迹和车辆姿态的服务。仅包含服务1-保持当前行驶服务，即保持当前车辆行驶状态服务。
第二类行驶服务，是车辆姿态调整事件请求服务，当APD通过车辆自身状态感知获取车辆当前姿态，对车辆外部环境感知预测外部目标如（行人，车辆）的行驶轨迹和行为意图，从车联网及高精地图获取定位和交通信息，及对车辆内外其它状态收集和分析，对车辆姿态和轨迹进行新的规划和调整，并通过横向和纵向执行器控制单元完成上述调整。包含服务2、服务3、服务4、服务5、服务6和服务7。
第三类行驶服务，是车辆紧急制动退出自动驾驶事件请求服务，当ADP感知到突发事件或者检测出系统故障时，超出自动驾驶模式对车辆轨迹和行为的控制立即退出自动驾驶模式，并进行安全、可控的紧急制动请求。仅包含服务8。
本发明实施例的面向服务的自动驾驶模式控制方法状态切换图，如图2所示，用户开启自动驾驶模式后，驾驶域控制器APD代替驾驶员接管控制车辆，进入自动驾驶模式AutoPolitOn状态。同时实时进行系统自诊断、驾驶模式切换开关监测和紧急制动判断，当发现有系统失效、模式被切换或者有紧急制动则退出AutoPolitOn状态，进入ADP控制车辆到等待驾驶员接管车辆的过度状态AutoPolitShutDown状态。最后ADP确定驾驶员真正接管车辆退出自动驾驶。
AutoPolitShutDown状态时，APD保持控制车辆令车辆可控并保持在安全行驶状态或安全行驶场景中，直到ADP分析判断驾驶员已经安全的接管了车辆控制，则退出自动驾驶。若AutoPolitShutDown状态下，ADP一直没有感知到驾驶员操控车辆，则激活自动安全停车指令并激活Ecall功能。安全停车指令即ADP首先请求激活车辆安全警示灯，同时感知车辆外部环境，在保证行车安全下，逐渐减速靠边，最后停车并激活Ecall紧急呼叫功能。
当车辆保持在AutoPolitOn状态下，ADP控制器一是实时监控车辆当前状态，实时调整车辆姿态并规划行车路径；二是通过高精地图数据、导航和定位不断进行路径规划和刷新；三是通过外部环境感知进行目标识别和行为预测调整车辆状态。
本发明的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，关键点有：
1）采用以中央安全网关作为中心节点，车载以太网总线作为主干网连接各域控制器，实现各域控制器之间的信息高效传输以及域控制器和其它系统单元之间的信号高效交互的网络拓扑结构。
2）划分3个域控制器，驾驶域控制器、人机交互域控制器和车身信息域控制器以及各控制器的作用和信息信号交互方式。
3）分离感知控制系统和执行控制单元，抽象出车辆自身状态感知和车辆外部系统感知，以及横向执行控制单元、纵向执行控制单元和垂向执行控制单元。
4）抽象出来自动驾驶行驶服务，并对其进行优先级划分。
另一方面，提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一段程序，所述至少一段程序由所述处理器加载并执行以实现如上述本申请实施例中任一所述的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，其特征在于：
以中央安全网关作为中心节点，通过车载以太网总线将驾驶域控制器、车身信息域控制器和人机交互域控制器进行连接作为主干网，整车动力控制系统直接与中央安全网关相连；其中，中央安全网关负责报文信号的路由和服务的配置及调度；驾驶域控制器通过模式切换开关进行自动驾驶和人工驾驶模式切换，当为自动驾驶模式时通过总线收集并分析来自车辆自身状态感知数据和车辆外部环境感知数据，同时向中央安全网关请求需要的服务，调节整车动力控制系统的动力输出，并直接控制横向执行控制单元、纵向执行控制单元及垂向执行控制单元及时调整车辆姿态参数；当为人工驾驶模式时通过总线收集并分析来自车辆自身状态感知数据和车辆外部环境感知数据，同时向中央安全网关请求需要的服务，若无紧急制动必要仅提供视觉、听觉或者触觉的辅助警示，不请求调节动力输出和控制车辆姿态；车身信息域控制器实现车身控制和诊断相关功能，通过中央安全网关和其它模块进行报文信号交互，同时向中央安全网关注册和提供自动驾驶相关的服务；人机交互域控制器负责智能座舱功能，通过中央安全网关和其它模块进行报文信号交互，同时向CGW注册和提供自动驾驶相关的服务；
用户开启自动驾驶模式后，驾驶域控制器APD代替驾驶员接管控制车辆，进入自动驾驶模式AutoPolitOn状态，同时实时进行系统自诊断、驾驶模式切换开关监测和紧急制动判断，当发现有系统失效、模式被切换或者有紧急制动则退出AutoPolitOn状态，进入ADP控制车辆到等待驾驶员接管车辆的过度状态AutoPolitShutDown状态；
AutoPolitShutDown状态时，APD保持控制车辆令车辆可控并保持在安全行驶状态或安全行驶场景中，直到ADP分析判断驾驶员已经安全的接管了车辆控制，则退出自动驾驶；若ADP一直没有感知到驾驶员操控车辆，则激活自动安全停车指令并激活Ecall功能；
当车辆保持在AutoPolitOn状态下时，ADP控制器一是实时监控车辆当前状态，实时调整车辆姿态并规划行车路径；二是通过高精地图数据、导航和定位不断进行路径规划和刷新；三是通过外部环境感知进行目标识别和行为预测调整车辆状态；
根据自动驾驶场景抽象出来8种自动驾驶行驶服务，并按照紧急程度进行优先级排序，按照优先级从低到高排分别为：服务1-保持当前行驶服务、服务2-向前行驶服务、服务3-向左行驶服务、服务4-向右行驶服务、服务5-向后行驶服务、服务6-加速行驶服务、服务7-减速行驶服务和服务8-紧急制动行驶服务；
8种自动驾驶行驶服务归类为3类：
第一类行驶服务，是车辆姿态保持周期请求服务，当车辆切换为自动驾驶模式后，经过APD对车辆轨迹预测和对外部环境目标识别的一种周期性请求保持车辆当前行驶轨迹和车辆姿态的服务，仅包含服务1；
第二类行驶服务，是车辆姿态调整事件请求服务，当APD通过车辆自身状态感知获取车辆当前姿态，对车辆外部环境感知预测外部目标的行驶轨迹和行为意图，从车联网及高精地图获取定位和交通信息，及对车辆内外状态收集和分析，对车辆姿态和轨迹进行新的规划和调整，并通过横向和纵向执行器控制单元完成上述调整，包含服务2、服务3、服务4、服务5、服务6和服务7；
第三类行驶服务，是车辆紧急制动退出自动驾驶事件请求服务，当ADP感知到突发事件或者检测出系统故障时，超出自动驾驶模式对车辆轨迹和行为的控制立即退出自动驾驶模式，并进行安全、可控的紧急制动请求，仅包含服务8。
2.根据权利要求1所述的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，其特征在于，车辆自身状态感知和车辆外部环境感知通过CAN/CANFD子网与驾驶域控制器进行通信。
3.根据权利要求2所述的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，其特征在于，车辆自身状态感知包括方向盘转角感知单元SAS、车速感知单元SPD、挡位采集单元GEAR和横向/纵向加速度感知单元AAU；车辆外部环境感知包括激光雷达感知单元LIDAR、超声波雷达组控制单元UIRAD、前摄像头控制器FCAM和前毫米波雷达控制器FRAD。
4.根据权利要求1所述的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，其特征在于，纵向执行控制单元、横向执行控制单元和垂向执行控制单元通过X-By-Wire线控系统与驾驶域控制器相连。
5.根据权利要求4所述的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，其特征在于，纵向执行控制单元包括自适应巡航控制ACC、电子制动执行单元EBD和电子挡位控制单元ESM；横向执行控制单元包括电子转向控制系统EPS、电子稳定程序ESP和车道保持LKA；垂向执行控制单元包括自动悬架调节控制系统ASC。
6.根据权利要求1所述的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，其特征在于，整车动力控制系统包括整车控制系统VECU、变速箱控制单元TCU和发送机管理系统EMS或电机电池管理系统。
7.根据权利要求1所述的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法，其特征在于，车身信息域控制器通过CAN/LIN子网把车窗、门锁、车灯控制、空调控制、座椅控制连接起来进行信号交互；人机交互域控制器使用车载以太网子网连接车联网V2X和高精地图单元HMAP系统进行信息传输。
8.一种计算机设备，计算机设备包括处理器和存储器，存储器中存储有至少一段程序，至少一段程序由处理器加载并执行以实现如权利要求1至7中任意一项所述的面向服务的自动驾驶网络设计和通信方法。
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