CN113895451A - 一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断系统，包括：激光雷达/摄像头传感器、毫米波雷达/组合导航传感器、远程控制/HMI交互模块、车身底盘执行器、超声波传感器，自动驾驶控制器主计算芯片、MCU计算芯片、VCU，其中远程控制/HMI交互模块、车身底盘执行器与VCU之间通过CAN总线进行连接；超声波传感器、车身底盘执行器与MCU计算芯片通过CAN总线进行连接，通过MCU和VCU分层的安全控制，解决在自动驾驶芯片失效情况下，车辆仍能够安全控制停车；通过分层的安全冗余设计，各模块的安全故障诊断，及故障处理策略，有效保证车辆的行车安全。

Description

一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断系统及方法
技术领域
本发明属于自动驾驶安全领域，特别涉及一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断系统及方法。
背景技术
随着自动驾驶技术的突飞猛进，自动驾驶取代人工驾驶已经是大势所趋，而车辆自动驾驶系统传感器接收到的感知和定位信息，进行车辆行为决策和控制，而整个过程中如何保证车辆的安全稳定运行，尤为重要。现有技术中自动驾驶算法芯片一般为QM级别，无法达到车载ASIL-D安全等级，并且目前自动驾驶软件系统并无法保证100%稳定运行，存在如传感器、算法、通讯等失效情况，现有诊断策略无法实现对故障的识别和故障融合诊断处理，无法保证车辆在这种情况下能继续稳定运行，或者在严重失效情况下能安全停车。
发明内容
本发明提出一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断系统及方法，通过分层的安全冗余设计，各模块的安全故障诊断，及故障处理策略，有效保证车辆的行车安全。
为实现上述目的，本发明提供一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断系统，包括：激光雷达/摄像头传感器、毫米波雷达/组合导航传感器、远程控制/HMI交互模块、车身底盘执行器、超声波传感器、自动驾驶控制器主计算芯片、MCU计算芯片、VCU，其中远程控制/HMI交互模块、车身底盘执行器与VCU之间通过CAN总线进行连接；超声波传感器、车身底盘执行器与MCU计算芯片通过CAN总线进行连接；激光雷达/摄像头传感器、毫米波雷达/组合导航传感器、远程控制/HMI交互模块、车身底盘执行器与自动驾驶控制器主计算芯片通过CAN总线进行连接；MCU计算芯片与自动驾驶控制器主计算芯片电连接；MCU芯片与VCU之间电连接；
作为优选，激光雷达/摄像头传感器、毫米波雷达/组合导航传感器、超声波传感器分布于自动驾驶车辆左前区域、前方左侧区域、车身左侧区域、后方左侧区域、左后区域、正后区域、右后区域、后方右侧区域、车身右侧区域、前方右侧区域、右前区域、正前区域；
一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断方法，包括如下步骤：
步骤一、由自动驾驶算法芯片实现安全控制，通过执行自动驾驶相关算法，接受车辆传感器及车身相关信息，实现自动驾驶系统安全故障诊断及故障处理策略，然后将控制信息传递给第二层MCU进行综合控制处理；其中，自动驾驶控制器主芯片主要检测传感器故障、车身底盘故障、远程控制/HMI交互模块故障，以及自动驾驶系统软件功能模块故障，具体如下：
（1）传感器故障诊断：主要通过两种方式进行故障判断，a. 通过获取传感器本身驱动故障码信息进行故障判断；b.通过控制器主计算芯片感知/定位模块监听传感器通信信号心跳进行故障判断；根据传感器的位置分布及传感器的功能，传感器失效诊断故障分类要求如下：a. 从传感器安装位置上看，故障等级严重程度依次：正前区域/左前区域/右前区域 ＞ 前方右侧区域/前方左侧区域 ＞ 左后区域/右后区域 ＞ 正后区域/后方右侧区域/后方左侧区域；b. 从传感器分类来看：故障等级严重程度依次：激光雷达 ＞ 摄像头＞ 毫米波雷达 ＞ 超声波雷达；c.从传感器探测部署情况来看：单一传感器覆盖区域失效＞ 多传感器覆盖区域内某单一传感器失效；
（2）车身底盘故障诊断：主要通过两种方式进行故障判断，a. 通过获取车身底盘定义的故障码信息进行故障判断；b.通过控制器主计算芯片监听车身底盘信号进行故障判断。本模块根据故障分类原则进行分类诊断。具体如下：
一级故障：即整车存在严重故障，导致车辆安全行驶完全不可靠，可能会造成人员伤亡或者车辆损失。此时必须最大限度关闭自动驾驶对车辆的控制，自动驾驶控制器执行：1. 点亮双闪、不换道紧急制动停车、停车后拉起EPB、上报故障；2. 通知后台人工接管；
二级故障：即整车存在重要故障，导致车辆安全行驶不可靠，可能导致人员严重伤害、重大经济损失或导致自动驾驶失败。此时必须严格限制自动驾驶对车辆的控制，自动驾驶控制器执行：1. 点亮双闪、不换道、舒适制动停车、后拉起EPB、上报故障；2. 通知后台人工接管；
三级故障：即整车存在一般故障，导致车辆安全行驶不太可靠，可能引起人员轻度伤害和一定经济损失。此时必须对自动驾驶对全功能进行降级，自动驾驶控制器执行：1.点亮双闪、不换道、靠边停车、后拉起EPB、上报故障；
四级故障：即整车存在故障，但对车辆安全行驶影响轻微。此时自动驾驶可以全功能使用，但需要提示安全员和后台关注故障，自动驾驶控制器执行：1. 点亮双闪、降速行驶、上报故障；
（3）远程控制/HMI交互模块交互故障诊断：主要通过两种方式进行故障判断，a.通过获取远程控制/HMI交互模块定义的故障码信息进行故障判断；b.通过控制器主计算芯片监听远程控制/HMI交互模块信号进行故障判断；
（4）自动驾驶软件功能模块故障诊断：每个软件模块对各自的故障进行检测，检测逻辑如下：
感知模块：a. 上报（1）传感器故障诊断中感知传感器故障诊断的驱动故障码及通信故障结果；b.检测传感器数据质量异常；
定位模块：a.上报（1）传感器故障诊断中定位传感器故障诊断的驱动故障码及通信故障结果；b.检测输入&配置信息异常：含地图信息加载，地图信息格式匹配、地图配置参数异常等；c.定位状态异常：对GPS定位置信度和激光点云匹配定位等其他定位模式的置信度进行监控，同时置信度低的故障分类严重程度高于单一置信度低；
规划模块：a.检测输入信息异常：感知/定位结果输入信号连续丢帧无数据；数据字段异常如运动目标速度丢失；b.配置匹配异常：地图与定位匹配异常；c.自身轨迹异常
控制模块：a.上报（2）车身底盘故障诊断的故障码及通信故障结果；c.检测控制输入轨迹异常：轨迹丢失或读取文件失败；
自动驾驶控制器主芯片故障诊断：a. 芯片资源故障检测：主芯片实时监控自身计算资源剩余量，并对（CPU+GPU）剩余资源剩余量进行可视化与数据发布，负荷超过阈值则进行报警处理；
步骤二、MCU计算芯片持续监听自动驾驶控制器主计算芯片信息，判断是否接收到主控制器控制命令，如果正常接收，则转发控制器主计算芯片指令至车辆执行机构；如果控制器主计算芯片信号连续丢失超过一定时间，则MCU立即替代主控制器，根据实时车速向车身总线发送减速停车指令，并接收超声波障碍物感知数据判断是否有碰撞进行减速停车动作；
步骤三、如果监测到车辆执行机构故障，如VCU故障、EPS故障、ESC故障、ebooster故障、EPB故障、CAN总线故障等；以及自动驾驶系统整体掉线或者异常或CAN驱动模块异常，则VCU进行紧急停车。
作为优选，自动驾驶控制器主芯片针对上述故障检测监听及上报信息，能对所有的故障进行分级整合处理：满足各级别故障判定条件，即降故障进行升级、降级操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过MCU和VCU分层的安全控制，解决在自动驾驶芯片失效情况下，车辆仍能够安全控制停车；
2.本发明通过自动驾驶系统安全故障诊断及故障处理策略，实现对故障的识别和故障融合诊断处理，保证车辆在部分失效情况下能继续稳定运行，或者在严重失效情况下能安全停车；
3.通过分层的安全冗余设计，各模块的安全故障诊断，及故障处理策略，有效保证车辆的行车安全。
附图说明
图1为本发明系统的各部件连接关系图；
图2为本发明系统的传感器位置分布图；
图3为本发明方法的各计算芯片的诊断流程图；
图4为本发明方法的各计算芯片的诊断流程图；
图5为本发明方法的故障等级示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提出一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断方法，
为实现上述目的，本发明提供一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断方法，其中，自动驾驶整体故障包括自动驾驶外硬件及系统故障和自动驾驶系统故障，如图1所示，自动驾驶外硬件及系统包括：激光雷达/摄像头传感器1、毫米波雷达/组合导航传感器2、远程控制/HMI交互模块3、车身底盘执行器4、超声波传感器5；自动驾驶系统包括：自动驾驶控制器主计算芯片6、MCU计算芯片7、VCU8，其中远程控制/HMI交互模块3、车身底盘执行器4与VCU8之间通过CAN总线进行连接；超声波传感器5、车身底盘执行器4与MCU计算芯片7通过CAN总线进行连接；激光雷达/摄像头传感器1、毫米波雷达/组合导航传感器2、远程控制/HMI交互模块3、车身底盘执行器4与自动驾驶控制器主计算芯片6通过CAN总线进行连接；MCU计算芯片7与自动驾驶控制器主计算芯片6电连接；MCU7芯片与VCU8之间电连接；
如图2所示，自动驾驶外硬件及系统故障系统传感器，分布于自动驾驶车辆左前区域、前方左侧区域、车身左侧区域、后方左侧区域、左后区域、正后区域、右后区域、后方右侧区域、车身右侧区域、前方右侧区域、右前区域、正前区域；
如图3所示，一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断方法，包括如下步骤：
S1、由自动驾驶算法芯片实现安全控制，通过执行自动驾驶相关算法，接受车辆传感器及车身相关信息，实现自动驾驶系统安全故障诊断及故障处理策略，然后将控制信息传递给第二层MCU进行综合控制处理；其中，自动驾驶控制器主芯片6主要检测传感器故障、车身底盘故障、远程控制/HMI交互模块3故障，以及自动驾驶系统软件功能模块故障，具体如下：
（1）传感器故障诊断：主要通过两种方式进行故障判断，a. 通过获取传感器本身驱动故障码信息进行故障判断；b.通过控制器主计算芯片感知/定位模块监听传感器通信信号心跳进行故障判断；根据传感器的位置分布及传感器的功能，传感器失效诊断故障分类要求如下：a. 从传感器安装位置上看，故障等级严重程度依次：正前区域/左前区域/右前区域 ＞ 前方右侧区域/前方左侧区域 ＞ 左后区域/右后区域 ＞ 正后区域/后方右侧区域/后方左侧区域；b. 从传感器分类来看：故障等级严重程度依次：激光雷达 ＞ 摄像头＞ 毫米波雷达 ＞ 超声波雷达；c.从传感器探测部署情况来看：单一传感器覆盖区域失效＞ 多传感器覆盖区域内某单一传感器失效；
（2）车身底盘故障诊断：主要通过两种方式进行故障判断，a. 通过获取车身底盘定义的故障码信息进行故障判断；b.通过控制器主计算芯片监听车身底盘信号进行故障判断。本模块根据故障分类原则进行分类诊断。具体如下：
一级故障：即整车存在严重故障，导致车辆安全行驶完全不可靠，可能会造成人员伤亡或者车辆损失。此时必须最大限度关闭自动驾驶对车辆的控制，自动驾驶控制器执行：1. 点亮双闪、不换道紧急制动停车、停车后拉起EPB、上报故障；2. 通知后台人工接管；
二级故障：即整车存在重要故障，导致车辆安全行驶不可靠，可能导致人员严重伤害、重大经济损失或导致自动驾驶失败。此时必须严格限制自动驾驶对车辆的控制，自动驾驶控制器执行：1. 点亮双闪、不换道、舒适制动停车、后拉起EPB、上报故障；2. 通知后台人工接管；
三级故障：即整车存在一般故障，导致车辆安全行驶不太可靠，可能引起人员轻度伤害和一定经济损失。此时必须对自动驾驶对全功能进行降级，自动驾驶控制器执行：1.点亮双闪、不换道、靠边停车、后拉起EPB、上报故障；
四级故障：即整车存在故障，但对车辆安全行驶影响轻微。此时自动驾驶可以全功能使用，但需要提示安全员和后台关注故障，自动驾驶控制器执行：1. 点亮双闪、降速行驶、上报故障；
（3）远程控制/HMI交互模块3交互故障诊断：主要通过两种方式进行故障判断，a.通过获取远程控制/HMI交互模块3定义的故障码信息进行故障判断；b.通过控制器主计算芯片6监听远程控制/HMI交互模块3信号进行故障判断；
（4）自动驾驶软件功能模块故障诊断：每个软件模块对各自的故障进行检测，检测逻辑如下：
感知模块：a. 上报（1）传感器故障诊断中感知传感器故障诊断的驱动故障码及通信故障结果；b.检测传感器数据质量异常；
定位模块：a.上报（1）传感器故障诊断中定位传感器故障诊断的驱动故障码及通信故障结果；b.检测输入&配置信息异常：含地图信息加载，地图信息格式匹配、地图配置参数异常等；c.定位状态异常：对GPS定位置信度和激光点云匹配定位等其他定位模式的置信度进行监控，同时置信度低的故障分类严重程度高于单一置信度低；
规划模块：a.检测输入信息异常：感知/定位结果输入信号连续丢帧无数据；数据字段异常如运动目标速度丢失；b.配置匹配异常：地图与定位匹配异常；c.自身轨迹异常
控制模块：a.上报（2）车身底盘故障诊断的故障码及通信故障结果；c.检测控制输入轨迹异常：轨迹丢失或读取文件失败；
自动驾驶控制器主芯片6故障诊断：a. 芯片资源故障检测：主芯片实时监控自身计算资源剩余量，并对（CPU+GPU）剩余资源剩余量进行可视化与数据发布，负荷超过阈值则进行报警处理；b.通信心跳异常检测：通过主控制芯片相互通信检测，对信号进行异常诊断；
S2、如图4所示，MCU计算芯片7持续监听自动驾驶控制器主计算芯片信息，判断是否接收到主控制器控制命令，如果正常接收，则转发控制器主计算芯片指令至车辆执行机构；如果控制器主计算芯片信号连续丢失超过一定时间，则MCU立即替代主控制器，根据实时车速向车身总线发送减速停车指令，并接收超声波障碍物感知数据判断是否有碰撞进行减速停车动作；
S3、如果监测到车辆执行机构故障，如VCU故障、EPS故障、ESC故障、ebooster故障、EPB故障、CAN总线故障等；以及自动驾驶系统整体掉线或者异常或CAN驱动模块异常，则VCU进行紧急停车。
如图5所示，自动驾驶控制器主芯片故障诊断系统针对上述故障检测监听及上报信息，能对所有的故障进行分级整合处理：满足各级别故障判定条件，即降故障进行升级、降级操作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断系统，其特征在于，包括：激光雷达/摄像头传感器、毫米波雷达/组合导航传感器、远程控制/HMI交互模块、车身底盘执行器、超声波传感器，自动驾驶控制器主计算芯片、MCU计算芯片、VCU，其中远程控制/HMI交互模块、车身底盘执行器与VCU之间通过CAN总线进行连接；超声波传感器、车身底盘执行器与MCU计算芯片通过CAN总线进行连接；激光雷达/摄像头传感器、毫米波雷达/组合导航传感器、远程控制/HMI交互模块、车身底盘执行器与自动驾驶控制器主计算芯片通过CAN总线进行连接；MCU计算芯片与自动驾驶控制器主计算芯片电连接；MCU芯片与VCU之间电连接。
2.如权利要求1所述的一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断系统，其特征在于，激光雷达/摄像头传感器、毫米波雷达/组合导航传感器、超声波传感器分布于自动驾驶车辆左前区域、前方左侧区域、车身左侧区域、后方左侧区域、左后区域、正后区域、右后区域、后方右侧区域、车身右侧区域、前方右侧区域、右前区域、正前区域。
3.一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、由自动驾驶算法芯片实现安全控制，通过执行自动驾驶相关算法，接受车辆传感器及车身相关信息，实现自动驾驶系统安全故障诊断及故障处理策略，然后将控制信息传递给第二层MCU进行综合控制处理；其中，自动驾驶控制器主芯片主要检测传感器故障、车身底盘故障、远程控制/HMI交互模块故障，以及自动驾驶系统软件功能模块故障；
步骤二、MCU计算芯片持续监听自动驾驶控制器主计算芯片信息，判断是否接收到主控制器控制命令，如果正常接收，则转发控制器主计算芯片指令至车辆执行机构；如果控制器主计算芯片信号连续丢失超过一定时间，则MCU立即替代主控制器，根据实时车速向车身总线发送减速停车指令，并接收超声波障碍物感知数据判断是否有碰撞进行减速停车动作；
步骤三、如果监测到车辆执行机构故障，如VCU故障、EPS故障、ESC故障、ebooster故障、EPB故障、CAN总线故障等；以及自动驾驶系统整体掉线或者异常或CAN驱动模块异常，则VCU进行紧急停车。
4.如权利要求3所述的一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断方法，其特征在于，自动驾驶控制器主芯片针对上述故障检测监听及上报信息，能对所有的故障进行分级整合处理：满足各级别故障判定条件，即降故障进行升级、降级操作。
5.如权利要求3所述的一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断方法，其特征在于，所述步骤一之中，自动驾驶控制器主芯片诊断类别为：
（1）传感器故障诊断：主要通过两种方式进行故障判断，a. 通过获取传感器本身驱动故障码信息进行故障判断；b.通过控制器主计算芯片感知/定位模块监听传感器通信信号心跳进行故障判断；根据传感器的位置分布及传感器的功能，传感器失效诊断故障分类要求如下：a. 从传感器安装位置上看，故障等级严重程度依次：正前区域/左前区域/右前区域 ＞ 前方右侧区域/前方左侧区域 ＞ 左后区域/右后区域 ＞ 正后区域/后方右侧区域/后方左侧区域；b. 从传感器分类来看：故障等级严重程度依次：激光雷达 ＞ 摄像头＞ 毫米波雷达 ＞ 超声波雷达；c.从传感器探测部署情况来看：单一传感器覆盖区域失效＞ 多传感器覆盖区域内某单一传感器失效；
（2）车身底盘故障诊断：主要通过两种方式进行故障判断，a. 通过获取车身底盘定义的故障码信息进行故障判断；b.通过控制器主计算芯片监听车身底盘信号进行故障判断，根据故障分类原则进行分类；
（3）远程控制/HMI交互模块交互故障诊断：主要通过两种方式进行故障判断，a. 通过获取远程控制/HMI交互模块定义的故障码信息进行故障判断；b.通过控制器主计算芯片监听远程控制/HMI交互模块信号进行故障判断；
（4）自动驾驶软件功能模块故障诊断：每个软件模块对各自的故障进行检测，检测逻辑如下：
感知模块：a. 上报传感器故障诊断中感知传感器故障诊断的驱动故障码及通信故障结果；b.检测传感器数据质量异常；
定位模块：a.上报传感器故障诊断中定位传感器故障诊断的驱动故障码及通信故障结果；b.检测输入&配置信息异常：含地图信息加载，地图信息格式匹配、地图配置参数异常等；c.定位状态异常：对GPS定位置信度和激光点云匹配定位等其他定位模式的置信度进行监控，同时置信度低的故障分类严重程度高于单一置信度低；
规划模块：a.检测输入信息异常：感知/定位结果输入信号连续丢帧无数据；数据字段异常如运动目标速度丢失；b.配置匹配异常：地图与定位匹配异常；c.自身轨迹异常
控制模块：a.上报车身底盘故障诊断的故障码及通信故障结果；c.检测控制输入轨迹异常：轨迹丢失或读取文件失败。
6.如权利要求5所述的一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断方法，其特征在于，故障分类原则如下：
一级故障：即整车存在严重故障，导致车辆安全行驶完全不可靠，可能会造成人员伤亡或者车辆损失；
此时必须最大限度关闭自动驾驶对车辆的控制，自动驾驶控制器执行：1. 点亮双闪、不换道紧急制动停车、停车后拉起EPB、上报故障；2. 通知后台人工接管；
二级故障：即整车存在重要故障，导致车辆安全行驶不可靠，可能导致人员严重伤害、重大经济损失或导致自动驾驶失败；
此时必须严格限制自动驾驶对车辆的控制，自动驾驶控制器执行：1. 点亮双闪、不换道、舒适制动停车、后拉起EPB、上报故障；2. 通知后台人工接管；
三级故障：即整车存在一般故障，导致车辆安全行驶不太可靠，可能引起人员轻度伤害和一定经济损失；
此时必须对自动驾驶对全功能进行降级，自动驾驶控制器执行：1. 点亮双闪、不换道、靠边停车、后拉起EPB、上报故障；
四级故障：即整车存在故障，但对车辆安全行驶影响轻微；
此时自动驾驶可以全功能使用，但需要提示安全员和后台关注故障，自动驾驶控制器执行：1. 点亮双闪、降速行驶、上报故障。
7.如权利要求3所述的一种基于自动驾驶系统的安全冗余与故障诊断方法，其特征在于，自动驾驶控制器主芯片故障诊断：芯片资源故障检测：主芯片实时监控自身计算资源剩余量，并对（CPU+GPU）剩余资源剩余量进行可视化与数据发布，负荷超过阈值则进行报警处理。
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