CN113968237B - 一种无人驾驶车辆转向系统及运行方法、存储装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶车辆转向系统安全冗余架构，该系统仅增加一个ECU实现转向系统的安全冗余控制，在考虑提升安全性的同时考虑尽可能降低成本；增加的ECU在做冗余安全控制的同时，监控转向ECU的工作状态，避免由转向ECU故障未报出而导致冗余ECU未进行控制进而导致出现危害，同时增加了ECU的利用率，降低了危害发生的可能性。

Description

一种无人驾驶车辆转向系统及运行方法、存储装置

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种无人驾驶车辆转向系统的安全冗余架构。

背景技术

在国家政策的支持以及各相关企业的努力下，无人驾驶技术正在不断的提升。无人驾驶技术中，从感知系统采集场景信息，到自动驾驶控制器进行感知融合、做出决策并发出控制指令，最后由对应的执行机构完成对车辆的控制。作为无人驾驶车辆的最终执行机构，其可控性将直接影响车辆是否能够完成无人驾驶。

L4级别的无人驾驶车辆区别于前面几个级别，可以做到完全的自动驾驶，也就意味着传统车上的方向盘、油门踏板等机构可直接取消。转向系统作为控制车辆方向的执行机构，一旦发生失效，在L4级别车辆上没有方向盘可控制的前提下，其危害之大，绝对是难以接收的。所以，开发一种能够在L4级别无人驾驶车辆上安全且稳定的控制车辆转向系统就极其重要。

发明内容

本发明公开了一种无人驾驶车辆转向系统，该系统仅增加一个ECU实现转向系统的安全冗余控制，在考虑提升安全性的同时考虑尽可能降低成本；增加的安全辅助ECU在做冗余安全控制的同时，监控转向ECU的工作状态，避免由转向ECU故障未报出而导致冗余ECU未进行控制，进而导致出现危害，同时增加了ECU的利用率，降低了危害发生的可能性。其具体技术方案如下所述：

作为第一方面，本发明提供了一种无人驾驶车辆转向系统，所述系统包括：安全辅助单元、电动转向系统和自动驾驶域控制器，安全辅助系统、电动转向系统和自动驾驶域控制器三者之间互相建立通信连接。

自动驾驶域控制器，用于根据当前车辆周边环境判断当前车辆需要转向，并根据预设的控制车辆策略发出控制指令。其中包括感知模块、规划模块和控制模块。感知模块用于收集传感器采集的信息并进行识别处理，判断当前车辆周边环境；规划模块在感知模块确定了当前车辆周边信息后，根据场景信息规划行驶路径；控制模块根据规划模块规划的行驶路径制定控制车辆策略，并发出对应的控制指令。

电动转向系统，用于接收整车转向指令，并按需求完成整车转向控制。其中包括转向ECU、转角传感器、转向电机、执行机构。转向ECU可诊断自身故障，转向ECU解析自动驾驶控制器的控制指令并通过控制转向电机实现转向，同时接收转角传感器信息连同自身状态发出控制指令；转角传感器用于检测并反馈当前转角；转向电机用于响应转向ECU的控制指令，输出扭矩；执行机构用于执行转向电机输出的扭矩，以实现整车的转向。

安全辅助单元，用于辅助电动转向系统进行安全转向控制，可直接控制电动转向系统的转向电机并接收转角传感器信号。其中包括故障监测模块、信息处理模块和输出控制模块。故障监测模块用于监测无人驾驶车辆转向系统各模块的故障；信息处理模块用于判断电动转向系统输出扭矩是否与自动驾驶域控制器发送的控制指令一致，根据判断结果输出相应的控制指令对车辆进行控制；输出控制模块用于根据安全辅助单元输出的控制指令，直接控制电动转向系统的转向电机。

结合第一方面，在其可能的任意一种情况下的第一种情况为，所述预设的控制车辆策略为：自动驾驶域控制器根据输出扭矩与模拟扭矩是否一致的判断结果、信息处理模块是否故障的判断结果及转向ECU是否故障的判断结果进行判断结果的组合，根据不同组合选取对应的控制指令对车辆执行控制。

结合第一方面或上述第一种情况，在其可能的任意一种情况下的第二种情况为，所述安全辅助单元与电动转向系统的转向ECU为相互独立运行。

结合第一方面或上述第一、二种情况，在其可能的任意一种情况下的第三种情况为，所述故障监测单元用于监测安全辅助单元故障、电动转向系统故障及安全辅助单元与电动转向系统之间的通信连接故障。

结合第一方面或上述第一至三其中任意一种情况，在其可能的任意一种情况下的第四种情况为，所述系统还包括摄像头装置、激光雷达装置，所述两项装置的数据接口分别与自动驾驶域控制器的数据接口之间通过CAN总线进行通信连接。

作为第二方面，本发明提供了一种无人驾驶车辆转向方法，所述方法的步骤为：

S1：在车辆自动驾驶控制过程中，自动驾驶域控制器根据当前车辆周边环境判断当前车辆需要转向，则自动驾驶域控制器发出模拟转向角信号，

S2：信息处理模块根据接收的模拟转向角计算需要输出的扭矩1，转向ECU同时根据模拟转向角计算需要输出的扭矩2。信息处理模块判断扭矩1与扭矩2是否一致，若一致，则执行步骤A1；

若不一致，则判断故障监控模块或转向ECU是否报出故障，若未报出故障则冻结转向功能并反馈当前故障，通知自动驾驶域控制器对车辆进行安全控制；

若报出故障则继续判断是否为转向ECU故障，若是转向ECU故障执行步骤A2，若不是转向ECU故障执行步骤A3；

A1：转向ECU根据输出扭矩2控制转向电机，转角传感器监测实时转角数据并反馈给转向ECU，转向ECU判断实时转角数据与预期转角数据是否一致。如不一致，则强制将转向电机由输出控制模块接管控制，并在控制下补足本次转向相差扭矩，转向ECU反馈出当前相关故障状态。如一致，则本次转向完成。

A2：强制由输出控制模块直接控制转向电机，按信息处理模块计算得出的输出扭矩1控制，转角传感器监测实时转角数据并反馈给信息处理模块，信息处理模块判断实时转角数据与预期转角数据是否一致。如不一致，则安全辅助单元反馈相关故障，自动驾驶域控制器对车辆进行安全控制。如一致，则本次转向完成。

A3：转向ECU按输出扭矩2控制转向电机，转角传感器监测实时转角数据并反馈给转向ECU，转向ECU判断实时转角数据与预期转角数据是否一致。如不一致，则转向ECU控制转向电机补足本次转向相差扭矩，转向完成后对车辆进行安全控制，转向ECU反馈出当前相关故障状态。如一致，则本次转向完成。

结合第二方面，在其可能的任意一种情况下的第五种情况为，在方法步骤的全程中，所述危险检测模块、行为决策模块、轨迹规划模块每次在按任务频率运行完成后，输出运行完毕时的运行时间戳，根据时间戳进行频率判断，若判断出危险检测模块、行为决策模块、轨迹规划模块的实际运行频率等于任务频率，则再次运行；若判断出高于任务频率，则对危险检测模块、行为决策模块、轨迹规划模块的运行时间进行t秒时延后再次运行。

结合第二方面或上述第四种情况，在其可能的任意一种情况下的第五种情况为，所述步骤S1为：在车辆自动驾驶控制过程中，自动驾驶域控制器根据当前车辆周边环境判断当前车辆需要转向，则自动驾驶域控制器首先发出EPS自动驾驶使能状态，若转向ECU反馈转向系统不可控，则自动驾驶域控制器退出自动驾驶模式并对车辆进行安全控制；若转向ECU反馈转向系统可控，则自动驾驶域控制器发出模拟转向角信号。

作为第三方面，本发明提供了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储装置，所述计算机可读存储装置存储有一个或多个程序指令，所述程序指令被处理器执行时，完成上述的任意一种方法。

作为第四方面，本发明提供了一种无人驾驶车辆，所述车辆包括上述的任意一种无人驾驶车辆转向系统或上述的一种存储一个或多个程序的计算机可读存储装置。

本发明的有益效果是：

1）通过增加安全辅助单元，提升了转向系统控制的可靠性，其中，通过转向ECU自我监测故障、故障监测模块监测故障及信息处理模块对比两个控制器以同种方式计算出的应输出扭矩来建立一个三层校验架构，以提升输入到转向电机控制指令的正确性，同时故障监测模块还可以降低转向ECU露检测出自身故障风险；

2）通过信息处理模块同时监测转角传感器反馈的当前转角，可降低由通讯故障导致的危害发生的概率；通过输出控制模块可直接控制转向电机，避免因转向ECU故障而导致的整车转向系统不可控。

3）提升了无人驾驶车辆的转向系统安全性，降低了由电动转向系统自身设计缺陷而导致整车发生危害的概率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的系统运行流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种无人驾驶车辆转向系统安全冗余架构包括自动驾驶域控制器、电动转向系统和安全辅助单元。安全辅助系统、电动转向系统和自动驾驶域控制器三者的数据接口之间通过CAN总线互相建立通信连接。

自动驾驶域控制器用于根据当前车辆周边环境判断当前车辆需要转向，并根据预设的控制车辆策略发出控制指令，其中包括感知模块、规划模块和控制模块，感知模块用于收集摄像头、激光雷达等传感器采集的信息并进行识别处理，判断当前车辆周边环境。规划模块在感知模块确定了当前车辆周边信息后，根据场景信息规划行驶路径。控制模块根据规划模块的行驶路径制定控制车辆策略，并发出对应的控制指令。

电动转向用于接收整车转向指令，并按需求完成整车转向控制，其中包括转向ECU、转角传感器、转向电机、执行机构。转向ECU可诊断自身故障，主要负责解析自动驾驶控制器的控制指令并通过控制转向电机实现转向，同时接收转角传感器信息连同自身状态发出控制指令；转角传感器用于检测并反馈当前转角；转向电机用于响应转向系统ECU的控制指令，输出扭矩；执行机构用于执行转向电机输出的扭矩，以实现整车的转向。

安全辅助单元用于辅助电动转向系统进行安全转向控制，可直接控制电动转向系统的转向电机并接收转角传感器信号，其中包括故障监测单元、信息处理模块和输出控制模块。故障监测单元可检测安全辅助单元自身故障及电动转向系统故障以及两者之间的连接故障，提高转向系统可靠性。信息处理模块接收自动驾驶域控制器的控制信号并计算出模拟扭力1，并接收转向ECU的计算出的输出扭矩2进行对比，以保证输出的扭力一致；输出控制模块用于输出安全辅助单元的控制指令，当转向ECU故障或输出的扭力不一致时，由该模块直接控制转向电机扭力1进行转向控制。

安全辅助单元与电动转向系统的转向ECU完全独立，其中一个控制器失效不影响另一个控制器正常控制车辆转向。故障监测模块可监测自身及转向ECU故障，降低故障漏检的可能性，信息处理模块与电动转向系统采用同种处理模式计算转向所需扭矩并对比两个计算结果，保证输出扭矩可靠性。信息处理模块可直接接收转角传感器信号用于判断电动转向系统输出的扭矩2是否与模拟扭矩1一致.输出控制模块可直接控制转向电机，保证在转向ECU故障时仍能正常控制车辆转向。

实施例2

如图2所示，本发明提供了一种无人驾驶车辆转向方法，所述方法的步骤为：

S1：在车辆自动驾驶控制过程中，自动驾驶域控制器根据当前车辆周边环境判断当前车辆需要转向，则自动驾驶域控制器首先发出EPS自动驾驶使能状态，若转向ECU反馈转向系统不可控，则自动驾驶域控制器控制车辆停车并退出自动驾驶模式；若转向ECU反馈转向系统可控，则自动驾驶域控制器发出模拟转向角信号控制车辆。

S2：信息处理模块根据接收的模拟转向角判断需要输出的扭矩1，转向ECU同时根据模拟转向角判断需要输出的扭矩2，转向ECU将自身判断出的扭矩2发送到信息处理模块，信息处理模块判断扭矩1与扭矩2是否一致。

若一致，则执行A1；若不一致，则判断故障监控模块或转向ECU是否报出故障。若未报出故障则意味着息处理模块或转向ECU中存在着未知的故障致使信息处理模块与转向ECU计算出的需求扭矩不一致。此时，需要冻结转向功能并反馈当前故障，通知自动驾驶域控制器停车，若报出故障则继续判断是否为转向ECU故障，是转向ECU故障执行A2，不是转向ECU故障执行A3。

A1：信息处理模块与转向ECU无故障，由转向ECU按扭矩2控制转向电机，转角传感器监测实际转角数据，转向ECU判断实际输出转角数据与预期转角数据是否一致。如不一致，则判断为转向ECU与转向电机间存在故障，转向电机由输出控制模块接管控制并补足本次转向相差扭矩，转向ECU反馈出当前相关故障状态，如一致，则本次转向完成。

A2：转向ECU存在故障，信息处理模块状态正常，由输出控制模块直接控制转向电机，按信息处理模块计算得出扭矩输出控制，转角传感器监测实际转角数据并反馈给信息处理模块，信息处理模块判断当前转角与预期转角是否一致，如不一致，则信息处理模块与转向电机间存在故障，安全辅助单元反馈相关故障，自动驾驶域控制器在保证安全的前提下停车，如一致，则本次转向完成。

A3：转向ECU无故障，信息处理模块存在故障，由转向ECU输出扭矩2控制转向电机，转角传感器监测实际转角数据，转向ECU判断实际输出转角数据与预期转角数据是否一致，如不一致，则转向ECU与转向电机间存在故障，转向电机由转向ECU补足本次转向相差扭矩，转向完成后保证车辆安全的前提下停车，转向ECU反馈出当前相关故障状态，如一致，则本次转向完成。

实施例3

本实施例提供了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储装置，所述计算机可读存储介质存储有一个或多个程序指令，所述程序指令被处理器执行时，完成上述的方法。该类存储装置可为RAM内存条、硬盘、内存卡等。

实施例4

本实施例提供了一种无人驾驶车辆，所述车辆的安装有所述的任意一种无人驾驶车辆转向系统或安装有所述的一种存储一个或多个程序的计算机可读存储装置。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解为在阅读本发明的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种无人驾驶车辆转向方法，其特征在于，所述方法的步骤为：

S1：在车辆自动驾驶控制过程中，自动驾驶域控制器根据当前车辆周边环境判断当前车辆需要转向，则自动驾驶域控制器发出模拟转向角信号；

S2：信息处理模块根据接收的模拟转向角计算需要输出的扭矩一，转向ECU同时根据模拟转向角计算需要输出的扭矩二，信息处理模块判断扭矩一与扭矩二是否一致，若一致，则执行步骤A1；

若不一致，则判断故障监控模块或转向ECU是否报出故障，若未报出故障则冻结转向功能并反馈当前故障，通知自动驾驶域控制器对车辆进行安全控制；

若报出故障则继续判断是否为转向ECU故障，若是转向ECU故障执行步骤A2，若不是转向ECU故障执行步骤A3；

A1：转向ECU根据输出扭矩二控制转向电机，转角传感器监测实时转角数据并反馈给转向ECU，转向ECU判断实时转角数据与预期转角数据是否一致，如不一致，则强制将转向电机由输出控制模块接管控制，并在控制下补足本次转向相差扭矩，转向ECU反馈出当前相关故障状态，如一致，则本次转向完成；

A2：强制由输出控制模块直接控制转向电机，按信息处理模块计算得出的输出扭矩一控制，转角传感器监测实时转角数据并反馈给信息处理模块，信息处理模块判断实时转角数据与预期转角数据是否一致，如不一致，则安全辅助单元反馈相关故障，自动驾驶域控制器对车辆进行安全控制，如一致，则本次转向完成；

A3：转向ECU按输出扭矩二控制转向电机，转角传感器监测实时转角数据并反馈给转向ECU，转向ECU判断实时转角数据与预期转角数据是否一致，如不一致，则转向ECU控制转向电机补足本次转向相差扭矩，转向完成后对车辆进行安全控制，转向ECU反馈出当前相关故障状态，如一致，则本次转向完成；

所述步骤S1为：在车辆自动驾驶控制过程中，自动驾驶域控制器根据当前车辆周边环境判断当前车辆需要转向，则自动驾驶域控制器首先发出EPS自动驾驶使能状态，若转向ECU反馈转向系统不可控，则自动驾驶域控制器退出自动驾驶模式并对车辆进行安全控制；若转向ECU反馈转向系统可控，则自动驾驶域控制器发出模拟转向角信号。

2.一种用于实现权利要求1所述的无人驾驶车辆转向方法的系统，其特征在于，所述系统包括：安全辅助单元、电动转向系统和自动驾驶域控制器，安全辅助系统、电动转向系统和自动驾驶域控制器三者之间互相建立通信连接，

自动驾驶域控制器，用于根据当前车辆周边环境判断当前车辆需要转向，并根据预设的控制车辆策略发出控制指令，其中包括感知模块、规划模块和控制模块，感知模块用于收集传感器采集的信息并进行识别处理，判断当前车辆周边环境；规划模块在感知模块确定了当前车辆周边信息后，根据场景信息规划行驶路径；控制模块根据规划模块规划的行驶路径制定控制车辆策略，并发出对应的控制指令；

电动转向系统，用于接收整车转向指令，并按需求完成整车转向控制，其中包括转向ECU、转角传感器、转向电机、执行机构，转向ECU可诊断自身故障，转向ECU解析自动驾驶域控制器的控制指令并通过控制转向电机实现转向，同时接收转角传感器信息连同自身状态发出控制指令；转角传感器用于检测并反馈当前转角；转向电机用于响应转向ECU的控制指令，输出扭矩；执行机构用于执行转向电机输出的扭矩，以实现整车的转向；

安全辅助单元，用于辅助电动转向系统进行安全转向控制，可直接控制电动转向系统的转向电机并接收转角传感器信号，其中包括故障监测模块、信息处理模块和输出控制模块，故障监测模块用于监测无人驾驶车辆转向系统各模块的故障；信息处理模块用于判断电动转向系统输出扭矩是否与自动驾驶域控制器发送的控制指令一致，根据判断结果输出相应的控制指令对车辆进行控制；输出控制模块用于根据安全辅助单元输出的控制指令，直接控制电动转向系统的转向电机。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述预设的控制车辆策略为：自动驾驶域控制器根据输出扭矩与模拟扭矩是否一致的判断结果、信息处理模块是否故障的判断结果及转向ECU是否故障的判断结果进行判断结果的组合，根据不同组合选取对应的控制指令对车辆执行控制。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述安全辅助单元与电动转向系统的转向ECU为相互独立运行。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述故障监测模块用于监测安全辅助单元故障、电动转向系统故障及安全辅助单元与电动转向系统之间的通信连接故障。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电动转向系统还包括摄像头装置、激光雷达装置，摄像头装置和激光雷达装置的数据接口分别与自动驾驶域控制器的数据接口之间通过CAN总线进行通信连接。

7.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储装置，其特征在于，所述计算机可读存储装置存储有一个或多个程序指令，所述程序指令被处理器执行时，完成权利要求1所述的一种方法。

8.一种无人驾驶车辆，其特征在于，所述车辆包括权利要求2-6任一项所述的系统或权利要求7所述的一种存储一个或多个程序的计算机可读存储装置。