CN113992709B - 一种基于5g通信的智能车载预警终端设备 - Google Patents

一种基于5g通信的智能车载预警终端设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于5G通信的智能车载预警终端设备，针对现有的车载终端信息采集精度与预警信息准确性方面的缺点，基于5G通讯技术的智能终端与平台互联以及数据交互，软件层面拟采用嵌入式操作系统，建立多任务系统性调度等机制，解决了信号传输实时性差、数据上传频率低等问题；突破了现有的组合导航定位技术，提出了GNSS惯性组合导航系统模块进行车辆位置的高精实时定位，并利用5G通讯方式基站分布更广的优点，解决了终端在信号较弱的地方如复杂立交桥、隧道、地下车库等地点时，无法获取导航信号，特别是对于分叉隧道的情况，无可用导航信号等问题。

Description

一种基于5G通信的智能车载预警终端设备
技术领域
本发明属于智能车载终端设备技术领域，具体涉及一种基于5G通信的智能车载预警终端设备。
背景技术
随着网联汽车的发展与庞大的网联数据持续产生，对车载网联终端在数据的高效传输、高速运算等方面提出了更高要求。但是，目前已投入使用的车载终端的主要功能限于读取整车CAN总线数据并将其通过4G移动蜂窝数据传送至监管平台，监管平台尚不具备下发预警信息至终端并实现远程控制的功能。譬如在专利公开号为CN112887431A的中国专利申请现有技术中，其技术方案由微控制器、4G通信模块与定位模块组成，其终端采用单纯的定位模块，存在终端定位精度低，容易丢失卫星信号的问题，并且采用4G作为数据远程传输的通信模块其终端数据传输能力也远不能满足实际要求。因此，如何提供一种智能车载终端，以实现大带宽、低时延及多数据上传，同时在复杂立交桥、隧道、地下车库等地点实现隐蔽位置保证信号全覆盖，从而能够精确采集车身姿态与加速度数据信息以判定车辆真实运动状态，是本领域中亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于5G通信的智能车载预警终端设备，包括：以imx8为核心的处理器CPU、外接GNSS定位模块、CAN通讯模块、5G通讯模块、陀螺仪传感器、预警及控制模块以及数据存储介质；
其中，所述终端设备通过外接GNSS定位模块与陀螺仪传感器构成惯性导航模块，基于自适应卡尔曼滤波法对来自外接GNSS定位模块的定位数据和陀螺仪传感器的加速度数据进行去噪处理，并通过数据总线向核心处理器提供准确姿态、航向、车身位置、速度等信息；
所述CAN通讯模块根据车型的协议得到CAN报文类型、数据格式、ID号、数据排列类型、数据含义等，在整车CAN总线中读取当前总车速、车辆当前档位等信息，在BMS CAN中读取车辆电池总电量、当前剩余电量等其他电池相关数据，并将这些信息传输到核心处理器；
所述5G通讯模块用于将核心处理器处理的整车CAN数据、位置数据、以及车内环境等数据通过5G上传平台，实现与平台互联、车辆监测、数据交互及连线数据补发、固件升级等功能；通过平台基于车载大数据定期更新故障诊断及预警模型算法，并下发至智能车载预警终端设备；
所述核心处理器对CAN通讯模块传输的数据进行分析处理，对存在异常的电池相关数据、姿态、航向、车身位置以及速度数据发送至所述预警及控制模块；所述预警及控制模块基于故障诊断及预警模型算法对动力电池系统故障类型故障位置、故障发生频次进行系统性统计和精细化分析判断，提高预警终端故障诊断及预警的效率、准确性；以及采用PID对车速、制动等执行器进行闭环控制，从而对车辆的姿态、航向、车身位置以及速度进行实时调整。
进一步地，所述智能车载预警终端设备还包括大气压环境传感器，用于采集车内温度、空气质量指数，如PM2.5、甲醛、一氧化碳浓度等，通过串口将采集到的数据传输到终端核心处理器。
进一步地，所述智能车载预警终端设备设置有多路唤醒电路，用于提供低功耗休眠唤醒功能，当外部ACC、充电信号或者CAN总线中的任何一路有信号存在时，通过提供一个高电平信号唤醒主电源，可以实现直接从硬件控制电源电路，达到更低的休眠功耗；当主电源唤醒后，核心处理器通过CPU_INT控制为高电平，控制主电源持续供电，使核心处理器有控制电源的能力。当完成业务逻辑后，再通过控制CPU_INT为低电平进行主电源的切断。
进一步地，所述数据存储介质采用冗余设计，利用内建ECC(Error CorrectingCode，错误纠错码)的NAND FLASH作为存储载体，并使用贴片封装的存储器芯片形式；在此基础上，使用双存储方案，并集成EMMC芯片，为数据存储提供更大空间，用于采集后的数据在本地实时保存，在车辆出现险情时，保证车辆数据可进行数据补发，从而提高FLASH存储器寿命。
进一步地，所述智能车载预警终端设备具体采用以下方式进行固件升级：
步骤1、接收平台发送的远程升级指令；
步骤2、通过5G通讯模块下载升级固件；
步骤3、对核心处理器进行复位操作，并判断是否已安装升级固件，如果判断不存在升级固件则转入步骤4，否则终止固件升级过程；
步骤4、安装升级固件在所述数据存储介质中；
步骤5、将下载的升级固件删除。
进一步地，所述智能车载预警终端设备采用FreeRTOS嵌入式操作系统，便于管理多个工作任务，将每个功能模块划分成多个任务。作为轻量级的操作系统，FreeRTOS提供的功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。FreeRTOS内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。FreeRTOS内核同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用时间。
上述本发明所提供的基于5G通信的智能车载预警终端设备，针对现有的车载终端信息采集精度与预警信息准确性方面的缺点，提出了高可靠性、高精度的解决方案，其基于5G通讯技术的智能终端与平台互联以及数据交互，软件层面拟采用嵌入式操作系统，建立多任务系统性调度等机制，解决了信号传输实时性差、数据上传频率低等问题；突破了现有的组合导航定位技术，提出了GNSS惯性组合导航系统模块进行车辆位置的高精实时定位，并利用5G通讯方式基站分布更广的优点，解决了终端在信号较弱的地方如复杂立交桥、隧道、地下车库等地点时，无法获取导航信号，特别是对于分叉隧道的情况，无可用导航信号等问题。
附图说明
图1为本发明所提供终端设备的硬件拓扑结构图；
图2为本发明所提供终端设备的软件拓扑结构图；
图3为本发明所提供终端设备的固件升级流程图；
图4为本发明所提供终端设备的优选的电源电容滤波电路设计图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本发明所提供的一种基于5G通信的智能车载预警终端设备，如图1所示，包括：以imx8为核心的处理器CPU、外接GNSS定位模块、CAN通讯模块、5G通讯模块、陀螺仪传感器、预警及控制模块以及数据存储介质；
其中，所述终端设备通过外接GNSS定位模块与陀螺仪传感器构成惯性导航模块，也可采用如INS570D型号的高精度车载组合导航定位系统，基于自适应卡尔曼滤波法对来自外接GNSS定位模块，优选GPS+BEIDOU+GALILEO三模卫星定位模块的定位数据和陀螺仪传感器的加速度数据进行去噪处理，并通过数据总线向核心处理器提供准确姿态、航向、车身位置、速度等信息；
所述CAN通讯模块采用恩智浦第三代高速CAN(TJA1042型号)，根据车型的协议得到CAN报文类型、数据格式、ID号、数据排列类型、数据含义等，在整车CAN总线中读取当前总车速、车辆当前档位等信息，在BMS CAN中读取车辆电池总电量、当前剩余电量等其他电池相关数据，并将这些信息传输到核心处理器；
所述5G通讯模块采用具有高速率大带宽、低时延、高可靠的华为MH5000-871型号通信模组，用于将核心处理器处理的整车CAN数据、位置数据、以及车内环境等数据通过5G上传平台，实现与平台互联、车辆监测、数据交互及连线数据补发、固件升级等功能；通过平台基于车载大数据定期更新故障诊断及预警模型算法，并下发至智能车载预警终端设备；
所述核心处理器对CAN通讯模块传输的数据进行分析处理，对存在异常的电池相关数据、姿态、航向、车身位置以及速度数据发送至所述预警及控制模块；所述预警及控制模块基于故障诊断及预警模型算法对动力电池系统故障类型故障位置、故障发生频次进行系统性统计和精细化分析判断，提高预警终端故障诊断及预警的效率、准确性；以及采用PID对车速、制动等执行器进行闭环控制，从而对车辆的姿态、航向、车身位置以及速度进行实时调整。
所述终端采用电磁兼容设计，通过对车辆内部电路的分析，终端既有空间耦合干扰又有电路间的传导干扰，其中主电路对控制电路的共模耦合干扰尤其显著。图4设计方案主要包括2的电磁兼容设计即在整流管上并联1进一步过滤从变压器进入的高频干扰，对具有电磁辐射的器件用屏蔽材料将电磁辐射源封闭起来并将屏蔽体接地，使其外部电磁场强低于允许值，用减少车辆内部电路如高低压信号、模拟信号、数字信号等对终端驱动装置的电磁干扰。
在本发明的一个优选实施方式中，所述智能车载预警终端设备还包括型号为TGS2601的大气压环境传感器，用于采集车内温度、空气质量指数，如PM2.5、甲醛、一氧化碳浓度等，通过串口将采集到的数据传输到终端核心处理器。
在本发明的一个优选实施方式中，所述智能车载预警终端设备设置有多路唤醒电路，用于提供低功耗休眠唤醒功能，当外部ACC、充电信号或者CAN总线中的任何一路有信号存在时，通过提供一个高电平信号唤醒主电源，可以实现直接从硬件控制电源电路，达到更低的休眠功耗。当主电源唤醒后，核心处理器通过CPU_INT控制为高电平，控制主电源持续供电，使核心处理器有控制电源的能力。当完成业务逻辑后，再通过控制CPU_INT为低电平进行主电源的切断。
在本发明的一个优选实施方式中，所述数据存储介质采用冗余设计，利用内建ECC(Error Correcting Code，错误纠错码)的NAND FLASH作为存储载体，并使用贴片封装的存储器芯片形式；在此基础上，使用双存储方案，并集成EMMC芯片，为数据存储提供更大空间，用于采集后的数据在本地实时保存，在车辆出现险情时，保证车辆数据可进行数据补发，从而提高FLASH存储器寿命。
在本发明的一个优选实施方式中，如图3所示，所述智能车载预警终端设备具体采用以下方式进行固件升级：
步骤1、接收平台发送的远程升级指令；
步骤2、通过5G通讯模块下载升级固件；
步骤3、对核心处理器进行复位操作，并判断是否已安装升级固件，如果判断不存在升级固件则转入步骤4，否则终止固件升级过程；
步骤4、安装升级固件在所述数据存储介质中；
步骤5、将下载的升级固件删除。
在本发明的一个优选实施方式中图2软件层面上采用嵌入式操作系统建立多任务系统性调度、数据存储补发、固件远程更新等机制。采用了FreeRTOS，可以轻松的管理多个工作任务，将每个功能模块划分成多个任务。作为轻量级的操纵系统，FreeRTOS提供的功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。FreeRTOS内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。FreeRTOS内核同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用时间。
应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
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。

Claims (5)

1.一种基于5G通信的智能车载预警终端设备，其特征在于：包括：以imx8为核心的处理器CPU、外接GNSS定位模块、CAN通讯模块、5G通讯模块、陀螺仪传感器、预警及控制模块以及数据存储介质；
其中，所述智能车载预警终端设备通过外接GNSS定位模块与陀螺仪传感器构成惯性导航模块，基于自适应卡尔曼滤波法对来自外接GNSS定位模块的定位数据和陀螺仪传感器的加速度数据进行去噪处理，并通过数据总线向处理器CPU提供准确姿态、航向、车身位置、速度信息；
所述CAN通讯模块根据车型的协议得到CAN报文类型、数据格式、ID号、数据排列类型、数据含义，在整车CAN总线中读取当前车速、车辆当前档位信息，在BMS CAN中读取车辆电池总电量、当前剩余电量与其他电池相关数据，并将这些信息传输到处理器CPU；
所述5G通讯模块用于将处理器CPU处理的整车CAN数据、位置数据、以及车内环境数据通过5G上传平台，实现与平台互联、车辆监测、数据交互及连线数据补发、固件升级功能；通过平台基于车载大数据定期更新故障诊断及预警模型算法，并下发至智能车载预警终端设备；
所述处理器CPU对CAN通讯模块传输的数据进行分析处理，对存在异常的电池相关数据、姿态、航向、车身位置以及速度数据发送至所述预警及控制模块；所述预警及控制模块基于故障诊断及预警模型算法对动力电池系统故障类型故障位置、故障发生频次进行系统性统计和精细化分析判断，提高预警终端故障诊断及预警的效率、准确性；以及采用PID对车速、制动执行器进行闭环控制，从而对车辆的姿态、航向、车身位置以及速度进行实时调整；
所述智能车载预警终端设备设置有多路唤醒电路，用于提供低功耗休眠唤醒功能，当外部ACC、充电信号或者CAN总线中的任何一路有信号存在时，通过提供一个高电平信号唤醒主电源，用于实现直接从硬件控制电源电路，达到更低的休眠功耗；当主电源唤醒后，处理器CPU通过CPU_INT控制为高电平，控制主电源持续供电，使处理器CPU有控制电源的能力；当完成业务逻辑后，再通过控制CPU_INT为低电平进行主电源的切断。
2.如权利要求1所述的智能车载预警终端设备，其特征在于：所述智能车载预警终端设备还包括大气压环境传感器，用于采集车内温度、空气质量指数，通过串口将采集到的数据传输到终端处理器CPU。
3.如权利要求1所述的智能车载预警终端设备，其特征在于：所述数据存储介质采用冗余设计，利用内建ECC的NAND FLASH作为存储载体，并使用贴片封装的存储器芯片形式；在此基础上，使用双存储方案并集成EMMC芯片，用于将采集后的数据在本地实时保存，并在车辆出现险情时保证车辆数据可进行数据补发，从而提高FLASH存储器寿命。
4.如权利要求1所述的智能车载预警终端设备，其特征在于：所述智能车载预警终端设备具体采用以下方式进行固件升级：
步骤1、接收平台发送的远程升级指令；
步骤2、通过5G通讯模块下载升级固件；
步骤3、对处理器CPU进行复位操作，并判断是否已安装升级固件，如果判断不存在升级固件则转入步骤4，否则终止固件升级过程；
步骤4、安装升级固件在所述数据存储介质中；
步骤5、将下载的升级固件删除。
5.如权利要求1所述的智能车载预警终端设备，其特征在于：所述智能车载预警终端设备采用基于Linux的FreeRTOS嵌入式操作系统。
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