CN114124987A - 一种分布式的车辆控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种分布式的车辆控制系统，包括：远程控制主机，通过健康监测网络和控制网络与至少一个主控制单元连接；主控制单元，通过健康监测网络和控制网络与至少一个从控制单元连接；一个从控制单元均分别紧邻设置于车辆的一个传感器单元旁边，所有从控制单元分别与紧邻的传感器单元电连接；健康监测网络反馈各个传感器单元的故障状态；控制网络传输控制指令。通过远程控制主机、主控制单元和从控制单元的分级连接，简化线束并将运算处理压力分散；将从控制单元设置于传感器单元旁，缩短模拟信号的传输距离，提高系统的可靠性和抗干扰性，便于故障检测定位；通过设置健康监测网络和控制网络，将信号传输与故障检测功能分离，提高工作效率。

Description

一种分布式的车辆控制系统
技术领域
本发明涉及特种车辆领域，尤其涉及一种分布式的车辆控制系统。
背景技术
特种车辆的工作环境非常恶劣，通常将面临野外环境、强电磁干扰环境以及室外极端天气(如冰雹，雷雨，低温等)的影响。且特种车辆通常担任着重要设备转运、后勤保障等重要任务。因此特种车辆控制准确性，设备抗干扰性，设备健康运行监控等功能显得至关重要。特种车辆有着如下特点：车身较长较高、体积较大；位于车体各个部位的传感器、IO端口和控制车体动作的电磁溢流阀之间的距离比较远。
现有技术中，现有的控制系统通过模拟信号进行传输依靠一组底层控制器处理和控制一个功能片区的传感器信号、IO信号和电磁溢流阀控制信号，再由底层控制器组网，整体再由远程控制主机进行控制。其中，而模拟量传感器采集到模拟信号需要经过冗长的传输线路以及复杂的信号调理电路，最终才能够输入至车控单元控制器进行数模转换。模拟信号在传输过程中极易失真导致控制系统误操作，且各车控操作单元由于负责大量的数据采集数据，信号调理和数据传输的任务，各操作单元往往体积非常庞大。再有，该系统在车控单元控制器上将聚集大量线缆，电缆错综复杂往往很难简单迅速的对失控原因和故障设备进行排查。
因此，现有的特种车辆控制系统由于模拟信号传输的问题，无法进一步提高数据传输速度，导致控制系统实时性差，且无法适应目前信号传输领域的需求。
发明内容
本发明提供一种分布式的车辆控制系统，用以解决上述现有技术的缺陷。
本发明提供一种分布式的车辆控制系统，其特征在于，包括：远程控制主机、主控制单元和从控制单元；
其中，远程控制主机通过健康监测网络和控制网络与至少一个主控制单元连接；主控制单元通过健康监测网络和控制网络与至少一个从控制单元连接；从控制单元，一个所述从控制单元均分别紧邻设置于所述车辆的一个传感器单元旁边，所有所述从控制单元分别与紧邻的所述传感器单元电连接；
其中，所述健康监测网络用于反馈各个所述传感器的故障状态；控制网络用于传输所述远程控制主机的控制指令。
根据本发明提供的一种分布式的车辆控制系统，所述健康监测网络为can通讯网络；所述控制网络为高速光纤网络。
根据本发明提供的一种分布式的车辆控制系统，所述从控制单元通过所述can通讯网络将连接的所述传感器单元的数据传输至所述主控制单元，所述主控制单元根据所述数据判断各个所述传感器的故障状态，并将所述故障状态传输至所述远程控制主机。
根据本发明提供的一种分布式的车辆控制系统，所述主控制单元还包括至少一个高速光纤接口；
所述主控制单元通过所述高速光纤接口连接所述高速光纤网络，每个高速光纤接口对应一个所述从控制单元，将所述控制指令传输至所述从控制单元。
根据本发明提供的一种分布式的车辆控制系统，所述主控制单元还包括一个光以太网通讯接口；
所述主控制单元通过所述光以太网通讯接口接入所述高速光纤网络，与所述远程控制主机进行数据交换。
根据本发明提供的一种分布式的车辆控制系统，所述从控制单元包括信号调理电路和光电隔离器。
根据本发明提供的一种分布式的车辆控制系统，所述从控制单元还包括数模转换电路，通过所述数模转换电路将模拟信号数据转换为数字信号传输至所述主控制器，通过所述数模转换电路将所述控制指令转换为模拟信号数据传输至连接的所述传感器单元。
根据本发明提供的一种分布式的车辆控制系统，所述从控制单元和所述主控制单元均包括复合通讯接口；
所述复合通讯接口包括RS232通讯接口、RS485通讯接口和CAN通讯接口。
根据本发明提供的一种分布式的车辆控制系统，所述远程控制主机通过健康监测网络与所述车辆的仪表系统连接，通过所述仪表系统反馈各个所述传感器的故障状态。
本发明提供的一种分布式的车辆控制系统，通过设置远程控制主机、主控制单元和从控制单元的分级连接，将车载控制单元的运算处理压力分散到系统的各个部位，且通过主控制单元连接多个从控制单元，主控制器可以降低体积、降低发热量；将从控制单元紧邻设置于所述车辆的各个传感器单元旁边，便于缩短模拟信号的传输距离，信号还原性高，有效的提高了系统的可靠性和抗干扰性，且可迅速对掉线故障设备进行定位，方便故障修理；通过设置健康监测网络和控制网络，健康网络专用于监测电路各个元件的工作状态，控制网络用于实时传递控制指令，将控制网络与健康监测网络分离开，提高系统的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的分布式的车辆控制系统的结构示意图之一；
图2是本发明提供的分布式的车辆控制系统的结构示意图之二；
图3是现有技术中的车辆控制系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的车辆控制系统的从控制单元的结构示例图；
图5是本发明实施例提供的车辆控制系统的主控制单元的结构示例图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中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作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。
需要说明的是，特种车辆尤其是特种车辆具有车身长、体积大的特点，位于车体各个部位的传感器、IO端口和控制车辆各个系统的电磁溢流阀之间的距离较远，
现有技术如图3所示，现有的控制系统通过模拟信号进行传输依靠一组底层控制器处理和控制一个功能片区的传感器信号、IO信号和电磁溢流阀控制信号，再由底层控制器组网，整体再由远程控制主机进行控制；
图3所示的控制系统中提及的模拟量传感器采集到模拟信号，而模拟信号只能采用并行总线的连接方式，这种方式不适用于信号的远距离传输，对信号的功率要求较高，需要经过一端冗长的传输线路、复杂的信号调理电路，最终才能够输入至车控单元控制器进行数模转换。模拟信号在传输过程中极易失真导致控制系统误操作；其次，各车控操作单元由于负责大量的数据采集数据，信号调理和数据传输的任务，各操作单元往往在设计上体积非常庞大；再有，该系统在车控单元控制器上将聚集大量线缆，电缆错综复杂往往很难简单迅速的对失控原因和故障设备进行排查。
由此，本发明提出一种分布式的车辆控制系统。
在一个实施例中，如图1-图2所示，本发明公开的一种分布式的车辆控制系统包括：一个远程控制主机、多个主控制单元和多个从控制单元；
所述控制系统包括一个远程控制主机，该远程控制主机与若干个主控制单元连接；
具体的，主控制单元设置于特种车辆的各个功能分区，包括但不限于特种车辆的发动机和底盘的各个系统，包括但不限于传向系、制动系、传动系、发动机曲柄连杆机构、油箱液面传感器在内的系统、机构以及元件；
其中，远程控制主机包括can网络接口，通过can网络接口接入健康监测网络；还包括高速光纤接口，通过高速光纤接口接入控制网络；通过健康监测网络和控制网络向下连接多个主控制单元；
其中，各个主控制单元分别布置在特种车辆不同的功能分区，包括但不限于上述的各个转向系、制动系在内的功能分区；
具体的，每个主控制单元包括若干个高速光纤接口和多个can网络接口，通过高速光纤接口连接多个从控制单元，从控制单元的数量取决于所述主控制单元具有的高速光纤接口的数量；通过高速光纤接口接入控制网络，通过can网络接口接入健康监测网络，通过健康监测网络连接多个从控制单元；
具体的，一个所述从控制单元均分别紧邻设置于所述车辆的一个传感器单元旁边，所有所述从控制单元分别与紧邻的所述传感器单元电连接；
具体的，当一个主控制单元设置于前轮转向系功能区，可以设置至少两个从控制单元，两个从控制单元分别连接所述前右轮和前左轮的转向电磁溢流阀连接，传输控制指令控制前轮的转向，并分别监控左轮和右轮的电磁溢流阀的工作状态；
具体的，当该特种车辆为全轮驱动车型时，对每一组驱动轮设置主控制单元，对每一个驱动轮分别设置从控制单元，监控每个驱动轮的电磁溢流阀的工作状态；
需要说明的是，以上仅为对本发明实施例的示例，不应视为对本发明的限定，除去转向系，还可以将主控制单元设置在制动系，通过分布的从控制单元监控每个制动器油缸或液压阀的状态、监控车轮的内外倾角度等数据；还可以将主控制单元设置于底盘，将从控制器设置于悬架的减震器周围，用于监测悬架减震器的阻尼数据；以上仅作为示例，用于对本发明的进一步说明。
进一步，如图1和图2所示，通过分别设置健康监测网络和控制网络，健康网络和控制网络独立运作，其中所述健康监测网络用于反馈各个所述传感器单元的故障状态；所述控制网络用于传输所述远程控制主机的控制指令；
具体的，当每个从控制单元将紧邻的传感器单元的数据通过健康监测网络传输至所属的主控制单元，通过主控制单元判断所述传感器单元的数据是否在阈值范围内；从而准确迅速的对失控原因和故障设备进行排查；
具体的，若所述数据不在阈值范围内，判断该从控制单元对应的传感器单元为非正常状态，并通过健康监测网络传输至远程控制主机，所述远程控制主机通过相应的从控制单元找到处于非正常状态的传感器单元，进而准确找出故障所在位置；
可选的，该阈值可以为电流或电压的阈值；
具体的，若主控制单元在健康监测网络上未接收到某一从控制单元的数据，则该从控制单元存在故障；
进一步，健康监测网络和控制网络均为串行总线，且通过就近分布设置从控制单元，排线更为简洁，主控制单元的体积得以减小，占用的空间也得以减小；
具体的，所述健康监测网络为can通讯网络；所述控制网络为高速光纤网络；can网络具有准确度高、成本低的特点，高速光纤网络具有传输速度快的特点；通过can网络能准确实时地反应各个从控制器监测的传感器单元的运行情况，通过高速光纤网络能够快速、实时的传递远程控制主机的控制指令；
进一步，如图1和图2所示，所述can通讯网络的传输路径为：所述从控制单元采集相应的传感器单元的数据，通过从控制单元设置的can网络接口传输至连接的主控制单元，由主控制单元对所述传感器单元的数据进行判断，主控制单元将判断结果传输至所述远程控制主机，通过远程控制主机将故障情况和传感器的数值显示在车辆的仪表系统中；
如图1和图2所示，所述高速光纤网络的传输路径为：用户通过远程控制主机向一个或多个功能模块下达控制指令，如针对制动系，通过光纤接口将制动指令传输至相应模块的主控制器，主控制器将制动指令传递至位于制动轮的各个从控制器，通过从控制器下达该制动指令；
进一步，在执行制动指令后，通过can通讯网络获取从控制单元监控相应制动器的油缸液压阀的状态，将液压、制动力等数据传递至制动系的主控制单元，通过主控制单元判断相应的制动器的数值是否在正常阈值范围内，再由主控制单元通过can通讯网络将监测结果传输至远程控制主机；
需要说明的是，如图3所示，现有技术中的远程控制主机直接连接多个主控制单元，由主控制单元与各个功能片区的传感器、IO信号和电磁溢流阀控制信号交互，主控制单元与各个传感器单元中的电子元件均需要线束连接，线束极为复杂，若某个传感器单元发生故障，通过复杂的线束难以排查到具体损坏的功能模块。
在一个实施例中，如图2所示，所述主控制单元还包括至少一个高速光纤接口；
其中，一个高速光纤接口对应连接一个从控制单元，将所述控制指令传输至所述从控制单元；
需要说明的是，高速光纤接口在控制板上较少，且高速光纤价格昂贵，因此优先将高速光纤用于控制指令的传输；
优选的，一个主控制单元包括4个高速光纤接口；
可选的，如图2所示，主控制单元还包括一个光以太网通讯接口；主控制单元通过所述光以太网通讯接口接入所述高速光纤网络，与所述远程控制主机进行数据交换；
在一个实施例中，如图2所示，从控制单元还包括信号调理电路和光电隔离器；
具体的，如图2所示，一个从控制单元包括A/D模块、DI模块和DO模块；
其中A/D模块依次连接光电隔离器、信号调理电路和传感器单元中的模拟传感器；
DI模块依次连接光电隔离器、信号调理电路和传感器单元中的数字传感器；用于接收数字信号；
DO模块依次连接光电隔离器、信号调理电路和传感器单元中的控制元件；用于输出数字信号；
其中，A/D模块用于接收连接的传感器单元的模拟量，用于进一步的分析；如制动系，通过制动踏板或拉杆输入制动指令，根据踏板和拉杆的行程决定制动力的大小，通过电磁溢流阀控制制动液压系统的运动，不同的踏板行程下电磁溢流阀的电流和电压大小式变化的，电流和电压的数值即为连续的模拟量，此处仅作为对本发明的示例；
DI模块用于处理连接开关量类型的数字传感器，开关量只具有1、0两个状态；具体的，如车灯系统，对于同一个灯珠，可视为只具有开启和关闭两种状态，进而获取车灯系统各个单元的开关量；通过所述从控制单元将所述数字信号传输至所述主控制单元；
DO模块依次连接光电隔离器、信号调理电路和传感器单元中的控制元件；用于将从控制单元接收的来自主控制单元的控制指令，将该控制指令转换为数字信号，并向传感器单元的控制元件输出该数字信号；控制元件包括与传感器或驱动器或液压阀连接的电磁溢流阀或继电器等电子元件；
具体的，光电隔离器用于隔离电信号和光信号；从控制单元连接的一端为数模转换电路和模拟信号电路，为电信号；从控制单元的另一端与主控制单元相连，通过can通讯网络和高速光纤网络连接，采用的是光信号；
需要说明的是，如图3所示，现有技术中的A/D模块、DI模块和DO模块均集中在主控制单元上，信号调理电路也位于主控制单元中，若收到外界干扰，其中一个模块发生损坏，则该控制单元的所有元件都不能正常使用。
在一个优选的实施例中，如图4所示，从控制单元采用FPGA作为主控制芯片，能够实现模拟信号或者数字信号接收，处理和传输，包括2路高速光纤通信接口，能够将处理过的数据经此传输至主控制器，具有复合的通讯接口可实现RS232、RS485和CAN通信，可将分支节点健康数据上传到健康监测网络，传至远程控制主机进行实时监控。该控制单元面积小，能够直接嵌至模拟信号采集终端，不仅可以解决原来控制系统模拟信号数字信号传输电缆冗长，抗干扰性差的问题，还可以有效的降低控制系统整体功耗。
优选的，该从控制器选用FPGA的型号为XC7A50T；
优选的，该从控制器包括两个flash模块，选用的型号为QSPI FLASHMT25QL256；
可选的，该从控制单元具有A/D模块、DI模块和DO模块，图中未示出；
在一个优选的实施例中，如图5所示，该主控制单元采用FPGA和DSP架构作为主控制单元；
可选的，该主控制单元还包括一块SRAM模块，一块DDR3模块，两块FLASH模块；从而满足主控制器对所有从控制器数据的处理存储需求；
优选的，该从控制器选用FPGA的型号为XC7K325TFFG900；
可选的，该主控制单元包括有8路高速光纤通信接口，可接收来自多个从控制器的模拟信号和数字信号并进行处理，设计有光以太网通讯接口可与远程控制主机进行数据交换，将处理后数据结果上传到远程控制主机，并接受来自远程控制主机的命令；
可选的，该主控制单元设计有复合的通讯接口可实现RS232、RS485和CAN通信，能够对采集到的来自节点的从控制器的健康信息上传至CAN通讯网络传至远程控制主机进行实时监控；
需要说明的是，通过如图4和图5所示的控制单元布局设计，可以实现较好的通用性，具备多个不同类型的接口，在满足性能需求的同时，保证产品的兼容性。这样设计的好处在于，能够保障产品的生产过程能够完全可控，对核心关键器件在短期内实现全部国产替换。
可选的，所述远程控制主机通过所述健康监测网络与所述车辆的仪表系统连接，通过所述仪表系统反馈各个所述传感器的故障状态。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种分布式的车辆控制系统，其特征在于，包括：
远程控制主机，通过健康监测网络和控制网络与至少一个主控制单元连接；
主控制单元，通过所述健康监测网络和所述控制网络与至少一个从控制单元连接；
从控制单元，一个所述从控制单元均分别紧邻设置于所述车辆的一个传感器单元旁边，所有所述从控制单元分别与紧邻的所述传感器单元电连接；
其中，所述健康监测网络用于反馈各个所述传感器单元的故障状态；所述控制网络用于传输所述远程控制主机的控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种分布式的车辆控制系统，其特征在于，所述健康监测网络为can通讯网络；所述控制网络为高速光纤网络。
3.根据权利要求2所述的一种分布式的车辆控制系统，其特征在于，所述从控制单元通过所述can通讯网络将连接的所述传感器单元的数据传输至所述主控制单元，所述主控制单元根据所述数据判断各个所述传感器的故障状态，并将所述故障状态传输至所述远程控制主机。
4.根据权利要求3所述的一种分布式的车辆控制系统，其特征在于，所述主控制单元还包括至少一个高速光纤接口；
所述主控制单元通过所述高速光纤接口连接所述高速光纤网络，每个高速光纤接口对应一个所述从控制单元，将所述控制指令传输至所述从控制单元。
5.根据权利要求2所述的一种分布式的车辆控制系统，其特征在于，所述主控制单元还包括一个光以太网通讯接口；
所述主控制单元通过所述光以太网通讯接口接入所述高速光纤网络，与所述远程控制主机进行数据交换。
6.根据权利要求2所述的一种分布式的车辆控制系统，其特征在于，一个所述从控制单元包括A/D模块、DI模块和DO模块；
其中A/D模块依次连接光电隔离器、信号调理电路和传感器单元中的模拟传感器；
DI模块依次连接光电隔离器、信号调理电路和传感器单元中的开关量传感器；
DO模块依次连接光电隔离器、信号调理电路和传感器单元中的控制元件。
7.根据权利要求6所述的一种分布式的车辆控制系统，其特征在于，所述A/D模块用于获取所述模拟传感器的模拟信号，将所述模拟信号转化为数字信号；
所述DI模块用于获取开关量传感器的数字信号，将所述数字信号直接传送至所述主控制单元；
DO模块依次用于向所述控制元件输出所述主控制单元传输的控制指令。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种分布式的车辆控制系统，其特征在于，所述从控制单元和所述主控制单元均包括复合通讯接口；
所述复合通讯接口包括RS232通讯接口、RS485通讯接口和CAN通讯接口。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种分布式的车辆控制系统，其特征在于，所述远程控制主机通过所述健康监测网络与所述车辆的仪表系统连接，通过所述仪表系统反馈各个所述传感器单元的故障状态。
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