CN114802058A - 智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统及调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统及调度方法，该系统包括中央计算单元、区域控制单元组，通过网络连接，且采用软件定义网络（SDN）和时间敏感网络（TSN）融合调度逻辑框架。通过SDN控制器集中式地产生全局调度策略命令并发送给区域控制单元，区域控制单元内部的区域调度器采用TSN机制，接受并执行来自SDN控制器的调度命令，管理单个区域控制单元内的所有信息，从而通过SDN控制器和TSN机制上下层融合实现通信的全局调度管理，提高了系统布置的灵活性和通信效率。并将系统单次采样周期分解成若干个子周期，单个子周期内命令由同一参考帧触发，进而保证了车辆控制的同步性和实时性。

Description

智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统及调度方法

技术领域

本发明涉及智能电动汽车的技术领域，具体为智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统及调度方法。

背景技术

近年来随着汽车智能化、电动化、网联化趋势迅速发展，越来越多的电子电气部件引入，布线越来越复杂，对车辆网络信息的传输带来了巨大的挑战，传统的电子电气架构满足不了新的发展需求，面向功能域架构的设计以及跨域融合架构的设计层出不穷，电子控制单元之间的网络拓扑也变得种类繁多，如总线型、星型、环型、令牌型等，随之产生的分析方法也不完全统一，给汽车电子的发展带来了新的挑战和不确定性。

为了进一步简化车上的网络布线、节约成本，提高通信效率，引入了新一代电子电气架构—区域架构，各区域控制单元的布置按照车辆物理区域划分，充分满足就近布线原则，大大降低了线束的复杂程度，但同时也存在一些问题，如同一个区域控制单元内信号流复杂，可能同时存在雷达信号流、传感器信号流、音视频流等多种信号流，如果直接发送至中央计算单元会导致信道拥堵，各区域控制单元间同步性也得不到保证，且处理效率不高，实时性不强。此外一些紧急工况处理命令不能得到及时响应会发生危险，安全性不高。

发明内容

在智能电动汽车电子电气架构快速变革及其所带来的同步性、确定性、实时性问题的大背景下，本发明的目的是提供智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统及调度方法。

本发明技术方案如下：

本发明提出了智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统，包括中央计算单元和区域控制单元组，通过车载网络通信连接，且采用软件定义网络（SDN）和时间敏感网络（TSN）融合调度逻辑框架；

所述中央计算单元包括SDN控制器和车载应用及服务模块，其中SDN控制器包括中央调度器，分别与车载应用及服务模块和区域控制单元内的区域调度器连接，负责统一管理调度整个区域架构车载网络化控制系统内的所有信息；其中车载应用及服务模块包括各种具体功能及服务，主要包括智能驾驶模块、智能座舱模块、底盘控制模块、信息娱乐模块；所述智能驾驶模块用于实现车辆感知、决策、规划、执行单元，可以为人车共驾，也可以为无人驾驶，所述智能座舱模块，用于控制车门、座椅、天窗及其它座舱单元，所述底盘控制模块用于控制车辆的行驶、转向、传动、制动单元，所述信息娱乐模块用于控制车辆的游戏、音乐、视频及其它娱乐单元；

所述区域控制单元组包括第一区域控制单元、第二区域控制单元、第n区域控制单元，位置根据车辆物理区域划分，各区域控制单元及中央计算单元之间连接方式可以为星型、环型、总线型及其它拓扑；

所述软件定义网络（SDN）和时间敏感网络（TSN）融合调度逻辑框架具体为：分成三个平面，一为车载策略平面，主要功能模块包括车载应用及服务模块，二为车载通信控制平面，主要功能模块包括SDN控制器，三为车载通信数据平面，主要功能模块包括区域控制单元组。其中车载通信控制平面的SDN控制器集中式地产生全局调度策略命令并发送给区域控制单元，区域控制单元内部的区域调度器采用TSN机制，接受并执行来自SDN控制器的调度命令，管理单个区域控制单元内的所有信息，从而通过SDN控制器和TSN机制上下层融合实现通信的全局调度管理。

其中SDN控制器包括复合接收模块，中央调度器、决策模块、复合发送模块；复合接收模块负责整个车辆的信息调度，接收来自区域控制单元组内不同区域控制单元的信息，发送至中央调度器；所述中央调度器负责整个车辆的信息调度，接收来自复合接收模块的信息，通过内置的调度策略产生调度命令，发送至决策模块；所述决策模块负责接收来自中央调度器的调度命令，确定功能需求发送决策命令至复合发送模块；所述复合发送模块接收来自决策模块的决策命令，发送至对应的车载应用及服务模块；

一个区域控制单元和若干传感器节点、执行器节点组成一个区域控制系统；区域控制单元主要负责管理各传感器节点、执行器节点，区域控制单元内包括区域调度器、协议转换模块和收发模块；

区域控制单元内的区域调度器根据SDN控制器发过来的调度命令，采用TSN机制，对区域内所有信息进行管理和调度；所述协议转换模块负责区域内的不同网络协议转换，包括CAN、LIN、flex Ray、Ethernet、MOST、CANFD等这些车载网络协议；所述收发模块负责接收协议转换模块处理后的信息，发送至中央计算单元或者执行器节点；

所述TSN机制包括输入端口、信息流分类模块、流队列、区域调度器、输出端口，其中区域调度器执行SDN控制器发过来的调度命令，即采用SDN和TSN融合调度逻辑框架。

本发明还提出了一种调度方法，应用于上述的智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统，所述方法包括：

在一个周期内整个信息流回路为：区域控制系统内的传感器信息通过网络发送到区域控制单元中，区域控制单元再通过网络发送至SDN控制器内的中央调度器，再发送至车载应用及服务模块，车载应用及服务模块产生相应的控制命令和SDN控制器内的中央调度器的调度命令通过网络一起发送至区域控制单元，最后通过网络发送至区域控制系统内的执行器，执行器完成相应的指令。

为了满足设计要求，调度设计判据为：

其中

表示求和运算，

表示一个子周期的长度，

表示 单个消息传输所需要的最长时间，

表示系统单次采样周期长度。

该调度方法具体为：为了保证每个区域控制单元发送和接受信息的同步性，将系 统单次采样周期分解为n个子周期，其中

个子周期是其中一个车载应用及服务模块所需 求的，

具体为多少根据功能需求所产生的信息流回路来确定；

所述系统的信息流回路延时表示为：

其中

表示整个区域架构车载网络化控制系统信息流传递的回路延时，

表示其中一个车载应用及服务模块所需求的子周期的个数，

表示对系统单次采样周期进 行划分的个数，

表示系统单次采样周期长度，

表示区域控制系统内传 感器节点产生的延时，

表示区域控制系统内执行器节点产生的延时。

本发明的有益效果：

1.本发明提出了智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统及调度方法，采用软件定义网络（SDN）和时间敏感网络（TSN）融合的调度逻辑框架，并应用于智能电动汽车的新型区域架构车载网络化控制系统中，保证了车辆控制的同步性、实时性，减少了信息流回路传递过程中的不确定性。

2. 本发明提出了智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统及调度方法，将传统区域控制单元与中央计算单元解耦，通过引入SDN控制器实现了车载通信控制平面与车载通信数据平面分离，可应用于任意一种不同的车载网络拓扑，大大提高了智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统设计的灵活性，优化了整车线束布置，提高了通信效率。

3.本发明提出了在区域控制单元中设立区域调度器，并采用TSN机制，将区域控制系统内不同信号流进行分类，形成流队列分别发送至中央计算单元，抑制了多种信号流造成的网络信道拥挤，保障了通信实时性，使网络资源得到合理化分配。

附图说明

图1为实施例采用的智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统结构示意图；

图2为实施例采用的SDN和TSN融合调度逻辑框架图；

图3为实施例采用的区域控制单元中的TSN机制结构示意图；

图4为实施例采用区域控制系统结构示意图；

图5为实施例采用的SDN控制器结构示意图；

图6为实施例未使用调度方法时的单次采样周期内信号分布示意图；

图7为实施例使用调度方法后的单次采样周期内信号分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

本发明提出了智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统及调度方法，如图1所示，

图1为实施例采用的智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统结构示意图，包括中央计算单元和区域控制单元组，通过车载以太网连接，且采用软件定义网络（SDN）和时间敏感网络（TSN）融合调度逻辑框架，区域控制单元组包括第一区域控制单元、第二区域控制单元、第n区域控制单元，位置根据车辆物理区域划分，各区域控制单元之间连接方式可以为星型、环形、总线型及其它拓扑；中央计算单元包括SDN控制器和车载应用及服务模块，其中SDN控制器包括中央调度器，分别与车载应用及服务模块和区域控制单元内的区域调度器连接，负责统一管理调度整个区域架构车载网络化控制系统内的所有信息；其中车载应用模块包括各种具体功能及服务，主要包括智能驾驶模块、智能座舱模块、底盘控制模块、信息娱乐模块；所述智能驾驶模块用于实现车辆感知、决策、规划、执行单元，可以为人车共驾，也可以为无人驾驶，所述智能座舱模块，用于控制车门、座椅、天窗及其它座舱单元，所述底盘控制模块用于控制车辆的行驶、转向、传动、制动单元，所述信息娱乐模块用于控制车辆的游戏、音乐、视频及其它娱乐单元。

图2为实施例采用的SDN和TSN融合调度逻辑框架图，分成三个平面分成三个平面：一为车载策略平面，主要功能模块包括车载应用及服务模块，二为车载通信控制平面，主要功能模块包括SDN控制器，三为车载通信数据平面，主要功能模块包括区域控制单元组。其中车载通信控制平面的SDN控制器集中式地产生全局调度策略命令并发送给区域控制单元，区域控制单元内部的区域调度器采用TSN机制，接受并执行来自SDN控制器的调度命令，管理单个区域控制单元内的所有信息，从而通过SDN控制器和TSN机制上下层融合实现通信的全局调度管理。

通过采用SDN和TSN融合调度逻辑框架实现了车载通信控制平面与车载通信数据平面分离，不再需要关注各区域控制单元及中央计算单元之间的连接网络拓扑对车载应用及服务模块造成的影响，可以自由编程、部署新的车载应用及服务模块。

图3为实施例采用的区域控制单元中的TSN机制结构示意图，包括输入端口、信息流分类模块、流队列、区域调度器、输出端口，具体运行为：摄像头、雷达和其它传感器节点采集到的信息通过网络传递到输入端口，然后通过信息流分类模块形成包括速度信号流、音视频流、雷达数据流在内的多种信息流构成的流队列，然后进入区域调度器，区域调度器执行SDN控制器发过来的调度命令，最后由输出端口输出。

通过采用TSN机制，抑制了多种信号流在区域控制单元造成的网络拥挤，保障了通信实时性，使网络资源得到合理化分配。

图4为实施例采用的区域控制系统结构示意图，包括区域控制单元和多个子系统，区域控制单元主要负责管理各子系统，包括摄像头、雷达及其它传感器节点，以及驱动电机、制动电机及其它执行器节点，区域控制单元内包括区域调度器、协议转换模块和收发模块；区域控制单元内的区域调度器根据SDN控制器发过来的调度命令，采用TSN机制，对区域内所有信息进行管理和调度；协议转换模块负责区域内的不同网络协议转换，包括CAN、LIN、FlexRay、Ethernet、MOST、CANFD等这些车载网络协议；收发模块负责接收协议转换模块处理后的信息，发送至中央计算单元或者执行器节点。

图5为实施例采用的SDN控制器结构示意图，所述SDN控制器包括复合接收模块，中央调度器、决策模块、复合发送模块；复合接收模块负责接收来自区域控制单元组内不同区域控制单元的信息，发送至中央调度器；中央调度器负责整个车辆的信息调度，接收来自复合接收模块的信息，通过内置的调度策略产生调度命令，发送至决策模块；决策模块负责接收来自SDN控制器中的中央调度器调度命令，确定功能需求发送决策命令至复合发送模块；复合发送模块接收来自决策模块的决策命令，发送至对应的车载应用及服务模块。

图6为实施例未使用调度方法时的单次采样周期内信号分布示意图，定义系统单次采样周期为：区域控制系统内的传感器信息通过车载以太网发送到区域控制单元中，区域控制单元再通过车载以太网发送至SDN控制器内的中央调度器，再发送至车载应用及服务模块，车载应用及服务模块产生相应的控制命令和中央调度器的调度命令一起发送至区域控制单元，最后通过网络发送至区域控制系统内的执行器节点。

在系统单次采样周期内，系统的整个信息流回路延时可表示为：

其中

表示整个区域架构车载网络化控制系统信息流传递的回路延时，

表示系统单次采样周期长度，

表示区域控制系统内传感器节点带来 的延时，

表示区域控制系统内执行器节点带来的延时；

此时系统单次采样周期可能同时存在数据信号、状态信号、控制信号等多种信号，且为无序排列。

图7为实施例使用调度方法后的单次采样周期内信号分布示意图，该调度方法具体为：为了保证每个区域控制单元发送和接受信息的同步性，将系统单次采样周期分解为n个子周期，其中m个子周期是其中一个车载应用及服务模块所需求的，m具体为多少根据功能需求所产生的信息流回路来确定。

为了防止子周期内的单个消息传递时间不够以及子周期长度之和超过系统单次采样周期长度，该调度方法在设计时首先要满足的要求为：

其中

表示求和运算，

表示分解后一个子周期的长度，

表示单个消息传输所需要的最长时间，

表示系统单次采样周期长度。

使用该调度方法后，在系统单次采样周期内，系统的整个信息流回路延时可表示为：

本实施例中将系统单次采样周期分解为10个子周期，智能驾驶模块具体涉及5个子周期，具体为：子周期1用于区域控制系统内传感器节点到区域控制单元的信号传输，所有传感器节点都由子周期1内同一个参考帧触发，子周期2用于区域控制单元到SDN控制器的信号传输，所有命令都由同一参考帧触发，子周期3用于SDN控制器到中央计算单元中智能驾驶模块的信号传输，所有命令都由同一参考帧触发，子周期4用于SDN控制器和中央计算单元中的智能驾驶模块到区域控制单元的信号传输，所有命令都由同一参考帧触发，子周期5用于区域控制单元到区域控制系统内执行器节点的信号传输，所有命令都由同一参考帧触发。

且系统单次采样周期内数据信号、状态信号、控制信号等都均匀分布在每个子周期内，减少了系统信息传递过程中的不确定性。

此时延时表达式为：

通过比较延时表达式可以得出：在系统单次采样周期内，使用该调度方法后系统的整个信息流回路延时得到显著减小，考虑到智能电动汽车功能的多样性和复杂性，同步性、确定性、实时性得到保证后安全性将大大提高。

综上，所提出的智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统及调度方法提高了应用区域架构车载网络化控制系统的智能电动汽车的同步性、确定性以及实时性，以及设计时的灵活性，为智能电动汽车的区域架构车载网络化控制系统设计提供了先进的技术支持。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统，其特征在于：包括中央计算单元和区域控制单元组，通过车载网络通信连接，且采用软件定义网络SDN和时间敏感网络TSN融合调度逻辑框架；

所述中央计算单元包括SDN控制器和车载应用及服务模块，其中SDN控制器包括中央调度器，分别与车载应用及服务模块和区域控制单元内的区域调度器连接，负责统一管理调度整个区域架构车载网络化控制系统内的所有信息；其中车载应用模块包括各种具体功能及服务，包括智能驾驶模块、智能座舱模块、底盘控制模块、信息娱乐模块；所述智能驾驶模块用于实现车辆感知、决策、规划、执行单元，为人车共驾，或者为无人驾驶；所述智能座舱模块，用于控制座舱单元；所述底盘控制模块用于控制车辆的行驶、转向、传动、制动单元；所述信息娱乐模块用于控制车辆的娱乐单元；

所述区域控制单元组包括第一区域控制单元、第二区域控制单元、第n区域控制单元，位置根据车辆物理区域划分，各区域控制单元与中央计算单元之间连接；

一个区域控制单元和若干传感器节点、执行器节点组成一个区域控制系统；

所述软件定义网络SDN和时间敏感网络TSN融合调度逻辑框架具体为：分成三个平面，一为车载策略平面，功能模块包括车载应用及服务模块，二为车载通信控制平面，功能模块包括SDN控制器，三为车载通信数据平面，功能模块包括区域控制单元组；其中车载通信控制平面的SDN控制器集中式地产生全局调度策略命令并发送给区域控制单元，区域控制单元内部的区域调度器采用TSN机制，接受并执行来自SDN控制器的调度命令，管理单个区域控制单元内的所有信息，从而通过SDN控制器和TSN机制上下层融合实现通信的全局调度管理。

2.根据权利要求1所述的智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统，其特征在于：所述SDN控制器包括复合接收模块，中央调度器、决策模块、复合发送模块；

所述复合接收模块负责接收来自区域控制单元组内不同区域控制单元的信息，发送至中央调度器；

所述中央调度器负责整个车辆的信息调度，接收来自复合接收模块的信息，通过内置的调度策略产生调度命令，发送至决策模块；

所述决策模块负责接收来自中央调度器的调度命令，确定功能需求发送决策命令至复合发送模块；

所述复合发送模块接收来自决策模块的决策命令，发送至对应的车载应用及服务模块。

3.如权利要求1所述的智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统，其特征在于：所述区域控制系统中，区域控制单元负责管理各传感器节点、执行器节点，区域控制单元内包括区域调度器、协议转换模块和收发模块；

所述区域控制单元内的区域调度器根据SDN控制器发过来的调度命令，采用TSN机制，对区域内所有信息进行管理和调度；

所述协议转换模块负责区域内的不同网络协议转换，包括CAN、LIN、FlexArm、Ethernet、MOST、CANFD等这些车载网络协议；

所述收发模块负责接收协议转换模块处理后的信息，发送至中央计算单元或者执行器节点。

4.如权利要求1所述的智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统，其特征在于：所述TSN机制包括输入端口、信息流分类模块、流队列、区域调度器、输出端口，其中区域调度器执行SDN控制器发过来的调度命令，即采用SDN和TSN相结合的调度逻辑框架。

5.一种调度方法，其特征在于：应用于权利要求1到4任一项所述的智能电动汽车区域架构车载网络化控制系统，所述方法包括：

在一个周期内整个信息流回路为：区域控制系统内的传感器信息通过网络发送到区域控制单元中，区域控制单元再通过网络发送至SDN控制器内的中央调度器，再发送至车载应用及服务模块，车载应用及服务模块产生相应的控制命令和SDN控制器内的中央调度器的调度命令通过网络一起发送至区域控制单元，最后通过网络发送至区域控制系统内的执行器，执行器完成相应的指令。

6.如权利要求5所述的一种调度方法，其特征在于：调度设计判据为：

其中

表示求和运算，

表示一个子周期的长度，

表示单个消 息传输所需要的最长时间，

表示系统单次采样周期长度。

7.如权利要求6所述的一种调度方法，其特征在于：具体为：为了保证每个区域控制单 元发送和接受信息的同步性，将系统单次采样周期分解为n个子周期，其中

个子周期是 其中一个车载应用及服务模块所需求的，

具体为多少根据功能需求所产生的信息流回路 来确定。

8.如权利要求7所述的一种调度方法，其特征在于：系统的信息流回路所带来的延时表示为：

其中

表示整个区域架构车载网络化控制系统信息流传递的回路延时，

表示 其中一个车载应用及服务模块所需求的子周期的个数，

表示对系统单次采样周期进行划 分的个数，

表示系统单次采样周期长度，

表示区域控制系统内传感器 节点产生的延时，

表示区域控制系统内执行器节点产生的延时。

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