CN203094176U - 一种容错实时转向控制系统的分布式容错单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种容错实时转向控制系统的分布式容错单元，在容错实时转向控制系统中有4个分布式容错单元，设定每个单元由两个复制节点形成，每个复制节点设计成故障静默单元，相当于一个最小可替换单元，每个故障静默单元由一个服务提供者和一个错误检测器组成；各个节点之间通过汽车内部网络通讯协议总线进行通信，每个容错单元的两个节点分别挂在汽车内部网络通讯协议总线的通道A，B上，两个节点是动态冗余的，当出现故障导致单一节点失效时，系统将会及时的进行控制算法优化或节点更换；在汽车内部网络通讯协议通信周期的静态段时节点使用事件触发报文进行数据交换，在汽车内部网络通讯协议通信周期的动态段时节点使用事件触发报文；在数据交换时，利用汽车内部网络通讯协议通信每个通信周期中，在一个静态时隙里只能有一个节点的数据发送或接收，当此节点出行故障时，在下一个静态时隙里发送或接收同单元的另一个复制节点所发送的数据。

Description

一种容错实时转向控制系统的分布式容错单元

技术领域

本实用新型涉及一种容错单元，特别涉及一种在容错实时转向控制系统中的分布式容错单元。 

背景技术

随着汽车电气化的发展，汽车OEM都逐渐将机械控制信号变成了电控制信号，实现对汽车运动中的电子控制，这种技术的支撑点便是线控技术（X-by-Wire）技术，随后根据电子技术和控制理论的发展，发展出了一种线控转向系统（Steer-by-Wire，简称SBW），他是未来汽车驾驶智能化的转折点。 

线控转向系统具有有效提高了汽车前轮部分的设计自由度，便于操控部分的布置；转向效率高，响应快，控制灵敏；取消转向机械干涉因素，为汽车的无人驾驶及其汽车动态控制系统和平稳控制系统的集成提供先决条件等优点，但是无容错的线控转向系统无法修正电子器件损坏带来的故障，会给驾驶员、乘客以及行人带来人身财产的危害，因此，容错控制技术就成为了线控转向系统的关键技术之一。 

汽车中的通信系统在过去的几年里逐步地从模拟域转换到了数字域。车载通信数字化的下一步就是在性能、可靠性和组装性方面达到更高的层次，以应对未来更高的应用要求。一方面是因为车载电子器件的数量在迅猛增长。另外一个方面就是人们希望汽车能实现个人电脑的所有功能，比如在车上收发电子邮件或是获取路况信息等。这样就会造成在同一时间里 产生大量的数据，对车内外的通信系统就提出了更高的要求，因此车载总线就出现了。CAN总线在20世纪80年代被引入汽车中，现今仍主宰着车载网络。但CAN总线满足不了现今对汽车控制越来越高的要求，比如说线控技术（X-By-Wire）系统。而汽车内部网络通讯协议（FlexRay）最终版本3.0出现后，汽车内部网络通讯协议（FlexRay）网络受到了汽车制造商的青睐。因为汽车内部网络通讯协议（FlexRay）既有TTP/C的同步时间触发性，又有分时多重访问协议（Byteflight）的异步时间触发方式，同时还具有一定的灵活性，是未来车载网络的主流之一。 

目前，在已有的技术中，有一种汽车线控转向的冗余及容错系统及控制方法，其提出了该线控转向系统与汽车中的多个控制器通过CAN网络进行通讯，并设置了看门狗模块，能够实现故障报警功能，但是其缺点在与没有考虑到CAN总线若使用在安全关键性系统中，其最大的缺点就是会发生“不停发送（babbling idiot）”错误，也就是说，错误的节点不停地在总线发送高优先级的报文，从而阻塞了整个网络，这个错误时CAN总线无法检测的。只考虑到实现系统故障的报警，并未考虑到在故障发生时真正保证系统的运行，同时无法保证系统的实时性。 

实用新型内容

本实用新型是针对基于汽车内部网络通讯协议（FlexRay）通信的容错实时转向控制系统中的节点设计问题，提出并设计了一种基于汽车内部网络通讯协议（FlexRay）通信的容错实时转向控制系统的分布式容错单元，解决了系统在实现了全局时间同步和时间与事件触发的报文交换后，出现 的系统在出现故障时倒是单一节点失效从而使系统无法工作的问题，提高了系统的安全性、可靠性、可维护性等。 

本实用新型的容错单元结合应用了硬件冗余和软件冗余，将容错实时转向控制系统分为4个分布式容错单元（FTU，Fault-Tolerant Unit）,分别为：车轮位移检测FTU1、转向电机控制器FTU2、驾驶转角检测FTU3、路感电机控制器FTU4。其中，每个所述分布式容错单元由两个复制节点形成，每个所述复制节点设计成故障静默单元,各个所述复制节点之间通过汽车内部网络通讯协议进行通信，每个所述分布式容错单元的两个所述复制节点是动态冗余的，在值域和时域上要么产生正确结果要么不产生任何结果的所述故障静默单元由服务提供者和错误检测器组成，每个所述故障静默单元通过双通道与通信机的总线连接。容错转向系统是分布式的，除了在单个FTU上实现处理信息外，多个相互依赖的任务在多个处理器空间分布协同控制。在硬件方面，每个FTU由两个复制节点形成，每个复制节点设计成故障静默单元（FSU,Fail-Silent Unit）,相当于一个最小可替换单元，每个故障静默FSU由一个服务提供者和一个错误检测器组成。各个节点之间通过汽车内部网络通讯协议（FlexRay）进行通信，通信过程中，FTU会产生0、1或2个正确的报文，产生的正确报文数为0，则FTU失效；产生的报文数为1个或2个，FTU仍在进行。每个FTU的两个节点是动态冗余的，很容易检测发现故障所导致的单一节点失效，及时进行控制算法优化或节点更换等。 

在本实用新型提供的容错实时转向控制系统的各个分布式单元结构如下： 

其中，所述车轮位移检测单元由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，车轮转角信号经过扩压电路放大后输入控制芯片； 

其中，所述转向电机控制器单元由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，当第一电机通信接口（Bus1），第二电机通信接口（Bus2）接收到数据时，CON1.14，CON1.15呈高电平，所有信号经过判定和隔离电路，将处理过的数据发送到调速箱，调速箱通过CON1.（1-9）口控制电机转速，CON2.4，CON2.5口监测电机速度，在内部进行反馈算法，通过限位开关驱动转向电机； 

其中，所述方向盘转角检测单元由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，当转角输入端口（StAng）有输入信号时两个单片机的CON1.1口呈高电平，并从第一转角通信接口（Bus1），第二转角通信接口（Bus2）发送数据到汽车内部网络通讯协议（FlexRay）总线上； 

所述路感电机控制器单元由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，接收到总线上的报文信息后，根据控制算法，控制路感电机的启停，正反转及力矩大小。 

在软件上，各个节点之间通过汽车内部网络通讯协议（FlexRay）总线进行通信，每个容错单元的两个节点分别挂在汽车内部网络通讯协议（FlexRay）总线的通道A,B上，两个节点是动态冗余的，当出现故障导致单一节点失效时，系统将会及时的进行控制算法优化或节点更换；在汽车 内部网络通讯协议（FlexRay）通信周期的静态段时节点使用事件触发报文进行数据交换，在汽车内部网络通讯协议（FlexRay）通信周期的动态段时节点使用事件触发报文；在数据交换时，利用汽车内部网络通讯协议（FlexRay）通信每个通信周期中，在一个静态时隙里只能有一个节点的数据发送或接收，当此节点出行故障时，在下一个静态时隙里发送或接收同单元的另一个复制节点所发送的数据。 

实用新型作用和效果 

这样的冗余控制方法体现了时间触发的分布式架构的优点。每个节点都有简单的功能，由一个个小的子系统组成，其数据与时间的关系在系统设计时就已经确定，每个子系统完成软硬件设计后，进行组装时，不会像CAN总线那样影响其实时性。周期性的报文很方便就能快速检测出主工作节点的运行情况，而不是等发现主工作节点无法工作后，才去维护系统。 

附图说明

图1为本实用新型容错实时转向控制系统的分布式容错单元示意图； 

图2为本实用新型各容错单元与汽车内部网络通讯协议（FlexRay）总线双通道通信结构图； 

图3为本实用新型路感电机控制单元原理图； 

图4为本实用新型方向盘转角测量单元原理图； 

图5为本实用新型伺服马达控制单元原理图； 

图6为本实用新型车轮转角测量单元原理图； 

图7为本实用新型容错实时转向控制系统的分布式容错单元间的软件冗余的各报文传输方案示意图； 

具体实施方式

一种容错实时转向控制系统的分布式容错单元，如图1所示，将容错实时转向控制系统分成4个分布式容错单元（FTU，Fault-Tolerant Unit）,分别为：车轮位移检测FTU1、转向电机控制器FTU2、驾驶转角检测FTU3、路感电机控制器FTU4。每个FTU由两个复制节点形成，每个复制节点设计成故障静默单元（FSU,Fail-Silent Unit）,相当于一个最小可替换单元，每个故障静默FSU由一个服务提供者和一个错误检测器组成。各个节点之间通过汽车内部网络通讯协议（FlexRay）进行通信，每个FTU的两个节点是动态冗余的，很容易检测发现故障所导致的单一节点失效，及时进行控制算法优化或节点更换等。同时，每个FSU都采用双通道连接，如图2所示，一但总线上出现错误信息，总线的通信机理能检测出错误，且能在难以修缮错误时停止工作。 

图3为路感电机控制单元原理图，路感节点从总线上获得实际的车轮转角后，根据经验算法，控制路感电机，是驾驶员能够更加真实的感觉的实际的车轮转动。该单元由两个选用两个扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的节点组成，通过第一路感通信接口（Bus1），第二路感通信接口（Bus2）在总线上接收报文信息，通过单片机中的控制算法，通过启停数据口（Start），正反转数据口（Bi），力矩数据口（To）输出信号控制路感电机的启停，正反转及转动力矩。 

图4为方向转角测量单元原理图，该单元由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，当转角输入端口（StAng）有输入信号时两个单片机的CON1.1口呈高电平，并从第一转角通信接口（Bus1），第二转角通信接口（Bus2）发送数据到总线上。 

图6为方向盘转角测量节点原理图，原理与图4相似，由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，车轮转角信号经过扩压电路放大后输入控制芯片，但控制芯片的输入信号是要经过扩压电路将转角信号放大后才作为控制芯片的输入。 

图5为伺服马达控制单元原理图，伺服马达控制单元即为转向电机控制器单元，由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，当第一电机通信接口（Bus1），第二电机通信接口（Bus2）接受到数据时，CON1.14，CON1.15呈高电平，所有信号经过判定和隔离电路，将处理过的数据发送到调速箱，调速箱通过CON1.（1-9）口控制电机转速大小，CON2.4，CON2.5口能够时刻监视电机速度，在内部进行反馈算法，通过限位开关驱动电机转动。 

本实用新型容错实时转向控制系统的分布式容错单元的软件冗余实现方法如图7所示，利用汽车内部网络通讯协议（FlexRay）的静态时隙，故障静默单元5为转角转矩传感器检测节点，将传感器的电压转换为数字量后，在每个通信周期的静态时隙1进行发送。节点6为FSU5的冗余故障静默单元，在静态时隙2进行发送。FTU2为转向电机，其根据FSU5的报文数据控制转向电机的工作，达到实时转向的功能，若在该周期的时隙1不能接收到FSU5的报文，则立即使用时隙2中的冗余传感器FSU6的报 文，并且在时隙3发出报文以便系统自身进行维护与诊断。 

Claims (2)

1.一种容错实时转向控制系统的分布式容错单元，其特征在于,在所述容错实时转向控制系统中，包括：4个分布式容错单元：分别为车轮位移检测单元、转向电机控制器单元、驾驶转角检测单元以及路感电机控制器单元，其中，每个所述分布式容错单元由两个复制节点形成，每个所述复制节点设计成故障静默单元,各个所述复制节点之间通过汽车内部网络通讯协议进行通信，每个所述分布式容错单元的两个所述复制节点是动态冗余的， 

在值域和时域上要么产生正确结果要么不产生任何结果的所述故障静默单元由服务提供者和错误检测器组成， 

每个所述故障静默单元通过双通道与通信机的总线连接。 

2.根据权利要求1所述容错实时转向控制系统的分布式容错单元，其特征在于： 

容错实时转向控制系统的每个分布式单元结构如下： 

所述车轮位移检测单元由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，车轮转角信号经过扩压电路放大后输 入控制芯片； 

所述转向电机控制器单元由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，当第一电机通信接口，第二电机通信接口接收到数据时，CON1.14，CON1.15呈高电平，所有信号经过判定和隔离电路，将处理过的数据发送到调速箱，调速箱通过CON1.（1-9）口控制电机转速，CON2.4，CON2.5口监测电机速度，在内部进行反馈算法，通过限位开关驱动转向电机； 

所述方向盘转角检测单元由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，当转角输入端口有输入信号时两个单片机的CON1.1口呈高电平，并从第一转角通信接口，第二转角通信接口发送数据到汽车内部网络通讯协议总线上； 

所述路感电机控制器单元由两个选用扩展的MC9S12XF512单片机作为控制芯片的相同节点组成，接收到总线上的报文信息后，根据控制算法，控制路感电机的启停，正反转及力矩大小。 

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