基于某純電動(dòng)平臺(tái)的線控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

周羅善

上汽大眾汽車有限公司，上海 201800

0 引言

電子電器架構(gòu)是整車廠的核心競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于一套成熟而穩(wěn)健的現(xiàn)有架構(gòu)系統(tǒng)，滿足市場(chǎng)需求是其核心驅(qū)動(dòng)力之一，越來(lái)越多的智能化功能引入，也推動(dòng)著架構(gòu)持續(xù)迭代更新，建成功能架構(gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)、軟件架構(gòu)的全方位架構(gòu)研發(fā)體系是企業(yè)需要考慮的問(wèn)題。

為了讓純電動(dòng)車型能夠更好地服務(wù)于智能化產(chǎn)品定位，并積極響應(yīng)國(guó)家政策，推薦相關(guān)企業(yè)選用新能源純電動(dòng)車作為其業(yè)務(wù)范疇的落地車輛，同時(shí)將底盤(pán)動(dòng)力性能優(yōu)勢(shì)和品牌優(yōu)勢(shì)最大化[1]。為了滿足自動(dòng)駕駛、Robotaxi等業(yè)務(wù)，迫切需要開(kāi)展線控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)任務(wù)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到架構(gòu)集成，從網(wǎng)關(guān)路由到線控控制器[2]，實(shí)現(xiàn)完全自主開(kāi)發(fā)，既借助大眾先進(jìn)的平臺(tái)技術(shù)，又快速響應(yīng)本地化開(kāi)發(fā)的要求，在較短開(kāi)發(fā)周期內(nèi)，完成整套系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)[3]，為落地到量產(chǎn)車型上完成技術(shù)可行性評(píng)定。本文所開(kāi)發(fā)的線控控制器滿足要求，并提升了線控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

1 線控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

本文主要為了集成第三方公司的智能駕駛系統(tǒng)套件并提供線控系統(tǒng)指令集。開(kāi)發(fā)過(guò)程嚴(yán)格遵循V模型開(kāi)發(fā)流程。

1.1 需求分析

線控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)車輛的擋位、縱向和橫向的自動(dòng)控制以及部分車身功能控制，如開(kāi)啟遠(yuǎn)光燈、警告燈、轉(zhuǎn)向燈、喇叭、雨刮等功能。

線控系統(tǒng)性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)圍繞線控轉(zhuǎn)向、線控驅(qū)動(dòng)和線控制動(dòng)3個(gè)方面設(shè)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該線控系統(tǒng)是基于大眾純電動(dòng)車電子電器架構(gòu)的升級(jí)改造[4]，設(shè)計(jì)方案如下：

(1)擋位控制：駕駛員操作換擋撥桿，之后發(fā)送目標(biāo)擋位請(qǐng)求及換擋桿動(dòng)作信號(hào)到動(dòng)力域控制器，其實(shí)現(xiàn)換擋邏輯處理并發(fā)出實(shí)際擋位控制信號(hào)，從而完成換擋操作。

(2)轉(zhuǎn)向控制：借助原車PLA功能，控制器結(jié)合轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)計(jì)算轉(zhuǎn)向算法，再發(fā)送轉(zhuǎn)向請(qǐng)求報(bào)文到轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向角度控制。

(3)縱向控制：借助原車ACC功能，開(kāi)啟后以及動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)滿足要求后[5]，會(huì)發(fā)送加、減速度控制報(bào)文到動(dòng)力域控制器和ESP等車控單元[6]，實(shí)現(xiàn)車輛加速和減速控制。

(4)輔助功能控制：駕駛員操作相應(yīng)開(kāi)關(guān)，借助原車舒適系統(tǒng)控制器發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光燈、雨刮、喇叭、轉(zhuǎn)向燈和警告燈開(kāi)啟控制。

基于以上分析，擬定線控系統(tǒng)的架構(gòu)集成拓?fù)浞桨福渲泻诵募夹g(shù)是符合實(shí)時(shí)要求的線控控制器，命名為GPSG，并對(duì)整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行重構(gòu)：

(1)將轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)進(jìn)行Bypass處理，實(shí)現(xiàn)GPSG直接向其發(fā)送轉(zhuǎn)向控制報(bào)文；

(2)將動(dòng)力控制器進(jìn)行Bypass處理，實(shí)現(xiàn)GPSG直接向其發(fā)送擋位請(qǐng)求報(bào)文及剎車狀態(tài)等報(bào)文；

(3)將轉(zhuǎn)向柱開(kāi)關(guān)(帶擋位)控制器進(jìn)行Bypass處理，實(shí)現(xiàn)原車擋位請(qǐng)求報(bào)文過(guò)濾，并模擬發(fā)送燈光、喇叭、雨刮控制相關(guān)的CAN報(bào)文；

(4)將原車多用途組合開(kāi)關(guān)進(jìn)行Bypass處理，實(shí)現(xiàn)警告燈控制的LIN報(bào)文過(guò)濾和模擬。

通過(guò)線控控制器的線控算法設(shè)計(jì)和報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，梳理出每路CAN、LIN通道信號(hào)，如圖1所示。這里定義給第三方通信的CAN通道命名為AI-CAN。最終生成各路信號(hào)的DBC和LDF數(shù)據(jù)文檔，作為下一階段軟件開(kāi)發(fā)的輸入文件。

圖1 系統(tǒng)信號(hào)(局部)梳理

1.3 線控控制器開(kāi)發(fā)

根據(jù)前文的架構(gòu)設(shè)計(jì)，得出線控控制器硬件架構(gòu)如圖2所示，MCU選擇Renesas RH850，支持8路CAN/CANFD通道，4路LIN通道(其中2路預(yù)留)，2路高低邊驅(qū)動(dòng)(用于剎車燈硬線控制)和電源管理模塊。為提高硬件可靠性，芯片和接插件均按照車規(guī)要求選型。

圖2 線控控制器硬件架構(gòu)

為提高嵌入式軟件開(kāi)發(fā)質(zhì)量，縮短開(kāi)發(fā)周期，軟件架構(gòu)直接采用主流Classic AUTOSAR，本文選用Vector Classic AUTOSAR V4.0(滿足ASIL B等級(jí))。線控控制器軟件架構(gòu)如圖3所示。基礎(chǔ)軟件由AUTOSAR BSW配置完成，并設(shè)計(jì)報(bào)文路由；應(yīng)用層軟件包括休眠喚醒、線控轉(zhuǎn)向、線控?fù)Q擋、線控驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)、車身開(kāi)關(guān)控制、模式切換、警告燈控制。

圖3 線控控制器軟件架構(gòu)

1.3.1 報(bào)文路由功能

報(bào)文路由是GPSG控制器的重要功能。考慮到原車轉(zhuǎn)向、動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了Bypass處理，其處理的報(bào)文均須通過(guò)GPSG路由，且整車狀態(tài)信息需要實(shí)時(shí)路由，如圖4所示。

圖4 報(bào)文路由示意

報(bào)文路由功能涉及CAN、CAN If、PDUR模塊的配置。CAN模塊配置硬件驅(qū)動(dòng)，波特率采樣率與接入的整車CAN總線保持一致，設(shè)置過(guò)濾規(guī)則，屏蔽無(wú)效報(bào)文。CAN If模塊管理各路CAN接收和發(fā)送的PDU。PDUR模塊配置路由規(guī)則，PDU Routing Type設(shè)置為GATEWAY_ROUTING，實(shí)現(xiàn)報(bào)文一對(duì)一、一對(duì)多發(fā)送。

1.3.2 線控轉(zhuǎn)向功能

線控轉(zhuǎn)向借助PLA輔助駕駛功能完成對(duì)方向盤(pán)的控制。該功能模塊將期望轉(zhuǎn)角換算成曲率，發(fā)送模擬轉(zhuǎn)向控制報(bào)文，其流程如圖5所示。

圖5 線控轉(zhuǎn)向流程

1.3.3 線控驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)功能

線控驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)借助原車ACC和AEB功能來(lái)制定，進(jìn)入自動(dòng)駕駛模式時(shí)，需開(kāi)啟ACC功能。ACC可實(shí)現(xiàn)車輛加減速功能，其流程如圖6所示。

圖6 線控驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)流程

當(dāng)減速度較大時(shí)，啟動(dòng)AEB功能，其狀態(tài)切換如圖7所示。

圖7 AEB狀態(tài)切換

1.3.4 線控?fù)Q擋功能

線控?fù)Q擋通過(guò)模擬報(bào)文實(shí)現(xiàn)，換擋流程如圖8所示。 其中進(jìn)出P擋條件比較嚴(yán)苛，需要其他信號(hào)同步變化。為保證安全，起步階段不解鎖自動(dòng)切出P擋功能。

圖8 線控?fù)Q擋流程

1.3.5 自動(dòng)駕駛模式切換功能

當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)存在3種模式：Manual(手動(dòng)駕駛)、AI(自動(dòng)駕駛)和Safe(安全過(guò)渡)，模式狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件如圖9所示。 Safe模式下自動(dòng)打開(kāi)警告燈，提示安全員接管，接管前仍然響應(yīng)AI指令。

圖9 模式狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件

1.3.6 警告燈控制

警告燈控制功能：當(dāng)接收到AI警告請(qǐng)求時(shí)，打開(kāi)警告燈；AI模式下檢測(cè)到車輛故障，切換至Safe模式，警告燈自動(dòng)開(kāi)啟。功能比較單一，但是實(shí)現(xiàn)方法與其他模塊不同，采用兩路LIN(Master/Slave)通道傳遞報(bào)文。

1.3.7 休眠喚醒功能

休眠機(jī)制：KL15下電，控制器所有模擬報(bào)文停止發(fā)送，網(wǎng)關(guān)進(jìn)入報(bào)文路由與總線監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)各路總線進(jìn)入靜默狀態(tài)，控制器延遲500 ms后休眠。

喚醒機(jī)制：CAN總線接收到任何報(bào)文后控制器喚醒。

1.4 線控系統(tǒng)測(cè)試

按照線控控制器功能要求，使用CANoe CAPL來(lái)編寫(xiě)測(cè)試用例，可對(duì)各項(xiàng)線控功能進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，測(cè)試界面如圖10所示。

圖10 線控功能測(cè)試界面

功能區(qū)1：模式切換測(cè)試。點(diǎn)擊Manual切換至手動(dòng)模式(default)，點(diǎn)擊AI發(fā)出自動(dòng)模式請(qǐng)求。

功能區(qū)2：線控?fù)Q擋測(cè)試。選擇目標(biāo)擋位(PRND)，勾選Gear Control Enable，發(fā)出換擋請(qǐng)求。PRND按鈕會(huì)根據(jù)反饋信息顯示真實(shí)擋位。換擋成功后需撤銷使能信號(hào)。

功能區(qū)3：線控轉(zhuǎn)向測(cè)試。輸入轉(zhuǎn)向角步長(zhǎng)，勾選Steer Ctrl Enable，點(diǎn)擊“l(fā)eft”或“right”按鈕，發(fā)出轉(zhuǎn)向請(qǐng)求。界面會(huì)根據(jù)反饋信息顯示真實(shí)轉(zhuǎn)向角，由此評(píng)判轉(zhuǎn)向角偏差。

功能區(qū)4：線控驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)測(cè)試。在“Drive”欄輸入加速度(正值)，勾選Drive Control，車輛進(jìn)入加速狀態(tài)，在“Brake”欄輸入減速度(負(fù)值)，勾選Brake Control，車輛進(jìn)入減速狀態(tài)。在“AEB”欄輸入減速度值，勾選AEB Ctrl Enable，車輛進(jìn)入緊急剎車狀態(tài)。

功能區(qū)5：車身控制測(cè)試。點(diǎn)擊不同按鈕可對(duì)燈光、喇叭、雨刮、警告燈均可獨(dú)立進(jìn)行測(cè)試。

1.5 整車集成驗(yàn)證

系統(tǒng)集成測(cè)試通過(guò)一套PAD 駕駛模擬器來(lái)完成，用戶操作PAD即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整車控制。整車集成驗(yàn)證如圖11所示，模擬器通過(guò)WiFi與車內(nèi)線控控制器互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程驗(yàn)證。

2 線控安全機(jī)制

線控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的核心工作必須圍繞安全機(jī)制展開(kāi)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到控制器開(kāi)發(fā)，從需求分析到整車驗(yàn)收。為了保證線控網(wǎng)關(guān)控制器能夠安全可靠地執(zhí)行功能、錯(cuò)誤處理、故障反饋等工作[7]，本文對(duì)GPSG進(jìn)行了FMEA分析、梳理安全機(jī)制、冗余、故障反饋等方面的考慮，最終在方案設(shè)計(jì)、軟硬件開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證方面進(jìn)行了落實(shí)。所采取的具體措施如下：

(1)針對(duì)系統(tǒng)方案，采用獨(dú)立的兩路CAN總線進(jìn)行硬件冗余，保證系統(tǒng)輸入和輸出信息更加安全可靠。

(2)針對(duì)硬件，面向量產(chǎn)要求設(shè)計(jì)，具備安全相關(guān)的時(shí)鐘監(jiān)控、電源模塊監(jiān)控、硬件看門(mén)狗等安全監(jiān)控機(jī)制。

(3)針對(duì)安全相關(guān)的信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)End2End的保護(hù)機(jī)制，采用了CRC-8算法、Counter計(jì)數(shù)以及報(bào)文超時(shí)處理機(jī)制，能夠達(dá)到ASIL-B及以上通信安全級(jí)別。

(4)針對(duì)軟件開(kāi)發(fā)模塊，基于Classic AUTOSAR框架開(kāi)發(fā)，基礎(chǔ)軟件滿足ASIL B等級(jí)，完成應(yīng)用軟件(SWC)進(jìn)行靜態(tài)代碼掃描(MISRA C規(guī)則檢測(cè))和單元測(cè)試，考慮功能錯(cuò)誤處理機(jī)制，如功能降級(jí)和警告提醒，從AI模式主動(dòng)切換到手動(dòng)模式以及故障報(bào)警，提示駕駛員接管。

(5)針對(duì)測(cè)試驗(yàn)證，進(jìn)行了大量的HIL測(cè)試和實(shí)車測(cè)試，包括CAN報(bào)文路由的壓力測(cè)試。

3 結(jié)束語(yǔ)

線控系統(tǒng)將圍繞與智能駕駛系統(tǒng)套件、座艙游戲等第三方技術(shù)方案的集成和調(diào)試，面對(duì)各類智能化應(yīng)用場(chǎng)景的要求和約束進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)與調(diào)試，希望在更多的實(shí)踐開(kāi)發(fā)中優(yōu)化和提升線控系統(tǒng)的功能和性能，為智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展添磚加瓦。