CN114715171A - L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构及车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构及车辆，包括：控制系统，包括自动控制计算平台一和自动控制计算平台二；感知系统，包括主传感器配置组和备份传感器配置组；执行系统，包括多个执行单元组，执行单元组包括一个主执行单元和备用执行单元，各主执行单元分别与自动控制计算平台一和自动控制计算平台二连接；各备用执行单元分别与自动控制计算平台一和自动控制计算平台二连接；电源系统，包括电源一和电源二，电源一分别与主传感器配置组、自动控制计算平台一和各主执行单元连接；电源二分别与备用传感器配置组、自动控制计算平台二和各备用执行单元连接。本发明真正实现了L4级及以上自动驾驶功能安全要求的全冗余策略。
Description
技术领域
本发明属于汽车的电子电器架构技术领域，具体涉及一种L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构及车辆。
背景技术
智能化是汽车行业发展的重要趋势之一，自动驾驶功能作为智能化的关键技术在行业内备受追捧，无论是各大传统主机厂、供应商还是造车新势力，甚至广大科研院所、技术服务机构都积极参与自动驾驶的技术竞争，推动着自动驾驶功能的快速落地。众所周知，要实现自动驾驶的商用，安全性是必须解决的最关键问题之一。
针对汽车安全行业已建立了众多标准，其中，道路车辆功能安全标准GB/T 34590为解决如何避免因车载电子电器系统故障而导致的安全性问题提供了指导。目前整个行业对功能安全的研究如火如荼，尤其针对自动驾驶系统的功能安全实施也成为必争高低，能够做出符合功能安全的自动驾驶产品俨然已成为未来市场竞争的巨大技术优势。
受限于L3级自动驾驶在事故责任方面的悖论，世界范围内汽车行业自动驾驶的研究和商用推广正在由L3向L4过渡，从功能安全的角度，目前并未有实现自动驾驶功能从感知、控制、执行、通信、电源的全冗余量产方案，主要原因之一是受限于传统电子电器架构升级比较困难。
为了支撑未来的自动驾驶功能不断完善和升级，行业内对新型电子电器架构的研究正在不断打破传统。针对此有如下成果：
如专利文献CN112477779A公开的一种实现汽车中电子控制功能的系统、方法以及汽车，专利文献CN112477781A公开的一种实现汽车中电子控制功能的系统、方法以及汽车，以及专利文献CN112477782A公开的一种实现汽车中电子控制功能的系统、方法以及汽车，设计出域控制器和执行器的中间层级控制单元VIU，可集成整车电子电器的部分功能到某一个VIU，本质上作为域控制器的角色取代其他传统的域控制器，但并未阐述支持真正L4和L5级自动驾驶系统且符合功能安全的架构方案，且整车架构非常复杂。
又如专利文献CN105857102B 公开的一种集中式架构控制器及供电冗余的电动智能汽车电气系统，为车型行驶中的转向、制动、中央控制单元等关键部件设计了硬件和供电的冗余，提高了自动驾驶的安全性，但也未阐述自动驾驶的冗余控制在电子电器架构上如何实现。
因此，有必要开发一种新的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构及车辆。
发明内容
本发明提供一种L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构及车辆，能真正实现L4级及以上的自动驾驶功能安全要求的全冗余策略。
第一方面，本发明所述的一种L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，包括：
控制系统，其包括自动控制计算平台一和自动控制计算平台二；
感知系统，其包括主传感器配置组和备份传感器配置组，所述主传感器配置组包括分别与自动控制计算平台一相连接的一个或一个以上的传感器，所述备份传感器配置组包括分别与自动控制计算平台二相连接的一个或一个以上的备份传感器；
执行系统，其包括多个执行单元组，每个执行单元组包括一个主执行单元和备用执行单元，各主执行单元分别与自动控制计算平台一和自动控制计算平台二连接；各备用执行单元分别与自动控制计算平台一和自动控制计算平台二连接；
电源系统，其包括电源一和电源二，所述电源一分别与主传感器配置组、自动控制计算平台一和各主执行单元连接；所述电源二分别与备用传感器配置组、自动控制计算平台二和各备用执行单元连接。
可选地，所述主传感器配置组和备份传感器配置组均包括至少一个置于车辆前方的雷达传感器、至少一个置于车辆前方的视觉传感器、至少四个置于车辆角部的雷达传感器、至少四个置于车辆侧向的视觉传感器、至少一个置于车辆后方的雷达传感器和至少一个置于车辆后方的视觉传感器。
可选地，所述主传感器配置组中的各传感器和自动控制计算平台一之间均采用单路径连接，所述备份传感器配置组中的各备份传感器和自动控制计算平台二之间均采用单路径连接。
可选地，所述执行系统的各执行单元组和自动控制计算平台一之间均通过通信通道一和通信通道二实现双路连接，各执行单元组和自动控制计算平台二之间均通过通信通道一和通信通道二实现双路连接。
可选地，所述执行单元组中的主执行单元和备用执行单元相连接。
可选地，所述感知系统与控制系统之间，以及控制系统与执行系统之间的通信方式采用但不限于CAN、CANFD、LIN、硬线、Flexray、LVDS、Ethernet中的至少一种。
可选地，所述电源一和电源二采用但不限于动力电池高低压转换供电、发电机供电、蓄电池供电中的至少一种。
可选地，所有的传感器均需要发出自身是否正常的状态标志位；
所述自动控制计算平台一和自动控制计算平台二需要发出自身是否正常的状态标志位；
所述自动控制计算平台一需要诊断主传感器配置组的传感器及与自身通信是否正常并发出相应的状态标志位；
所述自动控制计算平台二需要诊断备份传感器配置组的传感器及与自身通信是否正常并发出相应的状态标志位；
所有主执行单元和备用执行单元均需要发出自身是否正常的状态标志位。
可选地，所述自动控制计算平台一和自动控制计算平台二之间通过通信通道一和通信通道二分别设置心跳机制，检测对方的健康状态并将其发送到通信通道一和通信通道二。
第二方面，本发明所述的一种车辆，采用如本发明所述的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构。
本发明具有以下优点：
（1）能够真正实现L4级及以上的自动驾驶功能安全要求的全冗余策略。
（2）架构清晰，降低了复杂度。
附图说明
图1为本发明的原理框图图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，包括：
（一）控制系统，包括完全独立且能力相当的自动控制计算平台一和自动控制计算平台二；完全独立是指不具备任何共因失效或级联失效影响因素导致二者同时发生失效，能力相当是指具备同级别的融合、认知、规划、控制能力。
（二）感知系统，包括两部分：一部分是主传感器配置组，其包括与自动控制计算平台一相连接的一个或一个以上的传感器（如图1中的传感器一至传感器N），另一部分为备份传感器配置组，该备份传感器配置组包括与自动控制计算平台二相连接的一个或一个以上的备份传感器（如图1中的备份传感器一至备份传感器N），主传感器配置组和备份传感器配置组均至少但不限于包括如下数量的传感器：至少一个置于车辆前方的雷达传感器、至少一个置于车辆前方的视觉传感器、至少四个置于车辆角部的雷达传感器、至少四个置于车辆侧向的视觉传感器、至少一个置于车辆后方的雷达传感器和至少一个置于车辆后方的视觉传感器。
（三）执行系统，其包括多个执行单元组，每个执行单元组包括一个主执行单元和备用执行单元，各主执行单元分别与自动控制计算平台一和自动控制计算平台二连接；各备用执行单元分别与自动控制计算平台一和自动控制计算平台二连接；执行单元组的数据和种类至少需要满足L4级及以上自动驾驶功能要求的系统进入安全状态需要的最低能力，本实施例中，如图1所示，至少包括但不限于以下子系统：座舱执行单元组（包括座舱执行单元一和座舱执行单元二）、车身执行单元组（包括车身执行单元一和车身执行单元二）、底盘执行单元组（包括底盘执行单元一和底盘执行单元二）、动力执行单元组（包括动力执行单元一和动力执行单元二）。其中，座舱执行单元一、车身执行单元一、底盘执行单元一、动力执行单元一为对应执行单元组中的主执行单元；座舱执行单元二、车身执行单元二、底盘执行单元二、动力执行单元二为对应执行单元组中的备用执行单元。
（四）感知系统-自动控制计算平台-执行系统各执行单元之间的通信方式采用但不限于如下几种形式：CAN、CANFD、LIN、硬线、Flexray、LVDS、Ethernet，任何适用于车载网络的通信方式均在本发明的权利主张范围内。主传感器配置组和自动控制计算平台一之间采用单路径连接，备份传感器配置组和自动控制计算平台二之间采用单路径连接；自动控制计算平台一和各执行单元通过通信通道一和通信通道二实现双路连接，自动控制计算平台二和各执行单元通过通信通道一和通信通道二实现双路连接；依据功能需求来确定，任意两套构成冗余的执行单元之间可以单路连接或者不连接。任何依据本架构采用的物理连接方式，无论在车辆上的位置是否完全一致，线束的材料、粗细、长短等差异，等方面的变体应用均在本发明的权利主张范围内。
（五）电源系统，其包括电源一和电源二，所述电源一分别与主传感器配置组、自动控制计算平台一和各主执行单元连接；所述电源二分别与备用传感器配置组、自动控制计算平台二和各备用执行单元连接。所述电源一和电源二采用但不限于动力电池高低压转换供电、发电机供电、蓄电池供电中的至少一种。
为便于展示本发明的实施方式，需要先明确达成L4级及以上自动驾驶基于本架构的正常功能实现的控制路径和策略如下：
（一）主传感器配置组将采集到的感知数据发送给自动控制计算平台一，备份传感器配置组将采集到的感知数据发送给自动控制计算平台二。
（二）自动控制计算平台一和自动控制计算平台二分别独立进行融合、认知、规划、控制运算，输出横向控制、纵向控制、状态控制、车身控制、HMI控制等指令。
（三）所有的传感器均需要发出自身是否正常的状态标志位。
（四）自动控制计算平台一和自动控制计算平台二需要发出自身是否正常的状态标志位。
（五）自动控制计算平台一需要诊断主传感器配置组的传感器及与自身通信是否正常并发出相应的状态标志位，自动控制计算平台二需要诊断备份传感器配置组的传感器及与自身通信是否正常并发出相应的状态标志位。
（六）任意一组执行单元的两个执行单元均需要发出自身是否正常的状态标志位；
（七）自动控制计算平台一通过通信通道一和通信通道二将横向控制、纵向控制、状态控制、车身控制、HMI控制等指令分别发出；
（八）自动控制计算平台二通过通信通道一和通信通道二将横向控制、纵向控制、状态控制、车身控制、HMI控制等指令分别发出。
（九）任意一组执行机构的状态标志位通过通信通道一或通信通道二，以及两个执行机构间的私有通信发出，根据功能设计，也可不需要。
（十）当一组执行单元中的主执行单元和备用执行单元同时收到自动控制平台一和自动控制平台二的控制指令时，按照如下约定执行：（1）主执行单元和备用执行单元均正常的时候由主执行单元来优先执行控制指令；（2）主执行单元和备用执行单元优先执行自动控制平台一的控制指令。
（十一）上述控制指令是指能够保证L4级及以上自动驾驶功能进入所需安全状态的相关指令，包括但不限于横向控制、纵向控制、状态控制、车身控制、HMI控制指令。
（十二）自动控制计算平台一和自动控制计算平台二之间通过通信通道一和通信通道二分别设置心跳机制，检测对方的健康状态并将其发送到通信通道一和通信通道二。
特别从感知、控制、执行、通信、电源五个维度阐述在故障状态下本发明如何支持进入所定义的安全状态下的实施方式，具体如下：
如果所述感知、控制、执行、通信、电源五个维度的相关要素均具备达到L4级及以上自动驾驶功能所要求的能力，能力不足导致的故障不在本发明讨论范畴，举例说明如下：某一传感器要求有效探测目标的距离不小于100米，本发明所述架构的讨论范围包括此传感器本身具备大于100米检测能力但发生故障以后的情况，不包括次传感器本身只具备小于100米（例如只有80米）导致的自动驾驶控制问题；通信支持所要求传输的信号的负载量，因负载率过高导致的通信失效在正常设计可避免的问题，本发明也不过多赘述；电源的供电能力能够保证各用电器正常工作，因为电源供电不足导致多数用电器不能正常工作的情况，在正常设计过程中也可避免，因此本发明也不过多赘述。
从感知维度：（1）如果主传感器配置组中任何一个传感器故障，自动控制计算平台一将相应的传感器状态标志位置为故障，并将自身状态标志位置为故障；自动控制计算平台二无论收到自动控制计算平台一的状态是正常还是故障，均不受影响地进行运算并输出控制指令；（2）如果备份传感器配置组中任何一个传感器故障，自动控制计算平台二将相应的传感器状态标志位置为故障，并将自身状态标志位置为故障；自动控制计算平台一无论收到自动控制计算平台二的状态是正常还是故障，均不受影响地进行运算并输出控制指令；（3）执行单元在接收到主控制计算平台一的状态标志位置为故障后，切换执行自动控制计算平台二输出的控制指令，执行单元在接收到主控制计算平台二的状态标志位置为故障后，不做处理，继续按照主控制计算平台一指令进行响应。
从控制维度：（1）自动控制计算平台一诊断到自身故障后，将自身的状态标志位置为故障；自动控制计算平台二诊断到自身故障后，将自身的状态标志位置为故障；（2）自动控制计算平台一监测到自动控制计算平台二心跳丢失，将自动控制计算平台二的健康状态置为故障，自动控制计算平台二监测到自动控制计算平台一心跳丢失，将自动控制计算平台一的健康状态置为故障；（3）执行单元在接收到主控制计算平台一的状态标志位置为故障或接收到主控制计算平台一的健康状态置为故障后，切换执行自动控制计算平台二输出的控制指令，执行单元在接收到主控制计算平台二的状态标志位置为故障或接收到主控制计算平台二的健康状态置为故障后，不做处理，继续按照主控制计算平台一指令进行响应。
从执行维度：一组执行单元默认为执行单元一执行对应的请求，若执行单元一出现故障时，切换为执行单元二执行对应的请求，具体为：
（1）当一组执行单元中的执行单元一出现故障时，将自身状态标志位置为故障，自动控制计算平台一和自动控制计算平台二接收到执行单元一的故障状态标志位为故障后，分别输出相应的控制指令到通信通道一和通信通道二，由相应的执行单元执行；（2）如涉及本组中执行单元需要执行的指令，需要由执行单元二完成执行，执行单元二需要接收执行单元一的状态标志位为故障且收到自动控制计算平台一和自动控制计算平台二的控制指令。举例如下：如果动力执行单元一的状态标志位置为故障，自动控制计算平台将根据行车控制继续请求扭矩控制，也会根据需要请求制动控制及相应的车内车外HMI报警，则需要由动力执行单元二继续响应自动控制计算平台的扭矩控制请求，由底盘执行单元一继续执行制动控制请求，由座舱执行单元一或车身执行单元一执行相应的HMI报警请求。
从通信维度：（1）如果主传感器配置组中任何一个传感器与自动控制计算平台一的通信出现故障，自动控制计算平台一将相应传感器的通信状态标志位置为故障，并将自身状态标志位置为故障；自动控制计算平台二无论收到自动控制计算平台一的状态是正常还是故障，均不受影响地进行运算并输出控制指令；执行单元在接收到主控制计算平台一的状态标志位置为故障后，切换执行自动控制计算平台二输出的控制指令；（2）如果备份传感器配置组中任何一个传感器与自动控制计算平台一的通信出现故障，自动控制计算平台二将相应的传感器状态标志位置为故障，并将自身状态标志位置为故障；自动控制计算平台一无论收到自动控制计算平台一的状态是正常还是故障，均不受影响地进行运算并输出控制指令；（3）执行单元在接收到主控制计算平台一的状态标志位置为故障后，切换执行自动控制计算平台二输出的控制指令，执行单元在接收到主控制计算平台二的状态标志位置为故障后，不做处理，继续按照主控制计算平台一指令进行响应。
从电源维度：任意一套“感知系统-自动控制计算平台-执行单元”供电出现异常，均能保证另外一套独立的“感知系统-自动控制计算平台-执行单元”控制路径不受影响，相关的控制器按照上述要求执行相关控制策略即可。
Claims (10)
1.一种L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，其特征在于，包括：
控制系统，其包括自动控制计算平台一和自动控制计算平台二；
感知系统，其包括主传感器配置组和备份传感器配置组，所述主传感器配置组包括分别与自动控制计算平台一相连接的一个或一个以上的传感器，所述备份传感器配置组包括分别与自动控制计算平台二相连接的一个或一个以上的备份传感器；
执行系统，其包括多个执行单元组，每个执行单元组包括一个主执行单元和备用执行单元，各主执行单元分别与自动控制计算平台一和自动控制计算平台二连接；各备用执行单元分别与自动控制计算平台一和自动控制计算平台二连接；
电源系统，其包括电源一和电源二，所述电源一分别与主传感器配置组、自动控制计算平台一和各主执行单元连接；所述电源二分别与备用传感器配置组、自动控制计算平台二和各备用执行单元连接。
2.根据权利要求1所述的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，其特征在于：所述主传感器配置组和备份传感器配置组均包括至少一个置于车辆前方的雷达传感器、至少一个置于车辆前方的视觉传感器、至少四个置于车辆角部的雷达传感器、至少四个置于车辆侧向的视觉传感器、至少一个置于车辆后方的雷达传感器和至少一个置于车辆后方的视觉传感器。
3.根据权利要求1或2所述的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，其特征在于：所述主传感器配置组中的各传感器和自动控制计算平台一之间均采用单路径连接，所述备份传感器配置组中的各备份传感器和自动控制计算平台二之间均采用单路径连接。
4.根据权利要求3所述的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，其特征在于：所述执行系统的各执行单元组和自动控制计算平台一之间均通过通信通道一和通信通道二实现双路连接，各执行单元组和自动控制计算平台二之间均通过通信通道一和通信通道二实现双路连接。
5.根据权利要求1或2或4所述的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，其特征在于：所述执行单元组中的主执行单元和备用执行单元相连接。
6.根据权利要求5所述的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，其特征在于：所述感知系统与控制系统之间，以及控制系统与执行系统之间的通信方式采用但不限于CAN、CANFD、LIN、硬线、Flexray、LVDS、Ethernet中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，其特征在于：所述电源一和电源二采用但不限于动力电池高低压转换供电、发电机供电、蓄电池供电中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，其特征在于：所有的传感器均需要发出自身是否正常的状态标志位；
所述自动控制计算平台一和自动控制计算平台二需要发出自身是否正常的状态标志位；
所述自动控制计算平台一需要诊断主传感器配置组的传感器及与自身通信是否正常并发出相应的状态标志位；
所述自动控制计算平台二需要诊断备份传感器配置组的传感器及与自身通信是否正常并发出相应的状态标志位；
所有主执行单元和备用执行单元均需要发出自身是否正常的状态标志位。
9.根据权利要求8所述的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构，其特征在于：所述自动控制计算平台一和自动控制计算平台二之间通过通信通道一和通信通道二分别设置心跳机制，检测对方的健康状态并将其发送到通信通道一和通信通道二。
10.一种车辆，其特征在于：采用如权利要求1至9任一所述的L4级及以上自动驾驶的自适应整车电子电器架构。
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