VCU信號的類型和VCU信號的應(yīng)用

如果把汽車比做人，那么VCU就是人的大腦。這里記載了汽車底盤的狀態(tài)（車速、油門踏板開度、制動踏板狀態(tài)、方向盤轉(zhuǎn)角等）、汽車車身的狀態(tài)（車門狀態(tài)、車窗狀態(tài)、前照燈狀態(tài)、轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)等）以及發(fā)動機的狀態(tài)（轉(zhuǎn)速，輸出扭矩、燃油消耗等）。作為汽車與生俱來的傳感器，好好使用這些信號不僅能極好的控制汽車，還能夠通過車載信號燈與外界進行交互。本文對汽車VCU的信號做了介紹。

前言

本文要介紹的是汽車生來就具備的傳感器信號，即從汽車控制單元（Vehicle Control Unit，簡稱VCU）中獲取的信號。

VCU的另外一個名字是“行車電腦”，它通過CAN總線與汽車的發(fā)動機、變速器、油門踏板、制動踏板、車身控制器等各種電子設(shè)備通信，讀取各個控制單元的工作狀態(tài)，并在需要時對它們進行控制。如下圖所示。

圖片出處：http://www.hirain.com/sts/136

如果把汽車比做人，那么VCU就是人的大腦。這里記載了汽車底盤的狀態(tài)（車速、油門踏板開度、制動踏板狀態(tài)、方向盤轉(zhuǎn)角等）、汽車車身的狀態(tài)（車門狀態(tài)、車窗狀態(tài)、前照燈狀態(tài)、轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)等）以及發(fā)動機的狀態(tài)（轉(zhuǎn)速，輸出扭矩、燃油消耗等）。

正文

汽車的VCU作為上層算法和底盤控制的接口，不僅承擔(dān)著控制汽車加減速、轉(zhuǎn)向的工作，還承擔(dān)著將底盤信息精確且及時傳遞到算法層的工作。接下來我會從VCU信號的類型和VCU信號的應(yīng)用兩方面進行講解。

VCU信號的種類

百度Apollo 2.5中提供的VCU信息（ChassisDetail）如下：

圖片出處：

https://github.com/ApolloAuto/apollo/blob/master/modules/canbus/proto/chassis_detail.proto

汽車類型 Type

從圖中可以直接看出當(dāng)前Apollo 2.5已經(jīng)能夠支持兩種國內(nèi)車型分別是奇瑞EQ和長安睿騁。

由于不同車型的動力系統(tǒng)、尺寸、功能配置都不盡相同，而且安裝各種傳感器的位置、角度也會存在差異，因此需要根據(jù)這個Type值向無人駕駛系統(tǒng)中導(dǎo)入不同的參數(shù)，這樣才能保證計算的準(zhǔn)確性。

基本信號 BasicInfo

基本信號包含的信息有當(dāng)前的車輛駕駛狀態(tài)、發(fā)動機狀態(tài)、安全氣囊狀態(tài)、里程數(shù)、ACC按鈕狀態(tài)、LKA按鈕狀態(tài)、GPS信息。

個人認為在BasicInfo中最重要的信息是車輛駕駛狀態(tài)和GPS信息。車輛駕駛狀態(tài)是“汽車是否處于無人駕駛狀態(tài)”的一個標(biāo)志，由于汽車經(jīng)常需要在有人駕駛和無人駕駛中進行切換，因此需要設(shè)置一個標(biāo)志位來反映這種狀態(tài)，這樣汽車的VCU才能更正確地對油門、剎車這類影響安全的機構(gòu)進行控制。GPS的信息與無人車的“定位”問題強相關(guān)，雖然自車的GPS信息有時候不太準(zhǔn)，但并不能因此動搖了它在無人駕駛系統(tǒng)中的地位。

安全相關(guān) Safety

與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)包含車門、引擎蓋，后備箱是否關(guān)閉，司機和乘客的安全帶是否系上、四個輪胎的胎壓是否正常、電池是否有電、車輛的駕駛模式。

值得一提的是車輛的駕駛模式。之前的BasicInfo中已經(jīng)有了車輛駕駛狀態(tài)，分為自動駕駛和人為駕駛。這里的駕駛模式還有一個中間狀態(tài)，即半自動駕駛模式，即無人駕駛系統(tǒng)只控制方向盤或只控制油門和剎車踏板。比如自適應(yīng)巡航（ACC）功能，就是一種半自動駕駛模式。半自動駕駛模式能夠?qū)⑵嚨臋M向控制（轉(zhuǎn)彎、換道）和縱向控制（加速、減速）解耦，即單獨地進行一個維度的調(diào)試，這樣可以提升工程師的調(diào)試效率。

變速箱狀態(tài) Gear

變速箱狀態(tài)直接影響車輛的行駛。例如車輛停車時，需要給變速箱置位P檔的消息；當(dāng)汽車泊車時，需要在D擋、R擋之間來回切換。

發(fā)動機管理系統(tǒng) EMS

EMS用于查看當(dāng)前發(fā)動機的狀態(tài)，比如發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng) EPS

用于查看和控制車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)的狀態(tài)。

油門踏板開度 GAS

通過控制油門踏板的開度，可以實現(xiàn)加減速。同時可以反饋無人駕駛狀態(tài)下，測試員是否接管了油門踏板。

電子手剎 EPB

用于查看電子手剎的狀態(tài)。一般會在控制車輛運動時，查看電子手剎是否釋放。

制動踏板開度 Brake

用于查看和控制制動踏板的開度。反饋無人駕駛狀態(tài)下，測試員是否接管了剎車踏板。

制動壓力 Deceleration

用于查看當(dāng)前制動器制動壓力的大小。

汽車速度 VehicleSpd

汽車速度信號除了包含速度數(shù)值外，還包含當(dāng)前汽車的行駛方向、四個輪胎的速度、偏航角的變化率（YawRate）等。

電動助力轉(zhuǎn)向 EPS

電動助力轉(zhuǎn)向信號包含了當(dāng)前方向盤的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角的變化率和駕駛員施加的扭矩。當(dāng)處于無人駕駛狀態(tài)時，控制器需要給EPS系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度。

信號燈 Light

描述車身上某些電器設(shè)備的信號，比如前大燈、左右轉(zhuǎn)向燈、雨刮器的檔位開關(guān)、喇叭開關(guān)。特斯拉就是通過讀取撥桿（左右轉(zhuǎn)向燈）狀態(tài)獲取駕駛員換道意圖的。

電池狀態(tài) Battery

用于查看電池電量的百分比，燃油量信息。

周邊環(huán)境狀態(tài) Surround

某些具備ADAS功能（如盲點輔助預(yù)警，偏離車道預(yù)警）的車型，會有將部分預(yù)警信息存于該信號中。安裝在汽車車身上的超聲波雷達的消息也存在該信號中。

以上列出了大部分汽車VCU所具有的信號。VCU的信號因車而異，越豪華的汽車，由于其具備的傳感器越豐富，所能提供的VCU信號也將越豐富。

VCU信號的應(yīng)用

無人駕駛中常用的VCU信號有如下幾個：汽車車速、汽車方向盤轉(zhuǎn)角、汽車航向角變化率、油門踏板開度、制動踏板開度等。

不同的場景，會對數(shù)據(jù)有不同的應(yīng)用方式。這里主要介紹兩大類應(yīng)用方式：障礙物運動狀態(tài)計算和航位推算。

障礙物運動狀態(tài)計算

車載傳感器（激光雷達、毫米波雷達、攝像機）檢測的障礙物速度都是相對速度，因此需要結(jié)合自車車速才能確定障礙物的絕對速度，進而根據(jù)絕對速度確定障礙物的運動狀態(tài)（靜止、靠近、遠離）。

以毫米波雷達的數(shù)據(jù)為例，在自車坐標(biāo)系下自車的車速用藍色的箭頭和字母表示，障礙物位置和障礙物速度和速度在x方向與y方向的分量用綠色表示。

將自車車速v和障礙物速度在x方向上的分量進行疊加，即可得到障礙物在x方向上速度量的絕對值。如下圖中黑色的Va所示。

接下來可以通過判斷Va的大小和方向，進而得到當(dāng)前的障礙物在實際的交通場景中的運動趨勢。

航位推算

航位推算（Dead reckoning，簡稱DR）是指在丟失定位的情況下，使用自車傳感器的信息，推測當(dāng)前時刻，自車所在位置與上一時刻所在位置的相對關(guān)系。

在介紹航位推算時，先需要了解汽車的運動學(xué)模型。汽車的運動學(xué)模型一般是四輪模型，不過為了計算的方面，很多情況下，工程師會將四輪模型簡化成兩輪模型，即自行車模型。

借用CSDN博主AdamShan所繪制的自行車模型，如下圖所示。

圖片出處：https://blog.csdn.net/AdamShan/article/details/79083755

由圖可見汽車的車輪轉(zhuǎn)角為δf，但這并不意味著汽車的運動角度為δf。

分別做垂直于后輪和前輪的射線，這兩根射線會交于O點，兩輪模型會繞O點進行運動，在短時間dt內(nèi)，可以認為O點不動。連接O點和汽車的質(zhì)心成一條線段，實際汽車的運動方向v將垂直于該線段。運動方向ψ與車身方向所成的夾角β，這個角度一般稱為偏航角。

基于先前的假設(shè)可以推到出β和δf的近似關(guān)系如下：

假設(shè)t時刻的汽車的狀態(tài)為xt，yt，經(jīng)過dt時間后的t+1時刻，狀態(tài)為xt+1，yt+1，則他們之間的關(guān)系為：

根據(jù)以上理論即可在丟失定位信息后的短時間內(nèi)，依靠自身的傳感器信息，進行位置和位姿估計。

當(dāng)然VCU信號不止以上兩種應(yīng)用，更多的應(yīng)用會在后續(xù)傳感器信號處理時介紹。

結(jié)語

以上內(nèi)容對汽車VCU的信號做了簡單介紹。作為汽車與生俱來的傳感器，好好使用這些信號不僅能極好的控制汽車，還能夠通過車載信號燈與外界進行交互。