多方面介紹無人駕駛中的VCU信號(hào)

VCU即汽車的控制單元（Vehicle Control Unit），通過CAN總線與汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、油門踏板、制動(dòng)踏板、車身控制器等各種電子設(shè)備通信，監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)(車速、溫度等)信息，采集各個(gè)控制單元的工作狀態(tài)，向動(dòng)力系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、車載附件電力系統(tǒng)發(fā)送車輛的運(yùn)行狀態(tài)控制指令。

01什么是VCU

VCU即汽車的控制單元（Vehicle Control Unit），通過CAN總線與汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、油門踏板、制動(dòng)踏板、車身控制器等各種電子設(shè)備通信，監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)(車速、溫度等)信息，采集各個(gè)控制單元的工作狀態(tài)，向動(dòng)力系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、車載附件電力系統(tǒng)發(fā)送車輛的運(yùn)行狀態(tài)控制指令。VCU是實(shí)現(xiàn)整車控制決策。

02組成

結(jié)構(gòu)組成：由金屬殼體和一組PCB線路板組成

硬件組成：功能上由主控芯片及其周邊的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、預(yù)留接口電路和電源模塊組成最小系統(tǒng)。

在最小系統(tǒng)以外，一般還配備數(shù)字信號(hào)處理電路，模擬信號(hào)處理電路，頻率信號(hào)處理電路，通訊接口電路（包括CAN通訊接口和RS232通訊接口）。

03作用

整車控制器（VCU）

整車控制結(jié)構(gòu)圖

它主要負(fù)責(zé)：

1）接收、處理駕駛員的駕駛操作指令，并向各個(gè)部件控制器發(fā)送控制指令，使車輛按駕駛員期望行駛；

2）與電機(jī)、DC/DC、鎳氫蓄電池組等進(jìn)行可靠通信，以及針對(duì)關(guān)鍵信息的模擬量進(jìn)行狀態(tài)的采集輸入及控制指令量的輸出；

3）整車控制器提供對(duì)相應(yīng)部件進(jìn)行直接控制的信號(hào)通道，包括D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)字量輸出等；

4）接收處理各個(gè)零部件信息，結(jié)合能源管理單元提供當(dāng)前的能源狀況信息；

5）系統(tǒng)故障的判斷和存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)信息，記錄出現(xiàn)的故障；

6）對(duì)整車具有保護(hù)功能，視故障的類別對(duì)整車進(jìn)行分級(jí)保護(hù)，緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機(jī)及切斷母線高壓系統(tǒng)。整車控制器的開發(fā)包括軟、硬件設(shè)計(jì)。核心軟件一般由整車廠研發(fā)，硬件和底層驅(qū)動(dòng)軟件可選擇由汽車零部件廠商提供。

04開發(fā)流程

開發(fā)過程中首先明確整車設(shè)計(jì)需求及整車控制原理圖，電氣原理確定后，就確定了整車的控制方案，這時(shí)就可以確定整車控制器的接口功能，整車控制接口定義確定后，內(nèi)部功能也就確定，整車硬件部分完成。

接著進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)，VCU的開發(fā)流程有很多種，但是從軟件開發(fā)的角度看，主要包括：

1、底層軟件的編寫，主要是配置時(shí)鐘、SPI、CAN、PIT、ECT、IO、interrupt等的寄存器。軟件開發(fā)前要有指導(dǎo)軟件開發(fā)的資料，主要有：軟硬件接口表、整車高低壓電氣原理圖、CAN通訊協(xié)議以及詳細(xì)功能策略文檔；

底層軟件平臺(tái)化發(fā)展。底層軟件進(jìn)行平臺(tái)化之后，針對(duì)不同的項(xiàng)目，往往我們只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置就可以適用了。我們這里的做法是：將項(xiàng)目個(gè)性化的內(nèi)容以一定的格式寫在EXCEL表格中，然后通過開發(fā)腳本來讀取這些EXCEL表，腳本會(huì)以寫文本的方式將代碼寫出來，開發(fā)這些腳本的工具很多：如MATLAB，C#/VB等；

2、軟件開發(fā)。有了上述的文檔，就可以開始軟件開發(fā)工作了。軟件開發(fā)工作分 底層 和 應(yīng)用層。底層軟件工程師的工作主要是寫一寫硬件驅(qū)動(dòng)（如 DIO /ADC/PWM/CAN/LIN等）、協(xié)議棧（如CCP、UDS等）。應(yīng)用層軟件工程師的工作主要是將具體的功能策略在MATLAB軟件上模型化，然后自動(dòng)生成代碼；

3、軟件集成及測(cè)試。應(yīng)用程序包括：數(shù)據(jù)采集、故障診斷、工況判斷、輔機(jī)管理、通訊控制。底層軟件和應(yīng)用層軟件都做好之后，就需要對(duì)軟件進(jìn)行集成了，底層軟件平臺(tái)和應(yīng)用層軟件之間交互的接口主要是一些全局變量或者API。經(jīng)過集成之后就需要對(duì)代碼進(jìn)行測(cè)試（主要是進(jìn)行HIL測(cè)試）；

4、Bootloader開發(fā)。這里不得不說下Bootloader的重要性，在汽車行業(yè)，往往需要代碼進(jìn)行不斷修正與更新，且VCU在做好之后也不可能通過串口進(jìn)行程序燒錄了（不可能開蓋燒錄），所以需要利用CAN總線進(jìn)行代碼的燒錄。

5、調(diào)試軟件：通過CAN總線進(jìn)行程序下載更新的BootLoader軟件。通過Busmaster監(jiān)控

05應(yīng)用

無人駕駛中常用的VCU信號(hào)有如下幾個(gè)：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(dòng)踏板開度等。

不同的場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)有不同的應(yīng)用。

那么怎么利用VCU信號(hào)做最常見的航位推算？

傳統(tǒng)的PID是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種反饋控制方法。如果把PID運(yùn)用到車輛控制中，控制的指令使用當(dāng)前車輛所處的狀態(tài)決定的，當(dāng)執(zhí)行的時(shí)候已經(jīng)存在一定的延遲，PID算法無法滿足無人車控制中的要求。

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）是一種致力于將更長(zhǎng)時(shí)間跨度、甚至于無窮時(shí)間的最優(yōu)化控制問題，分解為若干個(gè)更短時(shí)間跨度，或者有限時(shí)間跨度的最優(yōu)化控制問題，并且在一定程度上仍然追求最優(yōu)解。

預(yù)測(cè)模型：預(yù)測(cè)模型能夠在短時(shí)間內(nèi)很好地預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的變化

在線滾動(dòng)優(yōu)化：通過某種最優(yōu)化算法來優(yōu)化未來一段短時(shí)間的控制輸入，使得在這種控制輸入下預(yù)測(cè)模型的輸出與參考值的差距最小

反饋校正：到下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)根據(jù)新的狀態(tài)重新進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化

VCU信號(hào)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)車輛模型引入一種新的控制理論——模型預(yù)測(cè)性控制 (Model Predictive Control)，被廣泛的應(yīng)用在無人駕駛領(lǐng)域中的航位推算

為了計(jì)算的方面，很多情況下，工程師會(huì)將車輛四輪模型簡(jiǎn)化成兩輪模型，即自行車模型。

汽車的車輪轉(zhuǎn)角為δf

分別做垂直于后輪和前輪的射線，這兩根射線會(huì)交于O點(diǎn)，兩輪模型會(huì)繞O點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在短時(shí)間dt內(nèi)，可以認(rèn)為O點(diǎn)不動(dòng)。連接O點(diǎn)和汽車的質(zhì)心成一條線段，實(shí)際汽車的運(yùn)動(dòng)方向v將垂直于該線段。運(yùn)動(dòng)方向ψ與車身方向所成的夾角β，這個(gè)角度一般稱為偏航角。

β可以由如下公式計(jì)算求得

假設(shè)t時(shí)刻的汽車的狀態(tài)為xt，yt，經(jīng)過dt時(shí)間后的t+1時(shí)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(shí)間內(nèi)，依靠自身的傳感器信息，進(jìn)行位置和位姿估計(jì)。