FSAC賽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 "要：針對傳統(tǒng)分布式賽車電子電氣架構(gòu)存在線束雜亂和整車復(fù)用性低等問題，提出了FSAC賽車中央網(wǎng)關(guān)+域控制器電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)FSAC賽事規(guī)則進(jìn)行中央網(wǎng)關(guān)和域控制器的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，對此架構(gòu)進(jìn)行離線丟包測試和時(shí)延測試，并將中央網(wǎng)關(guān)和域控制器布置于賽車上進(jìn)行基礎(chǔ)功能測試和功能性驗(yàn)證。結(jié)果表明：中央網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)間隔25 ms以上時(shí)未出現(xiàn)丟包，在通信過程中平均延時(shí)小于3 ms，滿足可靠性、實(shí)時(shí)性要求；賽通信良好未出現(xiàn)數(shù)據(jù)的誤傳、漏傳、阻塞、系統(tǒng)卡死等現(xiàn)象，中央網(wǎng)關(guān)+域控制器在相同動(dòng)態(tài)任務(wù)下對資源占用率明顯低于傳統(tǒng)分布式架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：FSAC；以太網(wǎng)；域控制器；中央網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：U469.6+96 " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1008-5483（2024）01-0030-05

Electronic and Electrical Architecture Design of

FSAC Racing Car

Wang Siteng1， Dong Xiujuan1， Lan Jianping1， Zhou Haiying2， Xiao Li1

（1. School of Automotive Engineers， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China;

2. Dongfeng Electronic Technology Co. Ltd， Shanghai 200063， China）

Abstract： The electronic and electrical architectures of traditional distributed racing cars face issues of disordered wire harnesses and low vehicle reusability. Therefore， an electronic and electrical architecture design scheme of the central gateway+domain controller for the FSAC racing car was proposed. According to the FSAC race rules， the hardware and software design of the central gateway and domain controllers was carried out. Offline packet loss test and delay test were conducted on this architecture， and the central gateway and domain controller were arranged on the racing car for basic function test and functional verification. The experimental results show that the central gateway Ethernet does not experience packet loss when the data interval exceeds 25 ms， and the average delay during communication is less than 3 ms， meeting the reliability and real-time requirements. The racing car’s communication is satisfactory， with no instances of data misdelivery， leakage， blocking， system freezing， or other issues. Compared with the traditional distributed architecture， the central gateway+domain controller have significantly lower resource utilization rates under the same dynamic tasks.

Key words： FSAC; Ethernet; domain controller; central gateway

中國大學(xué)生無人駕駛方程式大賽（FSAC）［1］賽事規(guī)定：1年內(nèi)制造出1輛同時(shí)具備有人駕駛和無人駕駛功能并能完成所有比賽項(xiàng)目的賽車［2］，賽車的電氣系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)的線控改造及整車電子系統(tǒng)均由學(xué)生自主設(shè)計(jì)并完成。此賽事推動(dòng)了高校學(xué)生對整車電子電子架構(gòu)進(jìn)行實(shí)踐和應(yīng)用研究［3］。汽車電子電氣架構(gòu)定義為實(shí)現(xiàn)整車功能的汽車電子和電氣組件的結(jié)構(gòu)及其軟硬件系統(tǒng)［4］。正向系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)可以避免控制器之間的功能重復(fù)的問題［5］，并能降低線束成本，縮短開發(fā)周期。在無人駕駛賽車中使用中央網(wǎng)關(guān)+域控制器的新一代電子電氣架構(gòu)方案，滿足了當(dāng)前FSAC迫切需求的安全性、傳輸帶寬、強(qiáng)實(shí)時(shí)、可靠性、高精度、可擴(kuò)展性的要求。

1 總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)分布式架構(gòu)存在通訊帶寬低、升級不便等問題［6］，只通過增加ECU來增加車輛功能會(huì)導(dǎo)致整車通信主線交互壓力更大，因此域控制器架構(gòu)成為主流發(fā)展方向［7］。結(jié)合當(dāng)前汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢，在FSAC無人駕駛賽車平臺(tái)上設(shè)計(jì)一套中央網(wǎng)關(guān)為通信樞紐的域集中式電子電氣架構(gòu)［8］。

1.1 分布式架構(gòu)

賽車分布式架構(gòu)如圖1所示，以VCU為核心，通過以太網(wǎng)與工控機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí)，通過I/O口控制開關(guān)、燈光、喇叭等模塊；通過串口與遙控急停系統(tǒng)（RES）及屏幕進(jìn)行通信。此外，還通過一路CAN總線整合電機(jī)控制器（MCU）和電池管理單元（BMS）的信息；接收和發(fā)送另一路CAN總線無人模式轉(zhuǎn)向控制ECU和無人模式制動(dòng)控制ECU之間的總線信息。架構(gòu)中VCU的接口數(shù)量限制了整車功能的上限，無法通過軟件升級來實(shí)現(xiàn)無人轉(zhuǎn)向功能、無人制動(dòng)功能和遙控急停功能。新增無人轉(zhuǎn)向功能、無人制動(dòng)功能、遙控急停系統(tǒng)都需增加新的ECU，造成無人駕駛賽車線束復(fù)雜、長度增大、功能冗余、可拓展性差等問題。

1.2 中央網(wǎng)關(guān)+域控制器架構(gòu)

為應(yīng)對FSAC賽事規(guī)則的更迭，亟需一款可拓展性強(qiáng)的電子電氣架構(gòu)。新一代電子電氣架構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案見圖2，將賽車分為3個(gè)區(qū)域——前車身、后車身、右車身，由此定義3個(gè)域控制器的接口和接口數(shù)量。執(zhí)行域控制器位于前車身，人機(jī)交互面板下方，負(fù)責(zé)串口屏、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、編碼器、油門傳感器、油壓傳感器、前面板指示燈等數(shù)據(jù)收發(fā)；信息域控制器位于后車身，負(fù)責(zé)無人燈光模塊、安全回路、RES接收端ECU等數(shù)據(jù)收發(fā)；動(dòng)力域控制器位于右車身側(cè)箱內(nèi)，主要負(fù)責(zé)電池、開關(guān)量檢測及緊急制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)。3個(gè)域控制器均通過一路CAN總線與中央網(wǎng)關(guān)通信，感知部分的數(shù)據(jù)由工控機(jī)處理后通過以太網(wǎng)傳輸給中央網(wǎng)關(guān)進(jìn)行分析處理。域控制器和中央網(wǎng)關(guān)通過CAN總線互連構(gòu)成，簡化了賽車電子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［9］，降低了線束重量和能源消耗，并能節(jié)約成本。

中央網(wǎng)關(guān)+域控制器架構(gòu)的骨干網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線。中央網(wǎng)關(guān)是賽車各個(gè)功能域信息交互的樞紐，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?、?zhǔn)確性、及時(shí)性及安全性起到至關(guān)重要的作用［10］，實(shí)現(xiàn)各域控制器之間安全的無縫通信，在車輛的下層執(zhí)行機(jī)構(gòu)和上層指令機(jī)構(gòu)之間架起一座橋梁。按位置劃分功能為原則的架構(gòu)，解決了由于分布式架構(gòu)造成的線束過于集中于車身右側(cè)、線束過長等問題。賽車大部分信號線長度縮短到1 m以內(nèi)，整車線束長度縮短至200 m。另外各器件、各執(zhí)行器直接連接域控制器，信號互相的干擾也降低了。這種架構(gòu)將RES接收端功能整合到信息域控制器中，并將無人轉(zhuǎn)向ECU和無人制動(dòng)ECU的功能集成到執(zhí)行域控制器中，擁有豐富的接口資源，可實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件架構(gòu)如圖3所示。對中央網(wǎng)關(guān)和域控制器的功能進(jìn)行定義，中央網(wǎng)關(guān)所需資源主要有1路以太網(wǎng)、3路CAN總線、1路用于調(diào)試的串口模塊和1路程序下載模塊。3個(gè)域控制器根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案提出資源需求，采用同一硬件方案。中央網(wǎng)關(guān)采用NXP公司車規(guī)級芯片MPC5748G，擁有3個(gè)基于Power Architecture技術(shù)的32位內(nèi)核，支持1588和MII/RMII的10/100以太網(wǎng)，擁有8個(gè)增強(qiáng)型FlexCAN模塊，帶CAN FD支持和可配置緩沖器，實(shí)物如圖4a所示。域控制器采用NXP公司車規(guī)級芯片S32K148，有以太網(wǎng)（10/100 Mbit·s-1）、CAN、CAN FD、能復(fù)用為多種外設(shè)的I/O口（UART，I2C，SPI，I2S，LIN，PWM...），提供豐富的接口資源，實(shí)物如圖4b所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)FSAC比賽規(guī)則定義各域控制器和中央網(wǎng)關(guān)之間的通信協(xié)議和指令。無人駕駛系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)如圖5所示，定義了無人駕駛系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)、行駛狀態(tài)、完成狀態(tài)和緊急制動(dòng)狀態(tài)［11］的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、待駛按鈕（R2D）、轉(zhuǎn)向執(zhí)行器、制動(dòng)執(zhí)行器、緊急制動(dòng)系統(tǒng)、指示燈在無人駕駛模式各狀態(tài)的動(dòng)作如表1所示。中央網(wǎng)關(guān)及各域控制器軟件的編寫以無人駕駛模式狀態(tài)定義為主要依據(jù)。

3.1 離線測試

實(shí)車測試之前，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對中央網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)丟包率和通信時(shí)延等進(jìn)行模擬測試，測試場景如圖6a所示。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬布置新線束，如圖6b所示，將中央網(wǎng)關(guān)、域控制器、安全回路以及重要執(zhí)行器按照規(guī)定安裝到指定位置。

1） 丟包測試 借助ATKKPING軟件，在100 s內(nèi)發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)并記錄包的個(gè)數(shù)，結(jié)果如表2所示。根據(jù)測試結(jié)果可以推算出，當(dāng)數(shù)據(jù)間隔在25 ms以上時(shí)未出現(xiàn)丟包，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔進(jìn)一步縮小時(shí)丟包率開始增大，但依舊在系統(tǒng)可控范圍內(nèi)。

2） 時(shí)延測試 記錄每次通信中最大延時(shí)時(shí)間和最小延時(shí)時(shí)間，并將每次通信中最大延時(shí)時(shí)間和最小延時(shí)時(shí)間去掉，求其他延時(shí)時(shí)間的平均值，得到平均延時(shí)時(shí)間，結(jié)果如圖7所示。以太網(wǎng)在通信過程中平均延時(shí)時(shí)間小于3 ms，滿足無人駕駛賽車無人駕駛模式下最大延時(shí)4 ms的要求，平均延時(shí)時(shí)間波動(dòng)小，時(shí)延抖動(dòng)性可控，滿足無人駕駛賽車中央網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性要求［12］。

3.2 實(shí)車測試

在湖北汽車工業(yè)學(xué)院FSAC賽車上裝配中央網(wǎng)關(guān)、三大域控制器、架構(gòu)升級后的線束、各執(zhí)行器和傳感器［13］，試驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，中央網(wǎng)關(guān)和動(dòng)力域控制器裝配如圖9所示。完成硬件布置和安裝后，將賽車架起，四輪離地20 cm，在封閉場地內(nèi)進(jìn)行實(shí)車測試。

1） 基礎(chǔ)功能測試 進(jìn)行有人駕駛模式測試，通過多次重復(fù)按壓油門踏板和制動(dòng)踏板來測試執(zhí)行域控制器是否能迅速控制電機(jī)的啟動(dòng)和停轉(zhuǎn)，未出現(xiàn)賽車動(dòng)作緩慢現(xiàn)象。進(jìn)行無人駕駛模式測試，通過工控機(jī)多次發(fā)送油門信號、制動(dòng)信號和轉(zhuǎn)向信號，實(shí)時(shí)接收速度信息，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)的誤傳、漏傳、阻塞、系統(tǒng)卡死等現(xiàn)象［14］。

2） 功能性驗(yàn)證 為比較中央網(wǎng)關(guān)+域控制器架構(gòu)與傳統(tǒng)分布式架構(gòu)的性能，對比網(wǎng)關(guān)吞吐量及CPU利用率，在相同場景下對2種架構(gòu)進(jìn)行測試。在人機(jī)交互界面上選擇無人駕駛模式，定義為工控機(jī)發(fā)送指令，慢速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并以正弦波形式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，設(shè)定此測試任務(wù)周期性調(diào)用，每100 ms調(diào)用一次。分布式架構(gòu)下，該功能由VCU與BMS及MCU進(jìn)行CAN通信，VCU與轉(zhuǎn)向ECU和制動(dòng)ECU通過另一路CAN通信實(shí)現(xiàn)；中央網(wǎng)關(guān)+域控制器架構(gòu)下，該功能由中央網(wǎng)關(guān)通過CAN將執(zhí)行指令分別發(fā)送給動(dòng)力域控制器和執(zhí)行域控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)。在報(bào)文跨域?qū)崿F(xiàn)多功能的場景下，2種架構(gòu)的網(wǎng)關(guān)吞吐量和CPU占用率如圖10所示：分布式架構(gòu)的最大吞吐量保持在1.6 kbit·s-1左右，對CPU占用率為32%～35%；中央網(wǎng)關(guān)+域控制器架構(gòu)的最大吞吐量為0.6 kbit·s-1左右，對CPU占用率為12%～15%。通過同一測試任務(wù)產(chǎn)生多個(gè)執(zhí)行動(dòng)作可模擬無人駕駛賽車在直線加速、八字繞環(huán)和高速循跡等動(dòng)態(tài)比賽項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)傳輸，由于分布式架構(gòu)不存在功能域的概念，所以處于一直占用VCU總線的狀態(tài)，數(shù)據(jù)吞吐量大相對應(yīng)的資源利用率低；中央網(wǎng)關(guān)+域控制器架構(gòu)可將同一動(dòng)態(tài)測試任務(wù)封裝在一個(gè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)，實(shí)時(shí)調(diào)用對應(yīng)域控制器完成執(zhí)行動(dòng)作。綜上所述，中央網(wǎng)關(guān)+域控制器架構(gòu)在性能上優(yōu)于傳統(tǒng)分布式架構(gòu)，在相同動(dòng)態(tài)任務(wù)下對資源占用率明顯低于傳統(tǒng)分布式架構(gòu)。

4 結(jié)論

在FSAC賽車上應(yīng)用中央網(wǎng)關(guān)+域控制器架構(gòu)，代替以VCU為核心的分布式架構(gòu)，增強(qiáng)了架構(gòu)的性能，提高了整車的可拓展性。采用車規(guī)級芯片，更好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。各域控制器就近連接各傳感器和執(zhí)行器，縮短了整車線束長度，提高了抗干擾能力強(qiáng)，可有效避免電磁干擾等問題，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。中央網(wǎng)關(guān)+域控制器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了中央網(wǎng)關(guān)與工控機(jī)之間的以太網(wǎng)通信，并將中央網(wǎng)關(guān)收到的數(shù)據(jù)通過CAN骨干網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給各域控制器，域控制器控制各執(zhí)行器完成無人駕駛?cè)蝿?wù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ "湯文靖，蘭建平，周海鷹. 無人駕駛方程式賽車輕量化目標(biāo)檢測算法［J］. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，37（2）：17-21.

［2］ "鐘興華，陽林，利仁濱，等. 基于大學(xué)生賽車競賽探索車輛專業(yè)“新工科”人才培養(yǎng)新模式［J］. 教育現(xiàn)代化，2019，6（53）：8-10.

［3］ "宮彥喬，劉立東，李剛，等. FSAC賽車動(dòng)態(tài)視野算法研究［J］. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，37（1）：1-8.

［4］ "鄒淵，孫文景，張旭東，等. 智能網(wǎng)聯(lián)汽車多域電子電氣架構(gòu)技術(shù)發(fā)展研究［J］. 汽車工程，2023，45（6）：895-909.

［5］ "楊焱. 歐科佳：引領(lǐng)中國客車進(jìn)入電子電氣架構(gòu)新時(shí)代［J］. 商用汽車，2015（6）：74-75.

［6］ "吳成東. 傳統(tǒng)汽車應(yīng)用域控制器與主干網(wǎng)技術(shù)路線探討［J］. 汽車電器，2021（3）：43-45.

［7］ "張政. 車輛電子電氣架構(gòu)演進(jìn)趨勢研究［J］. 汽車文摘，2021（12）：29-33.

［8］ "郭炎榮，查云飛，陳文強(qiáng)，等. 智能汽車電子電氣架構(gòu)綜述［J］. 汽車文摘，2021（9）：19-24.

［9］ "鄧戩. 智能網(wǎng)聯(lián)汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究 ［D］. 長春：吉林大學(xué)，2020.

［10］ "王娟. 基于汽車ISO26262標(biāo)準(zhǔn)車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)安全性的研究［J］. 汽車與駕駛維修（維修版），2018（4）：68.

［11］ "許宏宇，潘博，倪俊，等. 基于Simulink的高安全性無人車輛整車控制器研究［C］//中國汽車工程學(xué)會(huì). 2018中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.機(jī)械工業(yè)出版社，2018：181-186.

［12］ "張寶寶. 基于SOME/IP協(xié)議的車載中央安全網(wǎng)關(guān)的研究與設(shè)計(jì)［D］. 十堰：湖北汽車工業(yè)學(xué)院，2022.

［13］ "蘭建平，郭文韜，湯文靖，等. FSAC賽道地圖構(gòu)建算法研究［J］. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023（6）：332-339.

［14］ "張寶寶，張友兵，蘭建平，等. 基于LPC1768的車載以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)［J］. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，34（4）：11-15.