多方面介紹無人駕駛中的VCU信號

VCU即汽車的控制單元（Vehicle Control Unit），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，監(jiān)測車輛狀態(tài)(車速、溫度等)信息，采集各個控制單元的工作狀態(tài)，向動力系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、車載附件電力系統(tǒng)發(fā)送車輛的運行狀態(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，監(jiān)測車輛狀態(tài)(車速、溫度等)信息，采集各個控制單元的工作狀態(tài)，向動力系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、車載附件電力系統(tǒng)發(fā)送車輛的運行狀態(tài)控制指令。VCU是實現(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鐘電路、復位電路、預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)字信號處理電路，模擬信號處理電路，頻率信號處理電路，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

它主要負責：

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

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

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

4）接收處理各個零部件信息，結(jié)合能源管理單元提供當前的能源狀況信息；

5）系統(tǒng)故障的判斷和存儲，動態(tài)檢測系統(tǒng)信息，記錄出現(xiàn)的故障；

6）對整車具有保護功能，視故障的類別對整車進行分級保護，緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機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。核心軟件一般由整車廠研發(fā)，硬件和底層驅(qū)動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。

接著進行軟件的設(shè)計，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，主要是配置時鐘、SPI、CAN、PIT、ECT、IO、interrupt等的寄存器。軟件開發(fā)前要有指導軟件開發(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)議以及詳細功能策略文檔；

底層軟件平臺化發(fā)展。底層軟件進行平臺化之后，針對不同的項目，往往我們只需要進行簡單的配置就可以適用了。我們這里的做法是：將項目個性化的內(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 應用層。底層軟件工程師的工作主要是寫一寫硬件驅(qū)動（如 DIO /ADC/PWM/CAN/LIN等）、協(xié)議棧（如CCP、UDS等）。應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，然后自動生成代碼；

3、軟件集成及測試。應用程序包括：數(shù)據(jù)采集、故障診斷、工況判斷、輔機管理、通訊控制。底層軟件和應用層軟件都做好之后，就需要對軟件進行集成了，底層軟件平臺和應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代碼進行測試（主要是進行HIL測試）；

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

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

05應用

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。

不同的場景對數(shù)據(jù)有不同的應用。

那么怎么利用VCU信號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運用到車輛控制中，控制的指令使用當前車輛所處的狀態(tài)決定的，當執(zhí)行的時候已經(jīng)存在一定的延遲，PID算法無法滿足無人車控制中的要求。

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

預測模型：預測模型能夠在短時間內(nèi)很好地預測系統(tǒng)狀態(tài)的變化

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

反饋校正：到下一個時間點根據(jù)新的狀態(tài)重新進行預測和優(yōu)化

VCU信號基于運動學車輛模型引入一種新的控制理論——模型預測性控制 (Model Predictive Control)，被廣泛的應用在無人駕駛領(lǐng)域中的航位推算

為了計算的方面，很多情況下，工程師會將車輛四輪模型簡化成兩輪模型，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。

β可以由如下公式計算求得

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。