一種具備ADAS功能的電動(dòng)車功能樣車的快速開(kāi)發(fā)方法

楊振業(yè)

(聯(lián)車(上海)信息科技有限公司，上海 201210)

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一種具備ADAS功能的電動(dòng)車功能樣車的快速開(kāi)發(fā)方法

楊振業(yè)

(聯(lián)車(上海)信息科技有限公司，上海 201210)

著重介紹一種基于現(xiàn)有汽油車平臺(tái)、具備ADAS功能的電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法。完成后的電動(dòng)汽車使用全新的三電一屏系統(tǒng)，并保持原車自適應(yīng)巡航、自動(dòng)泊車等ADAS功能，達(dá)到在最短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出一輛擁有ADAS功能的電動(dòng)汽車全功能樣車的目的。

電動(dòng)汽車；CAN總線；電氣架構(gòu)；ADAS系統(tǒng)；網(wǎng)關(guān)

0 引言

在電動(dòng)汽車越來(lái)越多的今天，隨著國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)準(zhǔn)入政策的開(kāi)放，越來(lái)越多的新興廠商不斷地嘗試進(jìn)入電動(dòng)乘用車研發(fā)制造這個(gè)全新的領(lǐng)域。而另一方面，隨著特斯拉等新電動(dòng)車制造商的出現(xiàn)，對(duì)于未來(lái)電動(dòng)汽車的定義也不斷向著智能化的方向前進(jìn)，各種先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assist System， ADAS)都出現(xiàn)在電動(dòng)汽車的功能規(guī)劃中。目前國(guó)內(nèi)嘗試電動(dòng)汽車研發(fā)制造的新興廠商大多都致力于研發(fā)三電一屏(電驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力電池，電池管理，儀表/中控大屏)，但目前由于經(jīng)驗(yàn)、成本等眾所周知的原因，新興廠商只能使用市面上能夠購(gòu)買得到的車輛進(jìn)行功能樣車的開(kāi)發(fā)。盡管如此，如何能夠在短時(shí)間內(nèi)使用自行研發(fā)的三電一屏系統(tǒng)，快速開(kāi)發(fā)一輛具備ADAS功能的全功能樣車，對(duì)于沒(méi)有任何車輛設(shè)計(jì)制造以及整車系統(tǒng)集成經(jīng)驗(yàn)積累的新興廠商來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)非常困難的課題?；谶@個(gè)原因，作者提出了一種基于現(xiàn)有汽油車平臺(tái)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)方法，并用三電一屏系統(tǒng)代替原車相關(guān)系統(tǒng)，更改完成后仍然保證原車其他基本功能以及ADAS功能可用。最終通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，成功完成全功能樣車的開(kāi)發(fā)。此方法僅涉及整車功能層面如何實(shí)現(xiàn)，不涉及如何更改機(jī)械結(jié)構(gòu)、物理參數(shù)、安裝布置等。

1 可行性理論分析

對(duì)于當(dāng)代乘用車，尤其是對(duì)于像GM、福特、大眾等國(guó)際汽車巨頭，整車的電子化程度已經(jīng)相當(dāng)高，幾乎每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)電子化。圖1是一輛福特?？怂蛊囍须娮涌刂颇K的分布情況?？梢钥吹剑赫歉鱾€(gè)控制模塊的存在，才能確保整車功能的正常實(shí)現(xiàn)。而各個(gè)模塊之間的信息傳遞交互則交由CAN-Bus總線進(jìn)行傳輸。CAN-Bus(Controller Area Network Bus)即控制器局域網(wǎng)，是目前乘用車上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線。圖1中整車所有重要的節(jié)點(diǎn)模塊均通過(guò)CAN-Bus相連從而進(jìn)行信息交互。如果其中某些模塊與總線斷開(kāi)，那么這些模塊原本在總線上發(fā)送的消息將不復(fù)存在，這樣對(duì)于需要這些消息的其他模塊而言，這些重要消息無(wú)法接收到就將導(dǎo)致模塊無(wú)法正常工作甚至完全失效。所以，當(dāng)將汽油車的動(dòng)力總成更換成全新的三電系統(tǒng)(電驅(qū)動(dòng)，電控，電池)，以及更換了全新一屏(儀表/中控大屏)后，原車很多模塊將不復(fù)存在，直接會(huì)導(dǎo)致原車的其他功能無(wú)法正常使用。例如：整車電源Power Mode無(wú)法切換，車內(nèi)各種開(kāi)關(guān)控制將失效，ABS/ESP、助力轉(zhuǎn)向等安全性功能無(wú)法正常工作，原車的自適應(yīng)巡航、自動(dòng)泊車、車道偏離輔助等功能也將同時(shí)失效等。

因此總體來(lái)說(shuō)，在保證開(kāi)發(fā)后原有模塊上的電氣連接及電氣特性不變的前提下，如何解決原車模塊的總線通信問(wèn)題，成為是否能實(shí)現(xiàn)原車功能的關(guān)鍵。

圖1 福特?？怂蛊囍械碾娮涌刂凭W(wǎng)絡(luò)

2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.1 車輛功能目標(biāo)

目標(biāo)電動(dòng)車采用市售某品牌的傳統(tǒng)汽油機(jī)汽車作為開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)車型。表1為基礎(chǔ)車型功能與以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)電動(dòng)車的功能需求對(duì)比。

表1 基礎(chǔ)車型與電動(dòng)車的功能對(duì)比

2.2 對(duì)基礎(chǔ)車型的分析

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車需要的功能，作者先對(duì)基礎(chǔ)車型的整車通信網(wǎng)絡(luò)情況及電子控制模塊的分布情況進(jìn)行分析。圖2為基礎(chǔ)車型的整車通信網(wǎng)絡(luò)及電子控制模塊分布圖。可以看到：目標(biāo)電動(dòng)汽車由于使用了全新的電驅(qū)動(dòng)總成+蓄電池管理，并且無(wú)傳統(tǒng)的自動(dòng)變速器，因此需要去除基礎(chǔ)車的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、控制模塊ECM、自動(dòng)變速箱總成及TCM模塊；而另一方面，新儀表中控的使用，也使原車中的IPC、Sliver box和AMP等模塊需要移除。

圖2 基礎(chǔ)車型的整車通信網(wǎng)絡(luò)及控制模塊分布

在移除相關(guān)的模塊后，作者對(duì)移除模塊后造成的影響做一下分析。以ECM模塊舉例，去除ECM模塊后，ECM在總線上發(fā)出的消息都將消失。表2是原車控制模塊ECM發(fā)出的信號(hào)列表，因信號(hào)數(shù)量太多，篇幅所限只挑選其中若干。從表2可以發(fā)現(xiàn)：ECM發(fā)出的信號(hào)涵蓋汽油機(jī)轉(zhuǎn)速等工作狀態(tài)，相關(guān)扭矩狀態(tài)，油門踏板、節(jié)氣門開(kāi)度、剎車踏板狀態(tài)以及自適應(yīng)巡航各種狀態(tài)等。而這些信號(hào)的重要等級(jí)相當(dāng)高，使用者涉及網(wǎng)絡(luò)上幾乎所有的重要模塊，如車身控制模塊、自動(dòng)泊車模塊、ABS、物體距離計(jì)算模塊等。這些信號(hào)丟失后會(huì)導(dǎo)致使用者(模塊)內(nèi)部設(shè)置相關(guān)的故障CODE，使之無(wú)法工作。舉兩個(gè)例子：在自動(dòng)泊車模塊中，車速及擋位是模塊判定是否能進(jìn)入泊車狀態(tài)的重要信號(hào)，接收不到車速狀態(tài)，模塊將自動(dòng)進(jìn)入失效模式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能；ABS模塊接收不到發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩狀態(tài)，就無(wú)法計(jì)算出自動(dòng)剎車時(shí)的扭矩請(qǐng)求，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車功能等。

表2 原車控制模塊ECM發(fā)出的若干信號(hào)列表

因此，如果能將原車模塊的信號(hào)還原并使之符合相應(yīng)的物理值正常合理的參數(shù)范圍，保證相關(guān)的模塊能接收正確的參數(shù)，就能使原車相應(yīng)的模塊恢復(fù)正常工作。

2.3 電氣及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案

圖3是作者設(shè)計(jì)的目標(biāo)電動(dòng)車電氣及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。雙點(diǎn)劃線框內(nèi)的部分是作者為目標(biāo)電動(dòng)車新增加的模塊，其中New ECU、MCU、DC-AC、BMS 4個(gè)模塊分別為電驅(qū)動(dòng)總成及動(dòng)力電池的相關(guān)控制模塊，這些模塊都會(huì)涉及高壓部分，因此作者使用一條獨(dú)立通信總線連接；而New IPC、New Silver Box是新的儀表和中控大屏，屬于娛樂(lè)信息系統(tǒng)，這兩部分新的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)GW模塊和原車網(wǎng)絡(luò)連接。GW是一個(gè)三通道的網(wǎng)關(guān)模塊，使用GW模塊的原因是：新網(wǎng)絡(luò)和原車網(wǎng)絡(luò)的物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層特性有所不同，需要進(jìn)行電氣轉(zhuǎn)換；避免新模塊節(jié)點(diǎn)管理策略對(duì)原車網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)管理造成影響；兩者在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的報(bào)文信號(hào)定義不同，需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行報(bào)文信號(hào)的重組和路由。

這么一來(lái)，將原車模塊的信號(hào)還原并使之符合相應(yīng)的物理值及正常合理的參數(shù)范圍內(nèi)，保證相關(guān)的模塊能接收正確的參數(shù)，就是GW模塊需要解決的任務(wù)了。

2.4 GW網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

對(duì)于網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)，如何保證路由信號(hào)的實(shí)時(shí)性是網(wǎng)關(guān)最重要的目標(biāo)。由于目標(biāo)車輛的功能設(shè)計(jì)指標(biāo)包括自適應(yīng)巡航、車道偏離輔助、自動(dòng)防碰撞剎車等功能， 對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求是數(shù)個(gè)毫秒級(jí)別的，如果相關(guān)的控制報(bào)文經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)后無(wú)法及時(shí)傳至相應(yīng)的控制模塊，將導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)執(zhí)行動(dòng)作，影響設(shè)計(jì)功能指標(biāo)。 網(wǎng)絡(luò)延遲的計(jì)算有以下公式：

TDelayTime=TResource+TGW+TTarget

其中：TResource和TTarget分別是新增網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲時(shí)間和原車網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲時(shí)間。其中原車網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲時(shí)間是由原車網(wǎng)絡(luò)的設(shè)定傳輸速率所決定的，無(wú)法更改。而新增網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲時(shí)間則由新增網(wǎng)絡(luò)傳輸速率決定。在此項(xiàng)目中，新增網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與原車網(wǎng)絡(luò)傳輸速率相同，均為500 k/s，以網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率60%為前提計(jì)算(負(fù)載率越高意味著仲裁時(shí)間越長(zhǎng))，可以得出新增網(wǎng)絡(luò)上每傳輸一幀消息所需要的時(shí)間為：

TResource=TTarget=(1/500 000)×(64+11+8)/0.6=277 ns

而TGW為網(wǎng)關(guān)的傳輸延遲時(shí)間，即從收到源網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文至發(fā)送到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)所花的時(shí)間。網(wǎng)關(guān)的傳輸延遲時(shí)間主要受制于網(wǎng)關(guān)硬件本身的工作頻率、指令的運(yùn)算速度以及代碼本身是否合理高效。作者在開(kāi)發(fā)完成后對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，表3是網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試證明每個(gè)報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)延遲不超過(guò)250 ns。

表3 網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試結(jié)果

總延遲時(shí)間TDelayTime=277+277+250=804 ns<1 ms，符合設(shè)計(jì)要求。

2.5 車輛功能的靜態(tài)驗(yàn)證

作者將目標(biāo)車輛上的全部控制模塊以及相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器件以及線束連接安裝完畢后，首先需要進(jìn)行靜態(tài)的通電測(cè)試。進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試的目的主要有：確保各模塊及線束等的電氣特性無(wú)誤；進(jìn)行通信測(cè)試，確?？偩€基本通信正常無(wú)錯(cuò)誤；確認(rèn)各模塊內(nèi)部是否設(shè)置了故障CODE，如有則需要排查原因并最終消除。在這些當(dāng)中，第三點(diǎn)是最難也是最花時(shí)間的。為了提高效率，作者將原車儀表暫時(shí)接回原車中，當(dāng)其他模塊內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，馬上就可以在儀表上讀出直觀的文字，這樣能提高排查效率。當(dāng)然，針對(duì)一些特定的問(wèn)題，還是需要通過(guò)模塊內(nèi)部設(shè)置的故障CODE來(lái)查找原因。舉個(gè)例子：圖4和圖5是靜態(tài)驗(yàn)證過(guò)程中通過(guò)原車儀表獲取的故障文字信息。表4是在靜態(tài)驗(yàn)證過(guò)程中讀取到的某些模塊內(nèi)部設(shè)置的故障CODE信息?？梢钥吹綀D5中顯示的是車身穩(wěn)定系統(tǒng)故障，而在表4中，可以看到在EBCM模塊中設(shè)置了故障CODE，通過(guò)這兩者相結(jié)合作者馬上發(fā)現(xiàn)是總線通信上的若干信號(hào)不正確導(dǎo)致了錯(cuò)誤。這些信號(hào)原本是由原車ECM發(fā)出，現(xiàn)由New ECU 經(jīng)由GW模塊發(fā)出。最終經(jīng)排查是由于GW模塊信號(hào)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤造成的，修改后故障即消失。

圖4 靜態(tài)測(cè)試驗(yàn)證

圖5 原車儀表獲取的故障信息

表4 模塊內(nèi)部設(shè)置的故障CODE

2.6 車輛功能的道路驗(yàn)證

在排除了所有靜態(tài)驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)的故障及錯(cuò)誤現(xiàn)象后，作者進(jìn)行車輛的路測(cè)驗(yàn)證。在路試中，除了測(cè)試車輛的常規(guī)行駛外，自適應(yīng)巡航、自動(dòng)泊車、車道偏離保持、前碰撞預(yù)警、側(cè)盲區(qū)預(yù)警等ADAS功能為重點(diǎn)。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，由于之前靜態(tài)測(cè)試的充分驗(yàn)證，自動(dòng)泊車、車道偏離保持、前碰撞預(yù)警、側(cè)盲區(qū)預(yù)警功能均順利測(cè)試通過(guò)。而在自適應(yīng)巡航功能的道路測(cè)試中，遇到了在進(jìn)入自適應(yīng)巡航后偶爾會(huì)自動(dòng)退出巡航狀態(tài)的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)，扭矩需求不匹配以及輪胎半徑變化使車速出現(xiàn)偏差最終導(dǎo)致此問(wèn)題，最終排除了問(wèn)題。鑒于此文篇幅所限，道路測(cè)試驗(yàn)證部分不再贅述。

3 總結(jié)

目前，越來(lái)越多的新興廠商不斷嘗試進(jìn)入電動(dòng)車研發(fā)制造領(lǐng)域。通過(guò)和不少新型廠商交流作者發(fā)現(xiàn)：出于各種目的，他們對(duì)使用三電一屏系統(tǒng)快速開(kāi)發(fā)出一輛具備先進(jìn)駕駛輔助功能的全功能樣車的需求十分迫切。通過(guò)使用文中闡述的開(kāi)發(fā)方法，對(duì)某公司電動(dòng)車樣車項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)踐，最終僅僅在4個(gè)月內(nèi)就成功完成了這輛具備ADAS功能的全功能樣車從設(shè)計(jì)到最后道路測(cè)試的開(kāi)發(fā)任務(wù)。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)方法還具備可擴(kuò)展、可迭代性，可從三電一屏系統(tǒng)擴(kuò)展至其他模塊直至全車模塊，也為其他電動(dòng)汽車項(xiàng)目的樣車開(kāi)發(fā)提供了一種可操作的設(shè)計(jì)方案。

【1】Robert Bosch GmbH.Bosch CAN Specification V2.0[M].Stuttgart,1991.

【2】ISO 11898-1 Road Vehicle-Controller Area Network(CAN):Part 1:Data link layer and physical signaling[S].

采埃孚推動(dòng)主動(dòng)安全技術(shù) 應(yīng)對(duì)保護(hù)行人和騎行者的全球性挑戰(zhàn)

采埃孚股份公司正在推進(jìn)“觀察、思考和行動(dòng)”系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以幫助避免交通事故，遏制每年涉及行人、騎行者和其他弱勢(shì)道路使用者的死亡率的增長(zhǎng)。

例如，據(jù)美國(guó)國(guó)家高速公路交通安全管理局(NHTSA)統(tǒng)計(jì)，2015年的前9個(gè)月，行人事故死亡率(10%)和自行車騎行者事故死亡率(13%)較去年同期呈雙位數(shù)增長(zhǎng)。為了降低這兩類事故的發(fā)生率、并應(yīng)對(duì)同期總體道路交通死亡率近8%的狀況，美國(guó)交通部加大力度出臺(tái)指導(dǎo)性新政，推進(jìn)能減少碰撞事故的自動(dòng)化安全技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

采埃孚(ZF)在駕駛輔助領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著，擁有一系列能通過(guò)傳感和數(shù)據(jù)分析，對(duì)關(guān)乎行人和騎行者的事故風(fēng)險(xiǎn)做出反應(yīng)的技術(shù)，尤以自動(dòng)化制動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)著稱。

采埃孚(ZF)推出的自行車路口穿行測(cè)試裝置，模擬相應(yīng)的歐洲NCAP標(biāo)準(zhǔn)，展示了自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)的技術(shù)能力。公司的行人保護(hù)自動(dòng)緊急制動(dòng)已經(jīng)在輕型車平臺(tái)應(yīng)用并量產(chǎn)，現(xiàn)致力于開(kāi)發(fā)滿足新測(cè)試要求的技術(shù)組合，通過(guò)產(chǎn)品升級(jí)，例如用更廣角的攝像頭，及時(shí)監(jiān)測(cè)到運(yùn)動(dòng)速度高于行人的騎行者，從而幫助系統(tǒng)做出更迅速的反應(yīng)。

采埃孚(ZF)董事會(huì)成員、集團(tuán)市場(chǎng)主管LAKE總結(jié)說(shuō)：“采埃孚(ZF)擁有卓越的安全和駕駛輔助技術(shù)產(chǎn)品組合，憑借在安全電子和先進(jìn)底盤系統(tǒng)方面的專長(zhǎng)，我們創(chuàng)造的智能化機(jī)械系統(tǒng)，將有助于同時(shí)提升駕乘人員和弱勢(shì)道路使用者的安全。采埃孚(ZF)的目標(biāo)之一，即幫助我們涉足的所有車輛類別、市場(chǎng)和運(yùn)輸系統(tǒng)增強(qiáng)安全性。”

(來(lái)源：采埃孚)

A Rapid Development Method of EV Demo Car with ADAS Functions

YANG Zhenye

(Auto-linked (Shanghai) Information Technology Co.,Ltd., Shanghai 201210,China)

The design and development of an EV with ADAS functions was focused on, which was based on the existing gasoline vehicle platform. The completed EV has new ECU, power battery, BMS and control panel screen. The original functions such as ACC, APA, LKA etc are still available. The goal to develop an EV full function demo car with ADAS functions in the shortest time is achieved.

EV; CAN bus; Electrical architecture; ADAS; Gateway

2016-07-08

楊振業(yè)，男，本科，工程師，研究方向?yàn)檐囕v總線、CAN通信、整車電氣架構(gòu)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)等。E-mail：meteor_2003@sohu.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.003

U469.72

A

1674-1986(2016)10-011-06