張小俊，張 澤，陳 正

（1.河北工業(yè)大學，天津 300222；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

隨著無人駕駛技術(shù)的飛速發(fā)展，中國的百度、長安等企業(yè)以及國防科技大學、軍事交通學院等高校已經(jīng)研制出了L4級的無人駕駛汽車。無人駕駛汽車裝備一臺高性能的計算機，用于接收車載傳感器采集的環(huán)境信息并對其進行處理分析，進而作出各種決策，傳遞指令給汽車的各個執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛的智能駕駛并完成車與人、車、路以及云端的通信。L4級的無人駕駛是指在限定的道路和環(huán)境中可由無人駕駛系統(tǒng)完成所有駕駛操作，本課題以L4級無人駕駛汽車為依托，設(shè)計一種在封閉園區(qū)內(nèi)的約車系統(tǒng)，實現(xiàn)無人車在封閉園區(qū)內(nèi)部的示范運營。用戶通過手機APP選擇起點和終點，并通過手機APP與云端、車載通信終端的信息交互實現(xiàn)遠程約車，進而完成接送用戶、自動還車等功能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

遠程約車系統(tǒng)基于無人駕駛技術(shù)，融合計算機、通信、車輛工程的綜合性策略系統(tǒng)，主要由無人駕駛汽車、云平臺、車載單元和手機APP組成，各個子單元采用CAN總線和4G網(wǎng)絡(luò)通信。

1.1 云平臺設(shè)計

云平臺服務(wù)具有多用戶、高并發(fā)的特點，平臺搭建需要從處理數(shù)據(jù)的性能和后期維護成本兩方面考慮。目前云平臺主要包含C／S和B／S架構(gòu)，C／S采用的PPP協(xié)議針對點對點，兼容性不強，另外還需要專門開發(fā)客戶端軟件，拓展性較弱。B／S架構(gòu)可簡化為一個Web瀏覽器，將策略邏輯和數(shù)據(jù)在服務(wù)器中實現(xiàn)，且維護成本低，綜上所述，云平臺選擇B／S架構(gòu)。云平臺與車載單元的通信協(xié)議選擇MQTT協(xié)議，其建立在TCP／IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)中APP發(fā)送遠程指令、云平臺控制車輛和數(shù)據(jù)流傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)協(xié)議。

1.2 車載單元設(shè)計

車載單元是約車系統(tǒng)傳輸層的關(guān)鍵組成部分，其主要功能包括采集／發(fā)送數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、和自我管理的能力。采集／發(fā)送數(shù)據(jù)是指車載單元通過CAN總線采集無人駕駛車輛的傳感器、工控機、定位信息和車輛駕駛行為數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過制定的通信格式打包給4G模組發(fā)送至云平臺；處理數(shù)據(jù)是車載單元的核心業(yè)務(wù)，針對無人車數(shù)據(jù)流較大且實時性要求高，主處理器選用ARM架構(gòu)的恩智浦IMX6.Q系列處理器，底層嵌入Linux操作系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷；自我管理通過MCU對車載單元的電源模塊、GNSS模塊、CAN模塊、主處理器、4G模組進行管理，控制其電源供給和GPIO的電壓配置，并在特定情況下進行工作／休眠模式的切換。終端架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載單元系統(tǒng)架構(gòu)圖

1）核心處理器

核心處理器選擇基于Arm Cortex-A9架構(gòu)的IMX6.Q處理器，其符合車規(guī)級認證，主頻為1.2GHz，具有滿足操作系統(tǒng)的MIPS需求來增強高級便捷式應(yīng)用程序功能，支持豐富的外圍接口、1GB RAM和8GB ROM，為數(shù)據(jù)采集／處理提供可靠保障。

2）MCU的選擇

MCU選擇飛思卡爾的FS32K148，是一款符合車規(guī)級AEC-Q100規(guī)范，具有超低功耗的微處理器，基于32位Arm Cortex-M4F和Cortex-M0+內(nèi)核的MCU，運行頻率112MHz，有多種性能、存儲器和特性可供選擇，具有良好的兼容性和拓展性。

3）4G通信模組

車載單元通信模組選用華為的ME909s，其支持LTE／HSDPA／GSM／GPRS多種頻率通信，最大支持數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲兴俾?0Mb／s和下行速率150Mb／s，內(nèi)嵌TCP／IP通信協(xié)議，與其他通信模組相比具有較快的傳輸速度和全面的通信頻段，同時支持多種外圍接口，便于與其他模塊進行信息傳輸。

4） GNSS模組

GNSS模組選擇MAX-M8Q-01A，采用常用的C／A編碼，支持NMEA0183協(xié)議，在GPS+GLONASS+北斗的混合定位模式下導(dǎo)航靈敏度為-167dBm，單一全球當行衛(wèi)星系統(tǒng)頻率18MHz，并行導(dǎo)航系統(tǒng)頻率10MHz，位置精度2米CEP,能在高樓大廈之間、地下停車場以及隧道提供可靠不間斷的定位信息，定位信息通過UART串口輸出，波特率支持4800／9600 ／38400 ／115200b ／s。

2 應(yīng)用程序的設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路通電后，U-boot會對微處理器及其外圍電路初始化，后把開發(fā)板的控制權(quán)移交給嵌入式Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對應(yīng)用層線程的調(diào)度，實現(xiàn)各種功能。

2.1 通信功能初始化

最基本的通信功能為CAN通信和網(wǎng)絡(luò)通信，設(shè)計皆基于socket通信。CAN通信采用原始套接字SOCK_ROW,PF_CAN協(xié)議族，struct can_frame定義CAN收發(fā)數(shù)據(jù)的消息體，sock_fd=socket（）建立套接字，strcpy （ifr.ifr_name,“can0”） 對CAN接口初始化，設(shè)置接口名“can0”和波特率為500kHz，bind（）將生成的套接字與網(wǎng)絡(luò)地址綁定，創(chuàng)建recv（） ／send（）函數(shù)收發(fā)CAN數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信通過調(diào)用net init（char*net_name）函數(shù)完成4G通信模組的初始化，設(shè)置云平臺的IP和Port，并調(diào)用socket （AF_INET,SOCK_STREAM,0）函數(shù)設(shè)置IPv4網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，建立TCP連接實現(xiàn)云平臺和車載單元的網(wǎng)絡(luò)通信。

2.2 子系統(tǒng)之間的通信交互

CAN收發(fā)線程通過select（）函數(shù)監(jiān)聽車輛工控機節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的無人車傳感器信息、車輛信息和車輛駕駛行為，當2.1所述的套接字收到開始接收數(shù)據(jù)時，線程將收到的數(shù)據(jù)暫放在緩存區(qū)內(nèi)，其他應(yīng)用層線程需要CAN數(shù)據(jù)時直接從緩存區(qū)讀取。車輛工控機與車載單元進行CAN數(shù)據(jù)交互前需要車載單元發(fā)送認證請求，車輛工控機回復(fù)隨機數(shù)，車載單元通過加密算法計算后回復(fù)密鑰完成校驗。無人駕駛的控制數(shù)據(jù)關(guān)系車輛的安全，此方法保證了系統(tǒng)運行的安全性。

車載單元與云平臺家里TCP連接后，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)線程首先發(fā)送登錄鑒權(quán)信息 （每個車載單元與車輛會在云平臺Web注冊），云平臺驗證通過后回復(fù)車載單元完成登錄；為驗證鏈接狀態(tài)，防止某一方掉線后另一端重復(fù)發(fā)送指令，車載單元每10s發(fā)送一次心跳信息，云平臺收到并回復(fù)；在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，車載單元向云平臺發(fā)送校時信息，保證雙方信息包時間的統(tǒng)一；完成上述準備工作后，車載單元與云平臺開始按照制定的通信格式進行周期性信息和觸發(fā)性信息的交互 （周期性信息指隨時需要上報的信息，如車速、雷達狀態(tài)；而觸發(fā)性信息指在特定條件下才需要發(fā)送的信息，如開始約車、車輛到達起點）。圖2為子系統(tǒng)之間的通信交互。

2.3 遠程約車策略

圖2 子系統(tǒng)之間的通信交互

圖3 為車-終端-云平臺之間的約車策略及系統(tǒng)流程圖。①無人駕駛車輛在停車場進行充電 （車載單元報告狀態(tài)，報告內(nèi)容：正在充電、狀態(tài)正常、自動駕駛軟件關(guān)閉、傳感器關(guān)閉），車輛處于休眠狀態(tài)；②云平臺接收到約車命令后，向車載單元發(fā)送喚醒命令，無人駕駛車輛啟動，將自動駕駛軟件、傳感器打開，車載單元將本車傳感器狀態(tài)、無人駕駛軟件狀態(tài)上傳 （報告內(nèi)容：自動駕駛軟件、傳感器狀態(tài)、GPS狀態(tài)）。③GPS、雷達、軟件狀態(tài)正常時，云平臺下發(fā)從停車場到路線起始點的路點文件和路網(wǎng)文件。車輛收到路點文件和路網(wǎng)文件后，向云平臺校驗接收成功。云平臺下發(fā)啟動命令，車輛接收啟動命令后，云平臺根據(jù)車輛實時回傳GPS信息，判斷車輛是否成功啟動，是否正常運行，若車輛回傳GPS與軌跡GPS不一致，則車輛故障，打開警示燈，等待救援；④車輛執(zhí)行完停車場到起點的路點文件和路網(wǎng)文件，車輛停止后，車輛上傳已到達起點至云平臺，云平臺發(fā)送進入接管狀態(tài)指令，并下發(fā)從停車場到路線起始點的路點文件和路網(wǎng)文件，車輛收到路點文件和路網(wǎng)文件后，向云平臺校驗接收成功；⑤乘客上車后，云平臺下發(fā)啟動命令，車輛接收啟動命令后，進入自動駕駛模式，車輛啟動。云平臺根據(jù)車輛實時回傳GPS信息，判斷車輛是否成功啟動，是否正常運行。若車輛回傳GPS與軌跡GPS不一致，則車輛故障；⑥車輛行駛過程中乘客可以選擇臨時停車，臨時停車后有兩種選擇，一是繼續(xù)行駛，二是結(jié)束約車；⑦車輛行駛到終點，停車后車輛發(fā)送已到達預(yù)設(shè)位置信號至云平臺，云平臺發(fā)送進入接管狀態(tài)指令。云平臺判斷，若有新任務(wù)，云平臺下發(fā)新路點文件和路網(wǎng)文件。若無任務(wù)，云平臺下發(fā)路線終點位置到停車場路點文件和路網(wǎng)文件。

3 測試驗證

本文實驗采用中國汽車技術(shù)研究中心的無人駕駛與智能網(wǎng)聯(lián)實驗平臺進行驗證，驗證無人車工控機與車載單元的CAN網(wǎng)絡(luò)信息交互，包含傳感器信息、駕駛行為信息和車輛狀態(tài)信息；驗證車載單元與云平臺的網(wǎng)絡(luò)信息交互，包含信息上報格式、車輛數(shù)據(jù)的準確性和鏈接的狀態(tài)驗證；并通過手機APP發(fā)送約車指令，驗證約車功能的邏輯是否正確，行駛過程中路點文件、控制信息的準確度，保證車輛到達目的地并能應(yīng)對突發(fā)情況，約車系統(tǒng)聯(lián)合測試過程如圖4所示。

圖3 遠程約車策略實現(xiàn)流程圖

圖4 約車系統(tǒng)聯(lián)合測試過程

4 結(jié)束語

無人駕駛技術(shù)已經(jīng)成為汽車行業(yè)的研究重點，本文依據(jù)現(xiàn)階段的無人駕駛技術(shù)，設(shè)計園區(qū)內(nèi)的無人車約車系統(tǒng)，具有全面的數(shù)據(jù)傳輸能力和遠程控制功能，在園區(qū)內(nèi)無人駕駛參觀、游覽等應(yīng)用方向具備創(chuàng)新性進展，經(jīng)過APP、智能車、車載單元和云平臺的聯(lián)合驗證，此系統(tǒng)滿足數(shù)據(jù)傳輸、邏輯判斷和遠程控制等基本功能要求，具有低延遲、高可靠的性能要求。此外，本文所述的遠程約車系統(tǒng)的整體架構(gòu)和約車策略的設(shè)計方案，對無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用有一定的參考價值。