一种集中式软件定义的车道保持网络化控制系统

1.本发明涉及车辆控制技术领域，特别涉及一种集中式软件定义的车道保持网络化控制系统。


背景技术：

2.近年来，车辆电子技术和智能交通系统的进步推动着智能网联汽车朝着智能化方向发展，车道保持辅助系统是高级驾驶辅助系统的关键技术之一。随着高级驾驶辅助系统（adas）的快速发展，对于新型的电子电气架构提出了更高的需求，由于域架构在功能集成方面，减少线束和软件升级的明显优势，使得基于域架构的智能网联汽车的研究已成为热点。然而在基于功能域的电子电气架构（e/e）中，增加的e/e组件，更复杂的网络拓扑和协议等会带来未知的多跳信息延迟，系统的不确定性，因此对车道保持辅助系统的稳定性存在潜在威胁。
3.基于软件定义网络（sdn）的技术是分离信息流的控制和转发，通过一个顶层计算设备上的集中控制信息流，从而为提高网络管理带来新的优势和配置能力。它通过将传统网络节点（交换机、路由器）的控制和转发功能分离，把控制功能集中，实现了对整个网络的统一管理和调度，提升了网络的效率和灵活性。已经有一些研究将sdn引入了车载技术应用领域，但他们的重点是提高车载网络的灵活性和可扩展性。 例如，p fussey等提倡车载软件定义网络架构，并讨论架构范式的这种转变将通过加强网络安全防御和通过网络可编程性和可扩展性所带来的好处。timo hckel等提出软件定义网络 (sdn) 通过编程选项扩展了以太网控制平面，可以为汽车环境的弹性、安全性和适应性增加很多价值。然而，对于面向实时应用的车载网络，如车道保持辅助系统，sdn方法在行为同步和实时增强通信方面的潜力尚未讨论。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的车道保持网络化控制系统并未考虑基于域架构的网络延时影响以及使用集中式sdn的调度方法，而导致的车道保持效果较差。提供了一种集中式软件定义的车道保持网络化控制系统。以解决现有技术中存在的问题。
5.为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：一种集中式软件定义的车道保持网络化控制系统，其包括：车载应用策略层、车载通信控制层和车载通信数据层；所述车载应用策略层，包括：车道保持系统应用模块，对车辆转向系统进行控制辅助车辆保持在本车道内行驶；所述车载通信控制层，包括：集中式sdn调度器，对车内通信网络的通讯行为进行集中控制，实现对网络的统一管理和调度；所述车载通信数据层，包括：adas域控制器单元、车身域控制器单元、座舱域控制器单元、底盘域控制器单元、交换机单元，用于接收并执行来自车载通信控制层的统一管理
和调度指令。
6.进一步地，所述车道保持系统应用模块基于中央sdn调度器框架，来调控从adas域控制器单元到底盘域控制器单元的信息流传输。
7.进一步地，所述集中式sdn调度器包括：北向接口模块、南向接口模块和调度策略模块。
8.北向接口模块为集中式sdn调度器与车载应用策略层的接口模块，负责将车道保持系统应用模块的方向盘转角等信息发送至调度策略模块；南向接口模块为集中式sdn调度器与车载通信数据层的接口模块，负责将调度策略模块的调度指令发送至相应的通讯实体；调度策略模块根据北向接口模块传达的车道保持系统应用模块的通信需求和南向接口模块传达的数据通信层的通信需求产生调度指令。
9.进一步地，车载通信数据层的adas域控制器单元、车身域控制器单元、座舱域控制器单元、底盘域控制器单元与交换机单元之间通过车载以太网连接；交换机单元为adas域控制器单元、车身域控制器单元、座舱域控制器单元、底盘域控制器单元之间进行消息转发，起到中央枢纽的调控作用；进一步地，所述调度策略模块采用一种分数型基本周期的调度方法，负责调控和调度车载通信网络系统的信息流向。
10.进一步地，所述调度方法为了保证每个域控制器单元消息传输的同步性与实时性，将车道保持网络化控制系统的采样周期划分为个基本周期，其中是车道保持系统应用模块所需求的基本周期个数；车道保持网络化控制系统的信息流回路延时表示为：其中表示整个车道保持网络化控制系统信息流传输的总回路延时，表示车道保持网络化控制系统系统的采样周期，表示adas域控制器单元内传感器节点产生的延时，表示底盘域控制器单元内执行器节点产生的延时。
11.每个通讯实体须在相应的基本周期内完成消息帧的传输。
12.进一步地，所述基本周期长度t
bp
需满足以下条件：需满足以下条件：其中为第i个信息的最大物理传输时间，i=1,2,3...m，为分数型基本周期的长度，所有信息包的最大物理传输时间小于或等于基本周期的大小；为第j个基本周期的长度， j=1,2,3...n，所有基本周期的大小小于或等于采
样周期的长度。
13.进一步地，所述车道保持应用模块，包括：车道线识别模块、决策模块和执行模块；道路线识别模块由雷达和摄像头模块组成，用于检测与采集路况信息；决策模块：负责根据车道线识别模块的图像信息，计算出方向盘转角偏差以及车辆和横向偏差的距离；执行模块包括驱动电机和执行电机，负责执行决策模块的发出的偏移转角信息和距离反馈。来实现软件定义网络框架下的车道保持功能。
14.与现有技术相比，本发明的优点在于：通过集中式sdn调度器来对车内通信网络的通讯行为进行集中控制，实现对整个网络的统一管理和调度，以保证智能网联汽车异构网络下信息传输的效率和灵活性，进而保证车道保持系统的统一性和稳定性。
附图说明
15.图1是本发明实施例车道保持网络化控制系统框架示意图。
16.图2是本发明实施例集中式sdn调度器结构框图。
17.图3是本发明实施例车道保持网络化控制系统架构示意图。
18.图4是本发明实施例车道保持系统的控制方法流程图。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
20.其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
21.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
22.参考图1，本实施例提出了一种集中式软件定义的车道保持网络化控制系统，其包括：车载应用策略层、车载通信控制层和车载通信数据层；其中车载应用策略层，包括：车道保持系统应用模块，对车辆转向系统进行控制辅助车辆保持在本车道内行驶；其中车载通信控制层，包括：集中式sdn调度器，对车内通信网络的通讯行为进行集中控制，实现对网络的统一管理和调度；其中车载通信数据层，包括：adas域控制器单元、车身域控制器单元、座舱域控制
器单元、底盘域控制器单元、交换机单元，用于接收并执行来自车载通信控制层的统一管理和调度指令。
23.其中，车道保持系统应用模块，基于中央sdn调度器框架，来调控从adas域控制器单元到底盘域控制器单元的信息流传输。
24.参考图2，集中式sdn调度器包括：北向接口模块、南向接口模块和调度策略模块。
25.北向接口模块为集中式sdn调度器与车载应用策略层的接口模块，负责将车道保持系统应用模块的方向盘转角等信息发送至调度策略模块；南向接口模块为集中式sdn调度器与车载通信数据层的接口模块，负责将调度策略模块的调度指令发送至相应的通讯实体；调度策略模块根据北向接口模块传达的车道保持系统应用模块的通信需求和南向接口模块传达的数据通信层的通信需求产生调度指令。
26.其中，车载通信数据层的adas域控制器单元、车身域控制器单元、座舱域控制器单元、底盘域控制器单元与交换机单元之间通过车载以太网连接；交换机单元为各域控制器单元之间进行消息转发，起到中央枢纽的调控作用；其中，集中式sdn调度器的调度策略模块采用一种分数型基本周期的调度方法，负责调控和调度车载通信网络系统的信息流向。
27.参考图3，具体地，提出的调度方法为了保证每个域控制器单元消息传输的同步性与实时性，将车道保持网络化控制系统的采样周期划分为个基本周期，其中是车道保持系统应用模块所需求的基本周期个数；在本实施例中，取p=8, q=4。
28.车道保持网络化控制系统的信息流回路延时（即从环境感知单元到伺服电机和驱动电机的端到端延时）表示为：其中表示整个车道保持网络化控制系统信息流传输的总回路延时，表示车道保持网络化控制系统系统的采样周期，表示adas域控制器单元内传感器节点产生的延时，表示底盘域控制器单元内执行器节点产生的延时。
29.为保证信息流的有效传输，分数型基本周期长度t
bp
需满足以下条件：需满足以下条件：其中为第i个信息的最大物理传输时间，i=1,2,3...m，为分数型基本周期的长度，所有信息包的最大物理传输时间小于或等于基本周期的大小。
30.为第j个基本周期的长度， j=1,2,3...n，所有基本周期的大小小于或等于采样周期的长度。
31.参考图4，所述车道保持系统应用模块，包括：车道线识别模块、决策模块和执行模
块；道路线识别模块由雷达和摄像头模块组成，用于检测与采集路况信息；决策模块：负责根据车道线识别模块的图像信息，计算出方向盘转角偏差以及车辆和横向偏差的距离；执行模块包括驱动电机和执行电机，负责执行决策模块的发出的偏移转角信息和距离反馈。来实现软件定义网络框架下的车道保持功能。
32.上述方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可存储在记录介质(诸如cd rom、ram、软盘、硬盘或磁光盘)中的软件或计算机代码，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程记录介质或非暂时机器可读介质中并将被存储在本地记录介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件(诸如asic或fpga)的记录介质上的这样的软件处理。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件(例如，ram、rom、闪存等)，当所述软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现在此描述的处理方法。此外，当通用计算机访问用于实现在此示出的处理的代码时，代码的执行将通用计算机转换为用于执行在此示出的处理的专用计算机。
33.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。