《智能汽车概论》-智能汽车技术概论 项目七

任务一

智能汽车网联技术概述

车联网是网联智能的代表,车联网以车内网、

车际网和车载移动互联网为基础(见图7-1),按照约定的通信协议和数据交互标准,在车与X(X:车、

路、

行人及云端等)之间进行无线通信和信息交换。任务一

智能汽车网联技术概述

如图7-2所示,行驶环境下,车辆在驶过交叉路口时可以与交通设施进行信息交换,同时将它们的实时状态发布到车联网整体的网络体系,其他车辆收到这些交通设施实时信息后便可以灵活决策,可以大大减小拥堵、

阻塞等交通路况。任务二

车载网络一、

汽车总线技术1.CAN总线1)CAN总线的由来CAN总线又称车内局域网,是一个有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN总线以某种形式连接各种控制单元,形成一个完整的系统,如图7-3所示。

CAN总线最初由德国博世公司开发,用于解决现代汽车中众多电子控制模块(ECU)之间的数据交换问题。

目前,它已广泛应用于汽车电子电气系统,成为欧洲汽车工业的主要行业标准,代表了汽车电子控制网络的主流发展趋势。任务二

车载网络一、

汽车总线技术1.CAN总线2)CAN总线的总体构成CAN网状拓扑可以根据几何图形的形状分为5种类型:总线拓扑、

环形拓扑、

星形拓扑、

网状拓扑和树形拓扑,这些拓扑也可以混合形成混合拓扑,如图7-4所示。

汽车的网络特性可以概括为通信距离短、

网络复杂度要求低、

可扩展性要求高、

实施可靠性要求高。任务二

车载网络一、

汽车总线技术1.CAN总线3)CAN总线的硬件结构和网络通信原理CAN节点主要由微控制器、CAN控制器和CAN收发器组成,目前汽车上多采用内部集成CAN控制器的微控制器,硬件结构示意图如图7-6(a)所示。CAN收发器对CAN-H和CAN-L两根线的电压做差分运算后生成差分电压信号,然后采用“负逻辑”将差分电压信号转换为数字信号,工作原理示意图如图7-6(b)所示。任务二

车载网络一、

汽车总线技术1.CAN总线4)CAN报文帧结构在CAN总线上,报文是以“帧”来发送的,每一帧都包含以下部分,如图7-7所示。任务二

车载网络一、

汽车总线技术1.CAN总线5)CAN总线的仲裁机制仲裁是总线应用中一个相当重要的概念,CAN总线采用载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)技术。

如果总线空闲(隐性位),有报文准备发送,那么每一个节点都可以开始发送报文。

报文以显性位(报文帧起始位)开始,接着是标识符。

如果多个节点同时开始发送报文,那么使用“线与”仲裁机制(仲裁用逻辑“与”)来解决总线冲突问题,确定优先级最高的报文,而不需要损失时间或数据(非破坏性仲裁),如图7-8所示。任务二

车载网络一、

汽车总线技术2.LIN总线LIN包含一个宿主节点和一个或多个从节点,如图7-10所示。

所有节点都包含一个被分解为发送和接收任务的从任务(SlaveTask),而宿主节点还包含一个附加的主任务(MasterTask)。

在实时LIN中,通信总是由主任务发起的。任务二

车载网络一、

汽车总线技术2.LIN总线(2)LIN的节点结构。

一个LIN节点主要由微控制器和LIN收发器组成,而微控制器通过UART/SCI接口与LIN收发器连接,几乎所有微控制器都具备UART/SCI接口,并且LIN收发器(如TJA1020、MC33399等)的RXD、TXD引脚可与微控制器的RXD、TXD引脚直接连接,无须电平转换,如图7-11所示。

任务二

车载网络一、

汽车总线技术3.MOST总线MOST是MediaOrientedSystemsTransport的缩写,是用于多媒体数据传送的网络系统。MOST总线数据传输速率最高可达24.8Mb/s,而且没有电磁干扰,如图7-12所示。

任务二

车载网络一、

汽车总线技术4.FlexRay总线FlexRay的总线拓扑和星型拓扑均支持双通道,即FlexRay总线有两个通道,其最高速率都可达到10Mb/s,即总线的两个通道上的数据总速率可达20Mb/s,网络带宽是CAN的20倍以上。FlexRay总线结构示意图如图7-13所示。

任务二

车载网络二、

车载以太网1.车载以太网概述如表7-1所示,随着汽车上的电子设备变得越来越复杂,各种控制系统以及传感器的使用越来越多,车内的各种处理器和域控制器需要更多的数据交互,这种大量的数据交互对于车内数据传输带宽的要求越来越高。

而车载以太网因具有众多优点,在汽车车载网络中被普遍应用。任务二

车载网络二、

车载以太网2.车载以太网的物理层技术2)100Mb/s的汽车以太网解决方案由于存在多种规范的以太网,因此网卡也存在多种传输速率,以适应它所兼容的以太网。

目前网卡在标准以太网中速度为10Mb/s,在快速以太网中速度为100Mb/s,在千兆以太网中速度为1000Mb/s。BroadR-Reach是博通公司针对汽车环境开发的数据传输技术,其特点是可用一对UTP(非屏蔽双绞线)实现100Mb/s的传输速度,如图7-14所示,相对普通百兆以太网连接电缆开销已经显著降低。任务二

车载网络二、

车载以太网3.车载以太网的链路层协议1)IEEE时间敏感网络TSNTSN协议族包含了时钟同步、

数据调度及流量整形、

可靠性、

资源管理这四个类别的子协议,如图7-15所示。任务二

车载网络二、

车载以太网3.车载以太网的链路层协议②数据调度及流量整形TSN不仅要保证时间敏感流的到达,同时也要保证这些数据流的低时延传输。

通过优化控制时间敏感流和best-effort流,以及其他数据流在网络中的传输过程,来保证对数据流的传输时间要求,这个优化控制的方式就是整形,如图7-16所示。任务二

车载网络二、

车载以太网3.车载以太网的链路层协议如图7-17所示,使用IEEE802.1Qbv,数据包传输被安排在一个重复周期中端到端。IEEE802.1Qbv中定义了三种基本类型的流量:时间敏感流、best-effort流和预留流量。

时间敏感流适用于对实时性要求严格的关键消息,best-effort流是不需要任何QoS的一般以太网流量。

此外,预留流量适用于需要预留特定带宽并具有软实时要求的帧。任务二

车载网络二、

车载以太网3.车载以太网的链路层协议(3)可靠性。IEEE802.1CB为以太网提供双链冗余特性,通过在网络的源端系统和中继系统中对每个数据帧进行序列编号和复制,并在目标端系统和其他中继系统中消除这些复制帧,确保仅有一份数据帧被接收。

其可用来防止由于拥塞导致的丢包情况,也可以降低由于设备故障造成分组丢失的概率及故障恢复时间,提高网络可靠性。

如图7-18所示。任务二

车载网络二、

车载以太网4.车载以太网拓扑车载以太网常见的拓扑结构有星型、

菊花链型和树型,如图7-21所示。

这些结构在交换式以太网中支持IEEE802.3和IEEE802.1Q标准。任务二

车载网络二、

车载以太网5.车载以太网发展趋势车载以太网是应用于未来汽车的通信技术,不可能完全替代现有的车载网络,它的应用是一个渐进的过程,大致可分为三个阶段:局部网络阶段、

子网络阶段、

多子网络阶段。(1)局部网络阶段。

该阶段指可单独在某个子系统上应用车载以太网技术,实现子系统功能。(2)子网络阶段。

该阶段指可将某几个子系统进行整合,构建车载以太网子系统,实现各子系统的功能,如ADAS等。(3)多子网络阶段。

该阶段指将多个子网络进行整合,车载以太网作为车载骨干网,集成动力、

底盘、

车身、

娱乐等整车各个域的功能,形成整车级车载以太网络架构,实现车载以太网在车载局域网络上的全面应用。任务三

智能汽车无线通信技术一、V2X技术V2X还强调“智能决策”“协同控制和执行”功能,以强大的后台数据分析、

决策、

调度服务系统为基础,如图7-22所示。而且要实现智能驾驶,车辆必须具备感知系统,像人一样能够观察周围的环境,所以,除了传感器,V2X技术也属于智能驾驶的一个感知手段。任务三

智能汽车无线通信技术一、V2X技术车辆自身与互联网之间的信息交换,主要包括以下三点。(1)车辆自身的行驶信息和传感器数据与互联网分析的大数据结果进行信息内容的交换。(2)车辆终端系统与互联网上的资源进行信息内容的交换。(3)车辆自身的故障系统与互联网远程求助系统进行信息内容的交换。V2X通信技术目前有DSRC与LTEV2X两大路线。DSRC发展较早,目前已经非常成熟,不过随着LTE技术的应用推广,未来在车联网领域也将有广阔的市场空间。

V2X总体示意如图7-23所示。任务三

智能汽车无线通信技术二、DSRC技术1.DSRC技术概述美国5.9GHzDSRC的频段规划,以10MHz频宽为单位,将75MHz频宽划分成7个频道,并由低频至高频分别给予172、174、176、178、180、182与184频道编号。

如图7-24所示任务三

智能汽车无线通信技术三、LTE-V通信技术2.LTE-V技术LTE-V针对车辆应用定义了两种通信方式:集中式(LTE-V-Cell)和分布式(LTE-V-Direct),如图7-26所示任务三

智能汽车无线通信技术三、LTE-V通信技术3.5G技术1)5G网络的关键技术(1)设备到设备的通信。D2D是DevicetoDevice的英文缩写,即设备到设备的通信。D2D通信是指在一定距离范围内设备之间的直接通信,如图7-27所示。任务四网联信息交互技术应用超车自主提醒功能后车通过车联网获取前车的运行轨迹数据，当后车即将超车且前车车速较高时，后车车载计算器将行车记录画面传送给前车，前车根据后车轨迹和速度自动判断超车情况，并在地图上显示两车位置，提醒驾驶员后车超车车道和追平时间。防追尾自主提醒机制前后车辆通过车联网交换卫星定位数据和运行轨迹，当后车高速接近前车且轨迹重合时，双方车辆会同时向驾驶员发出报警提醒，防止追尾事故。车辆还会结合前方车辆速度、本车速度和惯性计算制动距离，若处于追尾范围内，汽车将自动减速并报警。防撞自主报警系统在弯道或大型车辆周围行驶时，车辆通过车联网无线通信系统接收周边车辆位置数据，并在地图上显示，相互发送防撞报警信息，以避免因视觉死角或遮挡导致的撞车事故。身份信息问询与应答车辆利用车牌号在车联网上注册身份，绑定车辆类型信息或设置紧急信息。周边车辆通过车联网获取这些信息，实现有序避让。交警车辆可查询途经车辆年检和保险信息，车载计算机根据信息判断危险状况，并向周边车辆发送多媒体信息。驾驶习惯自主交流与共享车载计算器记录车辆转弯、踩油门、踩制动力度等数据，结合定位数据判断驾驶员的驾驶习惯，并进行分类。车联网将驾驶习惯信息发布给周边车辆，提醒驾驶员如何处理。驾驶习惯信息还可上传给车辆生产企业和交管部门，用于改进车辆性能和管理驾驶员。任务四网联信息交互技术应用前方道路异常状况自动问询当车辆遭遇拥堵时，车联网技术可通过车辆定位数据和道路状况自动判断拥堵位置，并从拥堵处车辆的行车记录仪获取视频图像，发布给后方被堵车辆，帮助驾驶员选择行车方案。红灯预警功能红灯预警系统利用V2I设备，在车辆接近交通信号灯路口且即将亮红灯时，判断车辆无法及时通过路口，及时提醒驾驶员减速停车，有效减少不必要的加速和急刹。弯道限速预警机制弯道限速预警功能通过V2I设备接收弯道限速信号，及时提醒驾驶员减速慢行，类似于基于GPS地理信息导航的限速提醒，但能更及时地与驾驶员沟通路况信息。天气预警系统天气预警系统在车辆行驶至恶劣天气区域时，提醒驾驶员控制车速和车距，并谨慎使用驾驶员辅助系统，类似于高速公路边的天气提示，但通过车联网技术实现更精准的预警。人行横道行人预警技术人行横道行人预警技术通过安装在人行横道的行人探测传感器，当车辆接近时，交通信号设施向周边车辆发送行人信息，提示车辆减速及停车，类似于通过雷达或摄像头实现的自动紧急制动功能。车联网技术的未来发展方向随着无人驾驶技术的成熟，车联网技术将实现车辆间更丰富的信息交互，信息交互应用将成为车联网未来发展的主要方向，除了当前应用外，还有更多潜在应用等待开发。任务五

汽车OTA技术及网络安全1.汽车OTA分类及架构汽车OTA架构主要包含云端服务器和车辆终端两部分,如图7-29所示。云端服务器为车载终端提供OTA服务,主要管理各个软件供应商的原始固件升级。

出于安全考虑,往往需要构建一个独立的子模块,负责OTA服务平台的安全,包括密钥证书管理服务、

数据加密服务、

数字签名服务等。

而车辆终端的OTA组件则负责对升级包进行合法性验证,适配安全升级流程。任务五

汽车OTA技术及网络安全2.汽车OTA流程此处以特斯拉为例,介绍汽车OTA的具体流程,如图7-30所示。

特斯拉从2012年开始做OTA