智能网联汽车传感器与车载网络传输技术_张万军.pdf
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1、37网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering近年来,消费者对汽车产品有了更加安全、经济、智能、环保、舒适的要求,而随着智能汽车电子电器架构的飞速发展,对汽车舒适驾驶系统、多媒体及影音系统的需求越来越高,5G 技术的发展使得汽车智能化、自动化进程的加速推进,人工智能(AI)交互控制车辆的场景不断增加,对车载网络技术与智能网联汽车传感器的发展提出新的要求,车内、车外的联网需求都不约而同的提出了更多网络带宽的需求。为此智能网联汽车传感器和车载网络传输技术的研究在当前
2、或者之后几年是一项重要的研究课题。1 智能网联汽车传感器1.1 激光雷达激光雷达是向目标发射激光束(发射信号),探测、跟踪和识别目标反射回来的激光束(目标回波)获得被测目标的参数(方位、距离、速度等)进行比较。智能网联传感器汽车ECU通过网络传输读取激光雷达数据,进行高效的智能决策、协同网络控制对汽车进行控制。1.2 毫米波雷达 毫米波雷达的波长介于厘米波和光波之间,是工作在毫米波波段探测的雷达。毫米波波长为 1 10 mm,频域为 30 300 GHz。毫米波具有天线波束窄、分辨率高、频带宽、抗干扰力强等特点,它能分辨识别很小的目标,而且能同时识别多个目标;具有体积小、成像能力强的特点,在智
3、能网联汽车上安装毫米波雷达有很大的好处。1.3 超声波雷达车载超声波雷达传感器,一般安装在汽车的保险杠上,通过超声波发射装置向外发出超声波,通过接收被测物体回波的时间差来测算距离。在短距离雷达测量中具有非常大的优势,多用在倒车测距雷达上。当倒车时,在驾驶室内听到“滴滴滴”的声音,就是根据超声波雷达的检测距离给司机的反馈信息。一般来说,超声波雷达的发射频率越高,探测灵敏度更高,但发射频率越高,在垂直与水平方向的探测角越小。超声波雷达探测范围在 0.1-3 米之间,精度较高,防水、防尘效果好,即使有少量的泥沙遮挡也不影响,因此非常适合应用于泊车。1.4 双目摄像头双目摄像头一般是固定焦距的,无法像
4、人眼一样快速变焦,利用三角测量原理,通过比较两幅图像的视差计算来确定距离,精度相对较高。双目摄像头每秒处理的图像在 20 帧左右,每秒处理的数据量巨大,测距计算量大、系统性能要求高、立体算法匹配难度大,需要对每一个像素点都做立体匹配,存在如对摄像头间误差精度要求高等诸多挑战。2 智能网联汽车网联传输技术2.1 CAN总线控制器局域网络简称 CAN 总线,为了抵消阻抗、提高数据通信的抗干扰性和信号质量,通常在 CAN-High 终端加 1 个 120 的终端电阻,CAN-Low 不加终端电阻。智能网联汽车传感器与车载网络传输技术张万军(天祝藏族自治县职业中等专业学校 甘肃省天祝藏族自治县 733
5、299)摘要:本文通过介绍智能网联汽车激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、双目摄像头等传感器技术。车载网络传输 CAN 总线技术、LIN 总线技术、FlexRay 总线技术、MOST 总线技术、车载以太网 Ethernet 技术。阐明智能网联汽车传感器的信息交换主要是靠车载以太网络来进行传输的。未来智能网联汽车运用信息通信、互联网、大数据、云计算、人工智能等新技术,具有部分或完全自动驾驶功能,由单纯交通运输工具逐步向智能移动空间转变的新一代汽车,这些技术将大大满足先进驾驶辅助系统。关键词:传感器;双目摄像头;CAN 总线;车载以太网38网络通信与安全Network Communication&S
6、ecurity电子技术与软件工程Electronic Technology&Software EngineeringCAN 总线通信接口对物理层及数据链路做了功能定义,可通过数据帧报文(帧起始、控制部分、仲裁部分、数据部分、响应部分、CRC 部分及帧结束)来完成位填充、数据块编码、循环冗余校验(CRC)、判别优先级等工作。节点没有主从,没有地址且平等,通过仲裁来解决传输冲突的问题,仲裁时通过数据帧报文的仲裁部分判断优先级,优先级高的将获得总线的优先使用权,优先级低的则等待下个时钟信号,发送数据帧的节点通过 AND“与运算”淘汰掉低优先级的信息。某个节点上的设备坏了不影响其他节点和通信系统,新添
7、加的节点设备不会对其他现有的节点有任何的影响,也就是所说的即插即用。随着车载网络传输技术的发展,CAN 总线开始显现速率劣势,传统 CAN 总线数据一般为 0 到 8 个 Bytes,新一代的 CAN FD(Flexible Datarate)数据加载量更大,可以达到 64 Bytes,传输速率可以达到 5 Mbit/s 甚至更高,这样增加了带宽并可在短时间内传输更多的数据。但 CAN FD 对拓扑结构有限制,设计自由度较低。第三代 CAN 总线 CAN XL 支持传输 2048 Bytes 数据,速度达到了 10+Mbit/s,并且增强了循环冗余校验(CRC),实现了更高的传输安全性。2.2
8、 LIN总线LIN 总线是一种低成本、低复杂度的简单通信场景总线。LIN 总线为单主多从式总线,无需总线仲裁,速度慢、节点少、单线制、采用星型拓扑结构,节点数最多为 16 个,只有一个主控制单元及最多 15 个从控单元,主控单元包含主控任务外还包含从控任务。LIN 总线速度慢从 2.4 K 到 19.2K bit/s,数据帧短,帧率大约是 100 帧/s,数据只有三种选择,2 Bytes,4 Bytes 和 8 Bytes。对于汽车网络通信中,如车灯,雨刷,喇叭,门,窗,锁等功能的传感器、执行器进行信号采集和目标控制通信不求最快,追求的是够用和性价比,LIN 总线成本低是最好的选择。LIN 总
9、线是按照半双工的方式工作,以无晶体振荡器或陶瓷振荡器进行时隙分配,所有节点按照固定的周期完成自己的任务收发数据,当主节点进行广播,发出报文,从属节点接受报文和采集信息,可以完成两个从节点之间一收一发。LIN 总线的数据帧报文结构非常的简单,由起始部分(同步域、同步间隔域和标识符域)和响应部分(校验域、数据域)组成。2.3 FlexRay总线FlexRay 总线,是具有高效网络利用率、故障容错能力和系统灵活性的总线技术,结合时间触发和事件触发两种触发方式,可在星形网络拓扑和无源总线两种或两种组合的拓扑结构中应用。每种拓扑结构可容纳 22个节点,两种组合最多可容纳 64 个节点。两种拓扑结构均支持
10、双通道 ECU,可提供容错冗余功能并集成多个系统级功能,两个通道的最大数据传输率达到20 Mbit/s,可在同一时间点设置两通道互为容错冗余备份。应用在对时间确定性和误差容限极高的更高阶的线控(X-By-Wire)应用场景,暨动力总成和车身控制等方面予以应用。FlexRay 总线的数据帧报文拥有静态起始部分(5 Bytes 共 40 位的帧头部分,用来识别及触发优先级的确认)和动态有效负载部分(0 到 254 Bytes,用来配置选择数据)和结束 NIT 部分组成(3 Bytes24 位,包含起始部分 CRC 与有效负载部分 CRC,用来检测错误)。2.4 MOST总线MOST 总线,在物理层
11、是一种内芯为 1 mm 的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)带塑料保护套的光纤。其传输方式有三种:光纤传输、非屏蔽/屏蔽双绞线传输、同轴线传输。最高数据传输速率为 24.8 Mbit/s,远远高于其他总线传输速率,MOST 的数据帧报文采用 16 个帧的块,帧重复率为 44.1 kHz(每帧 22.67 ms)。可将网络内的任何设备指定为主设备,其它所有结点都从主设备处获得自己的时钟信号。主要面向汽车多媒体和影音娱乐设备。MOST 总线可以采用多种拓扑结构,主要包括星形拓扑结构和环形拓扑结构,大多数汽车装置都采用环形拓扑结构布局。当总线通电时,MOST 网络中的所有节点全部激活,即进入的数据从接收器
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