CAN驾驶

引言

基于雷克萨斯RX 450h平台的StarLine无人驾驶汽车是一项于2018年启动的研究项目。 该项目向来自开源社区的有抱负的专业人员开放 。 我们为所有人提供代码级别的开发流程，以在配备了昂贵设备的真实汽车上测试其算法。 为了控制汽车，决定使用开放框架Apollo。 为了使Apollo正常工作，我们需要连接一组模块。 这些模块帮助程序接收有关汽车的信息，并根据指定的算法对其进行控制。

这些模块包括：

• 使用GPS坐标在空间中定位汽车的模块；
• 用于汽车转向，加速和制动的模块；
• 汽车系统状态模块：速度，加速度，方向盘位置，踩下踏板等；
• 用于获取有关汽车环境的信息的模块。 超声波传感器，照相机，雷达和激光雷达可以处理此问题。

首先，我们的团队面临着学习控制方向盘，汽车加速和制动的任务。 并且还接收有关汽车系统状态的信息。 为此，做了很多工作来研究雷克萨斯CAN总线。

理论部分

什么是CAN总线？

在现代汽车中，电子系统控制了所有系统（图1）。 电子部件是专用计算机，每台计算机都具有与汽车集成的所有必要接口。 使用数字通信接口，将这些单元联网以相互交换信息。 汽车中最常见的数字接口是CAN，LIN，FLEXRay。 其中，CAN被最广泛地使用。

CAN（控制器局域网）总线是行业标准网络。 1986年，该标准由博世开发。 1991年发布的第一辆配备CAN总线的汽车是Mercedes-Benz W140。 开发该标准是为了允许设备在没有主机的情况下彼此通信。 使用特殊消息交换信息，特殊消息包括ID字段，消息长度和数据。 每个块都有自己的一组ID。 在这种情况下，具有较低ID的消息在总线上具有优先权。 数据字段可以携带例如有关系统和传感器的状态，用于控制机构的命令等信息。


图 1.车辆CAN总线。

在物理层面上，总线是双绞铜导体。 信号以差分方式传输，因此具有很高的抗噪能力。


图 2. CAN总线上信号的物理表示

通过CAN总线，您可以接收有关各种传感器和车辆系统状态的信息。 同样通过CAN，您可以控制汽车的组件。 我们将这些机会用于项目。

我们选择雷克萨斯RX，是因为我们知道我们可以通过CAN管理所有必要的节点。 由于研究汽车时最困难的事情是封闭协议。 因此，选择此特定汽车型号的原因之一是Openpilot开源项目中存在CAN总线协议部分的描述。

正确驾驶汽车意味着了解汽车系统的机械部件如何工作。 我们需要对如何使用功率放大器或控制汽车的减速有很好的了解。 实际上，例如，当车轮转弯时，它们会产生对转向的阻力，这会在转弯时对转向产生限制。 某些系统必须在特殊操作模式下进入汽车才能使用。 我们必须在此过程中研究这些和其他细节。

电动助力转向

电动助力转向系统EPS（Electric Power Steering）是一种旨在降低转弯时的转向力的系统（图3）。 前缀“电子”是指系统的类型-电。 使用此系统操纵方向盘变得舒适，驾驶员将方向盘向正确的方向旋转，电动机帮助将方向盘旋转至所需角度。

功率放大器安装在汽车的转向轴上，其部件通过扭力轴互连。 扭矩传感器（扭矩传感器）安装在扭力轴上。 当方向盘旋转时，扭力轴会扭转，扭矩传感器会记录下来。 从扭矩传感器，速度传感器和曲轴转数接收的数据被馈送到ECU电子控制单元。 然后，ECU已经计算出必要的补偿力并向放大器的电动机发出命令。


图 3.电动助力转向系统示意图


视频：LKA系统使用EPS系统操纵汽车。

电子油门踏板

节气门是一种用于调节将落入发动机的混合燃料量的机构。 混合得越多，汽车行驶得越快。
电子油门踏板是一个涉及多个电子组件操作的系统。 踩下踏板时，有关踏板位置的信号会进入发动机控制单元ECM（发动机控制模块）。 ECM基于此信号，计算必须提供给发动机的所需燃油量。 根据所需的燃油量，ECM调节节气门开度。


图 4.电子油门踏板系统。


视频：电子油门踏板用于操作巡航控制系统。

电子驾驶员辅助系统

我们购买了装有各种数字单元和驾驶员辅助系统（ADAS）的汽车。 在我们的项目中，我们使用LKA，ACC和PCS。

LKA（车道保持辅助系统）是一种带状保持系统，由前置摄像头和计算单元组成。 例如，当驾驶员分心时，LKA会将汽车保持在车道上。 计算单元中的算法从摄像机接收数据，并根据这些算法做出有关汽车在道路上状况的决策。 该系统能够了解汽车正在向右或左车道无节制地行驶。 在这种情况下，会发出蜂鸣声以吸引驾驶员的注意。 越过车道时，系统本身将调整车轮的旋转角度，以使汽车保持在车道中。 仅当系统意识到车道之间的操纵不是由驾驶员引起时，才应进行干预。

ACC（自适应巡航控制）-自适应巡航控制系统，可让您设置所需的速度。 汽车本身会加速和减速以保持所需的速度，而驾驶员可以将脚从油门踏板和制动踏板上移开。 在高速公路和高速公路上行驶时，此模式使用方便。 自适应巡航控制系统能够看到汽车前方的障碍物并减速，以免与障碍物碰撞。 如果另一辆低速行驶的车辆向前行驶，则ACC会减速并跟随。 当检测到静态物体时，ACC将减速直到停止。 为了检测汽车前方的物体，这种系统使用了毫米波长范围的雷达。 通常，此类雷达以24-72 GHz的频率运行，并能够自信地看到300米距离处的物体。 雷达通常安装在格栅前徽章的后面。

PCS（预碰撞系统）-防撞系统。 该系统旨在防止与前方行驶的汽车发生碰撞。 当不可避免发生碰撞时，系统将碰撞损坏降至最低。 它还使用雷达估计到物体的距离，并使用前置摄像头对其进行识别。 PCS正面根据车辆的速度，与物体的距离及其速度来预测发生碰撞的可能性。 通常，系统具有两个操作阶段。 第一阶段-系统响起并显示在仪表板上，告知驾驶员危险。 第二阶段-使用ABS系统激活紧急制动，并激活安全带预紧器。

实践部分

方向盘

我们团队想要做的第一件事就是学会驾驶。 汽车中的方向盘可以由两个系统控制：IPAS泊车辅助系统（Intelligent Park Assist）和LKA。

IPAS允许您直接以度为单位设置转向角。 由于我们的汽车没有此系统，因此无法以这种方式检查和掌握转向。

因此，我们研究了汽车的电路，并意识到哪些CAN总线可能有用。 我们连接了一个CAN总线分析仪。 该日志按时间顺序包含总线中消息记录的文件。 我们的任务是找到EPS动力转向小组（Electric Power Steering）。 我们从一侧到另一侧取了方向盘日志，在日志中我们可以找到方向盘旋转角度和旋转速度的读数。 以下是更改CAN总线中数据的示例。 我们感兴趣的数据用标记突出显示。


向左360度转向


将方向盘向右旋转270度

在下一步中，我们检查了车道保持系统。 为此，我们去了一条安静的街道，并记录了车道保持单元和DSU（驾驶辅助ECU）之间的交换日志。 使用CAN总线分析仪，我们能够从LKA系统计算消息。 图6显示了EPS控制命令。


图 5.使用LKA系统的转向命令

LKA通过设置方向盘轴（STEER_TORQUE_CMD）上的扭矩值来控制方向盘。 该命令被EPS模块接受。 每条消息的头中都包含一个计数器值（COUNTER），该值随每次发送而增加。 LKA_STATE字段包含LKA状态信息。 要捕获控制，必须将STEER_REQUEST位置1。

负责重要自动系统运行的消息受校验和（CHECKSUM）保护，以最大程度地减少错误警报的风险。 如果消息中包含错误的校验和或计数器值，则汽车将忽略此类命令。 这是制造商提供的针对第三方系统干扰和通信线路干扰的保护措施。

该图（图6）显示了LKA操作图。 扭矩传感器-扭矩轴上扭矩传感器的值。 扭矩命令是LKA的转向团队。 图为如何操纵LKA将汽车固定在车道上。 当穿越零时，方向盘的旋转方向会改变。 即 负信号表示向右转，左值表示正。 将命令保持为零表示LKA缺乏控制。 在驾驶员的干预下，系统停止发出控制权。 LKA通过方向盘一侧的轴上的第二个扭矩传感器检测驾驶员的干预。


图 6. LKA系统时间表

我们不得不检查指导小组的工作。 使用StarLine Sigma 10模块，我们准备了用于控制测试的固件。 StarLine Sigma 10应该向方向盘发出命令以向左或向右转动方向盘。 当时，我们没有用于控制模块的图形界面，因此我们不得不使用汽车的标准方法。 我们在CAN总线中找到了巡航控制杆的位置状态，并对模块进行了编程，以使操纵杆的上方位置将方向盘向右旋转，而下方位置-则向左旋转（图7）。


图 7.首次转向

视频显示，控制是在较短的部分中进行的。 发生这种情况有几个原因。

第一个原因是缺乏反馈。 如果Torque Cmd信号与Torque Sensor之间的差异超过某个Δ值，系统将自动停止接受命令（图8）。 我们设置算法以根据轴上的扭矩值（扭矩传感器）来调整输出命令（扭矩CMD）。


图 8.信号差异会导致系统错误

以下限制与EPS内置的安全系统有关。 EPS系统不允许LKA团队进行大范围的操纵。 这是很合逻辑的，因为 在道路上行驶时，突然进行操作并不安全。 因此，当超过轴上扭矩的阈值时，LKA系统会产生错误并关闭（图9）。


图 9.超过轴上转矩控制的阈值

不管LKA系统是否被激活，带有来自其的命令的消息始终存在于总线上。 我们指示EPS模块以特定的力向左或向右转动车轮。 同时，LKA用“空”消息中断我们的程序包。 在我们的团队获得了当下的价值之后，标准才有了零（图10）。


图 10.常规消息带有零力矩值并中断我们的控制

然后，使用StarLine Sigma 10模块，我们可以过滤来自LKA的所有流量，并在需要时阻止ID为2E4的消息。 这解决了问题，并且我们设法获得了平稳的转向控制（图11）。


图 11.顺畅的方向盘调整，无错误

气体管理

ACC自适应巡航控制系统通过CAN总线控制加速和制动软件。 ECU引擎控制单元接收DSU命令，如果您需要加速，它将激活电子油门踏板。 再生制动用于制动汽车。 在这种情况下，一个命令用于制动和加速，只有值不同。

加速或减速控制命令如图12所示。它由加速值ACCEL_CMD，一对开销位和一个校验和校验和组成。 对于车辆加速，ACCEL_CMD为正；对于减速，为负。 加速度设置在0到3 m / s ^ 2的范围内，减速度类似，但是带有负号。 要将数据发送到总线，必须以系数0.001重新计算所需的加速度或减速度。 例如，要加速1 m / s ^ 2，ACCEL_CMD = 1000（0x03E8）。


图 12.控制汽车加减速的命令

我们从标准ACC系统中删除了日志，并对团队进行了分析。 与我们对团队的描述进行比较并开始测试。


图 13. ACC自适应巡航控制加/减速日志（以标记突出显示）

这并非没有困难。 我们在交通繁忙的道路上行驶，对加速团队进行测试。 车辆的加速或减速控制命令仅在巡航控制系统被激活时有效，不足以通过按钮激活它。 有必要找到前面行驶的汽车，然后打开以下模式。


图 14.当前面有另一辆车时，将启动巡航控制系统

使用StarLine Sigma 10模块，我们发送加速命令，然后汽车开始加速。 至此，我们连接了用于控制StarLine Sigma 10模块的图形界面，现在我们可以使用应用程序中的按钮来控制方向盘，加速和制动。

车队一直努力直到输掉前面的赛车。 巡航控制系统已关闭，因此加速命令停止工作。
我们开始研究使用没有主动巡航控制系统的团队的可能性。 我不得不花很多时间分析CAN总线中的数据，以了解如何为团队工作创造条件。 首先，我们感兴趣的是，该块阻止了ACC命令的执行以加速或减速。 我必须研究哪些ID来自DSU，LKA，雷达和照相机，并且不使用各种传感器的假数据。

这个决定是在3周后作出的。 到那时，我们已经知道了汽车的各个模块是如何相互作用的，对消息流量进行了研究并确定了每个模块发送的消息组。 驾驶支持ECU（DSU）负责自适应巡航控制ACC。 DSU发出命令来加速和减速汽车，而正是这个单元从毫米范围雷达接收数据。 雷达以什么相对速度告诉DSU对象移动到机器的距离是什么，并确定其水平位置（向左，向右或向中心）。

我们的想法是替换雷达数据。 我们删除了跟踪汽车的日志，并在跟踪时从其中提取了雷达数据。 现在，打开巡航控制系统后，我们会发送有关前排汽车存在的虚假数据。 原来是欺骗我们的汽车，说前面​​的另一辆汽车在特定距离处移动。

a） b）
图 15.巡航启动：a）尝试启动而不更换雷达数据； b）替换雷达数据时激活。

当我们开始遇到障碍时，在仪表板上，前面车辆的存在图标点亮。 现在我们可以测试我们的管理了。 我们启动加速命令，汽车开始快速加速。

如我们所知，加减速命令是其中之一。 因此，他们立即检查了减速度。 我们通过主动巡航控制以极速行驶，发出了制动命令，汽车立即减速。

结果，现在事实证明是完全按照我们的需要来加速和减速汽车。

目标已实现。

我们还用什么

要制造无人机，必须控制辅助系统：转向信号，刹车灯，警报器，喇叭等。所有这些都可以通过CAN总线进行控制。

硬件和软件

为了今天与汽车一起工作，我们使用了各种设备：

• Marathon总线分析器使您可以同时连接和读取两条总线中的数据。分析仪制造商的网站提供免费的日志分析软件。但是我们使用公司编写的软件供内部使用。
• StarLine 10 . CAN LIN . C, . CAN-. , ID .
• Toyota/Lexus. : , -, , .

, , .

StarLine — , .

GitLab