張新豐 楊殿閣 連小珉

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海201804;2.清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

隨著汽車(chē)功能的增多，特別是電子電器的增加，汽車(chē)與人的交互模式，變得越來(lái)越復(fù)雜，人車(chē)交互設(shè)計(jì)也逐步受到重視.2009年，以汽車(chē)人機(jī)交互為主題的第一屆國(guó)際會(huì)議在德國(guó)埃森召開(kāi)［1］，表明汽車(chē)人機(jī)交互的研究已逐漸成為一個(gè)新興課題.

多模式交互或多通道交互技術(shù)主要是指利用圖形、語(yǔ)音、手勢(shì)及智能體輸入等方法，實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的交互［2］.多模式交互最初主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)［3］、手持移動(dòng)終端［4］，服務(wù)機(jī)器人［5］等領(lǐng)域.近年來(lái)，在汽車(chē)人機(jī)界面上也逐漸應(yīng)用多模式交互與多模式操控.20世紀(jì)90年代以后，車(chē)載微機(jī)及遠(yuǎn)程信息服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用，使得汽車(chē)與人的交互界面發(fā)生巨大的變化［6］，觸摸屏、車(chē)載語(yǔ)音提示和語(yǔ)音操控等技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用［7-8］.

目前對(duì)汽車(chē)多模式交互的研究主要集中在人車(chē)界面的開(kāi)發(fā)研究［9］，比如車(chē)載顯示技術(shù)，語(yǔ)音識(shí)別與合成技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)等等，而對(duì)于實(shí)現(xiàn)多模式操控的電器系統(tǒng)構(gòu)架及協(xié)調(diào)控制方法的研究相對(duì)較少.文中首先根據(jù)多模式交互操作對(duì)汽車(chē)電器系統(tǒng)的需求，對(duì)兩種車(chē)身電器系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行了優(yōu)劣對(duì)比，然后提出了針對(duì)多模式操控的中央?yún)f(xié)調(diào)控制方法，最后開(kāi)發(fā)了原型樣車(chē)，證明了智能化全分布式系統(tǒng)架構(gòu)及中央?yún)f(xié)調(diào)機(jī)制對(duì)于多模式操控的設(shè)計(jì)具有極大的優(yōu)勢(shì).

1 面向多模式操控的電氣系統(tǒng)架構(gòu)

面向多模式操控的車(chē)身電器控制系統(tǒng)需要滿足如下要求:(1)必須能夠從多個(gè)人機(jī)交互通道接收駕駛員控制指令，比如車(chē)載微機(jī)、開(kāi)關(guān)按鈕(往往在儀表板或方向柱上)、裝有麥克風(fēng)的語(yǔ)音處理模塊等;(2)根據(jù)多個(gè)通道的指令信號(hào)及電器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，該協(xié)調(diào)控制功能不僅要處理有時(shí)可能沖突的指令信號(hào)(比如在某個(gè)車(chē)燈開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)下，駕駛員使用語(yǔ)音通道發(fā)出了打開(kāi)指令)，而且要完成一些原本由電氣系統(tǒng)機(jī)械及電路完成的隱含邏輯關(guān)系(比如在遠(yuǎn)近光燈打開(kāi)之前，行車(chē)燈必須先打開(kāi)的邏輯).

20世紀(jì)90年代后期，由于車(chē)載總線技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用［10-11］，汽車(chē)車(chē)身電子電器系統(tǒng)中開(kāi)始普遍采用基于CAN總線的模塊化分布式控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)構(gòu)架的概念結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 模塊化分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Modulated distributed control system architecture

獨(dú)立于電器的電子控制單元模塊(ECU)集成了總線接口、信號(hào)調(diào)理及驅(qū)動(dòng)電路，采用導(dǎo)線控制局域內(nèi)若干電器，ECU之間則采用總線(比如CAN總線)進(jìn)行信息交換.在這種系統(tǒng)中，可以使用ECU實(shí)現(xiàn)駕駛員指令的多通道輸入，整車(chē)協(xié)調(diào)控制功能分布在各個(gè)ECU模塊中完成，因此各個(gè)ECU功能對(duì)等、級(jí)別平行，相互之間具有很高的依賴關(guān)系.

隨著集成電路和電子控制技術(shù)的發(fā)展，智能功率器件在20世紀(jì)80年代末90年代初被開(kāi)發(fā)出來(lái)［12］，一些智能功率器件開(kāi)始逐步在汽車(chē)上使用［13］.近些年，集成控制電路且具有總線接口的汽車(chē)智能電器開(kāi)始逐步在汽車(chē)上出現(xiàn)，這種智能電器具有數(shù)字信號(hào)的狀態(tài)輸出或可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)加以控制，并具有對(duì)自身的診斷、保護(hù)功能［14］.基于智能電器的全分布式控制系統(tǒng)，其概念結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 智能化全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Intelligent completely-distributed system architecture

這種系統(tǒng)主要由汽車(chē)智能電器構(gòu)成，以標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)/局域網(wǎng)二級(jí)層次化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架.在這種系統(tǒng)中，不存在如圖1所示的獨(dú)立于電器的電子單元控制模塊(在發(fā)展趨勢(shì)上，所有的電器都可擁有自己專(zhuān)用的控制單元，并在物理空間上集成于其內(nèi)部)，而整車(chē)協(xié)調(diào)邏輯控制都在中央?yún)f(xié)調(diào)器(CCCU)中完成:它接收來(lái)自多通道控制指令和所有智能電器的狀態(tài)信號(hào)，并根據(jù)整車(chē)控制邏輯生成控制指令，控制指令從CCCU發(fā)出，并經(jīng)過(guò)總線(可能還需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)關(guān))傳遞到智能電器.

與模塊化分布式控制系統(tǒng)構(gòu)架相比，可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)可配置性方面，智能化全分布式系統(tǒng)中的各個(gè)智能電器在協(xié)調(diào)控制關(guān)系上完全獨(dú)立，新增或刪減其中的部分電器，只需要修改CCCU中的控制邏輯而無(wú)需其他的額外改動(dòng)，比如在模塊化分布式控制系統(tǒng)中，3#電器發(fā)出的指令控制1#-5#電器，那么當(dāng)該指令的控制邏輯需要修改時(shí)，ECU1-ECU5均需要修改;而在智能化全分布式系統(tǒng)中，同樣的配置變化，只需要修改CCCU代碼即可.智能化全分布式系統(tǒng)的可配置性提高了，因此多模式操控也可成為一種配置而系統(tǒng)構(gòu)架可保持相對(duì)穩(wěn)定.

在可靠性方面，模塊化分布式控制系統(tǒng)由于各個(gè)ECU之間具有控制信息上的高度依賴性，單個(gè)ECU邏輯錯(cuò)誤可以導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓;而全電子汽車(chē)中單個(gè)智能電器的故障不會(huì)導(dǎo)致其他電器非正常工作(因?yàn)殡娖髦g邏輯上獨(dú)立);CCCU的故障則會(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰，因此必須采用其他方法保證系統(tǒng)的可靠性.

在經(jīng)濟(jì)性和成本方面，智能化全分布式系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)在硬件上完全可以做到標(biāo)準(zhǔn)化(因?yàn)樗c具體的電器無(wú)關(guān))，CCCU也是不帶任何信號(hào)調(diào)理及驅(qū)動(dòng)、只有總線接口的數(shù)字處理單元，可以批量生產(chǎn)，各個(gè)電器集成控制電路所需額外增加的成本與線束簡(jiǎn)化減少的成本的綜合，使得全分布式系統(tǒng)與模塊化分布式控制系統(tǒng)成本的差異主要取決于單片機(jī)與銅材價(jià)格［15］，即當(dāng)銅材價(jià)格升高時(shí)，全分布式系統(tǒng)能體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì).

根據(jù)上述分析，智能化全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)汽車(chē)多模式操控方面更有優(yōu)勢(shì)，也是未來(lái)汽車(chē)電子電器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì).

2 多模式操控的協(xié)調(diào)控制方法

為了完成多操控指令及原有內(nèi)含邏輯關(guān)系的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，首先定義了關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)，定義需要協(xié)調(diào)的控制指令和狀態(tài)信息;再利用數(shù)理邏輯和布爾代數(shù)形式給出協(xié)調(diào)控制表達(dá)式.

2.1 關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)

所謂關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)是指在控制協(xié)調(diào)意義上的一個(gè)電器集合.圍繞需要協(xié)調(diào)的控制指令，定義關(guān)聯(lián)子系統(tǒng):

其中:xe為需要協(xié)調(diào)的一個(gè)控制指令;DX為指令xe的控制電器集，即接收該指令并作出控制響應(yīng)的電器;DY為指令xe的關(guān)聯(lián)電器集，即與該指令值改變有關(guān)聯(lián)的電器，比如開(kāi)關(guān)等;Ie為協(xié)調(diào)信息集，協(xié)調(diào)信息來(lái)自關(guān)聯(lián)電器集中的電器，用于協(xié)調(diào)運(yùn)算并得到最終指令值;Λe為協(xié)調(diào)關(guān)系，即協(xié)調(diào)控制邏輯.

由上述描述可知，關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)只存在與邏輯意義中，并為分析電器之間的控制邏輯提供了一種手段.

2.2 協(xié)調(diào)控制邏輯的運(yùn)算規(guī)則描述

利用符號(hào)化的數(shù)理邏輯描述方法，并根據(jù)實(shí)際電器的控制邏輯關(guān)系，可將協(xié)調(diào)信息集中的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬅}:

式(2)中，邏輯命題ci對(duì)應(yīng)于協(xié)調(diào)信息ii.事實(shí)上，這種變換在計(jì)算機(jī)上很容易實(shí)現(xiàn)，只需要通過(guò)關(guān)系運(yùn)算符(即＞，＜，=，!=，等)將協(xié)調(diào)信息變量與預(yù)定義的狀態(tài)進(jìn)行比較即可.

為描述協(xié)調(diào)控制規(guī)則，將式(1)中的協(xié)調(diào)關(guān)系Λe定義為

其中Λ(B)稱為協(xié)調(diào)控制函數(shù)，B為由式(2)中所有邏輯命題構(gòu)成的布爾代數(shù)表達(dá)式，即由協(xié)調(diào)控制邏輯定義的邏輯命題.由于控制指令xe為多值函數(shù)，因此必須對(duì)協(xié)調(diào)控制函數(shù)進(jìn)行定義才能有效，對(duì)協(xié)調(diào)控制函數(shù)的定義為

式中，m、n分別為控制指令的值，F(xiàn)、T分別為邏輯假和邏輯真，當(dāng)條件為真時(shí)，函數(shù)Λnm(B)取所定義的n值，當(dāng)條件為假時(shí)，取m值.

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)協(xié)調(diào)控制，其關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)ψst定義如下:

DY={啟動(dòng)鑰匙，引擎蓋接近開(kāi)關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，冷卻液傳感器，維修啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，維修停機(jī)開(kāi)關(guān)，檔位};

DX={起動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU}.

協(xié)調(diào)關(guān)系式包括如下邏輯命題:

c1表示駕駛員點(diǎn)火指令(來(lái)自啟動(dòng)鑰匙、指紋或語(yǔ)音指令);

c2表示檔位處于空檔;

c3表示發(fā)動(dòng)機(jī)ECU就緒;

c4表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0;

c5表示冷卻液低于某一溫度值(如90℃);

c6表示發(fā)動(dòng)機(jī)艙關(guān)閉;

c7表示維修停機(jī)開(kāi)關(guān)按下;

c8表示維修啟動(dòng)開(kāi)關(guān)按下.

那么啟動(dòng)控制指令xe可描述為

2.3 協(xié)調(diào)邏輯設(shè)計(jì)原則

從安全高于智能、節(jié)能高于智能的思路出發(fā)，制定了智能電器系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制邏輯運(yùn)算的3條基本原則:

(1)安全優(yōu)先原則 安全優(yōu)先原則以行車(chē)安全、用電安全等為基本出發(fā)點(diǎn)，指導(dǎo)協(xié)調(diào)控制邏輯設(shè)計(jì).在駕駛員錯(cuò)誤的操作、暴力的操作下，智能電器系統(tǒng)以安全優(yōu)先原則保證系統(tǒng)工作安全.

(2)操作優(yōu)先原則 操作優(yōu)先原則要求電子協(xié)調(diào)器盡量按駕駛員的操作執(zhí)行.在滿足安全優(yōu)先原則的前提下，體現(xiàn)智能化特點(diǎn).

(3)最小影響原則 最小影響原則要求電子協(xié)調(diào)控制對(duì)智能電器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)影響降低到最小，在實(shí)現(xiàn)滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的前提下，盡可能少改變智能電器狀態(tài).

3 中央?yún)f(xié)調(diào)及失效安全機(jī)制

中央?yún)f(xié)調(diào)器是完成車(chē)身電器系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制最關(guān)鍵的電器，對(duì)系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要.因此采用雙協(xié)調(diào)器進(jìn)行在線冗余備份和相互監(jiān)控提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性和可靠性是必要的，同時(shí)由于中央?yún)f(xié)調(diào)器是一個(gè)只有總線接口的數(shù)字信號(hào)處理單元，且如果能將這相互監(jiān)控的協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)得完全一致(軟硬件完全一致)，那么可以通過(guò)批量生產(chǎn)大大降低其成本，不會(huì)給系統(tǒng)增加太多的額外支出.

3.1 中央?yún)f(xié)調(diào)器工作機(jī)制

中央?yún)f(xié)調(diào)器可以工作在3個(gè)模式(備份模式、單機(jī)工作模式及正常模式)下.中央?yún)f(xié)調(diào)器通過(guò)內(nèi)部仲裁過(guò)程和偵聽(tīng)總線上的控制指令流，自動(dòng)判斷需要進(jìn)入到哪種模式，中央?yún)f(xié)調(diào)器工作過(guò)程如圖3所示.

圖3 中央?yún)f(xié)調(diào)器的工作過(guò)程Fig.3 Operation process of central coordinator

中央?yún)f(xié)調(diào)器的工作模式轉(zhuǎn)換過(guò)程可以用一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)描述，轉(zhuǎn)換條件C1-C7如下所述:

C1表示偵聽(tīng)到其他CCCU發(fā)出的控制指令;

C2表示無(wú)法偵聽(tīng)到控制指令超時(shí)3個(gè)周期;

C3表示失去仲裁;

C4表示贏得仲裁;

C5表示沒(méi)有收到來(lái)自其他CCCU的仲裁競(jìng)爭(zhēng);

C6表示收到來(lái)自其他CCCU備份信號(hào);

C7表示無(wú)法偵聽(tīng)到備份信號(hào)超過(guò)3個(gè)周期.

3.2 仲裁過(guò)程

在仲裁過(guò)程中，每個(gè)CCCU都發(fā)送仲裁幀.仲裁幀的ID可以使用非正常通信以外的ID，比如以CAN2.b規(guī)定的擴(kuò)展幀ID格式，在29位的ID中，前8位以0xFF填充，隨后的21位以隨機(jī)數(shù)結(jié)束.仲裁過(guò)程如圖4所示.

圖4 仲裁過(guò)程Fig.4 Arbitration process

在出現(xiàn)如4(a)所示的情況下，CCCU在發(fā)送完畢第3幀仲裁幀后的固定時(shí)間內(nèi)收到不少于3幀來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的仲裁幀，進(jìn)行仲裁，即將接收到的ID按順序比較，如果有多于兩次的其他CCCU的仲裁幀ID比自己發(fā)送的要大，那么它就失去仲裁進(jìn)入備份模式，否則進(jìn)入正常模式;在出現(xiàn)如4(b)所示的情況下，即發(fā)送3幀仲裁幀后的固定時(shí)間內(nèi)，偵聽(tīng)到少于3個(gè)來(lái)自其他CCCU的仲裁幀，則重復(fù)發(fā)送上述仲裁幀若干次，若一直無(wú)法幀聽(tīng)到多于3幀的其他節(jié)點(diǎn)仲裁幀，則進(jìn)入單機(jī)模式，否則按圖4(a)所示的情況處理.

協(xié)調(diào)器在備份模式下接收駕駛員指令和電器的狀態(tài)信息，執(zhí)行協(xié)調(diào)控制邏輯但并不發(fā)送控制指令流;正常模式下則發(fā)送控制指令流，單機(jī)模式下還要發(fā)送故障信號(hào)以提醒駕駛員進(jìn)行維修.

采用基于指令流偵聽(tīng)、冗余備份及仲裁的失效安全工作機(jī)制不僅提高了系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)能力，同時(shí)系統(tǒng)中始終存在且只存在一個(gè)CCCU用于整車(chē)協(xié)調(diào)控制，其他的CCCU處于“隱匿”狀態(tài)，保證了智能電器無(wú)需處理額外指令或信息;另外，系統(tǒng)中的多個(gè)中央?yún)f(xié)調(diào)器不存在主從關(guān)系，保證了CCCU軟硬件完全一致.

4 原型樣車(chē)開(kāi)發(fā)與測(cè)試

4.1 原型樣車(chē)設(shè)計(jì)

以一輛國(guó)產(chǎn)旅游大巴為樣車(chē)，針對(duì)內(nèi)部雨刮器、前換氣扇、后換氣扇、散熱器、洗滌器、除霜器、小燈、遠(yuǎn)光燈、近光燈、前霧燈、后霧燈、司機(jī)頂燈、前門(mén)、后門(mén)、通道燈、起動(dòng)機(jī)、空氣彈簧、緩速器等18個(gè)可操作電器，采用智能化全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)整車(chē)車(chē)身電器系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì).

文中開(kāi)發(fā)的原型樣車(chē)使用的多模式操控將語(yǔ)音操控、觸摸屏操控及傳統(tǒng)的按鈕開(kāi)關(guān)操控相結(jié)合，多模式操控人/車(chē)操縱界面如5所示.

圖5 多模式操控環(huán)境Fig.5 Multi-mode manipulation environment

考慮到駕駛員視線及右手操作的舒適性，將中央計(jì)算機(jī)鑲嵌在儀表臺(tái)右下側(cè)，由于大客車(chē)駕駛室寬大，駕駛員與麥克風(fēng)傳聲器之間距離不宜太大，因此將麥克風(fēng)安裝在駕駛員座椅靠近駕駛員左側(cè)頭部.

利用液晶顯示器和觸摸屏開(kāi)發(fā)了基于車(chē)載微機(jī)的電器操控界面，采用顏色和字體來(lái)指示當(dāng)前電器的狀態(tài).

利用中央?yún)f(xié)調(diào)器完成整車(chē)7類(lèi)主要的電子協(xié)調(diào)機(jī)制:多模式操控協(xié)調(diào)、供電協(xié)調(diào)、起動(dòng)熄火協(xié)調(diào)、制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)、車(chē)門(mén)協(xié)調(diào)、雨刮指令協(xié)調(diào)、車(chē)外燈光協(xié)調(diào)等.

4.2 操控模式切換

語(yǔ)音操控、觸摸操控和按鈕操控3種模式之間需要進(jìn)行合理的切換，切換設(shè)計(jì)如圖6所示.

圖6 操控模式轉(zhuǎn)換控制Fig.6 Manipulation mode shift control

按鈕操控模式為默認(rèn)的操控模式，模式之間的轉(zhuǎn)換必須有條件地進(jìn)行觸發(fā)，圖中C1-C6分別為模式的切換條件:C1表示在觸摸操控模式下，通過(guò)觸摸屏設(shè)置進(jìn)入語(yǔ)音控制模式;C2表示使用語(yǔ)音關(guān)閉指令退出語(yǔ)音控制模式，進(jìn)入觸摸操控模式;C3表示關(guān)閉微機(jī)電源、退出主程序或者通過(guò)主程序設(shè)置為按鈕操控模式，使得觸摸操控失效，進(jìn)入按鈕操控模式;C4表示打開(kāi)微機(jī)并通過(guò)主程序界面設(shè)置為觸摸操控，進(jìn)入觸摸屏操控模式;C5表示打開(kāi)微機(jī)并通過(guò)主程序界面設(shè)置為語(yǔ)音操控，進(jìn)入觸摸屏操控模式;C6表示關(guān)閉微機(jī)電源、退出主程序或者通過(guò)主程序設(shè)置為按鈕操控模式，使得觸摸操控失效，進(jìn)入按鈕操控模式.

在原型樣車(chē)完成后，對(duì)多模式操控進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和主觀評(píng)價(jià).結(jié)果表明:(1)基于智能化分布式控制系統(tǒng)的多模式操控完全可行;(2)采用雙協(xié)調(diào)器的失效安全機(jī)制下，在拿到一個(gè)中央?yún)f(xié)調(diào)器后系統(tǒng)仍能正常工作，插上后系統(tǒng)繼續(xù)工作，故障提示解除.

5 結(jié)論

(1)多模式操控能極大地改善汽車(chē)駕駛的舒適性，是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì).智能化全分布式控制系統(tǒng)相對(duì)于模塊化分布式系統(tǒng)具有更多的優(yōu)勢(shì).

(2)關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)分析方法能有效地實(shí)現(xiàn)操控指令與原有邏輯的整合協(xié)調(diào)分析;使用數(shù)理邏輯和布爾代數(shù)方法能有效地描述整車(chē)協(xié)調(diào)控制邏輯.

(3)基于指令流偵聽(tīng)、冗余備份及仲裁的失效安全工作機(jī)制不僅提高了系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)能力，同時(shí)保證了CCCU軟硬件完全一致.

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