面向多模式操控的汽车电子系统构架及协调控制*

张新丰 杨殿阁 连小珉

(1.同济大学新能源汽车工程中心，上海201804;2.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084)

随着汽车功能的增多，特别是电子电器的增加，汽车与人的交互模式，变得越来越复杂，人车交互设计也逐步受到重视.2009年，以汽车人机交互为主题的第一届国际会议在德国埃森召开［1］，表明汽车人机交互的研究已逐渐成为一个新兴课题.

多模式交互或多通道交互技术主要是指利用图形、语音、手势及智能体输入等方法，实现人与系统的交互［2］.多模式交互最初主要应用在计算机［3］、手持移动终端［4］，服务机器人［5］等领域.近年来，在汽车人机界面上也逐渐应用多模式交互与多模式操控.20世纪90年代以后，车载微机及远程信息服务系统的应用，使得汽车与人的交互界面发生巨大的变化［6］，触摸屏、车载语音提示和语音操控等技术已开始应用［7-8］.

目前对汽车多模式交互的研究主要集中在人车界面的开发研究［9］，比如车载显示技术，语音识别与合成技术、机器视觉技术等等，而对于实现多模式操控的电器系统构架及协调控制方法的研究相对较少.文中首先根据多模式交互操作对汽车电器系统的需求，对两种车身电器系统构架进行了优劣对比，然后提出了针对多模式操控的中央协调控制方法，最后开发了原型样车，证明了智能化全分布式系统架构及中央协调机制对于多模式操控的设计具有极大的优势.

1 面向多模式操控的电气系统架构

面向多模式操控的车身电器控制系统需要满足如下要求:(1)必须能够从多个人机交互通道接收驾驶员控制指令，比如车载微机、开关按钮(往往在仪表板或方向柱上)、装有麦克风的语音处理模块等;(2)根据多个通道的指令信号及电器进行协调控制，该协调控制功能不仅要处理有时可能冲突的指令信号(比如在某个车灯开关处于关闭状态下，驾驶员使用语音通道发出了打开指令)，而且要完成一些原本由电气系统机械及电路完成的隐含逻辑关系(比如在远近光灯打开之前，行车灯必须先打开的逻辑).

20世纪90年代后期，由于车载总线技术的不断推广和应用［10-11］，汽车车身电子电器系统中开始普遍采用基于CAN总线的模块化分布式控制系统，这种系统构架的概念结构如图1所示.

图1 模块化分布式控制系统结构Fig.1 Modulated distributed control system architecture

独立于电器的电子控制单元模块(ECU)集成了总线接口、信号调理及驱动电路，采用导线控制局域内若干电器，ECU之间则采用总线(比如CAN总线)进行信息交换.在这种系统中，可以使用ECU实现驾驶员指令的多通道输入，整车协调控制功能分布在各个ECU模块中完成，因此各个ECU功能对等、级别平行，相互之间具有很高的依赖关系.

随着集成电路和电子控制技术的发展，智能功率器件在20世纪80年代末90年代初被开发出来［12］，一些智能功率器件开始逐步在汽车上使用［13］.近些年，集成控制电路且具有总线接口的汽车智能电器开始逐步在汽车上出现，这种智能电器具有数字信号的状态输出或可以通过数字信号加以控制，并具有对自身的诊断、保护功能［14］.基于智能电器的全分布式控制系统，其概念结构如图2所示.

图2 智能化全分布式系统结构Fig.2 Intelligent completely-distributed system architecture

这种系统主要由汽车智能电器构成，以标准网关实现骨干网/局域网二级层次化网络构架.在这种系统中，不存在如图1所示的独立于电器的电子单元控制模块(在发展趋势上，所有的电器都可拥有自己专用的控制单元，并在物理空间上集成于其内部)，而整车协调逻辑控制都在中央协调器(CCCU)中完成:它接收来自多通道控制指令和所有智能电器的状态信号，并根据整车控制逻辑生成控制指令，控制指令从CCCU发出，并经过总线(可能还需要通过标准网关)传递到智能电器.

与模块化分布式控制系统构架相比，可以发现，在系统可配置性方面，智能化全分布式系统中的各个智能电器在协调控制关系上完全独立，新增或删减其中的部分电器，只需要修改CCCU中的控制逻辑而无需其他的额外改动，比如在模块化分布式控制系统中，3#电器发出的指令控制1#-5#电器，那么当该指令的控制逻辑需要修改时，ECU1-ECU5均需要修改;而在智能化全分布式系统中，同样的配置变化，只需要修改CCCU代码即可.智能化全分布式系统的可配置性提高了，因此多模式操控也可成为一种配置而系统构架可保持相对稳定.

在可靠性方面，模块化分布式控制系统由于各个ECU之间具有控制信息上的高度依赖性，单个ECU逻辑错误可以导致整个系统瘫痪;而全电子汽车中单个智能电器的故障不会导致其他电器非正常工作(因为电器之间逻辑上独立);CCCU的故障则会直接导致整个系统崩溃，因此必须采用其他方法保证系统的可靠性.

在经济性和成本方面，智能化全分布式系统中的网关在硬件上完全可以做到标准化(因为它与具体的电器无关)，CCCU也是不带任何信号调理及驱动、只有总线接口的数字处理单元，可以批量生产，各个电器集成控制电路所需额外增加的成本与线束简化减少的成本的综合，使得全分布式系统与模块化分布式控制系统成本的差异主要取决于单片机与铜材价格［15］，即当铜材价格升高时，全分布式系统能体现经济性优势.

根据上述分析，智能化全分布式系统结构在实现汽车多模式操控方面更有优势，也是未来汽车电子电器系统的发展趋势.

2 多模式操控的协调控制方法

为了完成多操控指令及原有内含逻辑关系的协调设计，首先定义了关联子系统，定义需要协调的控制指令和状态信息;再利用数理逻辑和布尔代数形式给出协调控制表达式.

2.1 关联子系统

所谓关联子系统是指在控制协调意义上的一个电器集合.围绕需要协调的控制指令，定义关联子系统:

其中:xe为需要协调的一个控制指令;DX为指令xe的控制电器集，即接收该指令并作出控制响应的电器;DY为指令xe的关联电器集，即与该指令值改变有关联的电器，比如开关等;Ie为协调信息集，协调信息来自关联电器集中的电器，用于协调运算并得到最终指令值;Λe为协调关系，即协调控制逻辑.

由上述描述可知，关联子系统只存在与逻辑意义中，并为分析电器之间的控制逻辑提供了一种手段.

2.2 协调控制逻辑的运算规则描述

利用符号化的数理逻辑描述方法，并根据实际电器的控制逻辑关系，可将协调信息集中的信号转变为逻辑命题:

式(2)中，逻辑命题ci对应于协调信息ii.事实上，这种变换在计算机上很容易实现，只需要通过关系运算符(即＞，＜，=，!=，等)将协调信息变量与预定义的状态进行比较即可.

为描述协调控制规则，将式(1)中的协调关系Λe定义为

其中Λ(B)称为协调控制函数，B为由式(2)中所有逻辑命题构成的布尔代数表达式，即由协调控制逻辑定义的逻辑命题.由于控制指令xe为多值函数，因此必须对协调控制函数进行定义才能有效，对协调控制函数的定义为

式中，m、n分别为控制指令的值，F、T分别为逻辑假和逻辑真，当条件为真时，函数Λnm(B)取所定义的n值，当条件为假时，取m值.

对于发动机启动协调控制，其关联子系统ψst定义如下:

DY={启动钥匙，引擎盖接近开关，发动机ECU状态，发动机转速传感器，冷却液传感器，维修启动开关，维修停机开关，档位};

DX={起动机，发动机ECU}.

协调关系式包括如下逻辑命题:

c1表示驾驶员点火指令(来自启动钥匙、指纹或语音指令);

c2表示档位处于空档;

c3表示发动机ECU就绪;

c4表示发动机转速为0;

c5表示冷却液低于某一温度值(如90℃);

c6表示发动机舱关闭;

c7表示维修停机开关按下;

c8表示维修启动开关按下.

那么启动控制指令xe可描述为

2.3 协调逻辑设计原则

从安全高于智能、节能高于智能的思路出发，制定了智能电器系统协调控制逻辑运算的3条基本原则:

(1)安全优先原则 安全优先原则以行车安全、用电安全等为基本出发点，指导协调控制逻辑设计.在驾驶员错误的操作、暴力的操作下，智能电器系统以安全优先原则保证系统工作安全.

(2)操作优先原则 操作优先原则要求电子协调器尽量按驾驶员的操作执行.在满足安全优先原则的前提下，体现智能化特点.

(3)最小影响原则 最小影响原则要求电子协调控制对智能电器系统的协调影响降低到最小，在实现满足状态转换条件的前提下，尽可能少改变智能电器状态.

3 中央协调及失效安全机制

中央协调器是完成车身电器系统协调控制最关键的电器，对系统的可靠性至关重要.因此采用双协调器进行在线冗余备份和相互监控提高系统的容错性和可靠性是必要的，同时由于中央协调器是一个只有总线接口的数字信号处理单元，且如果能将这相互监控的协调器设计得完全一致(软硬件完全一致)，那么可以通过批量生产大大降低其成本，不会给系统增加太多的额外支出.

3.1 中央协调器工作机制

中央协调器可以工作在3个模式(备份模式、单机工作模式及正常模式)下.中央协调器通过内部仲裁过程和侦听总线上的控制指令流，自动判断需要进入到哪种模式，中央协调器工作过程如图3所示.

图3 中央协调器的工作过程Fig.3 Operation process of central coordinator

中央协调器的工作模式转换过程可以用一个状态机来描述，转换条件C1-C7如下所述:

C1表示侦听到其他CCCU发出的控制指令;

C2表示无法侦听到控制指令超时3个周期;

C3表示失去仲裁;

C4表示赢得仲裁;

C5表示没有收到来自其他CCCU的仲裁竞争;

C6表示收到来自其他CCCU备份信号;

C7表示无法侦听到备份信号超过3个周期.

3.2 仲裁过程

在仲裁过程中，每个CCCU都发送仲裁帧.仲裁帧的ID可以使用非正常通信以外的ID，比如以CAN2.b规定的扩展帧ID格式，在29位的ID中，前8位以0xFF填充，随后的21位以随机数结束.仲裁过程如图4所示.

图4 仲裁过程Fig.4 Arbitration process

在出现如4(a)所示的情况下，CCCU在发送完毕第3帧仲裁帧后的固定时间内收到不少于3帧来自其他节点的仲裁帧，进行仲裁，即将接收到的ID按顺序比较，如果有多于两次的其他CCCU的仲裁帧ID比自己发送的要大，那么它就失去仲裁进入备份模式，否则进入正常模式;在出现如4(b)所示的情况下，即发送3帧仲裁帧后的固定时间内，侦听到少于3个来自其他CCCU的仲裁帧，则重复发送上述仲裁帧若干次，若一直无法帧听到多于3帧的其他节点仲裁帧，则进入单机模式，否则按图4(a)所示的情况处理.

协调器在备份模式下接收驾驶员指令和电器的状态信息，执行协调控制逻辑但并不发送控制指令流;正常模式下则发送控制指令流，单机模式下还要发送故障信号以提醒驾驶员进行维修.

采用基于指令流侦听、冗余备份及仲裁的失效安全工作机制不仅提高了系统可靠性和容错能力，同时系统中始终存在且只存在一个CCCU用于整车协调控制，其他的CCCU处于“隐匿”状态，保证了智能电器无需处理额外指令或信息;另外，系统中的多个中央协调器不存在主从关系，保证了CCCU软硬件完全一致.

4 原型样车开发与测试

4.1 原型样车设计

以一辆国产旅游大巴为样车，针对内部雨刮器、前换气扇、后换气扇、散热器、洗涤器、除霜器、小灯、远光灯、近光灯、前雾灯、后雾灯、司机顶灯、前门、后门、通道灯、起动机、空气弹簧、缓速器等18个可操作电器，采用智能化全分布式系统结构对整车车身电器系统进行了重新设计.

文中开发的原型样车使用的多模式操控将语音操控、触摸屏操控及传统的按钮开关操控相结合，多模式操控人/车操纵界面如5所示.

图5 多模式操控环境Fig.5 Multi-mode manipulation environment

考虑到驾驶员视线及右手操作的舒适性，将中央计算机镶嵌在仪表台右下侧，由于大客车驾驶室宽大，驾驶员与麦克风传声器之间距离不宜太大，因此将麦克风安装在驾驶员座椅靠近驾驶员左侧头部.

利用液晶显示器和触摸屏开发了基于车载微机的电器操控界面，采用颜色和字体来指示当前电器的状态.

利用中央协调器完成整车7类主要的电子协调机制:多模式操控协调、供电协调、起动熄火协调、制动系统协调、车门协调、雨刮指令协调、车外灯光协调等.

4.2 操控模式切换

语音操控、触摸操控和按钮操控3种模式之间需要进行合理的切换，切换设计如图6所示.

图6 操控模式转换控制Fig.6 Manipulation mode shift control

按钮操控模式为默认的操控模式，模式之间的转换必须有条件地进行触发，图中C1-C6分别为模式的切换条件:C1表示在触摸操控模式下，通过触摸屏设置进入语音控制模式;C2表示使用语音关闭指令退出语音控制模式，进入触摸操控模式;C3表示关闭微机电源、退出主程序或者通过主程序设置为按钮操控模式，使得触摸操控失效，进入按钮操控模式;C4表示打开微机并通过主程序界面设置为触摸操控，进入触摸屏操控模式;C5表示打开微机并通过主程序界面设置为语音操控，进入触摸屏操控模式;C6表示关闭微机电源、退出主程序或者通过主程序设置为按钮操控模式，使得触摸操控失效，进入按钮操控模式.

在原型样车完成后，对多模式操控进行了实验测试和主观评价.结果表明:(1)基于智能化分布式控制系统的多模式操控完全可行;(2)采用双协调器的失效安全机制下，在拿到一个中央协调器后系统仍能正常工作，插上后系统继续工作，故障提示解除.

5 结论

(1)多模式操控能极大地改善汽车驾驶的舒适性，是未来汽车发展的趋势.智能化全分布式控制系统相对于模块化分布式系统具有更多的优势.

(2)关联子系统分析方法能有效地实现操控指令与原有逻辑的整合协调分析;使用数理逻辑和布尔代数方法能有效地描述整车协调控制逻辑.

(3)基于指令流侦听、冗余备份及仲裁的失效安全工作机制不仅提高了系统可靠性和容错能力，同时保证了CCCU软硬件完全一致.

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