一种基于DDS实时中间件的自适应巡航控制方法

技术领域

本发明涉及智能网联汽车技术领域，具体为一种基于DDS实时中间件的自适应巡航控制方法。

背景技术

由于高速公路上的交通量不断增加，导致了更严重的拥堵，从而增加了交通波动和事故发生率。自适应巡航控制(ACC)不仅可以满足安全要求，还可以满足驾驶员的舒适性，即使在危险的交通机动中也可以为乘客提供便利，因为它可以通过自动调节车辆的速度并保持与前车的预定最小距离来减轻驾驶员的压力。因此，驾驶员更加舒适，能够更好地专注于交通状况。

自适应巡航控制要求高速信息流和信息交互，信息到达的任何延迟都可能导致致命事故，因此信息交互实时性被认为是关键任务。自适应巡航控制系统由雷达和速度传感器、发动机控制器、ACC控制器、制动控制器、制动执行器、制动开关、巡航开关组、仪表盘和后刹车灯组成。所有这些输入和信息都是实时流动的，必须立即进行分析才能做出决策。此外，系统必须感知环境中正在发生的事情，然后根据所获得的信息做出决策。

为克服这些问题并满足自适应巡航控制系统的需求，拥有分布式实时发布-订阅模型(RTPS)的中间件已成为真正解决上述困难的高效、实用的选择之一。但目前还没有使用分布式实时中间件的自适应巡航控制方法来集成ACC子系统和不同控制器，而分布式实时中间件却早已在其他不同领域成功实现，并提高了集成系统的可靠性和灵活性。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是，将分布式实时中间件DDS引入到自适应巡航控制系统中，同时满足其几项重要要求，包括不同供应商组件之间的互操作性、数据严格遵循顺序到达每个目的地、取回数值的能力(即恢复到初始设定速度)、为安全而允许冗余传感器参与的能力。

为实现上述目的，本发明提供一种基于DDS实时中间件的自适应巡航控制方法，包括分布式实时发布-订阅设计模型和QoS配置策略；所述分布式实时发布-订阅设计模型用于自适应巡航控制系统组件之间的连接和数据交换关系；所述QoS配置策略用于提高自适应巡航控制系统传输数据的稳定性；所述自适应巡航控制系统所有组件通过DDS总线连接。

进一步地，自适应巡航控制系统包括雷达和速度传感器、发动机控制器、ACC控制器、制动控制器、制动执行器、制动开关、巡航开关组、仪表盘和后刹车灯。

进一步地，述QoS配置策略包括了数据到达每个目的地的严格顺序，QoS的“PRESENTATION”和“DESTINATION_ORDER”策略让用户自由定制数据到达的顺序；QoS的“DURABILITY”策略具有取回初始值的能力，即使得ACC控制车速恢复到初始设置速度的特征；QoS的“OWNERSHIP”策略，使得自适应巡航控制系统为安全起见，允许冗余传感器参与的能力。

在本发明中，通过使用分布式DDS将自适应巡航控制系统的各个组件集成在一起，使不同的组件能够在同一时间访问所有输入，实现数据交换实时性。此外，DDS总线集成了ACC系统内的信息，ACC系统的组件可以同时查看相同的信息以做出自己的决策。将DDS引入汽车自动控制系统后，无需重新配置系统中的数据流，就能更容易地为汽车添加传感器和不同的仪器，还能更容易地为汽车添加使用从传感器获得的相同数据的不同功能，而无需修改任何硬编码，只需将新功能添加到DDS数据总线即可。通过这种方式，仪表盘、ACC控制器、发动机控制器、制动控制器和制动执行器都有机会同时读取驾驶员通过巡航开关组和制动开关输入的信息、雷达输入的信息以及速度传感器输入的信息。

本发明中，首先将自适应巡航控制系统中要交换的数据称为主题(Topic)。在DDS中，每个主题包含一个名称(必须是唯一的)、一种类型(该类型定义了它所承载的内容)、管理域内主题行为的QoS策略，并且主题所包含的数据类型在所有Domain域中都是通用的。此外，还有所谓的数据写入器和数据读取器，数据写入器是主题的创建者，它将发布主题供订阅者接收，而数据读取器则是数据写入器所发布和创建的主题的接收者。

本发明采取的DDS的QoS策略可用于提高自适应巡航控制系统传输数据的稳定性。从耐久性上，自适应巡航控制系统具有取回数值的能力，能够将速度重置为初始设置速度，所以需要将初始设置速度保持一段时间，直到关闭ACC功能，在此期间DDS需要将数据保留在内存中。从呈现性上，自适应巡航控制系统中的数据严格遵循顺序进行传输是非常重要，因为雷达和传感器需要不断更新ACC控制器中的数据，并且需要数据按顺序接收更改和更新。本发明中的DDS既可以严格监控主题发布者的顺序，也可以让共享同一主题发布者的不同数据写入器对实例所做的更改能以相同的顺序提供给主题订阅者。

本发明采取的DDS可以对自适应巡航控制系统中的数据所属权限进行控制，而且允许多个数据写入器更新同一数据的策略，例如关闭按钮和踏板制动是关闭ACC系统的两种方法，关闭ACC功能的数据实例“OFF”主题只允许“OFF”开关数据写入器和制动开关数据写入器对数据进行更改。

本发明采取的DDS允许自适应巡航控制系统集成多个冗余传感器来测量车辆的距离，例如将主题的QoS策略中的访问范围设置为“GROUP”，那么多个相同类型的传感器可以修改同一个主题数据，发布者对同一数据实例所做的更改之间的逻辑顺序取决于数据源的时间戳，这可以保证所有订阅者中获取到的数据最终值保持一致。

本发明的具有的优点是：为自适应巡航控制系统适配一个具有分布式实时发布-订阅模型的面向消息的实时中间件。另外，本发明为基于DDS实时中间件的自适应巡航控制系统适配了相应的QoS策略。

附图说明

图1是包含自适应巡航控制系统所有组件的DDS总线；

图2是自适应巡航控制系统的发布者和订阅者的结构；

图3是作为发布者的巡航开关组与作为订阅者的仪表盘之间的关系；

图4是作为发布者的制动控制器与作为订阅者的发动机和ACC控制器、制动执行器和后刹车灯之间的关系；

图5是作为发布者的制动开关与ACC控制器和发动机控制器以及作为订阅者的仪表盘之间的关系；

图6是作为发布者的雷达和作为订阅者的ACC控制器之间的关系；

图7是作为发布者的ACC控制器与作为订阅者的发动机和制动控制器以及仪表盘之间的关系；

图8是作为发布者的仪表盘与作为订阅者的ACC控制器之间的关系；

图9是作为发布者的速度传感器与作为订阅者的制动控制器之间的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

在本发明中，驾驶员与系统之间的互动包括开启ACC、设定车速、跟随车辆、设定间距、解除ACC、ACC恢复等操作。

开启ACC：当驾驶员按下“ON”开关激活ACC时，该按钮是一个“ON”主题数据写入器，并且此时仪表盘上的ACC符号先亮起，并发布“CRZ_RQST”主题实例，只要ACC控制器收到该消息时，ACC就会准备就绪。

设定车速：首先驾驶员增加车速到一定水平，按下“SET+”按钮，发布“SET+”主题，并且此时采用了QoS耐久性策略将车辆预设速度存放在内存中，以便于车辆随时恢复至预设速度。

跟随车辆：当开启ACC车辆的前方有车辆驶入同一条道路，或者有速度较慢的车辆驶入同一条车道时，车辆的速度都会进行调整，以保持预先设定的间隙空间。

设定间距：驾驶员有责任根据驾驶情况选择可接受的间距，驾驶员可以按下“TIMEGAP+”，时间间隙值就会增大，从而增加两车之间的间距。按下“TIMEGAP-”开关，时间间隙值减小，两车之间的间隙减小。

解除ACC：ACC可以通过手动或者自动方式解除，其方式包括踩下制动踏板、按下“OFF”开关、车速低于预定速度、检测到ACC故障等共四种方式。ACC恢复：驾驶员通过踩下加速踏板来改变预设速度和间隙距离。当驾驶员松开加速踏板时，ACC恢复原有设置且车速会降低到预定值，如果车速低于预定值，“BRK_DEC_RQST”主题将被发布。

在图1中，展示了DDS总线和自适应巡航控制系统中所有组件的连接关系，DDS总线上包括了作为发布者(publisher)的速度传感器、雷达、制动开关、ACC控制开关组，作为订阅者(subscriber)的制动执行器和后刹车灯，以及既能作为发布者又能作为订阅者(publisher/subscriber)的仪表盘、ACC控制器、发动机控制器、制动控制器。

在基于DDS中间件的自适应巡航控制系统中存在许多不同的主题以及主题对应的数据写入器和数据读取器。数据写入器是主题的创建者，将主题发布给订阅者接收，而数据读取器是数据写入器所发布和创建的主题的接收者。在图2显示了发布者、订阅者、数据写入者、数据读取器、主题和QoS策略之间的一般关系。

当驾驶员操作ACC控制开关组时，在仪表盘上应当显示其操作后的反馈。在图3中，展示了ACC系统功能按钮和仪表盘之间的发布/订阅关系，其中ACC系统功能按钮是作为发布者，包括有“ON”开关、“OFF”开关、“TIMEGAP+”开关、“TIMEGAP-”开关、“RESUME”开关、“-SPEED”开关、“SET+”开关等七个按钮作为数据写入器。这些数据写入器负责发布“ON”主题、“OFF”主题、“TIMEGAP+”主题、“RESUME”主题、“-SPEED”主题、“SET+”主题。仪表盘是这些主题的订阅者，当这些主题中发生的任何变化都会立即显示在仪表盘上，驾驶员可以通过仪表盘直观的看到其操作反馈。

当驾驶员踩下刹车踏板时，车辆的后刹车灯需要亮起，直到松开刹车踏板时，后刹车灯才会关闭。在图4中，展示了制动控制器、发动机控制器、ACC控制器、制动执行器和后刹车灯之间的发布/订阅关系。制动控制器是作为发布者的数据写入器，负责发布三个不同的主题，其中两个主题：“BRK_ACT_COM”和“V_SPEED”是ACC控制器、发动机控制器和制动执行器需要订阅的。后刹车灯需要订阅“LIGHT_COM”主题，因为每次车辆制动时，它都会在“LIGHT_COM”主题中发布一个事件实例，而后刹车灯数据读取器将能够始终跟踪该刹车事件实例。

当驾驶员踩下刹车踏板或者松开刹车踏板时，车辆中的其他控制器都需要接收到此信号，并执行相应的操作。在图5中，展示了制动开关、仪表盘、发动机控制器和ACC控制器之间的发布/订阅关系。制动开关是发布者，只负责发布一个主题，即“BRAKE_SWITCH”主题，每次驾驶员激活制动开关时都会释放一个新的事件实例。

在自适应巡航控制系统中，雷达是十分重要的设备，直接关系到车辆与其跟随的车辆之间的间隙。在图6中，展示了雷达和ACC控制器之间的发布者/订阅者关系。在本发明中，雷达是发布者，它提供“DISTANCE”和“V_LEAD”两个主题给ACC控制器订阅。

当驾驶员在操作ACC控制开关组后，ACC控制器会执行相应的动作，并且驾驶员能够从仪表盘上直观看到ACC控制器给到的反馈。在图7中，展示了ACC控制器、发动机控制器、制动控制器和仪表盘之间的发布者/订阅者关系。在这种情况下，ACC控制器发布三个主题。此外，其中“TARGET_V”主题和“BRK_DEC_RQST”主题都会被其他控制器订阅，最后一个主题是“ACC_INFO_MSG”，每当ACC系统发生变化时，它都会发布一个新的事件实例，而仪表盘也会订阅该主题，让驾驶员了解有关ACC系统的任何新更新。

当驾驶员启动ACC开关时，需要仪表盘上的ACC符号先亮起，随后ACC控制器执行相应动作。在图8中，展示了仪表盘和ACC控制器之间的发布者/订阅者关系。在这种情况下，仪表盘是发布者，它提供ACC控制器来订阅“CRZ_RQST”单个主题，当需要激活ACC系统时，该事件会被ACC控制器订阅。

在自适应巡航控制系统中，速度传感器是十分重要的设备，在图9中，速度传感器和制动控制器之间的发布者/订阅者关系。在本例中，速度传感器是发布者，并提供制动控制器来订阅“WHEEL_SPEED”单个主题。此外对于速度传感器发布者，可以有多个冗余传感器修改同一个主题数据。

在本发明的基于DDS实时中间件的自适应巡航控制系统中，对于其性能有重大影响的主要评估因素是数据传输效率和发布者/订阅者数量，而这些因素的影响通过丢包率、端到端延时和内存占用进行评估。对于丢包率，它的评估方法是：所有订阅者成功接收的信息总数除以所有发布者发送的信息总数，如公式

在DDS使用的较为适配的QoS策略可以提高自适应巡航控制系统中数据传输的稳定性。在本发明中在DDS的多种可用的QoS策略中，最终采用了影响ACC七种QoS策略：“DURABILITY”、“PRESENTATION”、“OWNERSHIP”、“LIVELINESS”、“RELIABILITY”、“TRANSPORT_PRIORITY”、“DESTINATION_ORDER”。在DDS中将“DURABILITY”设置为“TRANSIENT”，只需将ACC数据保存在内存中，而无需永久存储。在DDS中将“PRESENTATION”设置为“ordered_access”,因为它使订阅者能够按照更改发生的顺序查看更改，并且将“access_scope”设置为“GROUP”，这使得共享同一个发布者的不同数据写入器对实例所做的更改能以相同的顺序提供给订阅者。在DDS中将“OWNERSHIP”设置为“SHARED”,表示没有实例所有权的概念。在DDS中将“LIVELINESS”设置为“MAUAL_BY_PARTICIPANT”，表示ACC中的一个实体处于活动状态，其他所有实体也必须处于活动状态。在DDS中将“RELIABILITY”设置为“BEST_EFFORT”，表示尽力传送数据,但是外界原因可能导致一些数据被丢弃。在DDS中将“TRANSPORT_PRIORITY”设置为“Transport_Priority”，允许中间件优先处理更重要的数据。在DDS中将“DESTINATION_ORDER”设置为“BY_SOURCE_TIMESTAMP”，表明数据的排序取决于数据源的时间戳。

上述实施例仅用于说明本发明。任何熟悉该领域技术的人都可以在遵循本发明的精神和范围的前提下，对上述实施进行适当修改或改变。因此，任何符合本发明所揭示的原则和技术思想的等效修改或变化，都应包括在本发明的专利权范围内。