Conferențiar dr. ing. LUMINIȚA SCRIPCARIU Masterand, Ing. SIMION DOBA IAȘI 2017 UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAȘI FACULTATEA DE… [309301]
UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” [anonimizat] : [anonimizat]: [anonimizat]. SIMION DOBA
IAȘI
2017
UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” [anonimizat] : [anonimizat]. Într-o lume a vitezei și pe o infrastructură (străzi, autostrăzi) care nu s-a [anonimizat], [anonimizat] a evita aceste evenimente neplăcute și pentru a [anonimizat] a dezvolta mașina autonomă și de a reduce considerabil accidentele până la zero.
Siguranța în trafic (safety) a [anonimizat], au fost create și rețelele VANET ([anonimizat]).
VANET asigură un protocol de comunicație între vehiculele apropiate sau între un automobil și infrastructură (indicator, semafor, intersecție). [anonimizat] 5.85-5.925[anonimizat] (DSRC). Automobilele sunt folosite ca noduri mobile pentru a creea o [anonimizat]. [anonimizat]-i raza de acoperire. [anonimizat].
[anonimizat] o componentă a Sistemului Inteligent de Transport (ITS). Principalul scop al acestor rețele rămâne siguranța pasagerilor și confortul în trafic.
[anonimizat]-hoc, devine posibilă proiectarea de servicii și aplicații care să îmbunătățească experiență conducerii automobilului.
Capitolul 1. Protocoale de comunicatii utilizate in industria auto
În prezent sistemele electronice de pe automobile cunosc o dezvoltare foarte rapidă Pentru automobilele de lux se estimează că sistemele electronice reprezintă aproximativ 23% din costul total al automobilului. De asemenea experții estimează că aproximativ 80% din inovațiile aduse în domeniul auto fac parte din categoria sistemelor electronice care au devenit cele mai importante și cele mai scumpe părți din automobile. Odată cu creșterea numărul de componenete electronice și de unitatiti centrale de calcul (ECU-uri) crește și cerere de utilizare a canalelor de comunicații.
1.1 Evoluția sistemelor electrice/electronice de pe automobile
Începând cu anul sa putut observa o creștere exponențială a [anonimizat]. Scopul principal al sistemelor electronice de pe automobile este de a [anonimizat] (motor), direcției (servodirecție electrică), sistemului de frânare (ABS, ESP) sau a suspensiei (suspensie activă). Un alt scop al sistemelor electronice este de a controla luminile, ștergătoarele, ușile și mai nou sistemele multimedia (radio, DVD), sistemele de comunicație (telefonie "hands free") și de poziționare globala (GPS).
`
Fig 1.1 Evoluția sistemelor electrice/elctronice
Sursă:http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/11-protocoale-comunicatie-automobile.
semnalizare optică, acustică, radio, demaror, dinamică;
aprindere tranzistorizată, alternator;
controlul vitezei de croazieră, injecția electronică de combustibil, controlul electronic al transmisiilor automate;
calculator de bord, indicator interval service, ABS, telefonie mobilă;
cheie electronică, sisteme integrate de control al motorului și al transmisiei, instrumente de bord electronice, TCS, suspensie adaptivă, diagnoza senzorilor de impact, sisteme de protecție antifurt;
imobilizator electronic, senzor de impact zonal;
multiplexare, diagnoză, sistem de navigație;
senzori de impact lateral, senzor de măsurare a presiunii din pneuri;
sistem de acces în automobil bazat pe perimetru, detectarea prezenție ocupanților automobilului, detectarea și prevenirea răsturnării automobilului;
ACC, ESP;
sisteme X-by-wire (sistem de frânare și direcție electronică);
Numărul mare de sisteme electronice aflate pe un automobil impune schimbul de informații între diferitele sisteme ce echipează automobilul. Acest schimb de informații are ca scop reducerea numărului de senzori, prin utilizarea aceleiași informații furnizată de un senzor de către mai multe calculatoare. Deoarece pe unele automobile sa ajuns deja sa se utilizeze pana la 100 de calculatoare, sa lucrat la o solutie de optimizarea si creare a unui calculator central cu putere mai mare de calcul care sa ofere o prioritizare a funcțiilor care le va indeplini automobilul autonom. Acest concept in dezvoltare poarta numele de ADCU (Assisted Driving Control Unit).
Fig 1.2 ADCU
Sursă: http://www.continental-automated-driving.com/Navigation/Enablers/Assisted-Driving-Control-Unit-ADCU
1.2 Multiplexarea
Pentru a putea discuta despre protocoale de comunicații trebuie să înțelegem cum comunică calculatoarele cu care sunt echipate automobilele, și pentru aceasta vă prezint următorul exemplu simplu:
Automobilul este echipat cu :
– un calculator de injecție(ECU), care are transmisie automată (TCU) și este prevăzut și cu sistem de frânare ce previne blocarea roților (ABS). În tabelul de mai jos avem reprezentat un exemplu de informații care sunt schimbate între cele trei calcultoare
Mesajul Tx – semnifica faptul că informația este transmisă
Mesajul Rx – semnifică faptul că informația este recepționată
Tabel 1.1 Mesaje recepționate/transmise
Sursă:http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/11-protocoale-comunicatie-automobile.html
Fig1.3 Conexiunea electrică dintre calculatoarele unui automobile pentru protocolul CAN
Sursă:http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/11-protocoale-comunicatie-automobile.html
În prezent, datorită numărului mare de calculatoare prezente într-un automobile s-a trecut la multiplexarea semnalelor.
Avantajele utilizării comunicației multiplexate sunt evidente:
mai puțini senzori, cabluri și conectori;
reducerea greutății automobilului;
reducerea spațiului ocupat de partea electrică a automobilului;
creșterea fiabilității automobilului datorită reducerea numărului de componente care se pot defecta.
În funcție de protocolul de comunicație utilizat conexiunea electrică poate fi realizată cu un singur fir (protocolul LIN) sau cu două fire (protocolul CAN). Protocoalele de comunicație utilizate în industria automobilelor se clasifica în principal în funcție de viteza de transmitere a datelor. SAE (Society of Automotive Engineers), societatea inginerilor de automobile, propune următoarea clasificare a sistemelor/rețelelor de comunicație.
Tabel 1.2 Clasificare protocoalelor de comunicatii în functie de viteza de transmisie a datelor.
Sursă: http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/11-protocoale-comunicatie-automobile.html
1.3 Protocolul CAN
Protocolul CAN este un sistem de comunicație serial, în timp real, utilizat pentru sisteme distribuite. Dezvoltarea acestuia a fost inițiată de compania Bosch Gmbh în anul 1983. Motivul utilizării unui sistem de comunicație tip magistrală a fost determinat de numărul tot mai mare de calculatoare și componente electronice utilizate la automobile.
1.3.1 Etape importante din istoria dezvoltării protocolului CAN:
1983 – demararea dezvoltării de către Bosch Gmbh
1985 – prima versiune de specificație a protocolului
1986 – începerea standardizării protocolului de către ISO
1987 – introducerea primului circuit integrat CAN (Intel & Philips)
1991 – publicarea versiunii a doua a specificației protocolului
1992 – apariția primului automobil de serie care utilizează protocolul CAN (Mercedes Benz, clasa S)
1993 – publicarea primului standard al protocolului (ISO 11898)
2007 – producția anuală de module CAN atinge valoarea de aproximativ 600 de milioane de module
1.3.2 Avantajele utilizării comunicației multiplexate (magistrală) comparativ cu o comunicație filară (pe fir)
În cazul unei comunicații prin fire, fiecare calculator are o legătură electrică separată pentru fiecare canal de comunicație. Astfel dacă, de exemplu, avem 3 calculatoare care comunică fiecare cu fiecare, utilizînd 2 fire, vom avea în total 12 fire (4 fire pe calculator)! Dezavantajul acestui tip de comunicație este reprezentată de masa mare a firelor și a conectorilor precum și de complexitatea mare a rețelei de comunicație
În cazul utilizării unui sistem de comunicație tip magistrală, comparativ cu un sistem filar, se elimină cantități importante de conectori și cabluri. De asemenea sistemul de comunicație este simplificat și se poate diagnostica mai ușor.
Principalele motive pentru care se utilizează un sistem de comunicație multiplexat (magistrală):
facilitează partajarea de parametrii între calculatoarele automobilului;
îmbunătățește securitatea și modul de diagnosticare
reduce costul total al sistemului datorită reducerii numărului de fire și conectori
cerință prevăzută în standardele de diagnoză EOBD
Un automobil de clasă medie din anii '90 conținea aproximativ 2 km de cabluri care cântăreau în jur de 70-90 de kg! De asemenea un automobil Mercedes Benz, clasa S, din anul 2002, avea în jur de 50 de calculatoare ceea ce ar conduce la câteva sute de kg de cabluri. Creșterea numărului și a complexității sistemelor electronice de pe automobile a impus utilizarea sistemelor de comunicație multiplexate (CAN).
1.3.3 Domenii de utilizare al protocolului CAN
Scopul inițial al protocolului CAN a fost de a fi utilizat în industria automobilelor. Datorită avantajelor pe care le aduce, în ceea ce privește comunicarea între modulele electronice, acest protocol este utilizat și în alte industrii/domenii:
vehicule grele, camioane, vehicule agricole
industria roboților, automatizări
industria aeronautică, aeronavelor
vehicule militare
echipamente medicale
electrocasnice
1.3.4 Tipuri de rețele CAN
Protocolul CAN, în funcție de viteza de transfer a datelor, este de două feluri:
CAN HS (High Speed) – viteză mare
CAN LS (Low Speed) – viteză mică
CAN HS poate avea viteză de transfer a datelor de 125, 250, 500 sau 1000 kb/s. Datorită vitezei mari de transfer a datelor este utilizat cu precădere pentru motor, cutie de viteze și sistemele de sigurantă activă (ABS, ESP).
CAN LS are viteză de transfer între 40 și 125 kb/s. Protocolul CAN LS are avantajul că este tolerant la erori (fault tolerant). În cazul în care unul din cele două fire este întrerupt comunicația se realizează pe un singur fir. Acest tip de protocol CAN este utilizat cu precădere la închiderea centralizată și la imobilizator, datorită functionării și în regim de avarie.
1.3.5 Implementarea pe nivelul fizic a protocolului CAN
Din punct de vedere fizic, protocolul CAN se folosește pe o magistrală, formată din două fire răsucite, și calculatoare care conțin fiecare câte un circuit integrat de emisie-recepție (CAN transceiver). Firele pe care se transmite informația sunt răsucite pentru a elimina eventualele perturbații electromagnetice.
Fig. 1.4 Componentele fizice ale unei retele CAN
Sursă: http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/74-protocol-can-auto.html
Circuitele integrate de emisie-recepție combină funcția de primire a mesajelor cu cea de trimitere, în aceeași componentă. CAN transceiver-ul este alimentat la o tensiune de 3…5 V și are rolul de a face conversia tensiunilor electrice, de pe magistrală, în semnale digitale și invers.
Fig.1.5 Implementarea pe nivelul fizic a protocolului CAN
Sursă: http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/74-protocol-can-auto.html
Lungimea maximă a magistralei poate să fie de 250 m (CAN HS) sau de 50 m (CAN LS). Numărul de calculatoare care pot fi conectate la magistrală variază în funcție de viteza și de numărul parametrilor ce trebuie transmiși. O rețea CAN poate suporta până la 50 de calculatoare interconectate. În capetele magistralei sunt prevăzute rezistențe electrice de aproximativ 120 Ω care au rolul de a crește impedanța rețelei, în scopul eliminării fenomenului de „reflexie” a semnalelor.
Fig. 1.6 Exemplu de retea CAN
Sursă: http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/74-protocol-can-auto.html
ECM (Engine Control Module) – calculatorul de injecție (motor)
TCU (Transmission Control Unit) – calculatorul transmisiei automate
ABS (Anti-lock Braking System) – calculatorul sistemului de frânare
BCM (Body Control Module) – calculatorul de habitaclu
Roof (Plafon) – calculatorul pentru controlul trapei
Seat (Scaun) – calculatorul pentru controlul scaunelor
Clim (climatizare) – calculatorul pentru controlul climatizării
Diag. (diagnostic) – conectorul de diagnosticare
Exemplu dat de rețea CAN conține două sub-rețele, CAN motor și CAN vehicul, conectate printr-un „gateway” care este reprezentat de calculatorul de habitatul (BCM). Această arhitectură are avantajul că un defect la una din cele două sub-rețele nu o va afecta pe cealaltă.
Magistrala CAN conține două fire numite CAN_H (High voltage) și CAN_L (Low voltage). Pe firul CAN_H tensiunea electrică poate avea două nivele: 2.5 și 3.5 V. Pe firul CAN_L tensiunea electrică poate fi de 1.5 și 2.5 V.
Fig.1.7 Nivele de tensiune a semnalelelor pe o rețea CAN
Sursă:http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/74-protocol-can-auto.html
Semnalele de tensiune pe cele două fire au ambele valoarea 2.5 V sau 3.5 V pe CAN_H și 1.5 V pe CAN_L. Traducerea acestor valori de tensiune în semnal digital se face prin diferența celor două tensiuni. Când tensiunea pe cele două fire este de 2.5 V diferența este de 0 V, când cele două tensiuni au 3.5 și 1.5 V, diferența este de 2 V. Semnalul de tensiune ce are valori de 0 și 2 V reprezintă valorile digitale binare de 1 și 0.
Cele două valori digitale nu sunt reprezentate exact de valori fixe de tensiune. Datorită eventualelor perturbații aceste valori pot varia între anumite limite. Astfel, valoarea digitală de 0 poate fi reprezentată de o tensiune între -1.0 și 0.5 V iar valoarea digitală 1 înseamnă o tensiune între 0.9 și 5.0 V.
Atenție: Să nu se facă confuzie între CAN HS (High Speed) și CAN_H (High voltage). Primul reprezintă viteza de transfer a datelor iar a doua tensiune electrică din fir. Aceeași observație este valabilă și pentru CAN LS (Low Speed) și CAN_L (Low voltage). Ambele versiuni de viteză conțin cele două fire CAN_H și CAN_L.
1.3.6 Parametrii fizici transmiși prin protocolul CAN
Cea mai uzuală configurație de rețea CAN este aceea care conține calculatorul de injecție, transmisia automată și ESP. Informațiile schimbate între acestea se referă la:
temperaturi
turații
cuplu
stări ale diferitelor componente.
Tabel 1.3 Modul de schimb al informațiilor între ECU-uri prin CAN
Sursă: http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/74-protocol-can-auto.html
Informațiile transmise pe magistrala CAN sunt grupate în mesaje care conțin unul sau mai mulți parametrii. Un calculator poate transmite mai multe mesaje și în același timp poate recepționa unul sau mai mulți parametrii. Parametrii transmiși sunt notați cu Tx (transmited) iar cei primiți cu Rx (received).
De exemplu, calculatorul de injecție (ECM) trimite pe CAN mesajul „MesajParametriiMotor” care conține trei parametrii: turația motorului, cuplul motor și temperatura motorului. Calculatorul transmisiei automate (TCU) primește toți acești parametrii pe care îi utilizează pentru controlul închiderii și deschiderii ambreiajului. De asemenea, calculatorul ESP utilizează informația de cuplu motor pentru a decide dacă-l reduce în cazul în care automobilul pierde din aderență.
Viteza automobilului este un parametru emis de calculatorul ESP și este utilizat de motor de exemplu pentru controlul vitezei de croazieră (Cruise Control) iar de calculatorul transmisiei automate pentru legile de schimbare a treptelor de viteză.
Protocolul de comunicație CAN este utilizat și de echipamentele de diagnoză pentru a primi date de la calculatoare (cod defecte, parametrii, etc.) și pentru a trimite comenzi de ștergere a anumitor parametrii. Utilizarea protocolului CAN pentru echipamentele de diagnoză este impusă de ultimele reglementări OBD în vigoare.
1.3.7 Tipuri de cadre
Transferul mesajelor este efectuat și controlat de cinci tipuri diferite de cadre:
Cadru de date (Data Frame) care transportă datele de la emițător la receptor;
Cadru cerere de date (Remote Frame) este transmisă de un nod care solicită transmiterea unui cadru de date cu același identificator;
Cadru eroare (Error Frame) este transmis de orice dispozitiv care a detectat o eroare;
Cadru supraîncărcare (Overload Frame) este folosit pentru asigurarea unei întârzieri suplimentare între cadrele de date sau cerere de date.
Cadrele de date sau cerere de date sunt separate de celelalte cadre printr-un spațiu inter-cadre (Interframe Space).
Cele cinci tipuri de cadre standard sunt prezentate in figura de mai jos.
Semnificația câmpurilor, biților și a altor termeni din figură este următoarea:
Start cadru marchează începutul unui cadru de date sau cerere de date. Este folosit de toate nodurile pentru sincronizare.
Câmpul de arbitrare constă în identificator (11 biți, din care biții 10…4 nu trebuie să fie toți regresivi) și bitul RTR (este dominant pentru cadrele de date, respectiv recesiv pentru cadrele cerere de date). Pentru a fi păstrată compatibilitatea cu standardul CAN, standardul CAN extins 29 biți are identificatorul împărțit în două: identificator de bază și identificator extins între care se inserează biții SRR (un bit recesiv care este pe poziția RTR; este folosit pentru a prevala cadrul standard în fața unui cadru extins în cazul unei coliziuni) și IDE (folosit pentru deosebirea dintre un cadru extins și un cadru standard, situație în care este suprapus cu bitul r1 – rezervat – al câmpului de control).
Câmpul de control este format din 6 biți: r1 și r0 sunt rezervați și sunt transmiși dominanți (în cazul cadrului extins, r1 devine IDE și este transmis recesiv) și un câmp de 4 biți DLC0…DLC3 care definesc numărul de octeți al mesajului din câmpul de date (Data Field). Considerând DLC0 ca cel mai puțin semnificativ bit și identificând bitul recesiv ca 0 LOGIC, numărul de octeți ai Data Field se determină prin convertirea în zecimal a câmpului. Valoarea maximă a câmpului este opt.
Câmpul de date conține cei până la opt octeți de informație.
Câmpul CRC conține o secvență CRC și un delimitator. Secvența CRC este determinată pentru secvența de biți începând cu bitul de start. Delimitatorul constă într-un bit recesiv.
Câmpul de confirmare este format din 2 biți: ACK SLOT și un delimitator.
Toate dispozitivele care au recepționat o secvență CRC corectă marchează aceasta prin înlocuirea bitului recesiv ACK SLOT trimis de emițător printr-un bit dominant.
Cadrele de date sau cerere de date sunt terminate cu un câmp sfârșit cadru care conține 7 biți recesivi.
Indicatorul eroare poate fi de două tipuri: activ (format din 6 biți dominanți) sau pasiv (format din 6 biți recesivi numai dacă vreun bit nu a fost suprascris de un alt nod). Indicatorul de eroare activ contrazice regula de adăugare a biților (maxim 6 biți consecutivi de același fel), regulă aplicată de la start cadru până la delimitatorul CRC sau strică structura câmpurilor ACK sau sfârșit. În consecință, toate nodurile detectează eroarea și fiecare în parte și transmite un cadru corespunzător. Astfel, secvența de biți dominanți poate fi afectată prin suprapunerea mai multor indicatori de eroare transmiși de nodurile individuale. Un nod pasiv care detectează o eroare va transmite un indicator pasiv de eroare. Nodul pasiv așteaptă 6 biți consecutivi de aceeași polaritate începând cu startul indicatorului de eroare. Delimitatorul de eroare constă într-o secvență de 8 biți recesivi. După transmiterea unui indicator de eroare, fiecare nod emite biți recesivi și monitorizează linia până când detectează un bit recesiv. După aceasta mai emite 7 biți recesivi.
Fig.1.8 Cadru de date
Sursă: http://vega.unitbv.ro/~romanca/EmbSys/12-13-CAN-bus.pdf
1.3.8 Diagnosticarea unei rețele CAN
Codurile OBD stocate pentru un defect de comunicare pe rețea sunt afișate cu Uxxx. pentru a diagnostica o rețea CAN, pe lângă codul de eroare obținut, se poate utiliza și un osciloscop pentru vizualizarea tensiunilor electrice de pe cele două fire (CAN_L și CAN_H).
Fig.1.9 .Formele de undă corecte a nivelelor de tensiune pe o rețea CAN
Sursă: picoauto.com
În cazul în care apare o problemă cu firele pe care se transmit cele două tensiuni, sau dacă modului de emisie-recepție este defect, nivelurile de tensiune de pe cele două canale CAN (High și Low) vor avea valori anormale.
Fig. 1.10 Formă incorectă a tensiunilor electrice pe o magistrală CAN
Sursă: picoauto.com
Introducerea protocolului de comunicație CAN în industria automobilelor a reprezentat o „piatră de temelie” pentru dezvoltarea electronicii și a sistemelor de control complexe. Protocolul CAN este cel mai popular dar nu singurul utilizat la automobile. LIN, FlexRay sau MOST sunt de asemenea protocoale de comunicație utilizate in industria automobilelor.
1.4 Protocolul LIN
Protocolul LIN (Local Interconected Network) a apărut drept rezultat colaborării dintre Audi AG, BMW AG, Daimler AG, Freescale, VW și Volvo. Scopul colaborării a fost de a crea un protocol simplu, ieftin, de viteză mică care să fie utilizat la controlul sistemului de închidere centralizată, climatizare, oglinzi electrice, etc. Față de protocolul CAN care utilizează două fire pentru a transmite informațiile protocolul LIN este monofilar, utilizează doar un fir.
1.4.1 Concepte de bază
Principalele proprietăți ale protocolului LIN sunt :
organizare single-master / multiple-slave (fără arbitrare pe bus);
garantarea timpilor de latență pentru transmiterea semnalelor;
lungime variabilă a mesajelor : 2, 4, 8 octeți;
configurație flexibilă – auto-sincronizare, nu are nevoie de quartz sau rezonatoare ceramice în nodurile slave;
detecția nodurilor defecte din rețea;
implementare de cost scăzut – viteze de până la 20 kbit/sec;
Rețeaua (LIN) a fost dezvoltată pentru a crea un standard pentru comunicațiile multiplexate low-cost în rețelele auto. Cu toate că magistrala rețelei CAN (Controller Area Network) se adresează necesității unor rețele avansate de prelucrare a erorilor, costurile hardware și software ale implementării CAN au devenit prea mari pentru dispozitivele cu performanțe mai scăzute, cum ar fi controlării geamurilor, închiderii centralizate, scaune etc. LIN oferă comunicații eficiente din punct de vedere al costurilor în aplicații în care nu este necesară lătimea de bandă și versatilitatea CAN. Avem posibilitatea să implementăm LIN relativ ieftin, utilizând un receptor standard universal / transmitător (UART) asincron universal, încorporat în cele mai moderne microcontrolere cu costuri reduse pe 8 biți.
Protocolul LIN abordează tipul de comunicație Master-Slave.
1.4.2 Tipurile de Cadre
Fig. 1.11 Cadru de date
Sursă: http://www.ni.com/white-paper/9733/en/
Antetul mesajului constă dintr-o pauză folosită pentru a identifica începutul cadrului și câmpul de sincronizare utilizat de nodul slave pentru sincronizarea ceasului. Identificatorul (ID) constă dintr-un ID de mesaj pe 6 biți și un câmp de paritate pe 2 biți. ID-ul denotă o adresă specifică a mesajului, dar nu o destinație. La primirea și interpretarea ID-ului, un slave începe răspunsul mesajului, care constă din unul până la opt octeți de date și o sumă de control pe 8 biți.
Protocolul LIN este o magistrală cu un singur dispozitiv principal și unul sau mai multe dispozitive slave. Dispozitivul master are atât o sarcina de bază, cât și o sarcină slave. Fiecare dispozitiv slave conține doar o sarcină slave. Comunicarea prin magistrala LIN este controlată în întregime de dispozitivul de master. Unitatea de bază de transfer pe magistrala LIN este cadrul, care este împărțit într-un antet și un răspuns. Antetul este transmis întotdeauna de către nodul principal și constă din trei câmpuri distincte: pauză (Break), sincronizare și identificator (ID). Răspunsul, care este transmis de un dispozitiv slave și care poate localiza fie în nodul principal, fie într-un nod slave, constă într-o sarcină utilă de date și o sumă de control.
Comunicarea master-slave este realizată printr-o sarcină slave separată în nodul principal. Această sarcină primește automat toate datele publicate în magistrală și răspunde ca și cum ar fi un nod de slave independent. Pentru a transmite octeți de date, masterul trebuie mai întâi să actualizeze răspunsul sarcinii interne slave cu valorile de date pe care dorește să le transmită. Masterul publică apoi antetul de cadru corespunzător, iar sarcina internă slave transmite încărcătura de date către magistrală.
1.4.3 Structura Mesajului
1. Break
Fiecare cadru LIN începe cu pauză, care cuprinde 13 biți dominanți urmată de un delimitator de pauză de un bit (nominal) recesiv. Aceasta servește ca o notificare de la începutul cadrului la toate nodurile din bus.
2. Sync
Câmpul de sincronizare este al doilea câmp transmis de master din antet. Sincronizarea este definită ca si caracterul x55. Câmpul de sincronizare permite dispozitivelor slave care efectuează detectarea automată a ratei de transmisie pentru a măsura perioada de rată a bitului și de a regla ratele lor interne de transmisie pentru a se sincroniza cu magistrala.
3. ID
Câmpul ID este câmpul final transmis de sarcina de master în antet. Acest câmp oferă identificarea fiecărui mesaj din rețea și determină în cele din urmă care noduri din rețea primesc sau răspund la fiecare transmisie. Toate sarcinile slave urmăresc continuu câmpurile ID, verifică paritățile lor și determină dacă sunt editori sau abonați pentru acest identificator particular. Linul (LIN) oferă un număr total de 64 de identificări. ID-urile de la 0 la 59 sunt utilizate pentru cadrele de transmisie a semnalelor (date), 60 și 61 sunt utilizate pentru a transporta date de diagnosticare, 62 este rezervată extensiilor definite de utilizator și 63 este rezervată pentru îmbunătățiri viitoare ale protocolului. ID-ul se transmite pe magistrală ca octet de identitate protejat, cu cei șase biți inferiori care conțin ID-ul brut și cei doi biți de sus conținând paritatea.
4. Data Bytes
Câmpul de octeți de date este transmis de dispozitivul slave ca răspuns. Acest câmp conține de la unu la opt octeți de octeți de date cu încărcătură utilă.
5. Checksum
Câmpul de Checksum este transmis de dispozitivul slave ca răspuns. Protocolul LIN definește folosirea unuia dintre cei doi algoritmi de control pentru calcularea valorii în câmpul de control al celor opt biți. Checksum clasic se calculează prin însumarea singurului octet de date, iar suma de control îmbunătățită se calculează prin însumarea octelor de date și al ID-ul protejat.
1.5 Protocolul FlexRay
Sistemele "X-by-wire" (control electronic, prin fir) cum ar fi "steer-by-wire" (sistem de directie actionat electric) sau "brake-by-wire" (sistem de frânare acționat electric) necesită un protocol de comunicație stabil, tolerant la erori și cu viteza mare de transport a informațiilor. Răspunsul la aceste cereri l-a dat cooperarea dintre BMW, Daimler, Philips și Freescale, având ca rezultat protocolul FlexRay. Prima implementare a protocolului FlexRay s-a făcut în 2006 pentru suspensia adaptivă a BMW-ului X5. Industrializarea protocolului s-a făcut în 2008 pe noul BMW seria 7.
1.5.1 Caracteristici generale:
2×10 Mbit/sec debit de informație, în cazul în care se utilizează 2 canale;
14 – 42 V;
Configurații multiple (simplă, stea, hibridă);
Transfer de date sincron și asincron;
Flexibil;
Transmisie pe 2 fire torsadate sau pe fibră optică;
Toleranța la eventualele defecțiuni ce pot apărea;
Comunicația se poate face redundant sau neredundant;
Opțiunea de Sleep, Stand-by.
Timpul alocat transmiterii unui mesaj este împărțit în 2 părți: static și dinamic. În segmentul static, numai mesaje programate a fi transmise sunt stocate. Mesajele cruciale care pot să apară în orice moment, cel mai probabil în cazul unei defecțiuni, sunt stocate în segmentul dinamic. Acesta conține așadar mesaje de tip diagnosă, și spre deosebire de segmetul static acesta este limitat ca bandă de frecvență. Deși Flexray este un protocol de tip broadcast, informațiile transmise pe magistrală nu sunt importante și nu sunt ascultate de fiecare nod. Pachetele care se transmit pe magistrală au un identificator, iar in funcție de acesta un anumit mesaj este sau nu recepționat de către un nod.
1.5.2 Topologia FLEXRAY
Arhitectura se bazează pe utilizarea a cel mult 2 canale denumite Canalul A și Canalul B.
Topologia Pasivă
Fig. 1.12 Topologia pasiva
Sursă: http://www.meo.etc.upt.ro/materii/cursuri/ISMT/4.pdf
Fiecare nod poate fi conectat atât la canalul A cât și la canalul B , sau doar la unul singur. Numărul de noduri conectate la o magistrală poate să fie între 2 și 64.
Topologia Activa
Acest tip de topologie permite conectarea mai multor noduri în formă de conexiune stea.
Fig. 1.13 Topologia Activa
Sursă: http://www.meo.etc.upt.ro/materii/cursuri/ISMT/4.pdf
1.5.3 Formatul Datelor
Fig. 1.14 Formatul datelor
Sursă: http://www.meo.etc.upt.ro/materii/cursuri/ISMT/4.pdf
După cum se observă formatul de date este împărțit în 3 : – antetul segmentului (Header Segment) – datele propiu zise (Payload Segment) – codul de eroare (Trailer Segment). Nodul transmite formatul de date pe magistrală astfel încât antetul este citi prima dată, urmat de datele propriu zise, iar ultima parte se transmite codul de eroare. Antetul segmentului conține 5 bytes, și anume: – Bitul rezervat (Reserved bit)- acesta este momentan nealocat, fiind păstrat pentru versiuniile viitoare. – Indicatorul preambulului de date (The payload preamble indicator)- indică dacă segmentul de date conține sau nu un vector opțional – Indicatorul de nul (The null frame indicator) – arată dacă formatul de date este nul sau nu – Indicatorul de sincronizare (Sync frame indicator)- indică faptul că acel frame este sau nu un format de date de sincronizare – Indicatorul de start (Startup frame indicator)- indică faptul că acel frame este unul de start. Aceste tipuri de frame-uri ocupă un loc important în procesul de începere a comunicației. – ID-ul frame-ului- definește slotul în care va fi transmisă informația. Acest ID este folosit o singură dată de fiecare canal într-un ciclu de comunicație. – Lungimea încărcăturii (Payload lenght) – indică jumatate din numărul de bytes de date ce va fi transmis. – Antetul CRC (Header CRC) – conține un cod ciclic redundat care se compune din indicatorul de sincronizare, indicatorul de start, frame ID, lungimea încărcăturii. – Numărătorul de cicluri (Cycle count)- definește starea nodurilor la un moment dat.
Datele propriu zise (payload segment) conțin 255 bytes de date. Pentru datele transmise în segmentul dinamic primii 2 bytes pot fi utilizați opțional ca și câmp identificator a mesajului. În cazul segmentului static primii 13 bytes pot fi folosiți opțional ca și vector de administrare a rețelei. Codul de eroare conține 24 de biti CRC.
1.6. Protocolul MOST(Media Oriented Systems Transport)
Aplicațiile multimedia de pe automobile (GPS, DVD, comenzi vocale, etc.) necesită protocoale dedicate atât din punct de vedere al vitezei de transport a datelor cât și din punct de vedere al suportului fizic. Protocolul MOST utilizează fibră optică pentru transportul datelor și este rezultatul colaborării dintre Audi, BMW, Daimler, s.a.
1.6.1 Informatii generale
Protocolul MOST este tipic pentru topologia inelului. Blocul de date primit de la nodul precedent este ultilizat ca informație pentru fi trimisă blocului următor. Transferul de date se sfârșește atunci când blocul de date ajunge la nodul care la trimis. Inelul conține niște noduri speciale responsabile pentru gestionare ciclului, adică generarea de comenzi și pentru sincronizare.
Rețeaua MOST este formată dintr-un nod Master și mai multe noduri Slave, acest nod Master conține baza de date pentru toate celelalte noduri.
Fig. 1.15 Topologia inelului a rețelei MOST
Sursă: The Evolution of “Media Oriented Systems Transport” Protocol
1.6.2 Formatul Datelor
Fig. 1.16 Formatul datelor
Sursă: Managementul motoarelor cu ardere internă
Înainte de a transmite datele, nodului master i se stabilește o conexiune prin canalul de control, apoi se transmit datele de configurare de către motorul de rutare RE(Routing Engine) și se preiau datele audio de la intrare prin interfața I2S (Integrated Interchip Sound). Datele sunt transmise către nodului slave care le transmite către ieșire tot prin intermediul interfeței I2S.
Capitolul 2. Principalele tipuri de comunicații utilizate de catre ADAS (Advanced Driver Assistance Systems)
2.1 Informații generale ADAS (Advanced Driver Assistance Systems)
Blocajele de trafic, presiunea timpului și excesul de informații au devenit companioni ai mobilitătii moderne. Numeroase tipuri de situații periculoase din trafic necesită acțiuni rapide și decisive. Sistemele inovatoare de asistentă a conducătorilor auto de la Continental și alte companii susțin șoferul în păstrarea unei prezentări de ansamblu. Aceste sisteme nu obosesc ci reacționează rapid și fiabil atunci când situațiile din trafic devin periculoase.
Mai mult, acționează ca și copilot electronic, funcționând discret în fundal. Fie ca funcții individuale, fie ca un sistem integrat: cu senzori pentru zona înconjurătoare – camera sau radar – acestea privesc înainte și asigură un nivel maxim de siguranță. De îndată ce se detectează un pericol, aceștia îi ajută pe șofer cu totul, de la avertizări la intervenții în conducere.
Observatie!
Pentru a putea avea aceste sisteme de protecție implementate, avem nevoie de sisteme performante de achiziție a dateler enumerate mai sus (Cameră, Radar și Lidar), mai avem nevoie de Unități de calcul pentru a procesa farte rapind aceste date și de a lua decizii rapide, plus mai avem nevoie de partea de transmisie a datelor, sisteme fizice plus protocoale de comunicații care le-am prezentat mai sus, și am observat că Protocolul CAN este cel mai utilizat protocol în industri auto la acest moment.
In continuare prezint cateva din functionalitatile principale care asista conducatorul auto:
2.1.1 Adaptive Cruise Control (ACC)
ACC oferă condus fără stres, menținând în același timp viteza și distanța adecvată față de participantii la traficu din față.
Fig.2.1 Adaptive Cruise Control
Sursă:http://www.continentalautomotive.com/www/automotive_de_en/themes/commercial_vehicles/chassis_safety/adas/acc_en.html
Condusul în trafic aglomerat este atât obositor, cât și monoton, dar este o caracteristică de zi cu zi. Cu ACC șoferii pot selecta o viteză constantă fără a se apropia prea mult de vehiculul din fată.
Spre deosebire de sistemele vechi ACC, sistemul nou vine cu un unghi de achiziție mai larg și o rezoluție mai mare, este capabil să oprească un vehicul chiar și de la viteză mare pană la oprire prin gestionarea sistemului de frânare.
De asemenea, sistemul va putea detecta dacă vehiculul din fată începe să se miște din nou și va anunța șoferul în acest caz printr-un semnal acustic. Dacă șoferul confirmă semnalul, autovehiculul său va accelera automat, toate în același timp menținând distanța corespunzătoare, pană la viteza preselectată sau viteza permisă de fluxul de trafic.
Noile sisteme ACC avertizează prompt șoferul înainte de eventualele coliziuni din spate. Cu o preconditionare de frânare predictivă, acestea pot scurta distanța de oprire, ceea ce este o acțiune necesară de a salva vieți omenești.
2.1.2 Emergency Brake Assist
Reacționează atunci când șoferul nu realizează pericolul.
Fig. 2.2 Emergency Brake Assist
Sursă:http://www.continentalautomotive.com/www/automotive_de_en/themes/commercial_vehicles/chassis_safety/adas/emergency_brake_ass_en.html
Cu noul radar cu senzori din a treia generație, poate fi declanșat un sistem predictiv de asistență la frânarea de urgență. Acesta răspunde prin activarea unui sistem automat de frânare de îndată ce vehiculul conducătorului auto se află la o distanță periculoasă față de un vehicul din fată și conducătorul auto nu răspunde în mod corespunzător. Ca rezultat, poate reduce considerabil distanța de oprire. Aceste tipuri de funcții de siguranță sunt deja integrate astăzi în sistemele moderne Adaptive Cruise Control (ACC).
Sistemul de asistență la frânarea de urgență îndeplinește noile reglementări UE de siguranță pentru sistemele de asistență a șoferului în vehiculele comerciale și deja sunt implementate pe multe mașini. Acest sistem electronic proiectat să recunoască funcționarea frânării de urgență și să sporească în mod automat efortul de frânare îmbunătățește siguranța vehiculului și a pasagerilor și poate reduce distanțele de oprire cu până la 21 m la o viteză de 201 km / h. Asistența la frânare detectează circumstanțele în care este necesară frânarea de urgență prin măsurarea vitezei cu care pedala de frână este apăsată. Unele sisteme iau în considerare și rapiditatea pe care pedala de accelerație este eliberată, pretensionarea frânelor atunci când se observă o "eliberare de panică" a pedalei de accelerație. Când se detectează frânarea de panică, sistemul de asistență la frânare dezvoltă automat o creștere maximă a frânării pentru a atenua tendința șoferului de a se opri fără suficientă forță.
2.1.3 Blind Spot Detection (SBD)
BSD avertizează șoferul atunci când există vehicule în zona oarbă a oglinzii laterale.
Fig. 2.3 Blind Spot Detection (SBD)
Sursă:http://www.continentalautomotive.com/www/automotive_de_en/themes/commercial_vehicles/chassis_safety/adas/bsd_en.html
Vehiculele comerciale sunt mari și adesea suferă de o vizibilitate foarte redusă, în ciuda faptului că sunt generos echipate cu oglinzi. Aproape invariabil, șoferul nu poate vedea zone importante lângă vehicul. Detecția Blind Spot utilizează senzori radar montați pe partea laterală a cabinei pentru a monitoriza zona de detecție pentru obiectele relevante. Sistemul avertizează conducătorul auto dacă un astfel de obiect este identificat, ajutând astfel conducătorul auto în manevrare.
Senzorii laterali BSD ne ajută de asemenea să găsim spații paralele de parcare și apoi să parcăm mașina. Acesta este un sistem automat de parcare – apăsam un buton de pe consolă și conducem încet (de exemplu, 20 mph). Senzorii văd mașinile parcate pe marginea drumului și apoi golurile între mașini. Dacă sistemul vede un decalaj de 3-5 picioare mai lung decât mașina ta, este suficient ca mașina să se îndrepte înapoi în spațiu. Șoferul oprește mașina, o pune în spate și aplică accelerația și frânele. De asemenea, șoferul trebuie să supravegheze căile de acces și hidranții de incendiu pe care sistemul nu le poate detecta întodeauna.
2.1.4 Lane Departure Warning / Lane Keeping System(LDW/LKA)
LDW/LKS avertizează șoferului pentru a-l proteja de plecarea neintenționată din interiorul benzilor.
Fig. 2.4 Lane Departure Warning / Lane Keeping System(LDW/LKA)
Sursă:http://www.continental-automotive.com/www/automotive_de_en/themes/commercial_vehicles/chassis_safety/adas/ldw_lks_en.html
Dacă un camion se îndepărtează de pe banda sa, poate apărea cu ușurință o situație critică. De fapt, statisticile oficiale arată că unul din cinci accidente care implică vehicule comerciale este rezultatul unei coliziuni laterale.
Avertismentul de părăsire a benzii de circulație (LDW) detectează banda până la 40 m în fața vehiculului, cu o cameră optimizată pentru această aplicație specifică. LDW va avertiza șoferul prin semnale acustice sau haptice, cum ar fi vibrațiile, dacă autovehicolul se apropie/îndepartează prea mult sau se află pe punctul de a ieși accidental dintre benzi.
În combinație cu o intervenție electrică la sistemul de direcție, LDW devine un asistent activ de menținere a camionului între benzile de circulație (LKS). O recomandare bună a direcție este un alt avertisment pentru conducătorul auto, dar decizia conducătorului auto are prioritate în orice moment. Prin aceste intervenții ale sistemului se câștigă secunde importante care pot salva vieți, mai ales când se află la marginea extremă a unei situație de accident.
2.1.5 Intellingent Headlamp Control (IHIC)
O conducere mai sigură și mai puțin obositoare prin vizionarea optimizată pe timp de noapte.
Fig. 2.5 Intellingent Headlamp Control (IHIC)
Sursă:http://www.continental-automotive.com/www/automotive_de_en/themes/commercial_vehicles/chassis_safety/adas/ihc_en.html
Controlul inteligent al farurilor, un add-on eficient din punct de vedere al costurilor pentru camera noastră optimizată de alertă la plecarea dintre benzile de circulație, permite și o vizibilitate mai bună noaptea. Sistemul ia în considerare vehiculele care se deplasează din sens opus cât si pe cele din fața conducătorului auto, asigurându-se că farurile sunt setate pentru a asigura iluminarea optimă în orice situație și pentru a se asigura că faza lungă nu orbește ceilanti participant la trafic.
Cu un control continuu al fasciculului larg, șoferul poate lăsa fasciculul luminos continuu fără a perturba alte vehicule. Utilizează faruri care sunt montate în poziție orizontală și verticală sau prin cu faruri LED în care întreaga distribuție a luminii este controlată în segmente, astfel încât utilizatorii de drum care ar putea fi distrași în mod direct nu sunt expuși la conul luminos, în timp ce restul zonei pot fi optim iluminată de faza lungă
2.1.6 Traffic Sign Recognition
Recunoașterea semnelor de circulație asigură faptul că limita curentă de viteză este afisată pentru conducătorul auto în bord în timp real, sistemul automat va fi capabil să adapteze viteza automobilului după citirea indicatoarelor.
Fig. 2.6 Traffic Sign Recognition
Sursă:http://www.continental-automotive.com/www/automotive_de_en/themes/commercial_vehicles/chassis_safety/adas/speed_limit_monitoring_en.html
Ca și în cazul majorității celor mai bune tehnologii, este un principiu relativ simplu, care are potențialul de a reduce obstacolele în calea utilizatorilor de drumuri. În esență, sistemul este alcătuit dintr-o cameră cu direcție orientată spre înainte, care scanează drumul înainte pentru semnele de circulație. Această cameră este conectată la software-ul de recunoaștere a caracterelor care are în spate o rețea neuronală capabilă să învețe aceste semne, care face apoi o notă despre toate modificările descrise de semne și o transmite pe panoul de bord al mașinii.
Funcția de recunoaștere automată prin intermediul unei legături între imaginile captate de o cameră și informațiile privind limita de viteză stocate în sistemul de navigație. În acest fel, chiar și limitele de viteză care nu sunt vizibile în mod explicit, cum ar fi într-un oraș, vor fi afișate șoferului.
2.1.7 Surround View
Fig. 2.7 Surround View
Sursă: http://www.continental-automotive.com/www/automotive_de_en/themes/commercial_vehicles/chassis_safety/adas/functions/surround_view_en.html
Soluțiile scalabile pentru Surround View sunt furnizate de 4 camere “ochi de pești” cu un câmp vizual de peste 180 ° pentru a vedea totul în jurul vehiculului. Combinarea acestor camere permite crearea oricărei vederi în jurul vehiculului.
Imaginea din spate poate fi oferită în diferite segmente auto. Versiunea de bază oferă o imagine 3D pură de 360 de grade pentru asistență în parcare și manevrare la viteze reduse. Spre deosebire de sistemele existente, cu toate acestea, acesta are doar două camere: unul montat în față în grilă și unul în spate montat lângă placuța de înmatriculare. Acest sistem entry-level este potrivit în special pentru utilizarea în segmentul compact-car, datorită structurii sale atractive de cost.
Încă alte niveluri vor fi disponibile, până la un sistem inteligent de vizualizare surround. Constând din patru camere – în față, în spatele și în oglinzile retrovizoare exterioare – nu poate doar să monitorizeze zona din jurul vehiculului, ci și să recunoască pietonii, să avertizeze șoferul sau chiar să oprească vehiculul în situații critice. Sistemul este deosebit de potrivit pentru conducerea în oraș deoarece, de exemplu, este capabil să recunoască devreme pietonii din apropiere. Este, de asemenea, capabil să capteze alte vehicule care traversează un traseu al unei mașini, deținând o bandă și chiar recunoscând curbarea. Această versiune premium a sistemului de vizualizare înconjurătoare permite chiar vehiculelor să se parcheze automat, chiar dacă nu există conducatorul înăuntru.
2.1.8 Sisteme electronice prin care s-a făcut posibiala implemenatarea funcțiilor inteleigente.
2.1.8.1 Mono Camera
Fig .2.8 Mono Camera
Sursă: http: //www.continental-automotive.com
A 5-a generație a Camerei Mono multifuncțională, oferă șoferului sprijinul în funcția de asistentă la conducerea automată. Varianta standard a acestei camere a fost dezvoltată special pentru Euro NCAP, în timp de varianta Premium susține conducerea complet automată. Pentru acesta camerei iau fost optimizate anumite funcții pentru detecția timpurie a participanților la trafic cum ar fi: bicicliști sau pietoni care traversează sau doar intenționează să traverseze strada.
2.1.8.2 High Resolution Flash Lidar (HFL)
Fig.2.9 High Resolution Flash Lidar (HFL)
Sursă: http: //www.continental-automotive.com
Un avantaj semnificativ al tehnologiei Hi-Res 3D Flash LIDAR este că furnizează atât viziune în timp real a mașinii, cât și funcții de cartografiere a mediului inconjurător. Această tehnologie ne va ajuta la obținerea unui câmp de vizibilitate semnificativ mai detaliat și mai precis în jurul întregului vehicul, independent de timpul de zi sau de noapte și robust în condiții meteorologice nefavorabile. Continental lucrează la o familie de senzori pentru a răspunde diferitelor cerințe din jurul vehiculului, pentru a permite cartografierea optimizată a funcțiilor și segmentarea întregului mediu. "Este nevoie de o serie de senzori inconjurători pentru a avansa în condiții de sigurantă la niveluri mai ridicate de conducere automată.
2.1.8.3 Advanced Radar Sensor
Fig 2.10 Advanced Radar Sensor
Sursă: http: //www.continental-automotive.com
Acesta este un senzor radar premium cu rază lungă de acțiune, pentru funcții cu aplicare înainte, în special realizate pentru conducerea complet automatizată. Au un algoritm destul de complicat și o rezoluție înaltă pentru a îmbunătăti detectarea spatială, inclusiv a limitelor rutiere. Senzorul radar creează o zonă largă de vedere prin cele două scanări independente. Capacitatea sa de a putea detecta obiecte staționare fără o fi susținut de cameră.
Beneficii și caracteristici
Câmp larg de vizualizare realizat de două scanări independente
Susține ACC + Stop & Go cu un singur senzor
Până la 170m
Distingere ușoara între obiectele statice și în mișcare
Alinierea automată în ambele direcții (orizontală + verticală)
Adaptive Cruise Control
Atenție înainte de coliziune
Asistența la frânarea de urgență
2.1.9 Tehnologii viitoare a sistemelor inteligente
Implementarea funcțiilor inteligente este realizată cu sisteme electronice avansate (CAMERĂ mono performantă, RADAR, LIDAR) care comunică cu mașina prin protocoale de comunicații.
Toate sistemele prezentate mai sunt, sunt doar câteva din principalele funcții care fac parte din proiectul ADAS(Advanced Driver Assistance Systems), care vor duce la apartia mașinii complet autonome. Autovehiculul care va reuși sa circule, să ia decizii, și să se parcheze singur. Toate aceste funcții vor fi îmbunatațite și prin implementare altor funcții inteligente, care îi vor permite mașinii să poată să schimbe informații cu infrastructura și cu alte vehicule, acest tip de comunicații sunt în fază de studiu și dezvoltare care poartă numele le V2X ce cuprinde următoarele tipuri de comunicații:
V2I – Comunicații Vehicul cu Infrastructura (comunicare cu antene, cumunicare cu semafoare, citire de semne de circulație –aceasta funcție este deja implementată pe mașinile mai noi.
V2V – Comunicații Vehicul cu Vehicul (Comunicarea mașină cu mașină prin intermediul WiFi printr-un protocol dedicat).
Capitolul 3
Studiu de caz: Simulări ale principalelor funcții ADAS. Comunicații de tip Vehicul cu Infrastructura(V2I) cu CarMaker
În acest capitol am prezentat câteva simulări ale principalelor funcții ADAS care sunt sau vor fi implemantate pe vehiculul autonom, mediul de simulare este CarMaker un mediu dezvoltat special pentru a permite simularea cât mai reală a principalelor funcții de autonomie.
3.1 Prezentarea mediului de simulare CarMaker
Mediul de simulare CarMaker este un mediu produs de comania IPG Automotive GmbH,( https://ipg-automotive.com) care are mai multe sedii în lume, simulatorul ne permite să creăm diferite scenari și ne stă la dispoziție și cu o gamă foarte variată de exemple pe care le-am folosit și eu pentru a ilustra câteva simulari, este un simulator cu o licență foarte scumpă și orientat către companii auto.
3.1.1 Introducere în CarMaker
Soluția IPG Automotive GmbH de simulare CarMaker include un model complet, un model inteligent de conducător auto, un model detaliat al vehiculului și modele extrem de flexibile pentru drumuri și trafic. Cu ajutorul acestui mediu de simulare, putem construi cu ușurință scenarii de testare complete și realiste, crea un test pe șosea direct de la computer. Metoda de testare bazată pe evenimente și manevre asigură faptul că avem flexibilitatea necesară și execuția realistă a testului ca sa simulăm un caz din lumea reală , de asemenea avem si caracteristici ale conducerii virtuale de testare.
Acțiunile speciale, cum ar fi activitățile șoferului sau intervențiile de sistem, pot fi modelate intuitiv în CarMaker folosind manevre. Defecțiunile, care apar și în timpul testărilor din lumea reală, pot fi declanșate precis și în orice moment prin intermediul evenimentelor. Acest lucru ne permite să comutam între testarea cu buclă deschisă și cu buclă închisă fără probleme, utilizând controlul interactiv al manevrei noastre și chiar să recreăm cele mai dificile cazuri de testare.
Flexibil și eficient cu platforma deschisă de integrare și testare.
Chiar de la început, au proiectat CarMaker în conformitate cu principiul deschiderii fată de utilizator. În plus față de un mediu complet de simulare cu instrumente pentru automatizarea testării și vizualizarea rutelor virtuale de testare, soluția de simulare include numeroase interfețe pentru unelte de la terți, permițându-i să se integreze fără probleme în procesul nostru de dezvoltare existent. Cu standardele acceptate și convertoarele oferite, CarMaker este, de asemenea, ideal ca platformă de integrare centrală.
În combinație cu modelul de vehicul complet și ușor parametrizat și cu o gamă largă de interfețe de model, avem opțiunea de a conecta subsistemele de vehicule pe care noi și partenerii lor pot crea un prototip virtual. În acest fel, CarMaker facilitează integrarea subsistemelor în vehicul și facilitează testarea timpurie pentru interacțiuni ușoare între subsisteme.
Fig.3.1 CarMaker simulator
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
Atunci când avem vehiculul virtual, drumul virtual și soferul virtual si sunt luate împreună, ne putem referi la acestea ca la mediul virtual al vehiculelor (VVE), deoarece vehiculul virtual "conduce" pe drumul virtual și este "condus" de soferul virtual.
Fig. 3.2 Mediul Virtual al vehiculului
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
3.1.2 Configurare mediului de simulare
Când pornim CarMaker pentru prima dată, trebuie să creăm un folder de proiect care să conțină datele TestRun. Acest lucru se poate face cu ușurință selectând File> Project Folder> Create
Proiect în GUI principal CarMaker.
Fig. 3.3 Crearea unui nou proiect
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
După care selectăm calea în care dorim să fie amplasat directorul de proiect, și rulăm un caz de test.
Fig. 3.4 Încărcarea unui proiect
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
3.1.2.1 Ce este un TestRun ?
CarMaker este un program bazat pe modele fixe (vehicule, suspensii, anvelope, …) ale căror proprietăți (de exemplu valorile pentru masa fiecărui corp, rigiditatea arcului) pot fi variate.
Ulterior, fiecare model trebuie să fie parametrizat în funcție de mediul înconjurător, care inseamnă că pentru fiecare model trebuie definit (sau încărcat) un așa-numit "set de date". Aceasta include selectarea unui vehicul, selectarea sau definirea unui drum, selectarea tipului de conducător auto, definirea manevrelor. Când toate aceste alegeri și definiții sunt făcute, avem toate informațiile necesare pentru a parametriza și a controla mediul virtual al vehiculelor (VVE).
Aceste setări sunt stocate într-un fișier utilizat de VVE în timpul unei simulări. Acest fișier, care poate fi salvat, încărcat, editat etc. se numește un TestRun. Rezultatul TestRun-ului are ca rezultat simularea acelui test specific.
Pentru a rezuma: un TestRun este un scenariu de testare în care toți parametrii mediului virtual (Vehicul, șofer, drum, …) sunt definite, și în urmă rulării acestuia avem niște rezulate și măsurători a mai multor parametri.
3.1.2.2 Principalele setări ale unui TestRun
A) Drumul (Road)
Următoarele subsecțiuni descriu toți parametrii necesari pentru a parametriza IPGRoad (Accesibil prin GUI-ul CarMaker făcând clic pe Parametri> Road).
IPGRoad, modelul rutier al modelului CarMaker, permite calcularea poziției oricărui punct pe suprafața rutieră, inclusiv coeficientul său de frecare, dacă se dorește.
Fig 3.5 Drum IPG
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
Principalele setări:
Putem încărca un drum deja definit sau prin intermediul GoogleMap sau seta o mulțime de parametrii cum ar fi:
Lungimea drumului
Tipurile de benzi
Semne de circulație
Trafic
Coeficient de frecare
Lățime drum
Diferite curbe si intersecții
Obstacole și marcatori
Fig 3.6 Principale setări ale unui drum IPG
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
Fiecare opțiune din fereastră de mai sus ne permite să creăm o mulțime de scenarii de drum, putem selecta distanța de la care să înceapă autovehiculul să pornescă de pe porțiunea de drum definită, putem seta coordonatele vehiculului pe traseu, putem pune semne de circulație care să simuleze anumite situații cum ar fi de exemplu un drum în lucru pe care sunt prezente anumite indicatoare pe care automobilul trebuie să fie capabil să le interpreteze și să adapteze viteza.
B) Manevrele IPG
• Există o definiție de manevră, care este împărțită în mai multe etape (de exemplu: accelerație, frânare, …). Acești pași de manevră sunt numiți minimanevre. Fiecare minimanevră este compusa din:
– acțiuni dinamice longitudinale: accelerarea, frânarea, schimbarea vitezelor, …
– acțiuni dinamice laterale: direcție,
– acțiuni suplimentare, definite printr-o listă de comenzi speciale
Fig. 3.7 Definirea manevrelor
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
La definirea manevrelor putem seta atât durata manevrei cât și viteza cu care să se realizeze aceasta, sunt situații în care de exemplu: dacă avem de făcut o manevră de viraj la stânga și noi vom seta o viteză foarte mare, vom observa că în timpul simulării noastre mașina nu se va putea încadra în traiectoria normală a drumului și va ieși înafara carosabilului exact că într-o situație reală.
C) Șofer IPG
IPGDriver ne permite să adăugam acțiuni de control ale unui șofer uman la vehiculul nostru complet. Aceste acțiuni includ direcția, frânarea, poziția accelerației, schimbarea treptelor de viteză și acționare ambreajului, dar putem utiliza doar unele setări ale acestei opțiuni. Acțiunile care se pot realiza:
alegerea cursului de conducere în interiorul marginilor benzii (tăiere la colț)
direcție
alegerea vitezei de deplasare în funcție de curs și comportamentul vehiculului
influențează viteza asupra pedalei de accelerație și a pedalei de frână, precum și asupra ambreiajului
Selectarea pedalei și a vitezelor
Detectarea obiectele de trafic și urmărirea lor
Fig. 3.8 Setări pentru șofer
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
D) Trafic
Scenarii complexe de trafic cu nenumărate obiecte de trafic
Fig. 3.9 Trafic
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
Se pot crea scenarii de trafic detaliate și reproductibile, utilizând controlul manevrelor se pot pune număr aproape nelimitat de obiecte de trafic predefinite, cum ar fi vehiculele, bicicliștii și pietonii cu modele de mișcare realiste și mai avem și opțiunea de integrare a propriilor obiecte, controlul evenimentelor, inclusiv interacțiunile cu vehiculele ego.
3.1.2.3 Principalele ferestre de afisare
A) Instrumentele
Instrumentele reprezintă un afișaj suplimentar folosit pentru a verifica grafic cele mai importante date. Conținutul instrumentelor este foarte asemănător cu ceea ce vedem în cabina unui adevărate mașini.
Fig. 3.9 Instrumente
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
CarMaker ne permite sa extindem lista de instrumente prin crearea propriilor ferestre de vizualizare cu tcl/tk limbaj de programare.
B) IPGControl
IPGControl este un instrument încorporat pentru afișarea diferitelor diagrame ale rezultatelor simularii online.
Fig.3.10 Fereastra date
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
C) IPGMovie
IPGMovie oferă funcționalitatea unei animații online. Aceasta înseamnă că în simularea curentă datele sunt furnizate fără întârziere – lumea virtuală este imaginată direct în timpul simulării. Prin încărcarea fișierelor cu rezultate externe avem și posibilitatea de a urmări animația a unui TestRun care a fost efectuată înainte. Aceasta se numește animația offline. Prima caracteristică a IPGMovie este că poți schimba punctul de vedere folosind mouse-ul în timpul simularii.
Fig. 3.11 IPGMovie
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
3.1.2.4 Exemple
A) Adaptive Cruise Control
Crearea cazului de test
În primul pas am încărcat un model de mașină predefinit în CarMaker, în cazul nostru un BMW din 2003 cu toate setările predefine.
Fig.3.12 Model masina
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
In pasul al doilea am definit un drum compus din mai multe segmente cu cube si cu trafic pentru a putea simula cat mai bine o situatie real de interventie a ACC-ului.
In pasul al treilea am definit manevrele autovehiculului dupa cum urmeaza :
Fig. 3.13 Manevrele
Sursă: https://ipg-automotive.com/products-services/simulation-software/carmaker/#traffic
Am setat viteza de deplasare a autovenicului = 100 km/h
Definirea manevrelor se face prin scrierea in limbaj specific CarMaker dupa cum urmeaza:
DVAwr AccelCtrl.ACC.IsActive Abs 1 1
DVAwr AccelCtrl.ACC.DesiredSpd Abs 1 33.33
DVAwr – Direct Variable Access write – se foloseste inainte tuturor liniilor de cod cand definim o manevra
AccelCtrl.ACC.IsActive – prin aceasta comanda activam sistemul ACC punand Abs 1
Abs – modulul
AccelCtrl.ACC.DesiredSpd – prin acesată comndă setăm viteza longitudinală cu care va operă ACC-ul, se setează în m/s în cazul nostru este setată 33.33 m/s.
Interpretarea rezultatelor testului
Fig. 3.14 IPGMovie
Sursă: Rulare CarMaker
Fig. 3.15 IPGControl
Sursă: Rulare CarMaker
Fig3.16 Instruments
Sursă: Rulare CarMaker
După ce am făcut setările pentru vehicul, drum, trafic, șofer, am setat viteza și alți parametri pentru a scoate în evidență modul de intervenție a ACC-ului observăm următoarele rezultate ale simulării: autoturismul nostru merge inițial cu o viteză prestabilită de noi de 100 km/h păstrând o distanță optimă față de autoturismul din față, realizarea acestei manevre este posibilă cu ajutorul camerei montate pe automobilul nostru de simulare, în momentul când drumul se îngustează din cauza unor lucrări pe drum prezente în simulare, autoturismul de pe bandă din stânga schimbă brusc banda ajungând în fața autovehiculului nostru, în acest moment intervine din nou funcția ACC, aceasta detectează distanța prea mică față de obiectul din față, (acesta distanță nu i-ar permite să frâneze optim în caz de urgență) așa că ia decizia să frâneze pentru a mări distanța față de maisina din față, această frânare se observă atât prin aprinderea becurilor de stop ale autoturismul, dar putem urmări foarte ușor și în feresatra IPGControl unde avem selectat să vizualizăm viteză (căr.v – formă de undă cu albastru) și frânarea vehiculului (VC Brake – formă de undă de culoare verde), în momentul în care mașina din față care schimbă banda în rază de detective a camerei se observă cum viteza începe să scadă și semnalul asociat frânării începe să crească, aceste semnale se află în scădere respective creștere până în momentul în care mașina noastră reușește să ajungă la o distanță optimă din nou.
O altă formă de vizualizare a modului de adăpare a vitezei se poate observa și în fereastra Instruments, care reflectă o imagine reală a bordulu din mașină, aici observăm cum acul indicatorului vitezei scade în momentul în care avem detecția prea apropiată a masinii din față, la fel putem vizualiza și butonul de ACC, care este activ prin faptul că este de culoare verde, tot aici se poate vizualiza și treapta de viteză în care se află masina la momentul manevrei.
B) Recunoașterea obiectelor și a semnelor de circulație
Crearea cazului de test
Și în acest caz avem același model de mașină incarcat BMW 2013, avem un drum din oraș cu trafic și cu semne de circulație, la un moment dat în fața mașinii va apărea un pieton care va traversa strada în mod neregulamentar prin fața mașinii, sistemul(ACC) trebuie să fie capabilă să detecteze cât mai repede pericolul cu ajutorul camerei, care va transmite informația prin CAN la ECU, la rândul său calculatorul va procesa informația obținută de la cameră și va comandă ACC-ul, care va frână, pentru a evită un eveniment neplăcut, aceste situații sunt cât se poate de reale pe care un conducătorul auto nu ar putea să le evite, și aici vine soluția mașinii autonome, de asemnea mașina va fi capabilă să recunoască/procesese și semnele de circulație plus culorile semafoarelor și să ia deciziile corecte(în primă fază să informeze șoferul prin semnal acustic sau haptic), sau dacă nu este timp să adapteze viteza conform indicatoarelor recunoscute, dacă intervenția șoferului este întârziată.
Detecția obictelor se face cu ajutorul radarului instalat pe mașină, care este capabil să detecteze obstacolele foarte rapid și șă transmită informația prin CAN la ECU
Definire Drumului
Fig 3.17 Road
Sursă: Rulare CarMaker
În aceata fereastra putem observa toate setările pentru drum, pietonul care va apărea în fața mașinii ere definit ca un obiect 3D și este încărcat ca un fisier, referitor la semafoare putem selecta cât să dureze o culoare cât și poziționare pe traseu.
Principale manevre
DVAwr AccelCtrl.ACC.IsActive Abs 1 1
DVAwr AccelCtrl.ACC.DesiredSpd Abs 1 13.88
La fel că în exemplu anterior avem aceleași manevre, deoarece tot sistemul ACC este răspunzător de aceste acțiuni, avem doar o viteză mai mică deoarece traficul se realizeza prin oraș.
Interpretare Rezultate test:
Detecția și evitare impactului cu un obiect
Fig.3.18 IPGMovie
Sursă: Rulare CarMaker
Fig.3.19 IPGControl
Sursă: Rulare CarMaker
În această situație: în fata mașinii apare un pieton care traversează nereglamentar(cum am prezentat mai sus), radarul si camera îl detectează și trimite informația ECU-ului care ia decizia de a frână pentru a evită impactul, chiar dacă pietonul traversează print-un loc neregulamentar, și chiar dacă aleargă, și apare și de după o mașină , una din situațiile cele mai critice, sistemul este capabil să detecteze și să ia decizii la timp, ceea ce pentru un operator uman cu timpul de reacție diferit de la persoană la persoană ar fi imposibil. Putem de asemnea observa și în fereastra IPGControl cum forma de undă asociată vitezei(Căr.v) scade în timp din momentul în care se detectează obiectul în fața mașinii.
Detecția semnelor de circulație
Fig.3.20 IPGMovie, IPGControl
Sursă: Rulare CarMaker
Fig.3.21 IPGMovie, IPGControl
Sursă: Rulare CarMaker
În acest exemplu putem observa cum mașină este capabilă să proceseze culorile semaforului și să ia deciziile adecvate, din test observăm că mașina începe să frâneze în momentul când detectează și procesează cu ajutorul camerei, culoarea roșie a semaforului, această frânare se realizează treptat pentru a asigura și confortul necesar pasagerilor, se observă acest lucru și din forma de undă din Fig. 3.20 cum are loc frânarea în timp, la fel în momentul în care se realizează detecția culorii verzi a semaforului mașina începe să-și reia traseul începând să acelereze după cum se observa în Fig. 3.21, timpul cât poate să se afle un semafor cu o anumită culoare setată la fel se poate fixa din setările drumului.
C) Lane Keeping Assistance
În exemplul următor vom analiza capabilitatea mașinii de a citi benzile de pe drum, în momentul în care aceasta se îndeparteaza de bandă, sistemul autonom este capabil să o aducă înapoi în mijlocul benzilor.
În acest exemplu vom încărca alt exemplu de mașina care este Ford_Focus_1998.
Fig.3.22 Vehicle
Sursă: Rulare CarMaker
Principalele manevre:
DVAwr Steer.AssistTrqCol_Ext AbsRamp 100 -1.2 100
DVAwr Steer.AssistTrqCol_Ext AbsRamp 50 0 50
Steer.AssistTrqCol_Ext AbsRamp – cu acesta comandă setam cu cât să rotim de volan, valorile cu minus apar dacă rotim în partea stânga și valorile cu plus dacă rotim în partea dreaptă, prima dată o să avem nevoie să rotim în partea stânga pentru a deplasa mașina înafara benzilor, și a doua manevră avem nevoie să rotim înapoi volanul pentru a aduce mașina înapoi în interiorul benzilor.
Interpretare Rezultate test:
Fig.3.23 IPGMovie, IPGControl
Sursă: Rulare CarMaker
Fig.3.24 IPGMovie, IPGControl
Sursă: Rulare CarMaker
În acest exemplu putem observa cum sistemul nostru autonom citește și procesează cu ajutorul camerei benzile drumului și ține mașină centrată între acestea, când încercăm să rotim volanul pentru a scoate mașină înafara benzilor sistemul se activează și aduce mașină treptat în interiorul benzilor, în cazul nostru lipsește traficul ceea ce permite corecția traiectoriei mașinii la viteză mare, mai avem o situație interesantă pentru acesta funcție: de păstrare a mașinii în interiorul benzilor în situația care pe drum la un moment dat avem doar o singură bandă, atunci mașina este capabilă să se ghideze doar de o singură bandă, construind cealaltă bandă virtual în urmă unor calcule.
CONCLUZIE
Totodată exemplele prezentate mai sus sunt tipul de comunicații Vehicul cu Infrastructura(V2I), aici mașina est e capabilă să citesca și sa proceseze: semne de circulație, semafoare, obiecte, toate acestea fac parte din infrastructură.
Simulatorul CarMaker ne vine în ajutor cu o mulțime de opțiuni, și ne permite să creăm o multitudine de scenarii prin oferirea posibilității de a define tipurile de drum cu toate particularitățile lui, cu definirea tipului de șofer, tipurile de mașini, definirea manevrelor atât pentru a putea testa unele funcții foarte simple cum ar fi (frânare, accelerare) sau unele funcții care implică preluare mai multor informații de la anumiți senzori și dipozitive și luarea unor decizii rapide cum este cazul mașinii autonome, tot cu ajutorul acestui mediu putem simula și Comunicațiile Vehicul cu Vehicul și precum și Comunicațiile dintre Mașină și Infrastructură care sunt un subiect destul de interesant și este o nouă etapă în crearea mașinii complet autonomă.
Capitolul 4 Comunicatii Vehicul cu Vehicul si Vehicul cu Infrastructura cu simulatorul Canoe
4.1 Introducere
Ce este V2X?
V2X cuprinde doua tipuri de comunicatii principale:
1) Comunicații Vehicul cu Vehicul care se mai numesc prescurtat V2V
2) Comunicații Vehicul cu Infrastructura care se mai numesc prescurtat V2I
Deci din definiția de mai sus avem: V2X = V2V+V2I
V2V este un serviciu de comunicare wireless prin care mașinile din trafic vor face schimb de informații cu privire la locație, viteză de mers, direcția în care se deplasează, frânari cât și pierderea stabilității. V2V este un acronim de la Vehicle-to-vehicle, adică vehicul-către-vehicul. Această tehnologie folosește tehnologie DSRC(comunicații pe distante scurte), un standard înființat FCC și ISO.
Aceste tipuri de comunicații sunt în proces de dezvoltare și în momentul când vor fi implementate vor fi un mare pas făcut în dezvoltarea mașinii autonome, pe lângă procesul de dezvoltare mai apare și o problemă de legislație referitore la circularea mașinilor complet autonome pe drumurile publice, acum aces obiectiv este unul prioritar pentru dezvoltatorii auto , în SUA deja se discută despre un set de legi și reguli pentru a fi implementate pentru a putea circula mașina autonomă, referitot la comunicațiile enumerate mai sus sunt foarte importante deoarece vor îmbunătăți situația traficului actual, spre exemplu dacă mașinile o să comunică între ele sau cu infrastructura, o să schimbe diverse informații cum ar fi:
Informații despre un eventual accident
Informații despre stare vremii în momentul când două vehicule se vor întâlni(vorbim despre un vehicul care circulă spre un drum montan și altul care deja a făcut traseul, în momentul apropierii se va realiza un schim de informații).
Informații despre apropierea unei maișini speciale cum ar fi poliție, salvare, pompieri.
Informații despre un autovehicul care încetinește brusc pe autostradă atunci antentionarea se va propagă de la un autovehicul la altul și în felul acesta se vor evită accidentele în lanț (cele mai mai periculoase) care se produc pe autostrăzi.
Comunicarea vehicului cu infrastructura este foarte utilă în oraș dar nu numai, în oraș vehiculul poate prelua informații despre trafic, eventuale accidente, aceste informații îl pot ajută pentru a evită zonă aglomerată sau cu accident.
În cazul unui accident se pot transmite informații automat de la mașină implicată la un serviciu de salvare(aici vorbim de un accident într-o zonă mai puțin aglomerată). Am putea descrie accest tip de comunicație ca fiind Wifi, deoarece funcționează exact ca o rețea Wifi, iar posibilele frecvențe de operare se învârt în jur de 5.9GHz cu lățimea de bandă 75 Mhz.
Rază inițială de comunicareV2V) este de 300 de metri, ceea ce s-ar traduce în timp la vitezele cu care se rulează pe autostrăzi, într-o avertizare venită cu până la 10 secunde. Distanța de comunicare între mașini ar putea fi mărită dacă ar fi folosit și un sistem de retransmisie. Practic, device-ul montat pe mașină să funcționeze exact ca un wifi repetitor, mărind astfel distanța și retransmițând informația mai departe, ceea ce și se urmărește pentru comunicarea pe autostarzi.
În primele faze de implementare, avertizările V2V vor fi vizibile către șofer pe cale luminoasă, cel mai probabil într-un panel dedicat acestui sistem. Însă deciziile îi aparțin în totalitate șoferului, acesta poate alege să frâneze și să conducă precaut sau să ignore această avertizare.
4.2 Standardul pentru comunicatii dintre vehicule
Comunicarea între diferitele vehicule sau între vehicule și infrastructură se realizează prin standardul WLAN IEEE 802.11p (ETSI ITS-G5 sau IEEE 1609 WAVE(Wireless Access for Vehicular Environments)). Pe langă IEEE 802.11p, WAVE conține și standardul IEEE 1609, care este standardul stratului superior. IEEE 1609 completează WAVE prin standardele sale de detaliu,
De exemplu, standardul IEEE 1609.2 este responsabil pentru securitatea comunicării;
Standardul IEEE 1609.3 acoperă configurarea și gestionarea conexiunii WAVE.
Standardul IEEE 1609.4 care se bazează pe stratul fizic (PHY) IEEE 802.11p și (MAC) asigură funcționarea straturilor de nivel înalt.
Opțiunea .Car2x extinde simulatorul CANoe prin adăugarea de canale WLAN conforme cu IEEE 802.11p. Acest lucru permite analiza directă atât a rețelei specifice a rețelei Car2x, cât și a protocoalelor de transport, precum și a mesajelor de aplicare suprapuse asupra acestora; În câmpul Car2x, acesta ar putea fi mesajul de informare cooperativă (CAM) și mesajul de notificare de mediu descentralizat (DENM) în Europa și în S.U.A., mesajul de securitate de bază (BSM). Pachetele securizate sunt, de asemenea, acceptate aici.
Avem două oraganizatii din UE (ETSI și CEN) au efectuat cercetări în direcția identificării și specificării noilor standarde pentru comunicațiile vehiculelor, au anunțat recent că se pregătesc aproximativ 32 de standarde pentru comunicațiile vehiculelor. Totodată cu aparția acestui tip de comunicații apare și problema atacurilor cibernetice care este o una majoră.
Fig 4.1 V2V, V2I
Sursă: https://www.extremetech.com/extreme/176093-v2v-what-are-vehicle-to-vehicle-communications-and-how-does-it-work
În primă fază de comunicare dintre mașini, avertismentele V2V o să vină la șofer ca o alertă, o lumină roșie care clipește pe panoul de bord sau o alertă de culoare galbenă, apoi roșie, pentru escaladarea problemelor.O să indice direcția amenintării. Tot ceea ce este fluid pentru moment, deoarece V2V este incă un concept cu câteva mii de prototipuri de lucru sau mașini de testare modernizate. Cele mai multe dintre prototipuri au avansat la stadiul în care mașinile franează și uneori conduc în jurul pericolelor, exemple care se pot simula și în CarMaker.
Atentionările pot fi afișate în bordul mașinii sau, când intenționăm să facem o schimbare de bandă, sistemul nostru bazat pe senzori o să detecteze/prelucreze niște informații referitoare la mașinile care circulă pe banda care intenționam să ajungem și dacă vor detecta că manevră este periculoasă și se apropie o masină cu viteză foarte mare, sistemul ne se va afișa un mesaj intermitent de atenționare în oglindă retrovizoare că în imaginea de mai jos:
Fig.4.2 Mesaj de atentionare
Sursă:https://www.google.ro/search?q=adas&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwj6p7ba8uXTAhXCB8AKHc7aDC8Q_AUIBigB&biw=1366&bih=662#tbm=isch&q=continental+adas+warnings&imgrc=8zj7qOE9t1pf9M:
Ținând cont că acesta tehnologie este în proces de dezvoltare este foarte greu de găsit un simulator pentru a ilustra niște exemple de comunicații dintre vehicule, există mai multe simulatoare care pot fi combinate pentru a putea simulă niște exemple dar sunt licențiate mai mult de atât avem nevoie de un simulator de rețele de internet și un simulator petru vehicule și drumuri, de exemplu(Sumo, OMNeT++ ).
Pentru a exemplifica modul de comunicare dintre două vehicule am folosit Canoe, care este o interfață dezvoltată de compania VECTOR, care permite comunicarea dintre ECU-uri prin protocol CAN, și mai oferă posibilitatea simulării unor transmisiuni V2V (exemple-demo) pe care m-am axat și eu.
4.3 Prezentare mediului de simulare CANoe
Bibliotecă de funcții Car2x (interfața de programare) disponibilă în CAPL oferă funcții speciale pentru accesarea informațiilor (semnale / date) ale pachetelor recepționate și reacționarea la acestea. Această bibliotecă permite, de asemenea, crearea unei simulări de mediu, care este o condiție necesară pentru a stimula ECU-urile și, astfel, pentru a le testa în moduri specifice. În plus fată de afișarea informațiilor într-o fereastră specială a hărtii, blocurile tipice de analiză Canoe precum Windows, Trace, Data și Graphics sunt, de asemenea, disponibile.
Fig. 4.3 Modul de comunicare V2V
Sursă: https://vector.com/
4.3.1 Introducere
CANoe este un instrument de dezvoltare și testare de la Vector Informatik GmbH. Software-ul este utilizat în principal de către producătorii de automobile și furnizorii de unități electronice de control (ECU) pentru dezvoltarea, analiza, simularea, testarea, diagnosticarea și punerea în funcțiune a rețelelor ECU și a ECU-urilor individuale. Utilizarea pe scară largă și numărul mare de sisteme de bus-uri (cai de transmisie) din cadrul vehiculului îl fac deosebit de potrivit pentru dezvoltarea ECU-urilor în vehiculele convenționale, precum și vehiculele hibride și vehiculele electrice. Facilitățile de simulare și testare în CANoe sunt realizate cu CAPL, un limbaj de programare foarte interactiv.
Tehnologiile noi bazate pe arhitecturile IP din industria automobilelor sunt susținute de CANoe. Dincolo de sfera de comunicare într-o singură mașină, CANoe este folosită în dezvoltarea sistemelor cooperative pentru V2X
La începutul procesului de dezvoltare pentru ECU-uri, CANoe era folosit pentru a crea modele de simulare care simulează comportamentul ECU-urilor. Pe tot parcursul dezvoltării ECU-urilor, aceste modele servesc drept bază pentru analiza, testarea și integrarea sistemelor de bus și ECU. Datele sunt afișate și evaluate în format brut sau simbolic. In 1992, Vector a dezvoltat formatul de date DBC, care a devenit un standard de facto pentru schimbul de descrieri CAN în domeniul auto. Alte standarde relevante sunt suportate pentru alte sisteme de bus, de ex. FIBEX pentru FlexRay, LDF pentru LIN, EDS / DCF / XDD pentru CANopen.
CANoe are 3 faze de de simulare:
Doar noduri simulate – în acest fel vom reprezenta și noi exemplul urmator de studiu
Noduri reale și noduri simulate
Doar nodure reale
Fig. 4.4 Fazele CANoe
Sursă: https://vector.com
Programul este ca o Sursă de date pentru a transmite date altor controlere, dar îl putem utiliza și simultan pentru a observa, înregistra și evalua traficul de date pe magistrală CAN.
Programul Canoe are o interfață foarte perietenoasă cu utilizatorul ca în imagine:
Fig. 4.5 Interfata CANoe
Sursă: https://vector.com
CANoe ne oferă un set de funcții de bază semnificative pentru lucrările pe diferite sisteme bus. Sunt disponibile funcții precum încărcarea și salvarea configurațiilor, atribuirea bazelor de date și configurarea panourilor. În special, diagrama fluxurilor de date și blocurile de funcții din fereastra Măsurare și simulare sunt configurate direct cu meniuri sensibile la context. Prin urmare, trebuie să alegem un bloc în setarea de măsurare și să facem click cu butonul drept al mouse-ului pentru a deschide meniul contextual corespunzător. De exemplu, putem introduce noi blocuri de funcții, cum ar fi filtre sau blocuri de generatoare, la punctele de inserție dreptunghiulare neregulate (puncte fierbinți) în fluxul de date sau configurați cardul PC cu pictograma bus din dreapta setării de simulare. O scurtă privire la configurarea de măsurare și simulare ne oferă o prezentare generală a opțiunilor de configurarile furnizate de CANoe și ne arată cum apare configurația măsurată reală. Configurația simulării se face în fereastra de configurare a simulării; Măsurătorile și analizele sunt configurate în fereastra de măsurare.
Fig 4.6 Principalele fereste in timpul unei rulari
Sursă: https://vector.com
Programul Canoe ne permite vizualizarea formelor de undă a evoluție transmiterii mesajelor de la o mașină la altă, fie de la un ECU la altul, o altă fereastara este cea care ne permite vizualizarea instrumentelor de bord, un lucru interesant atunci când urmărim transmișii de semnale pe CAN cum ar fi viteză sau turație acestea sunt afișate în fereastră ca și în bordul real al mașinii.
O caracteristică importantă atunci când vorbim de comunicațiile V2V, este că avem posibilitatea să facem import de o hartă descărcată de pe net din surse cum OpenStreetMap sau Google Maps.
4.3.2 Prezentare principalelor elemente ale mediului de simulare
Main menu bar
Folosit pentru a selecta funcțiile de bază
Toolbar
Folosit pentru selectarea rapidă a unor comenzi importante care mai conține, de asemenea, indicatori de stare pentru sistemul numeric (zecimal sau hexazecimal) și pentru a afișa intrările de la tastatură efectuate în timpul desfăsurării măsuratorii.
Simulation setup
În fereastra de configurare a simulării, se realizeaza configurare afișarii grafice cu magistrala CAN și toate noduri de rețea.
Measurement setup
Setarea de configurare a măsuratoriilor: afișează datele programului în timpul rularii. Toate opțiunile sunt setate în această fereastră pentru parametriza o măsurătoare sau o evaluare.
Trace window
Aici sunt înregistrate activitațile de bus. Utilizatorul poate naviga în această fereastră după ce o măsurătoare a fost finalizată.
Statistics window
Sunt afisate frecvențele medii de transmisie ale mesajelor sub forma unui spectru pe o axa de identificare. Ca opțiune fereastra poate fi mărită pentru evaluări detaliate.
Data window
În această fereastră sunt afișate segmentele de date ale mesajelor pre-definite.
Graphics window
Reprezentarea grafică a răspunsurilor semnalelor în timp, care sunt afișate într-o diagramă X-Y. La sfârșitul măsurării avem un cursor de masurare care ne permite sa examinam anumite puncte de pe graphic.
Write window
Informații importante cu privire la progresul înregistrării măsuratorii poate fi afisat aici .Mai mult de atat toate ieșirile pe care utilizatorul le-a scris cu comanda (write) în programul CAPL sunt scrise în acestă fereastră.
Bus Statistic window
Informații legate de hardware, cum ar fi numărul de date si cadre, cadre de eroare și încărcarea bus-ului sunt afișate aici. Disponibilitatea acestor informații depinde de Cartela CAN PC utilizată.
.
4.3.3 Studiu de caz: Simularea comunicațiilor V2I, V2V în programul Canoe
4.3.3.1 Comunicații cu Infrastructura V2I
Studiu de caz:
În acest studiu vom exemplifica Comunicațiile V2I cu programul Canoe de la VECTOR, utilizând un exemplu predefinit de comunicații auto, avem următorul caz:
Avem o mașină care circulă pe un drum (un drum simulat, se poate încărca o hartă descărcată de pe net cu ajutorul unei aplicații ca de ex: Open Street Map) și la un moment dat în față avem o îngustare de drum din cauza unor lucrări, începutul acestui eveniment este marcat prin semne de circulație corespunzătoare (drum în lucru, limitator de viteză 60km/h), acest loc este prevăzut cu o sație de trasmisie care va trasmite mesajul de atenționare pentru toate autovehiculele care se apropie (mașinile vor primi mesajul de atenționare începând cu distanța de 100m), simulare ne va arată exact ,mometul în care masina începe să primescă acest mesaj și va contoriza și câți metri mai sunt până la evenimentul de pe traseu, aceste informațiile le vom putea vizualiza într-o fereastră în momentul simulării. Harta utilizată este una predefinită, o hartă din Germania dar putem cu usurință importa o hartă care vrem noi.
Creare Caz Test
În acest exemplu putem vizualiza cum Semaforul trimite un mesaj de informare către vehiculele care se apropie, acest mesaj de avertizare conține informații despre culoare semaforului la momentul dat și cât timp mai este active acesta culoare, autovehiculele pot recepționa acest semnal începând cu distanță de 100 m, recepționând acest mesaj acestea sunt capabile să-și adapteze viteză, pentru a opri dacă este culoare roșie la semafor, sau pentru a-și continua drumul dacă este culoare verde, aceste adaptări se pot face destul de ușor de către autovehicul deoarece sistemul primind mesajul despre culoare semaforului și despre cât timp mai este aceasta activă, precum și depre distanța până la semafor, automobilul este capabil sa-si adapateze comportamentul pe traseu.
Fiecărui test creat în Canoe îi este necesară și o bază de date unde sunt stocate informații, de exemplu informații despre mesajele transmise și recepționate, existența acestei baze de date se poate observa în figura de mai jos, avem creată o bază de date pentru comunicarea noastră V2X.
Fig. 4.7 Configurarea Simularii
Sursă: Simulare CANoe
Pentru a face posibilă simularea, toate componentele sunt configurate că ECU-uri.
În acesta fereastră avem blocurile componte ale simulării noastre după cum urmează:
ECU SimCar1- bloc care simulează mașina noastră care va comunica cu celelalte ECU-uri,
ECU RWW – bloc care simulează stația care trasmite informații referitoare la îngustarea drumului din cauza lucrărilor(Roadworks Warning)
ECU TL – bloc care simuleaza semaforul (Traffic Light)
BUS Control Chan- acest bloc simulează magistrala prin care comunică blocurile între ele, aici avem mai multe setări care le putem efectua ca în imagine:
Fig.4.8 Configurarea blocului Control Chan
Sursă: Simulare CANoe
ECU Visualizer – care ne permite să activăm toate ferestrele de vizualizare în momentul simulării cum ar fi: data, trace, graphic etc.
Interperetare Rezulate Caz Test
Comunicarea Vehicul cu Semafor (Trafiic Light (TL))
Fig. 4.9 Localizarea vehicul pe hartă
Sursă: Rulare CANoe
În aceste imagini putem observa cum mașina se apropie de semafor, acesta este de culoare roșie, mai putem observa în Fig.4.10 că avem afișat în bordul mașinii mesajul recepționat de la TL că peste 68 metri avem un semafor și mai sunt 2.5 secunde până la schimbarea culorii roșii, aceste informații sunt foarte utile pentru adaptarea vitezei .
Fig. 4.10 Dashboard, Traffic Light
Sursă: Simulare CANoe
Fig. 4.11 Graphic Car&Traffic Light
Sursă: Simulare CANoe
Fig. 4.12 State Tracker
Sursă: Simulare CANoe
În imaginile de mai sus putem observa formele de undă semnalelor corespunzătoare: vitezei vehiculului, distanței dintre vehicul și semafor și culorilor semaforului, în Fig. 4.11 am folosit un cursor(culoare albastră) pentru a măsura momentul de timp în care vehiculul ajunge la distanța de 100m fată de semafor și începe să recepționeze mesajul de la acesta, acest moment de timp este afișat pe grafic (Time t=11,510136s), de unde putem vizualiza că semnalul corespunzător distanței până la semafor scade treptat în timp până la zero, dacă culoarea semaforului în momentul ajungerii mașinii în dreptul lui este roșie putem observa că viteza scade până la zero până în momentul în care se realizează schimbul culorii, tot în Fig. 4.11 putem vizualiza și forma de undă a semnalului corespunzător fiecărei culori ale semaforului, cât și timpul de schimb al culorilor. În Fig.4.12 putem observa mai ușor perioada de timp a unei culori a semaforului cât și momentul de început a recepționării mesajului de către automobil.
Fig.4.13 Data Car&Traffic Light
Sursă: Simulare CANoe
În figura de mai sus avem posibilitate să observăm mai mulți parametrii de interes în cazul unei măsurători, cum ar fi viteza mașinii(m/s), culoare semaforului, distanța până la semafor.
B.Comunicarea Vehicul cu o stație de avertizare „drum în lucru” (Roadworks Warning (RWW))
În următorul exemplu avem situația, există un drum care se îngustează la un moment dat plus un indicator de reducere a vitezei, aici avem o stație de transmisie care va transmite un mesaj de atenționare catre toate vehiculele pe o rază de 100 de metri.
Fig. 4.14 Localizare vehicul pe hartă
Sursă: Simulare CANoe
În imaginea de mai sus putem observa cum vehiculul intră în raza de transmisune a RWW-ului și va începe să primescă mesajul de atenționare.
Fig. 4.15 Trace DENM
Sursă: Simulare CANoe
În figura de mai sus putem vizualiza mai mulți parametrii de interes pentru simularea noastră după cum urmează:
Time reprezintă timpul în care informația a ajuns pe magistrala CAN
Chn reprezintă canalul prin care se face transmisiunea
DENM este protocolul utilizat
RWW este nodul care trimite mesajul
Souse MAC reprezinta adresa MAC a expeditorului mesajului, in cazul nostru nodul RWW, este o adresa MAC asignata unic.
Destination MAC, adresa MAC a destinatarilor, în cazul nostru este FF:FF:FF:FF:FF:FF deoarece mesajul este transmis către toate autovehiculele.
Packet Length reprezintă lungimea pachetului mesajului transmis
Fig. 4.16 RWW Configuration
Sursă: Simulare CANoe
În această imagine observăm cum este transmis periodic mesajul, avem următoarele setări făcute: trimitem mesajul în toate direcțiile pe o rază de 100m, referitor la direcția relevantă de a trimite mesajul avem mai multe situații:
Upstream traffic
Downstreem traffic
All traffic direction
Opposite traffic
La fel și la distanța de trimitere a mesajului avem mai multe setări (de la 100m până la peste 10km) dar în funcție de distanță de exemplu dacă dorim să trimitem mesajul la o distanță mai mare avem nevoie și de o putree de emisie mai mare, și mesajul va fi recepționat mai târziu.
Pentru a selecta cazurile RWW avem următoarele situații:
Streetcleaning
Winterservice
ShorttermStationaryRoadworks
Fig. 4.17 RWW Configuration
Sursă: Simulare CANoe
În imaginea de mai sus putem vizualiza numele mesaului, informații despre localizarea evenimentului, distanța până la acel eveniment, aceste informații vor fi afișate în bordul mașinii.
Interpretare Rezultate Test
Toate aceste informați de avertizare și de informare primite de către autovehicule sunt procesate și sunt afișate în bordul mașinii, ceea ce îi permite conducătorului auto să reducă viteza și să se pregatesaca de manevrele viitoare, dacă vorbim de mașina complet autonomă aceste informații primite de la Infrastructur ă îi vor permite să evite situațiile de risc, în unele cazuri chiar să găsească alt traseu optim pentru a evita ambuteiajul.
4.3.3.2 Comunicatii Vehicul cu Vehicul V2V
Creare Caz de Test
În acest exemplu putem vizualiza în două situații dinstincte cum comunică mașinile între ele prin intermediul WIFI, cum o mașină trimite un mesaj de avertizare alteia în momentul în carea acesta detectează o situație de coleziune, și a doua situație: când o mașină aflată în față alteia frânează brusc, aceasta va trimite un mesaj de atenționare mașinii din spate pentru a preveni eventualele accidente, acest mesaj se poate propaga de la mașină la mașină pentru a preveni situațiile de risc, este un mesaj de avertizare foarte util circulației pe autostrăzi.
Configurarea Simulării
Fig. 4.18 Simulation Setup
Sursă: Simulare CANoe
În această fereastră avem implementate principalele blocuri pentru simulare sub formă de ECU-uri.
ECU DuT reprezintă dispozitivul supus testului(mașina care primește atenționările)
ECU SimCar2 reprezintă mașina cu nr 2
ECU SimCar4 reprezintă mașina cu nr 4
Bus Car2x – magistrala prin care se realizează schimbul de informații
I-Generator WLAN packe –WAVE Short Message Protocol care cuprinde informații despre adresele MAC, lungimea pachetului, etc.
Comunicarea V2V când unul din autovehicule detectează o situație de risc (Road Condition Hazard Ahead)
În această situație vehiculul care detectează o situație de risc pe drum trimite un mesaj de atenționare către vehiculul care circulă din sens opus, pentru al informa despre acest eveniment.
Fig. 4.19 Localizare Vehiculelor pe hartă
Sursă: Simulare CANoe
Fig. 4.20 Dashboard
Sursă: Simulare CANoe
În figurile de mai sus Fig.4.19, 4.20 avem ilustrat modul de comunicare dintre vehicule aftate pe drum, din imagini putem observa că vehiculul SimCar2 ajunge în dreptul unei situații de risc (accident, obstacol), procesează această informație și trimite mesaj de atenționare vehicului care circulă din sens opus, acest mesaj de avertizare este recepționat de către autovehiculul nostru de test începând cu distanța de 400m, acesta primește un mesaj de alertă în bord cu imaginea de mai sus care conține și o informație despre distanța până la evenimentul de pe drum, sistemul este capabil să calculeze foarte rapid în timp real distanța rămasă până la eveniment afișând acestă informatie în bordul mașinii după cum se vede în imagine.
Fig. 4.21 Trace
Sursă: Simulare CANoe
În această figură putem vizualiza de către ce nod Sursă a fost trimis mesajul (SimCar2) cu adresa MAC asociată unic spre ce nod a fost trimis mesajul (DuT) cu adreasa MAC unic asociată, la fel putem vedea și lungimea pachetului trimis.
B.Comunicarea V2V când vehiculul din față frânează brusc
În ecest exemplu avem una din situațiile des întâlnite în trafic, când mașina din față frânează brusc din anumite motive (fie evitarea unui obstacol, fie defecțiune apărută instant), și șoferul mașinii din spate nu reușește intodeauna să evite coleziunea din cauza că observă frânarea prea târziu, aceste situații devin mult mai periculoase pe autostradata unde mașinile au viteze foarte mari și din cauza unei frânări rapide se pot întâmplă accindente în lanț, aici comunicarea V2V vine cu o soluție: vehiculul din față în momentul frânării bruște trimite și un mesaj de atenționare către vehiculele din spate, ceea ce o să putem observa și în simularea noastră, la fel dacă distanța este pre mare dintre autovehicule acest mesaj se transmite de la o mașină la altă.
Fig. 4.22 Localizare Vehiculelor pe hartă
Sursă: Simulare CANoe
Fig. 4.23 Dashboard
Sursă: Simulare CANoe
În imaginile de mai sus putem observa cum vehiculul din față (SimCar4) reprezentat printr-un truinghi de culoare verde franează brusc, în mometul frânării acesta trimite un mesaj către vehiculul din spatele lui, acest mesaj este recepționat și afișat de acesta în bordul mașinii plus o informație de distanță față de mașina din față care se actualizaeaza în timp real. Din figuri mai putem observa și timpul mesajului trimis (Electronic Emergency Brake Light).
Fig. 4.24 Trace
Sursă: Simulare CANoe
În figura Fig 4.24 observăm ce nod trimte mesajul(SimCar4) cu adresa MAC asociată, și nodul care primește acesta informație(DuT) cu adresa MAC unic asociată, la fel putem vizualiza și timpul când a fost trimis și receptional plus lungimea pachetului.
Fig. 4.25 Graphics
Sursă: Simulare CANoe
În acest grafic putem monitoriza viteza celor două vehicule, observăm cum viteza vehiculului(SimCar4) reprezentat cu verde scade (frânează brusc), vehiculul din spate primește mesajul de atenționare și își continuă deplasare cu aceeași viteză, deoarece situația nu este una de risc (drumul are mai multe benzi și el reusete să schimbe banda din timp), doar folosește mesajul ca o informație utilă.
In fata
Coperta, pagina de titlu, cuprins, argument, cap 1…..
Concluzii
Bibliografie
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Conferențiar dr. ing. LUMINIȚA SCRIPCARIU Masterand, Ing. SIMION DOBA IAȘI 2017 UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAȘI FACULTATEA DE… [309301] (ID: 309301)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.