一种无人驾驶汽车运行状态监控及预警装置的制作方法

本实用新型涉及车辆行驶状态监控技术领域，特别涉及一种无人驾驶汽车运行状态监控及预警装置。

背景技术：

随着网络信息技术的发展与科学技术水平的提高，人们对汽车的要求也达到了一个新的高度。目前，无人驾驶、智能驾驶和辅助驾驶等汽车安全技术已被各家汽车厂商广泛研究。

无人驾驶汽车是一种智能汽车，也可以称之为室外轮式移动机器人，主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶。它一般是利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。

出于安全性和实际应用需要考虑，要在无人驾驶汽车上安装一套能够实时采集车辆状态信息的系统，用以观测车辆运行数据，当车辆状况处于危险状态时能顾给予报警。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种无人驾驶汽车运行状态监控及预警装置，实现了对无人驾驶汽车运行数据的实时监控与采集，还能够远程显示和记录车辆运行状况等信息，当车辆状况处于危险时给予警告。

(二)技术方案

一种无人驾驶汽车运行状态监控及预警装置，包括车载监测终端和上位机监控终端；所述车载监测终端通过CAN总线连接汽车传感器，读取所述汽车传感器采集的车辆运行数据；所述上位机监控终端通过以太网与无线网关相连接，经由所述无线网关接入GPRS网络；所述车载监测终端与所述无线网关通过所述GPRS网络进行连接，所述车载监测终端读取的车辆运行数据经由所述无线网关发送给所述上位机监控终端。

进一步的，所述CAN总线包括第一CAN总线和第二CAN总线；所述第一CAN总线为汽车自带CAN总线，传输速率为500KB/s，所述第二CAN总线为人为外加CAN总线，传输速率为250KB/s。

进一步的，所述车载监测终端包括微处理器模块、第一CAN接口模块、第二CAN接口模块、GPS定位模块、工控机模块、语音报警模块、LED指示灯模块、RS232接口模块、GPRS通信模块和电源模块；所述微处理器模块通过所述第一CAN接口模块连接所述第一CAN总线，所述微处理器模块通过所述第二CAN接口模块连接所述第二CAN总线。

再进一步的，所述微处理器模块选用32位RISC性能处理器STM32F107。

再进一步的，所述第一CAN接口模块和所述第二CAN接口模块均选用通用CAN隔离收发器CTM8251AT。

再进一步的，所述语音报警模块包括语音芯片、扬声器、第一～第二十一按键和第一电阻，其中所述语音芯片为高品质MP3语音芯片BY8301-SS0P24MP3。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种无人驾驶汽车运行状态监控及报警装置，基于CAN总线的车载数据无线传输系统，以STM32F107为核心的数据监测终端，实现了对无人驾驶汽车运行数据的实时监控与采集，上位机通过GPRS网络能够远程显示和记录车辆运行状况等信息，同时工控机对采集的数据进行分析，当车辆状况处于危险时便进行声光报警，BY8301-SSOP24MP3语音芯片最多可录制21段语音，大大提升了语音报警的范围，提高了车辆预警的人机交互效果，其电路简单，成本低廉，稳定性和可靠性好，时效性高，具有较强的灵活性和可扩展性，为无人驾驶汽车的研发提供了可靠的测试工具。

附图说明

图1为本实用新型所涉及的一种无人驾驶汽车运行状态监控及预警装置的系统结构框图。

图2为本实用新型所涉及的一种无人驾驶汽车运行状态监控及预警装置的车载监测终端结构框图。

图3为本实用新型所涉及的一种无人驾驶汽车运行状态监控及预警装置的CAN接口模块电路连接图。

图4为本实用新型所涉及的一种无人驾驶汽车运行状态监控及预警装置的语音报警模块电路连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型所涉及的实施例做进一步详细说明。

如图1所示，一种无人驾驶汽车运行状态监控及预警装置，包括车载监测终端和上位机监控终端；车载监测终端通过CAN总线连接汽车传感器，读取汽车传感器采集的车辆运行数据；上位机监控终端通过以太网与无线网关相连接，经由无线网关接入GPRS网络；车载监测终端与无线网关通过GPRS网络进行连接，车载监测终端读取的车辆运行数据经由无线网关发送给上位机监控终端。

汽车传感器为车辆自身已安装好的传感器设备，用于采集如车辆速度、车体温度、电源电压和油门状态等等车辆运行数据，并将采集好的数据放在车辆CAN总线上面。

CAN(控制器局域网)是国际上运用最广泛的总线之一，由于是通过差分方式传输，其具有结构简单、传输距离较远、速率较快、节点数自由、安全可靠等特性，使其在汽车电子领域备受关注。CAN总线被设计在ECU(汽车电子控制单元)之间交换信息，从而构成了汽车电子网络。CAN技术规范包括2.0A和2.0B，其中CAN总线报文传输时主要有4种类型的帧：数据帧、远程帧、出错帧以及超载帧。考虑到本装置中使用的无人驾驶汽车的CAN总线标准数据帧格式，所以设计采用CAN2.0B，数据帧使用标准数据帧。

由于无人驾驶汽车是由人为改动的，故汽车上有两路CAN总线，第一CAN总线和第二CAN总线。第一CAN总线为汽车自带CAN总线，传输速率为500KB/s，第二CAN总线为人为外加CAN总线，传输速率为250KB/s。汽车自带CAN总线采集无人驾驶汽车车辆状态信息，如车辆速度、车体温度、电源电压和油门状态等，人为外加CAN总线感知无人驾驶汽车行驶环境信息。

如图2所示，车载监测终端包括微处理器模块、第一CAN接口模块、第二CAN接口模块、GPS定位模块、工控机模块、语音报警模块、LED指示灯模块、RS232接口模块、GPRS通信模块和电源模块；微处理器模块通过第一CAN接口模块连接第一CAN总线，微处理器模块通过第二CAN接口模块连接第二CAN总线。

微处理器模块选用32位RISC性能处理器STM32F107，其用来协调装置其余各部分模块共同协调工作，是一种高性价比、系统可靠性高、设计灵活方便的控制芯片。此芯片72MHz运行频率，5V工作电压，集成了各种高性能工业标准接口，包括10个定时器、两个12位AD转换器、两个12位DA转换器、两个I2C接口、五个UART接口、三个SPI端口和一个高质量数字音频接口I2S，并且拥有全速USB接口和两路CAN2.0B接口，可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场等多种产品需求。

CAN接口模块主要用于完成与CAN总线的通讯，接收所需数据，实现监测终端与无人驾驶汽车内部控制系统之间的无干扰通讯。CAN接口模块选用接口电路非常简单的通用CAN隔离收发器CTM8251AT，它的主要功能是将CAN控制器STM32F107的逻辑电平转换为CAN总线的差动电平，另外，CTM8251AT还具有对CAN控制器STM32F107与CAN总线之间的隔离作用，隔离电源可达DC2500V。如图3所示，CAN控制器U1STM32F107通过其UART1口与CAN隔离收发器U2CTM8251AT通信连接，CTM8251AT的CAN_H脚接CAN总线高数据位，CAN_L接低数据位。STM32F107通过CTM8251AT读取CAN总线中的无人驾驶汽车车辆运行数据。

GPS定位模块接收GPS定位卫星发送的导航电文，并从导航电文中解析获得无人驾驶汽车的地理位置信息。

车辆运行数据的数据量十分庞大，因此对处理器运算能力的要求较高。本装置中微处理器STM32F107将读取的汽车传感器采集的车辆运行数据送到工控机模块进行运算分析，判定当前车辆是否处于危险状态。正常情况下，汽车传感器按照固定的帧率输出数据，工控机分析各个传感器的输出帧率，如果帧率低于正常值或者突然为零，则判定为危险状态；传感器输出的数据中附带校验位，工控机对数据进行校验对照，如果数据传输出错，则判定为危险状态；汽车传感器输出数据中包含温度等信息，如果工控机对照超过设定温度，则判定为危险状态。工控机分析车辆的运行状态数据，如剩余油量、水温、故障码等，判断车辆是否处于危险状态。工控机检测车辆的决策系统发出的执行命令，然后检测车辆的执行情况，如果在多个周期内均未达到车辆决策命令的要求，则判定为危险状态。同时工控机记录车辆运行的时间和里程数据，当超过额定值时判定为车辆需要维护保养状态，如果维护保养状态持续时间更长之后则判定为危险状态。

车辆危险状态预警方法是通过工控机模块实现对各个汽车传感器信息、车辆的运行状态、车辆的决策及执行情况、记录车辆运行的时间和里程数据的分析对比来完成的。在实际调试过程中，还可通过增添或删减上述数据实现更加灵活的车辆预警功能。

当工控机模块判定当前车辆处于危险状态时，微处理器STM32F107向语音报警模块发送指令，并向上位机监控终端传送报警报文。语音报警模块用于在车辆出现故障或超速等状况时通过语音的方式提醒车辆调试人员。如图4所示，语音报警模块包括语音芯片U3、扬声器LS1、按键K1～K21和电阻R1，其中语音芯片U3为高品质MP3语音芯片BY8301-SS0P24MP3。BY8301-SS0P24MP3支持MP3、WAV格式双解码，内置SPI-Flash作为存储介质，配有Micro USB接口，可以通过数据线连接电脑自由更换Flash的音频内容。并内置3W功放，可以直接驱动3W的喇叭，使用非常方便。其支持标准串口控制，串口为3.3V TTL电平，因此可与STM32F107的UART2口直接相连。BY8301-SS0P24MP3有六个触发IO口，最多支持21段按键一对一触发播放，按键K1～K21对应1～21段语音。

LED指示灯模块在车辆出现故障或超速等状况时通过点亮指示灯的方式提醒车辆调试人员。

GPRS是通用分组无线业务的简称，是一种以全球手机系统为基础的数据传输技术，在用户和数据网络之间提供一种连接，给用户提供高速无线IP或X.25服务。本装置使用GPRS通信模块实现车载监测终端与上位机监控终端之间的无线通信，实现实时数据的无线传输。将GPRS无线通信技术与车载CAN总线通讯技术结合到一起，以精简的硬件结构实现了车辆实时状态的远程在线监控的功能。由于GPRS通信模块的接口协议为标准RS-232电平，故STM32F107需要通过RS232接口模块进行电平转换之后再与其进行通信。完成简单的设置后，GPRS通信模块即可将STM32F107读取的车辆运行数据通过GPRS网络发送出去，上位机监控终端经由无线网关接入GPRS网络中，对车辆运行数据进行接收存储，进行实时显示，并自动绘制实时曲线、生成数据报表等。上位机监控终端所存储的数据可用于无人驾驶汽车的控制策略改进、动态工况测试等，为后续车辆的改进优化提供技术支撑。

随着无人驾驶汽车的发展，人为外加CAN总线所连接的汽车传感器部分会逐渐被汽车自带的CAN总线连接所代替，也就是说无人驾驶汽车现有的两条CAN总线会被一条汽车自带的CAN总线所取代，而对应的，车载监测终端只需布置一个CAN接口数据收发器即可。

本实用新型提供了一种无人驾驶汽车运行状态监控及报警装置，基于CAN总线的车载数据无线传输系统，以STM32F107为核心的数据监测终端，实现了对无人驾驶汽车运行数据的实时监控与采集，上位机通过GPRS网络能够远程显示和记录车辆运行状况等信息，同时工控机对采集的数据进行分析，当车辆状况处于危险时便进行声光报警，BY8301-SSOP24MP3语音芯片最多可录制21段语音，大大提升了语音报警的范围，提高了车辆预警的人机交互效果，其电路简单，成本低廉，稳定性和可靠性好，时效性高，具有较强的灵活性和可扩展性，为无人驾驶汽车的研发提供了可靠的测试工具。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。