一种频率自适应的矿用自卸卡车软件架构系统及存储介质的制作方法

1.本发明涉及一种频率自适应的矿用自卸卡车软件架构系统及存储介质，属于矿用自卸卡车软件技术领域。


背景技术：

2.对于矿用自卸卡车应用软件设计和实现的过程中，需要结合矿用自卸车实际作业比较颠簸的路况和复杂的外部环境，保证系统的鲁棒性、实时性和感知设备数据传输安全性和系统可靠性尤为重要。
3.专利cn201710120042.2描述了一种嵌入式软件架构系统，该系统由双向连接的操作系统单元、通信适配单元、收发数据管理单元、数据处理单元和业务逻辑单元，以及故障监测单元和故障处理单元组成，主要提升了新旧项目继承性和软件开发效率，但无法保障矿用自卸卡车在道路颠簸和复杂的矿区作业时系统软件的实时性和鲁棒性。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有矿用自卸卡车在比较颠簸的路况和复杂的外部环境导致系统误识别感知设备故障而触发自卸卡车急停，提升系统实时性、鲁棒性和感知设备数据传输安全性的技术问题，提供一种频率自适应的矿用自卸卡车软件架构系统及存储介质。
5.为达到上述目的，本发明提供一种频率自适应的矿用自卸卡车软件架构系统，包括：设备驱动模块，用于驱动外接的感知设备采集数据；应用层逻辑单元，用于处理业务逻辑节点；自适应频率控制单元，用于：监控不同路面环境下设备驱动模块的数据发送频率和数据处理单元的数据发送频率，取设备驱动模块的数据发送频率和数据处理单元的数据发送频率中较小者，作为感知设备的实际运行频率；获取应用层逻辑单元的运行频率，判断感知设备的实际运行频率和应用层逻辑单元的运行频率是否相等，若不相等则用感知设备的实际运行频率更新应用层逻辑单元的运行频率；数据处理单元，用于处理经过应用层逻辑单元和设备驱动模块处理的感知设备的采集数据。
6.优先地，数据处理单元包括数据校验模块、数据预处理模块、数据存取模块和数据后处理模块；数据校验模块，用于在感知设备的采集数据到达数据预处理模块之前，对感知设备的采集数据进行crc有效性校验，若感知设备信号数据校验合格则将感知设备信号数据传递给数据预处理模块。
7.优先地，数据预处理模块，用于：
数据预处理模块对校验合格的感知设备信号数据进行数据格式转换获得转换数据；将转换数据写入数据存取模块中，并传输给应用层逻辑单元；数据存取模块，用于存储转换数据以及转发来自应用层逻辑单元的数据。
8.优先地，数据后处理模块，用于：读取数据存取模块存储的数据，对数据存取模块存储的数据进行数据格式转换；将数据格式转换后的数据存取模块存储的数据进行有效数据长度计算以及加密，获得加密的数据存取模块存储的数据。
9.优先地，自适应频率控制单元，包括心跳监控模块、数据状态监控模块和频率决策模块；心跳监控模块，用于监控感知设备的实际运行频率，并发送给频率决策模块；数据状态监控模块，用于监控数据处理单元单位周期内符合crc校验有效数据处理的数据发送频率，用于在数据后处理模块根据应用层逻辑单元指令，在读取到数据存取模块存储的数据后进行数据格式转换后，统计应用层逻辑单元符合crc校验有效数据的发布频率。
10.优先地，频率决策模块，用于：接收来自心跳监控模块获取的感知设备的实际运行频率和数据状态监控模块获取的数据处理单元单位周期内符合crc校验有效数据处理的数据发送频率；得到感知设备的实际运行频率和数据处理单元单位周期内符合crc校验有效数据的发布频率；决策出是否需要用感知设备的实际运行频率更新应用层逻辑单元的实际运行频率，出现异常频率则触发紧急停车指令。
11.优先地，异常频率包括小于感知设备的配置频率的1/2或者大于感知设备的配置频率的2倍。
12.优先地，心跳监控模块，用于：根据感知设备的配置频率计算得到感知设备的运行周期；设定定时器周期，在感知设备初始化时同步启动定时器，当感知设备被调用时计数器加1，达到设定的定时器周期时获得计数器的计数结果；将计数结果作为感知设备的实际运行频率，并将该计数结果发送到频率决策模块；对计数器清零。
13.优先地，数据状态监控模块，用于：监控单位周期内数据处理单元中的数据预处理模块处理符合crc校验有效数据的数据发送频率，在单位周期内每次数据校验模块被调用时计数器加1，统计获得有效次数结果；有效次数结果发送到频率决策模块后对计数器清零处理。
14.优先地，数据状态监控模块，用于：在数据后处理模块根据应用层逻辑单元指令，在读取到数据存取模块存储的数据后进行数据格式转换后，统计应用层逻辑单元符合crc校验有效数据的发布频率；
在单位周期内每次数据校验模块被调用时计数器加1，获得单位周期内计数器的发布频率统计结果；将发布频率计数结果作为应用层逻辑单元的实际运行频率，并将统计的发布频率发送给频率决策模块，对计数器清零。
15.优先地，得到感知设备的实际运行频率，包括：在单位周期内对心跳监控模块的计数结果和数据状态监控模块的有效次数结果进行比较，取较小者作为感知设备的实际运行频率。
16.优先地，用于决策出是否需要更新应用层逻辑单元的实际运行频率，用于出现异常频率则触发紧急停车指令，包括：获取感知设备的实际运行频率和应用层逻辑单元的实际运行频率，若感知设备的实际运行频率和应用层逻辑单元的实际运行频率都不在系统预设频率阈值内或者出现异常频率，则立即触发矿用自卸车的紧急停车指令，否则判断感知设备的实际运行频率和应用层逻辑单元的实际运行频率二者是否相等，如果不相等则用感知设备的实际运行频率更新对应应用层逻辑单元的实际运行频率，否则无需更新对应的应用层逻辑单元的实际运行频率。
17.优先地，包括消息处理单元，用于设备驱动模块与应用层逻辑单元通信，发布加密的数据存取模块存储的数据。
18.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
19.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
20.本发明所达到的有益效果：（1）本发明中自适应频率控制单元监控包括颠簸路面等不同路面环境下设备驱动模块的数据发送频率和数据处理单元的数据发送频率，取设备驱动模块的数据发送频率与数据处理单元的数据发送频率的小者，作为感知设备（例如激光雷达或毫米波雷达）的实际运行频率，同时获取应用层逻辑单元运行频率，通过对比感知设备的实际运行频率和应用层逻辑单元的运行频率是否相等，如果不相等则更新应用层逻辑单元的运行频率，确保程序运行频率和激光雷达或毫米波雷达等感知设备实际运行频率保持一致，使得矿用自卸卡车在路面颠簸情况下能够实时获取感知设备实际运行频率，避免程序运行频率和感知设备实际运行频率不一致频率导致急停；（2）自适应频率控制单元可以根据外部作业环境自适应实时调整各业务逻辑节点的运行频率，提高应用程序的鲁棒性；（3）数据校验可以初步解决因感知设备数据传送或外界不限数据干扰、恶意侵入造成数据破坏，导致感知失效，提高矿用自卸车的安全性和可靠性。
附图说明
21.图1是本发明的原理框图；图2是本发明频率自适应流程架构的结构图；图3是本发明监控模块的流程图
图4是本发明频率决策的流程图。
具体实施方式
22.以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
23.本发明提供一种频率自适应的矿用自卸卡车软件架构系统及方法，包括自适应频率控制单元、设备驱动模块、消息处理单元、数据处理单元、应用层逻辑单元和任务调度单元，所述的自适应频率控制单元，用于监控包括颠簸路面等不同路面环境下设备驱动模块的数据发送频率和数据处理单元的数据发送频率，取设备驱动模块的数据发送频率与数据处理单元的数据发送频率的小者，作为感知设备（例如激光雷达或毫米波雷达）的实际运行频率，同时获取应用层逻辑单元运行频率，通过对比感知设备的实际运行频率和应用层逻辑单元的运行频率是否相等，如果不相等则更新应用层逻辑单元的运行频率，确保程序运行频率和激光雷达或毫米波雷达等感知设备实际运行频率保持一致。
24.自适应频率控制单元包括心跳监控模块、数据状态监控模块和频率决策模块；如图3所示，心跳监控模块，用于监控所有感知设备的实际运行频率，可以根据感知设备的配置频率计算得到感知设备的运行周期，在感知设备初始化时同步启动以单位秒为基准周期的定时器，当感知设备的数据驱动接口函数被调用时同步调用计数器加1程序，在设定的定时器周期内得到计数结果，该计数结果作为感知设备的真实数据发送频率（实际运行频率），并将该计数结果发送到频率决策模块；调用计数器清零程序对计数器清零处理，用做下个周期的统计。
25.所述的数据状态监控模块，用于监控数据处理单元单位周期内符合crc校验有效数据处理的频率，包含以下两个方面的子功能：功能一，监控单位周期内数据处理单元中的数据预处理模块处理符合crc校验有效数据的发布频率：在单位秒周期内每次数据校验模块被调用时，计数器加1，统计获得有效次数结果，将统计的有效次数结果发送到频率决策模块后调用计数器清零程序对计数器清零处理，用做下个周期的统计；功能二，在应用层逻辑单元触发数据后处理模块后，统计应用层逻辑单元符合crc校验有效数据的发布频率：在单位秒周期内数据校验模块被调用时，同时调用计数器加1程序进行取样打点，获得单位周期内计数器的发布频率统计结；将发布频率计数结果作为应用层逻辑单元的实际运行频率，并将统计的发布频率统计次数发送到频率决策模块，然后调用计数器清零程序对计数器清零处理，用做下个周期的统计。
26.如图4所示，所述频率决策模块，用于接收来自心跳监控模块获取的感知设备的实际运行频率和数据状态监控模块获取的数据处理单元符合crc校验有效数据的发布频率（监控状态信息），并完成相应的决策冗余计算，得到感知设备的实际运行频率和数据处理单元符合crc校验有效数据的发布频率，决策出是否需要用感知设备的实际运行频率更新各应用层逻辑单元的实际运行频率，出现异常频率则触发紧急停车指令。
27.如图4所示，设f1=min（数据状态评率，设备心跳频率），f2=应用层逻辑单元的实际运行频率；
判断f1是否在设定的min阈值和max阈值之间，f2是否在设定的min阈值和max阈值之间，若都在设定的min阈值和max阈值之间则判断f1是否等于f2，否则触发紧急停车指令，结束运行。
28.若f1等于f2，则结束运行，否则调整应用层逻辑单元的实际运行频率；min阈值为感知设备的配置频率的1/2，max阈值设定为感知设备的配置频率的2倍。
29.数据状态评率是指设备驱动模块的数据发送频率，设备心跳频率是指数据处理单元的数据发送频率。
30.所述频率决策模块包含以下三个方面的子功能：功能一，在单位秒周期内对心跳监控模块的计数结果和有效次数结果进行比较，取较小者作为感知设备的实际运行频率；功能二，通过获取上述发布频率统计结果，得到对应的应用层逻辑单元的实际运行频率；功能三，获取感知设备的实际运行频率和应用层逻辑单元的实际运行频率，如果二者任意一个的实际运行频率都不在系统预设频率阈值内或者出现异常频率，则立即触发矿用自卸车的紧急停车指令，否则判断感知设备的实际运行频率和应用层逻辑单元的实际运行频率二者是否相等，如果不相等则用感知设备的实际运行频率更新对应应用层逻辑单元的实际运行频率，解决了感知设备的实际运行频率在频率阈值内导致运行程序误判停车的问题，否则无需更新对应的应用层逻辑单元的实际运行频率。
31.所述设备驱动模块，用于驱动外接的感知设备采集数据，包括各种外接感知设备的数据驱动程序接口，感知设备例如激光雷达或毫米波雷达。
32.所述消息处理单元，用于设备驱动模块与应用层逻辑单元通信交互；具体地，用于对所述的设备驱动模块中的不同厂商的数据驱动程序接口进一步封装，对数据处理单元的订阅函数接口和消息发布函数接口的进一步封装，屏蔽通信协议差异，提供设备驱动模块与应用层逻辑单元之间消息交互的消息发布函数接口，设备驱动模块通过调用消息发布模块输入感知设备采集数据到数据处理单元，应用层逻辑单元通过调用消息订阅模块获得输入数据（如激光雷达点云数据）到数据处理单元，通过调用消息发布模块输出数据（如感知地面分割节点处理后的激光雷达点云数据）到数据处理单元，在本发明的一个实施样例中，所述消息处理单元至少可以包含消息订阅模块和消息发布模块，其中消息订阅模块负责消息的接收，消息发布模块负责消息的广播。
33.所述的数据处理单元，用于对经过应用层逻辑单元和设备驱动模块处理的感知设备采集数据的处理，以保证数据的有效性、安全性以及可靠性。数据处理单元包括数据校验模块、数据预处理模块、数据存取模块以及数据后处理模块；其中，数据校验模块对感知设备的采集数据到达数据预处理模块之前进行数据的crc有效性校验，校验合格的感知设备信号数据传递到数据预处理模块；数据预处理模块对校验合格的感知设备信号数据进行数据格式转换获得转换数据，数据格式如描述ros中所使用消息类型的文本格式，将转换数据写入数据存取模块中，并传输给应用层逻辑单元，应用层逻辑单元处理地面分割、障碍物聚类、融合等业务逻辑节点，数据存取模块负责存储数据预处理模块写入的转换数据以及转发应用层逻辑单元的数据（应用层逻辑单元的数据
如，地面分割后的激光雷达点云数据、障碍物聚类后的激光雷达点云数据，融合激光雷达点云和毫米波信号），数据后处理模块根据应用层逻辑单元指令，在读取到数据存取模块存储的数据后进行既定数据格式转换，既定数据格式如二进制码流，再交由数据校验模块进行有效数据长度计算以及加密处理，调用搭载消息发布函数接口的消息发布模块进行发布。
34.数据存取模块存储的数据包括激光雷达点云数据、地面分割后的激光雷达点云数据、障碍物聚类后的激光雷达点云数据、融合激光雷达点云和毫米波信号。
35.所述应用层逻辑单元，是指具体算法节点的集合，是业务逻辑节点实现具体算法的功能，如地面分割、障碍物聚类和融合等节点。
36.所述任务调度单元，用于调度应用层逻辑单元、数据预处理模块、数据存储模块、数据后处理模块和数据校验模块，保证任务执行效率，具体如感知地面分割节点任务调度。
37.激光雷达或毫米波雷达上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。
38.如图2所示，频率自适应流程结构包括数据预处理模块，数据后处理模块，设备驱动模块，数据状态监控模块，心跳监控模块，频率决策模块以及应用层逻辑单元的各业务逻辑节点组成。
39.设备驱动模块是指矿用自卸车的各类感知外接设备的驱动程序接口，包括激光雷达、毫米波、惯导等设备提供的驱动程序的api输出相应的原始数据。
40.如图3所示，心跳监控模块和数据状态监控模块工作流程，所谓心跳监控模块，用来监控所有感知设备的运行频率的逻辑模块，可以根据感知设备配置的频率计算得到设备运行周期，在感知设备初始化时同步启动以单位秒为基准周期定时器，当感知设备数据驱动接口函数被调用时同时调用计数器加1程序进行取样打点，在定时器周期内可以得到的计数结果，该结果为感知设备真实数据发送频率，并将该计算结果发送到频率决策模块后调用计数器清零程序对计数器清零处理，用做下个周期的统计。
41.所述的数据状态监控模块监控数据处理单元单位周期内有效数据处理的频率，包含以下两个方面的子功能：功能一，监控数据处理单元中的预处理模块有效数据处理的频率，在单位秒周期内数据校验模块被调用时，同时调用计数器加1程序进行取样打点，并将统计有效次数结果发送到频率决策模块后调用计数器清零程序对计数器清零处理，用做下个周期的统计；功能二，在业务逻辑节点触发数据处理单元的数据后处理模块统计有效数据发布频率，在单位秒周期内数据校验模块被调用时，同时调用计数器加1程序进行取样打点，并将统计有效次数结果发送到频率决策模块后调用计数器清零程序对计数器清零处理，用做下个周期的统计。
42.如图4所示，所述频率决策模块，接收来自心跳监控模块和数据状态监控模块的输入完成相应的决策冗，余计算得到感知设备运行频率和数据处理单元的频率，决策出是否需要更新各业务逻辑节点的运行频率，出现异常频率则触发紧急停车指令。包含以下三个方面的子功能：功能一，在单位秒周期内对心跳监控模块结果和上述数据状态监控模块的功能一的结果取较小者得到感知设备的实际频率；功能二，通过获取上述数据状态监控模块的功能二的结果可以得到对应业务逻辑节点的实际运行频率；功能三，获取感知设备的实际频率和业务逻辑节点的实际运行频率，如果二者任一频率都不满足系统频率阈值则立即触发紧急停车指令，否则判断二者相等性，如果不相等则更新对应业务逻辑节点运行频
率，否则无需更新对应业务逻辑节点运行频率。
43.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
44.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
45.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
46.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
47.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
48.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。