了解汽车车载网络技术

任务二　了解汽车车载网络技术

任务描述

本任务主要了解车载网络技术在汽车控制中的应用，教学现场提供汽车网络技术示教板及器件实物。

任务实施

一、认识车载计算机网络系统

网络技术应用于计算机领域已有几十年的历史了，而汽车中使用的车载网络技术则是计算机网络的“简化版本”。车载网络技术的拓扑技术和传输方式与计算机网络相似，只是采用了特殊的数据传输协议。随着汽车技术的不断发展，汽车上采用的计算机数量越来越多，多个微处理器之间相互连接、协调工作、共享信息，从而构成了汽车车载计算机网络系统。车载网络运用多路传输技术，采用多条不同速率的总线，分别连接不同类型的接点，并使用网关服务器来实现整车的信息共享和网络管理。

车载计算机网络系统通过数据总线连接无数个子网，实现对汽车的发动机总成、汽车车身各电路、汽车底盘各电路、无线电话等控制；各个子网都具有不同的时钟速度和各自的功能，实现复杂的汽车操作。同时车载网络技术的使用也提高了汽车的自诊断能力。

由于车载网络技术的应用，使驾驶者对汽车操控更加方便、安全。

二、车载网络的一般要求

由于汽车的使用环境较差，几乎所有不同的道路、电磁以及气候环境都可能遇到。因此车载网络系统设计应当考虑以下因素。

①节点与线路的连接接头的电气与力学特性以及接头数量等方面的优化。

②网络结构和应用系统的评估与性能检测方法的简便。

③容错和故障恢复性好。

④实时控制网络的时间特性好。

⑤安装与维护中的布线合理。

⑥网上节点的增加与软、硬件更新（可扩展性）合理。

三、车载网络控制系统的分类

若按网络拓扑结构分类，车载网络通常可分为中控式控制、区域式控制和分配式控制3大类。

1．中控式控制

在中控式控制系统中，由中央计算机控制着系统的一切运行，因此，需要中央计算机具有超强的工作能力。一旦运行出现故障，整个网络都将瘫痪。

2．区域式控制

区域式控制是对中控式控制的明显改进，其网络分布很完善，但其二级系统间仍缺乏有效的连接，并且它们之间也是需要相互交流信息的。

3．分配式控制

分配式控制系统，由一个具有充当“管理者”角色的计算机（总控单元）——网关负责二级系统间计算机的连接。它不仅是所有信息的交汇点，而且还管理不同系统间信息的交流。这是目前汽车上广泛采用的信息传输控制方式。

四、车载网络通信协议

在汽车上，要实现车内各计算机之间的通信，必须制定规则，即通信的方法、时间和内容，保证通信双方能互相配合，使通信双方能共同遵守可接受的一组规定和规则。这就好像现实生活中的交通规则一样，其中也包括“交通标志”的制定方法。例如，警车、消防车、救护车等在执行公务时才有优先权，但在执行公务完毕或他用时就无优先权。数据总线的通信协议并不是个简单的问题，比如当模块A检测到发动机已接近过热时，这是一个重要信息，相对于其他不太重要的信息（如模块B发送的最新的大气压力变化数据）就应该赋予优先权。

通信协议的种类繁多，主要有以下几种。

①在一个简单的通信协议中，模块不分主从，根据规定的优先规则相互传送信息，并且都知道应该接收什么信息。

②一个模块是主模块，其他则为从属模块，根据优先规则，主模块决定哪个从属模块发信息以及何时发送信息。

③所有的模块都像旋转木马上的骑马人，一个上面有“免费券”挂环的转圈围绕着他们旋转。当一个模块有了有用的信息，它便抓住挂环上的这条信息，任何一个需要这条信息的模块都可以从挂环取下这条信息。

④通信协议中有个仲裁系统，通过这个系统按照每条信息的数字拼法为各数据传输设定优先规则。

图6-6　美国的GPS自动导航系统

目前，常见的车载网络系统在汽车中的应用有以下几种。

1．自动导航系统（以美国的GPS自动导航系统

为例说明）

GPS自动导航系统在太空中由24颗卫星组成一个分布网络，分别分布在6条离地面20 000 km、倾斜角为55°的地球准同步轨道上，如图6-6所示。

每条轨道上有4颗卫星。 GPS卫星每隔12小时绕地球一周，使地球上任一地点能够同时接收7～9颗卫星的信号。地面共有1个主控站和5个监控站负责对卫星进行监视、遥测、跟踪和控制。它们负责对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。主控站收到数据后，计算出每颗卫星在每一时刻的精确位置，并通过3个注入站将它传送到卫星上去，卫星再将这些数据通过无线电波向地面发射至用户接收端设备，实现自动导航。

做一做

请使用智能手机给自己所在的位置定位，看一看智能手机显示有几颗卫星。

除美国的GPS自动导航系统外还有欧洲的“伽利略”卫星定位系统（如图6-7所示）、俄罗斯“格洛纳斯”卫星定位系统、中国“北斗”卫星定位系统（如图6-8所示）。图6-9所示为THCESJ-11型汽车GPS卫星导航系统示教板。

图6-7　欧洲“伽利略”卫星定位系统

图6-8　中国“北斗”卫星定位系统

图6-9　THCESJ-11型汽车GPS卫星导航系统示教板

做一做

请使用计算机联网查询前面介绍的几种卫星导航系统的资料，归纳它们的区别与联系。注意关注中国“北斗”卫星定位系统的知识内容以及进展情况。

2．自动驾驶系统

汽车自动驾驶系统主要由硬件和软件两部分组成。

硬件部分由双目摄像装置、图像处理平台、软件库、控制接口、执行机构组成。

软件部分主要有目标识别、运动参数测量、图像处理等方面。其中图像处理平台根据知识库的标准道路模型，使用图像处理软件对左右图像进行初步识别，分割出行车道路区域。

汽车自动驾驶系统采用双目摄像系统可自动收集车前1～200 m内路况情报，其中地面标识、隔离带、防撞护栏、车道标识线识别、路障、机动车辆数量、车道分布、距离、相对速度以及道路标识牌信息等。系统软件根据这些信息自动决策汽车行驶速度、汽车行进方向和位置、自动超车驾驶、紧急刹车、汽车鸣笛、灯光控制等。自动驾驶系统采用闭环系统进行方向盘控制、速度控制。它可用于高速公路上的汽车自动驾驶，避免交通事故，并且结构简单、成本低、可靠性好。

3．自动倒车系统

自动倒车系统全称叫“倒车防撞雷达”，也称“泊车辅助装置”，是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置。它的原理是遍布车辆周围的雷达探头测量自身与周围物体之间的距离和角度，然后通过车载电脑计算出操作流程并配合车速调整方向盘的转动，驾驶者只需要控制车速即可。

自动泊车技术大部分用于顺列式驻车情况。顺列式驻车要求汽车沿路边平行停放，与其他停好的汽车排成一条直线。大多数汽车用户需要比车身长出约1 m的停车位，才能顺利完成顺列式驻车。图6-10所示为倒车雷达系统示教板。

图6-10　THCESJ-10型汽车倒车雷达系统示教板

自动泊车系统用于顺列式驻车，遵循以下5个基本步骤。

①驾驶员将汽车开到停车位的前面一辆车的旁边，启动自动泊车系统。

②自动泊车系统向路边转动车轮，以大约45°将车向后切入停车位。

③当汽车进入车位后，自动泊车系统会拨直前轮，然后继续倒车。

④当通过后视境确保与后面车辆保持一定距离后。自动泊车系统会向路边打车轮，这时驾驶员需要将汽车泊入行进挡，自动泊车则会将汽车前端回转到停车位中。

⑤驾驶员需要在停车位中前后移动汽车，直到汽车停在适当的位置。

汽车移动到前车旁边时，系统会给驾驶员一个信号，告诉他应该停车的时间。驾驶员换倒挡，稍稍松开刹车，开始倒车。然后，车上的计算机系统将接管方向盘。计算机通过动力转向系统转动车轮，将汽车完全倒入停车位。当汽车向后倒得足够远时，系统会给驾驶员另一个信号，告诉他应该停车并将汽车换为前进挡。汽车向前移动，将车轮调整到位。最后，系统再给驾驶员一个信号，告诉他车子已停好。

不同的自动泊车系统采用不同的方法来检测汽车周围的物体。有些在汽车前后保险杠四周装上了感应器，它们既可以充当发送器，也可以充当接收器。这些感应器会发送信号，当信号碰到车身周边的障碍物时会反射回来。车上的计算机会利用其接收信号所需的时间来确定障碍物的位置。另外一些系统则使用安装在保险杠上的摄像头或雷达来检测障碍物。无论如何，其最终结果都是一样的：汽车会检测到已停好的车辆、停车位的大小以及与路边的距离，然后将车子驶入停车位。

五、任务评价表

自我测试

1．在中控式控制系统中，唯一的________控制着系统的一切运行。

2．通信协议中有个仲裁系统，通过这个系统按照每条信息的数字拼法为各数据传输设定________规则。

3．自动泊车技术大部分用于________情况。

4．汽车自动驾驶系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分由________、________、软件库、________、执行机构组成。