如果把汽車(chē)比做人，那么VCU就是人的大腦。這里記載了汽車(chē)底盤(pán)的狀態(tài)（車(chē)速、油門(mén)踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板狀態(tài)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等）、汽車(chē)車(chē)身的狀態(tài)（車(chē)門(mén)狀態(tài)、車(chē)窗狀態(tài)、前照燈狀態(tài)、轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)等）以及發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)（轉(zhuǎn)速，輸出扭矩、燃油消耗等）。作為汽車(chē)與生俱來(lái)的傳感器，好好使用這些信號(hào)不僅能極好的控制汽車(chē)，還能夠通過(guò)車(chē)載信號(hào)燈與外界進(jìn)行交互。本文對(duì)汽車(chē)VCU的信號(hào)做了介紹。

前言

本文要介紹的是汽車(chē)生來(lái)就具備的傳感器信號(hào)，即從汽車(chē)控制單元（Vehicle Control Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)VCU）中獲取的信號(hào)。

VCU的另外一個(gè)名字是“行車(chē)電腦”，它通過(guò)CAN總線(xiàn)與汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、油門(mén)踏板、制動(dòng)踏板、車(chē)身控制器等各種電子設(shè)備通信，讀取各個(gè)控制單元的工作狀態(tài)，并在需要時(shí)對(duì)它們進(jìn)行控制。如下圖所示。

圖片出處：http://www.hirain.com/sts/136

如果把汽車(chē)比做人，那么VCU就是人的大腦。這里記載了汽車(chē)底盤(pán)的狀態(tài)（車(chē)速、油門(mén)踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板狀態(tài)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等）、汽車(chē)車(chē)身的狀態(tài)（車(chē)門(mén)狀態(tài)、車(chē)窗狀態(tài)、前照燈狀態(tài)、轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)等）以及發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)（轉(zhuǎn)速，輸出扭矩、燃油消耗等）。

正文

汽車(chē)的VCU作為上層算法和底盤(pán)控制的接口，不僅承擔(dān)著控制汽車(chē)加減速、轉(zhuǎn)向的工作，還承擔(dān)著將底盤(pán)信息精確且及時(shí)傳遞到算法層的工作。接下來(lái)我會(huì)從VCU信號(hào)的類(lèi)型和VCU信號(hào)的應(yīng)用兩方面進(jìn)行講解。

VCU信號(hào)的種類(lèi)

百度Apollo 2.5中提供的VCU信息（ChassisDetail）如下：

圖片出處：

https://github.com/ApolloAuto/apollo/blob/master/modules/canbus/proto/chassis_detail.proto

汽車(chē)類(lèi)型 Type

從圖中可以直接看出當(dāng)前Apollo 2.5已經(jīng)能夠支持兩種國(guó)內(nèi)車(chē)型分別是奇瑞EQ和長(zhǎng)安睿騁。

由于不同車(chē)型的動(dòng)力系統(tǒng)、尺寸、功能配置都不盡相同，而且安裝各種傳感器的位置、角度也會(huì)存在差異，因此需要根據(jù)這個(gè)Type值向無(wú)人駕駛系統(tǒng)中導(dǎo)入不同的參數(shù)，這樣才能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

基本信號(hào) BasicInfo

基本信號(hào)包含的信息有當(dāng)前的車(chē)輛駕駛狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、安全氣囊狀態(tài)、里程數(shù)、ACC按鈕狀態(tài)、LKA按鈕狀態(tài)、GPS信息。

個(gè)人認(rèn)為在BasicInfo中最重要的信息是車(chē)輛駕駛狀態(tài)和GPS信息。車(chē)輛駕駛狀態(tài)是“汽車(chē)是否處于無(wú)人駕駛狀態(tài)”的一個(gè)標(biāo)志，由于汽車(chē)經(jīng)常需要在有人駕駛和無(wú)人駕駛中進(jìn)行切換，因此需要設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位來(lái)反映這種狀態(tài)，這樣汽車(chē)的VCU才能更正確地對(duì)油門(mén)、剎車(chē)這類(lèi)影響安全的機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。GPS的信息與無(wú)人車(chē)的“定位”問(wèn)題強(qiáng)相關(guān)，雖然自車(chē)的GPS信息有時(shí)候不太準(zhǔn)，但并不能因此動(dòng)搖了它在無(wú)人駕駛系統(tǒng)中的地位。

安全相關(guān) Safety

與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)包含車(chē)門(mén)、引擎蓋，后備箱是否關(guān)閉，司機(jī)和乘客的安全帶是否系上、四個(gè)輪胎的胎壓是否正常、電池是否有電、車(chē)輛的駕駛模式。

值得一提的是車(chē)輛的駕駛模式。之前的BasicInfo中已經(jīng)有了車(chē)輛駕駛狀態(tài)，分為自動(dòng)駕駛和人為駕駛。這里的駕駛模式還有一個(gè)中間狀態(tài)，即半自動(dòng)駕駛模式，即無(wú)人駕駛系統(tǒng)只控制方向盤(pán)或只控制油門(mén)和剎車(chē)踏板。比如自適應(yīng)巡航（ACC）功能，就是一種半自動(dòng)駕駛模式。半自動(dòng)駕駛模式能夠?qū)⑵?chē)的橫向控制（轉(zhuǎn)彎、換道）和縱向控制（加速、減速）解耦，即單獨(dú)地進(jìn)行一個(gè)維度的調(diào)試，這樣可以提升工程師的調(diào)試效率。

變速箱狀態(tài) Gear

變速箱狀態(tài)直接影響車(chē)輛的行駛。例如車(chē)輛停車(chē)時(shí)，需要給變速箱置位P檔的消息；當(dāng)汽車(chē)泊車(chē)時(shí)，需要在D擋、R擋之間來(lái)回切換。

發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng) EMS

EMS用于查看當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，比如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

車(chē)輛電子穩(wěn)定系統(tǒng) EPS

用于查看和控制車(chē)輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)的狀態(tài)。

油門(mén)踏板開(kāi)度 GAS

通過(guò)控制油門(mén)踏板的開(kāi)度，可以實(shí)現(xiàn)加減速。同時(shí)可以反饋無(wú)人駕駛狀態(tài)下，測(cè)試員是否接管了油門(mén)踏板。

電子手剎 EPB

用于查看電子手剎的狀態(tài)。一般會(huì)在控制車(chē)輛運(yùn)動(dòng)時(shí)，查看電子手剎是否釋放。

制動(dòng)踏板開(kāi)度 Brake

用于查看和控制制動(dòng)踏板的開(kāi)度。反饋無(wú)人駕駛狀態(tài)下，測(cè)試員是否接管了剎車(chē)踏板。

制動(dòng)壓力 Deceleration

用于查看當(dāng)前制動(dòng)器制動(dòng)壓力的大小。

汽車(chē)速度 VehicleSpd

汽車(chē)速度信號(hào)除了包含速度數(shù)值外，還包含當(dāng)前汽車(chē)的行駛方向、四個(gè)輪胎的速度、偏航角的變化率（YawRate）等。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 EPS

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向信號(hào)包含了當(dāng)前方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角的變化率和駕駛員施加的扭矩。當(dāng)處于無(wú)人駕駛狀態(tài)時(shí)，控制器需要給EPS系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

信號(hào)燈 Light

描述車(chē)身上某些電器設(shè)備的信號(hào)，比如前大燈、左右轉(zhuǎn)向燈、雨刮器的檔位開(kāi)關(guān)、喇叭開(kāi)關(guān)。特斯拉就是通過(guò)讀取撥桿（左右轉(zhuǎn)向燈）狀態(tài)獲取駕駛員換道意圖的。

電池狀態(tài) Battery

用于查看電池電量的百分比，燃油量信息。

周邊環(huán)境狀態(tài) Surround

某些具備ADAS功能（如盲點(diǎn)輔助預(yù)警，偏離車(chē)道預(yù)警）的車(chē)型，會(huì)有將部分預(yù)警信息存于該信號(hào)中。安裝在汽車(chē)車(chē)身上的超聲波雷達(dá)的消息也存在該信號(hào)中。

以上列出了大部分汽車(chē)VCU所具有的信號(hào)。VCU的信號(hào)因車(chē)而異，越豪華的汽車(chē)，由于其具備的傳感器越豐富，所能提供的VCU信號(hào)也將越豐富。

VCU信號(hào)的應(yīng)用

無(wú)人駕駛中常用的VCU信號(hào)有如下幾個(gè)：汽車(chē)車(chē)速、汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、汽車(chē)航向角變化率、油門(mén)踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板開(kāi)度等。

不同的場(chǎng)景，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)有不同的應(yīng)用方式。這里主要介紹兩大類(lèi)應(yīng)用方式：障礙物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算和航位推算。

障礙物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算

車(chē)載傳感器（激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像機(jī)）檢測(cè)的障礙物速度都是相對(duì)速度，因此需要結(jié)合自車(chē)車(chē)速才能確定障礙物的絕對(duì)速度，進(jìn)而根據(jù)絕對(duì)速度確定障礙物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（靜止、靠近、遠(yuǎn)離）。

以毫米波雷達(dá)的數(shù)據(jù)為例，在自車(chē)坐標(biāo)系下自車(chē)的車(chē)速用藍(lán)色的箭頭和字母表示，障礙物位置和障礙物速度和速度在x方向與y方向的分量用綠色表示。

將自車(chē)車(chē)速v和障礙物速度在x方向上的分量進(jìn)行疊加，即可得到障礙物在x方向上速度量的絕對(duì)值。如下圖中黑色的Va所示。

接下來(lái)可以通過(guò)判斷Va的大小和方向，進(jìn)而得到當(dāng)前的障礙物在實(shí)際的交通場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

航位推算

航位推算（Dead reckoning，簡(jiǎn)稱(chēng)DR）是指在丟失定位的情況下，使用自車(chē)傳感器的信息，推測(cè)當(dāng)前時(shí)刻，自車(chē)所在位置與上一時(shí)刻所在位置的相對(duì)關(guān)系。

在介紹航位推算時(shí)，先需要了解汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型一般是四輪模型，不過(guò)為了計(jì)算的方面，很多情況下，工程師會(huì)將四輪模型簡(jiǎn)化成兩輪模型，即自行車(chē)模型。

借用CSDN博主AdamShan所繪制的自行車(chē)模型，如下圖所示。

圖片出處：https://blog.csdn.net/AdamShan/article/details/79083755

由圖可見(jiàn)汽車(chē)的車(chē)輪轉(zhuǎn)角為δf，但這并不意味著汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)角度為δf。

分別做垂直于后輪和前輪的射線(xiàn)，這兩根射線(xiàn)會(huì)交于O點(diǎn)，兩輪模型會(huì)繞O點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在短時(shí)間dt內(nèi)，可以認(rèn)為O點(diǎn)不動(dòng)。連接O點(diǎn)和汽車(chē)的質(zhì)心成一條線(xiàn)段，實(shí)際汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向v將垂直于該線(xiàn)段。運(yùn)動(dòng)方向ψ與車(chē)身方向所成的夾角β，這個(gè)角度一般稱(chēng)為偏航角。

基于先前的假設(shè)可以推到出β和δf的近似關(guān)系如下：

假設(shè)t時(shí)刻的汽車(chē)的狀態(tài)為xt，yt，經(jīng)過(guò)dt時(shí)間后的t+1時(shí)刻，狀態(tài)為xt+1，yt+1，則他們之間的關(guān)系為：

根據(jù)以上理論即可在丟失定位信息后的短時(shí)間內(nèi)，依靠自身的傳感器信息，進(jìn)行位置和位姿估計(jì)。

當(dāng)然VCU信號(hào)不止以上兩種應(yīng)用，更多的應(yīng)用會(huì)在后續(xù)傳感器信號(hào)處理時(shí)介紹。

結(jié)語(yǔ)

以上內(nèi)容對(duì)汽車(chē)VCU的信號(hào)做了簡(jiǎn)單介紹。作為汽車(chē)與生俱來(lái)的傳感器，好好使用這些信號(hào)不僅能極好的控制汽車(chē)，還能夠通過(guò)車(chē)載信號(hào)燈與外界進(jìn)行交互。