CN112849262A - 一种智能车辆横向控制***功能安全概念阶段分析方法 - Google Patents

一种智能车辆横向控制***功能安全概念阶段分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种智能车辆横向控制***功能安全概念阶段分析方法，其方法为：第一步、***功能及相关项定义；第二步、运行场景分析；第三步、危害分析；第四步、风险评估；第五步、导出安全目标；第六步、功能安全需求。本发明的有益效果：本发明考虑智能车辆横向控制***整车层面功能安全技术，从功能安全定义出发，根据功能故障和功能失效模式制定功能安全目标，考虑***的架构设计，通过故障树分析，将***的功能安全目标分解至各电子电气部件，形成各部件功能安全要求，填补了相关安全技术领域的空白，保证后续安全控制策略和容错控制算法的合理设计，从而达到有效保证乘客和其他交通参与者生命财产安全的目的。

Description

一种智能车辆横向控制***功能安全概念阶段分析方法
技术领域
本发明涉及一种控制***功能安全概念阶段分析方法，特别涉及一种智能车 辆横向控制***功能安全概念阶段分析方法。
背景技术
近年来，汽车行业的一个主要发展趋势是不断提高车辆的自动化水平，从 长远目标来看，是实现车辆的完全自动化驾驶。为了保证自动驾驶车辆的安全 性，促进自动驾驶汽车行业的良性发展，美国汽车工程师协会(简称SAE)将自 动驾驶技术进行了等级的划分，分为0、1、2、3、4、5共六个等级。其中0属 于传统驾驶，即人工驾驶；1和2属于辅助驾驶，即***对驾驶员提供驾驶辅 助；3属于有条件的自动驾驶，车辆可以实现绝大部分路况的自动驾驶；4、5 属于自动驾驶***，即车辆可实现无人驾驶。
从近年来Uber、Google、特斯拉等公司发生的自动驾驶交通事故中可以看 出，随着自动驾驶等级的提高，驾驶员在安全概念中的补偿作用在逐渐消失， 对车辆的整个产品生命周期的功能安全也提出了更高的要求，在车辆达到L2等 级之前，通常驾驶员在安全概念中作为补偿策略，可以利用驾驶员的输入和车 轮之间的机械或液压连接来补偿或减轻车辆运行过程中的故障行为，当车辆达 到L4，L5等级这种补偿策略就会消失，同样的在车辆达到L3等级，驾驶员只 有在定义的一段时间后才会对车辆的控制进行接管。因此，在自动驾驶背景下 会带来更多新的危害与风险。
目前应用ISO26262标准开发设计实用功能***的应用较多，尚无针对智能 车辆自动驾驶行车辅助***开展整车层面的功能安全技术的相关研究，而功能 安全概念阶段分析是对整个***进行功能安全设计的前提，合理的概念阶段分 析有利于后续安全控制策略的制定和容错控制算法的开发，因此，有效开展智 能车辆横向控制***功能安全概念阶段分析，对于保证乘客以及其他交通参与 者的人身及财产安全具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是为了有效开展智能车辆横向控制***功能安全概念阶段分 析，从而保证乘客以及其他交通参与者的人身及财产安全而提供的一种智能车 辆横向控制***功能安全概念阶段分析方法。
本发明提供的智能车辆横向控制***功能安全概念阶段分析方法，其方法 包括如下步骤：
第一步、***功能及相关项定义：定义和描述相关项，包括其功能，组成 要素，工作模式以及与车辆级别的其他相关项的交互，具体步骤如下：
步骤一、相关项功能描述：智能车辆横向控制主要包括决策和执行两个部 分，其中决策部分主要指的是顶层控制器，即路径跟踪控制器，执行部分指的 是EPS***，在高度结构化道路上，上层自动驾驶控制器根据道路信息和车辆 状态信息规划车辆行驶路径，将信息输入给车辆路径跟踪控制器，路径跟踪控 制器根据输入的车况信息和规划好的路径，得出车辆与预期路径之间的偏差， 以此计算出路径跟踪所需的方向盘转角度量，EPS***根据顶层控制器输入的期 望方向盘转角信号与转角测量值之间的误差，控制EPS***助力电机驱动机械 执行机构，实现车辆的横向运动控制；
步骤二、定义相关项范围：横向控制***的相关项主要包括的要素有路径 跟踪控制单元、EPS子***以及与人机交互***、自动驾驶***、供电***和车 辆状态信息交互的输入输出接口；
步骤三、***功能及接口定义：相关项内部接口的组件层功能包括，提供 方向盘转角信息；提供转向扭矩信息；提供电机位置信息；采集各模块信息进 行计算，输出电流控制信号；根据EPS控制单元输出的电流控制信号对电机进 行控制；提供期望转角信息；外部接口组件层功能包括，提供车速以及车辆位 姿状态信息；提供车辆档位信息；提供车辆期望的规划路径信息；提供***功 能开关信息；向***内组件供电；发送***故障信息；
步骤四、工作模式：横向控制***的主要工作模式包括失效、抑制、待机、 激活和退出；
第二步、运行场景分析：设定为智能车辆在道路以及交通状况良好的条件 下，沿高速公路车道线自动行驶；
第三步、危害分析：采用危害与可操纵性分析的分析方法，对横向控制系 统功能开展危害分析并考虑自动驾驶车辆在高速公路上沿车道行驶的运行场 景，得到整车层面上可能产生的危害事件为，非预期的侧向运动导致车辆偏离 规划的行驶路径；
第四步、风险评估：通过严重度、暴露概率和可控性对危害事件进行汽车 完整安全性等级分析，得到其整车层的危害事件为ASIL D等级，最高等级；
第五步、导出安全目标:通过上述分析确定***的ASIL D等级安全目标为 避免非预期的侧向运动导致车辆偏离车道；
第六步、功能安全需求:考虑***的架构设计，通过故障树分析，将***的 功能安全目标分解至各电子电气部件，形成各部件功能安全要求，并合并得到 横向控制***功能安全要求，包括如下方面：
FSR1：要保证会导致违反安全目标SG1的路径跟踪控制单元工作正常；
FSR2：要保证会导致违反安全目标SG1的电机位置信号正确；
FSR3：要保证会导致违反安全目标SG1的转矩信号正确；
FSR4：要保证会导致违反安全目标SG1的方向盘转角信号正确；
FSR5：要保证会导致违反安全目标SG1的EPS控制单元工作正常；
FSR6：要保证会导致违反安全目标SG1的电机驱动单元工作正常；
FSR7：要保证会导致违反安全目标SG1的助力电机工作正常；
FSR8:要保证会导致违反安全目标SG1的CAN总线工作正常；
FSR9：要保证会导致违反安全目标SG1的***功能开关信号正确；
FSR10：要保证会导致违反安全目标SG1的***供电正常；
FSR11：要保证会导致违反安全目标SG1的档位信号正确；
FSR12：要保证会导致违反安全目标SG1的期望路径信息正确；
FSR13：要保证会导致违反安全目标SG1的车辆状态信号正确；:
FSR14：要保证***发生故障以后能在短时间内检测出来，并输出相应的故 障代码；
FSR15：要保证检测出故障时***能发出警示并提醒驾驶员注意；
FSR16：要保证***发生故障时有冗余容错措施使车辆过渡到安全状态；
FSR17：要保证***能在故障容错时间间隔内使车辆过渡到安全状态；
FSR18：要保证车辆偏离规划路径的最大横向误差小于X值；
FSR19：要避免或减轻由不同功能同时产生的多个控制请求仲裁不当而导致 的危害。
本发明的有益效果：
本发明考虑智能车辆横向控制***整车层面功能安全技术，从功能安全定 义出发，根据功能故障和功能失效模式制定功能安全目标，考虑***的架构设 计，通过故障树分析，将***的功能安全目标分解至各电子电气部件，形成各 部件功能安全要求，填补了相关安全技术领域的空白，保证后续安全控制策略 和容错控制算法的合理设计，从而达到有效保证乘客和其他交通参与者生命财 产安全的目的。
附图说明
图1为本发明所述智能车辆横向控制***相关项初始架构示意图。
图2为本发明所述故障树分析第一种情况逻辑示意图。
图3为本发明所述故障树分析第二种情况逻辑示意图。
图4为本发明所述故障树分析第三种情况逻辑示意图。
图5为本发明所述故障树分析第四种情况逻辑示意图。
图6为本发明所述故障树分析第五种情况逻辑示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图6所示：
本发明提供的智能车辆横向控制***功能安全概念阶段分析方法，其方法 如下所述：
第一步、***功能及相关项定义：定义和描述相关项，包括其功能，组成 要素，工作模式以及与车辆级别的其他相关项的交互，具体步骤如下：
步骤一、相关项功能描述：智能车辆横向控制主要包括决策和执行两个部 分，其中决策部分主要指的是顶层控制器，即路径跟踪控制器，执行部分指的 是EPS***。在高度结构化道路上，上层自动驾驶控制器根据道路信息和车辆 状态信息规划车辆行驶路径，将信息输入给车辆路径跟踪控制器，路径跟踪控 制器根据输入的车况信息和规划好的路径，得出车辆与预期路径之间的偏差， 以此计算出路径跟踪所需的方向盘转角度量，EPS***根据顶层控制器输入的期 望方向盘转角信号与转角测量值之间的误差，控制EPS***助力电机驱动机械 执行机构，实现车辆的横向运动控制。
步骤二、定义相关项范围：如图1所示，横向控制***的相关项主要包括 的要素有路径跟踪控制单元，EPS子***以及与人机交互***，自动驾驶***， 供电***和车辆状态信息交互的输入输出接口。
步骤三、***功能及接口定义：具体的***的功能及内外部接口的定义如 下表一所示，其中接口包含***外部接口和***内部接口两大部分，表中1～6 为内部接口，7～12为外部接口。
表一.***功能及接口定义
Figure BDA0002939467380000061
步骤四、工作模式：横向控制***的主要工作模式包括失效、抑制、待机、 激活和退出具体的各工作模式的运行条件如下表二所示。
表二.***工作模式
Figure BDA0002939467380000062
Figure BDA0002939467380000071
第二步、运行场景分析：设定为智能车辆在道路以及交通状况良好的条件 下，沿高速公路车道线自动行驶。
第三步、危害分析：采用危害与可操纵性分析(HAZOP)的分析方法，参考 HAZOP研究-应用指南，IEC61882:2001,列举下列5条引导词对横向控制***功 能开展危害分析并考虑自动驾驶车辆在高速公路上沿车道行驶的运行场景，进 一步分析每个功能异常表现在整车层面上可能产生的危害事件，如下表三所示
表三.横向控制***危害分析
Figure BDA0002939467380000072
第四步、风险评估：通过严重度(E)，暴露概率(S)，可控性(C)对危害事 件进行汽车完整安全性等级分析(ASIL)如下表四所示。
表四.ASIL评估
Figure BDA0002939467380000073
Figure BDA0002939467380000081
第五步、导出安全目标：通过上述分析，可以得出***的安全目标以及其 相关属性值如下表五所示。
表五.安全目标
Figure BDA0002939467380000082
第六步、功能安全需求:考虑***的架构设计，通过图2～图6所示的故障 树分析，将***的功能安全目标分解至各电子电气部件，形成各部件功能安全 要求，并合并得到横向控制***功能安全要求(FSR)，包括如下方面：
FSR1：要保证会导致违反安全目标SG1的路径跟踪控制单元工作正常；
FSR2：要保证会导致违反安全目标SG1的电机位置信号正确；
FSR3：要保证会导致违反安全目标SG1的转矩信号正确；
FSR4：要保证会导致违反安全目标SG1的方向盘转角信号正确；
FSR5：要保证会导致违反安全目标SG1的EPS控制单元工作正常；
FSR6：要保证会导致违反安全目标SG1的电机驱动单元工作正常；
FSR7：要保证会导致违反安全目标SG1的助力电机工作正常；
FSR8:要保证会导致违反安全目标SG1的CAN总线工作正常；
FSR9：要保证会导致违反安全目标SG1的***功能开关信号正确；
FSR10：要保证会导致违反安全目标SG1的***供电正常；
FSR11：要保证会导致违反安全目标SG1的档位信号正确；
FSR12：要保证会导致违反安全目标SG1的期望路径信息正确；
FSR13：要保证会导致违反安全目标SG1的车辆状态信号正确；:
FSR14：要保证***发生故障以后能在短时间内检测出来，并输出相应的故 障代码；
FSR15：要保证检测出故障时***能发出警示并提醒驾驶员注意；
FSR16：要保证***发生故障时有冗余容错措施使车辆过渡到安全状态；
FSR17：要保证***能在故障容错时间间隔内使车辆过渡到安全状态；
FSR18：要保证车辆偏离规划路径的最大横向误差小于X值；
FSR19：要避免或减轻由不同功能同时产生的多个控制请求仲裁不当而导致 的危害。

Claims (1)

1.一种智能车辆横向控制***功能安全概念阶段分析方法，其特征在于：其方法包括如下步骤：
第一步、***功能及相关项定义：定义和描述相关项，包括其功能，组成要素，工作模式以及与车辆级别的其他相关项的交互，具体步骤如下：
步骤一、相关项功能描述：智能车辆横向控制主要包括决策和执行两个部分，其中决策部分主要指的是顶层控制器，即路径跟踪控制器，执行部分指的是EPS***，在高度结构化道路上，上层自动驾驶控制器根据道路信息和车辆状态信息规划车辆行驶路径，将信息输入给车辆路径跟踪控制器，路径跟踪控制器根据输入的车况信息和规划好的路径，得出车辆与预期路径之间的偏差，以此计算出路径跟踪所需的方向盘转角度量，EPS***根据顶层控制器输入的期望方向盘转角信号与转角测量值之间的误差，控制EPS***助力电机驱动机械执行机构，实现车辆的横向运动控制；
步骤二、定义相关项范围：横向控制***的相关项主要包括的要素有路径跟踪控制单元、EPS子***以及与人机交互***、自动驾驶***、供电***和车辆状态信息交互的输入输出接口；
步骤三、***功能及接口定义：相关项内部接口的组件层功能包括，提供方向盘转角信息；提供转向扭矩信息；提供电机位置信息；采集各模块信息进行计算，输出电流控制信号；根据EPS控制单元输出的电流控制信号对电机进行控制；提供期望转角信息；外部接口组件层功能包括，提供车速以及车辆位姿状态信息；提供车辆档位信息；提供车辆期望的规划路径信息；提供***功能开关信息；向***内组件供电；发送***故障信息；
步骤四、工作模式：横向控制***的主要工作模式包括失效、抑制、待机、激活和退出；
第二步、运行场景分析：设定为智能车辆在道路以及交通状况良好的条件下，沿高速公路车道线自动行驶；
第三步、危害分析：采用危害与可操纵性分析的分析方法，对横向控制***功能开展危害分析并考虑自动驾驶车辆在高速公路上沿车道行驶的运行场景，得到整车层面上可能产生的危害事件为，非预期的侧向运动导致车辆偏离规划的行驶路径；
第四步、风险评估：通过严重度、暴露概率和可控性对危害事件进行汽车完整安全性等级分析，得到其整车层的危害事件为ASIL D等级，最高等级；
第五步、导出安全目标:通过上述分析确定***的ASIL D等级安全目标为避免非预期的侧向运动导致车辆偏离车道；
第六步、功能安全需求:考虑***的架构设计，通过故障树分析，将***的功能安全目标分解至各电子电气部件，形成各部件功能安全要求，并合并得到横向控制***功能安全要求，包括如下方面：
FSR1：要保证会导致违反安全目标SG1的路径跟踪控制单元工作正常；
FSR2：要保证会导致违反安全目标SG1的电机位置信号正确；
FSR3：要保证会导致违反安全目标SG1的转矩信号正确；
FSR4：要保证会导致违反安全目标SG1的方向盘转角信号正确；
FSR5：要保证会导致违反安全目标SG1的EPS控制单元工作正常；
FSR6：要保证会导致违反安全目标SG1的电机驱动单元工作正常；
FSR7：要保证会导致违反安全目标SG1的助力电机工作正常；
FSR8:要保证会导致违反安全目标SG1的CAN总线工作正常；
FSR9：要保证会导致违反安全目标SG1的***功能开关信号正确；
FSR10：要保证会导致违反安全目标SG1的***供电正常；
FSR11：要保证会导致违反安全目标SG1的档位信号正确；
FSR12：要保证会导致违反安全目标SG1的期望路径信息正确；
FSR13：要保证会导致违反安全目标SG1的车辆状态信号正确；:
FSR14：要保证***发生故障以后能在短时间内检测出来，并输出相应的故障代码；
FSR15：要保证检测出故障时***能发出警示并提醒驾驶员注意；
FSR16：要保证***发生故障时有冗余容错措施使车辆过渡到安全状态；
FSR17：要保证***能在故障容错时间间隔内使车辆过渡到安全状态；
FSR18：要保证车辆偏离规划路径的最大横向误差小于X值；
FSR19：要避免或减轻由不同功能同时产生的多个控制请求仲裁不当而导致的危害。
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