基于CCP协议的自动驾驶控制器MCU固件标定系统设计和实现

陈晓韦　张庆余　张苏林　靳志刚　李金亮

摘 要：本文以无人驾驶车辆为研究背景，研究基于CCP协议的自动驾驶控制器MCU固件标定系统的设计和实现。整个系统包含以MCU为控制芯片的自动驾驶控制器、USBCAN数据采集卡、MCU固件标定上位机软件。自动驾驶控制器借助事先约定好CCP协议完成一些参数的标定，切换一些复杂的自动驾驶控制逻辑和策略，同时借助事先存储在MCU内的BootLoader引导程序实现自动驾驶控制器APP程序的更新。通过测试发现，此系统工作稳定，通讯数据完整可靠。

关键词：无人驾驶车辆 自动驾驶控制器 CCP协议 标定

Design and Implementation of MCU Firmware Calibration System For Automatic Controller based on CCP Protocol

Chen Xiaowei Zhang Qingyu Zhang Sulin Jin Zhigang Li Jinliang

Abstract：In this paper， the design and implementation of MCU firmware calibration system based on CCP  protocol is studied under the background of driver-less vehicle. The system includes automatic driving controller with MCU as control chip， USB-can data acquisition card and MCU firmware calibration upper computer software. The automatic driving controller completes the calibration of some parameters and switches some complex automatic driving control logic and strategy with the help of CCP protocol. At the same time， the app program of automatic driving controller is updated by Bootloader boot program stored in MCU. Through the test， it is found that the system works stably and the communication data is complete and reliable.

Key words：driver-less vehicle， driver-less controller， CCP， calibration

1 引言

随着汽车电动化、智能化、网联化、共享化技术的发展，无人驾驶车辆应用而生，其主要依靠感知、定位、决策实现无人驾驶的目的。目前无人驾驶车辆主要应用场景有货物运输，如无人驾驶配送车;载人运输，如无人驾驶通勤接驳车，無人驾驶网约车等;特殊场景应用如无人驾驶清洁消毒车等。国内外越来越的专家学者投入到自动驾驶各个方向的研究，如吉林大学的高振海教授关于路径规划方面的研究[1]，西南交通大学关于障碍物目标检测方面的研究[2]。自动驾驶控制器是无人驾驶车辆内主要控制模块，是自动驾驶系统和车辆底盘进行数据交互的媒介，一方面将接收到的车辆底盘数据传输给自动驾驶系统，供自动驾驶系统对车辆的当前状态做出准确判断，另一方面将自动驾驶系统对车辆的横纵向控制参数和车身控制参数传递等决策信息传递给车辆。随着自动驾驶系统关键技术的研究与进步，自动驾驶控制器的功能也会逐渐丰富，并且能够传输一些复杂的控制逻辑与策略，通过自动驾驶人机交互系统实现控制逻辑与策略的切换。自动驾驶系统和自动驾驶控制器之间通信可以采用多种总线接口，如Flexray、LIN等，但是考虑到车辆底盘线控一般都是控制器局域网络CAN总线[3]是车辆内电控单元的主要连接方式，因此自动驾驶控制器和车辆之间通信接口选择了CAN总线。

CCP（CAN Calibration Protocol）是一种基于CAN总线的标定协议[4]。目前，CCP协议主要应用于汽车电控系统标定，数据采集、固件更新等[4-7]。为了实现对车辆的精确控制、及时修改与车辆相关的匹配参数，对自动驾驶控制器进行精确的匹配标定优化关于车辆的各个控制参数是自动驾驶车辆调试过程中的主要环节。通过作为主设备的USB转CAN卡上的CAN总线与从设备自动驾驶控制器相连，实现了基于CCP协议的主-从通信的自动驾驶控制器参数标定与采集。

2 CCP协议简述

CCP协议是基于控制器局域网CAN协议由自动化测量系统标准协会（ASAM）定制的控制系统参数校准测量协议，本质上是一个软件接口，最初主要应用于车辆电控单元ECU的参数校准和数据传输[8]。随着技术的发展，CCP协议通用功能逐渐扩大涉及闪存编程[6，9]实现FLASH、ROM、RAM等内存数据读写，测量数据采集[10，11]等。

CCP协议既可以支持一主一从点对点传输设备间的通信，也支持一主多从系统设备之间的通信，研究人员可自行确定主从设备。常规CCP之间的对话结构如图1。

CCP主从设备之间信息交互传输通过两种消息对象实现，命令接收对象Command Receive Object）和数据传输对象DTO（Data Transmission Object），两种数据对象分别对应两个CAN_ID标识符，并使用CAN协议中数据域的8个字节实现命令内容的记录与传递。命令接收对象主要用于接收主设备或标定系统发送的各种命令代码和相关的配置参数，以及在逻辑互联的多个CAN设备之间执行内部功能或内存数据的互传。命令的接收对象必须用带有数据传输对象DTO的握手消息来返回相应的数据，在这种情况下，DTO也称为命令返回消息。该DTO消息的返回码用于确定相应命令是否已成功执行完成。本文设计的自动驾驶控制器MCU固件标定系统采用的CCP主从设备之间CAN通信结构如图2。

3 MCU固件标定系统总体设计

基于CCP协议的自动驾驶控制器MCU固件标定系统由2个单元组成，分别是基于QT设计的标定上位机、自动驾驶控制器。系统总体框图如图3。

3.1 基于QT设计的标定上位机

基于QT和USB转CAN卡的二次开发库设计的标定上位机，其主要功能是实现自动驾驶控制器参数标定和自动驾驶控制器固件更新。为了实现车辆控制，参数标定主要有车辆加速度CAN信号报文比例因子、车辆加速度CAN信号报文偏移量、车辆转向CAN信号比例因子、车辆转向CAN信号偏移量。其中上位机的GUI界面是通过QT开发，为了实现上位机和控制器之间的CAN通信，借助USB转CAN卡，将标定参数以CAN报文的形式发送给自动驾驶控制器，同时接收自动驾驶控制器返回的命令执行结果。上位机主要功能有CAN设备的选择、波特率设置、终端电阻设置、CAN_ID设置，设备的打开和关闭。完成自动驾驶控制器参数标定后还可以借助车辆线控协议的DBC文件测试参数标定是否成功。基于QT设计的标定上位机如图4。

3.2 自动驾驶控制器

自动驾驶控制器是自动驾驶系统的重要硬件模块之一，其主要功能是将自动驾驶系统的决策结果如加速、减速、挡位切换、转向角度等以CAN报文的形式发送给车辆，同时将车辆当前实时状态反馈给自动驾驶系统，作为自动驾驶系统决策的参考依据。本文设计的自动驾驶控制器涵盖车辆横向控制、纵向控制和车身控制。车辆横向控制主要是方向盘转角度数和转向，纵向控制主要是挡位切换和加减速，车身控制主要有空调控制、车窗控制、转向灯控制、电子驻车EPB控制等。基于CCP协议的自动驾驶控制器固件MCU标定系统可以方便的完成自动驾驶控制器参数标定减少自动驾驶控制器固件的开发时间和自动驾驶控制器固件版本控制，自动驾驶控制器硬件框图如图5。自动驾驶控制器共有2路CAN通信接口，CAN1通过USB转CAN卡连接标定系统上位机，实现自动驾驶控制器参数标定;CAN2连接自动驾驶车辆智能CAN总线，实现对车辆的横纵向控制车身控制及实时采集获取车辆各项参数如：车速、轮速、方向盘转角等。遥控急停和物理急停为自动驾驶车辆提供安全保障，二者之间是逻辑或的关系，任何一个有效自动驾驶控制器都会控制车辆急停。驾驶模式切换模块和驾驶模式指示模块分别是控制车辆自动驾驶和人工驾驶之间的切换和当前驾驶模式的显示。危险预警模块提示车辆当前是否有异常，需要自检。电源模塊和心跳模块分别为自动驾驶控制器提供电源和显示控制器的工作状态。自动驾驶控制器标定的主要参数有电动助力转向系统的比例因子、偏移量、转向速度，车身稳定系统的纵向加速度比例因子、偏移量等。

4 系统整体测试

为了验证标定系统的实用性和稳定性，以线控底盘车作为测试车辆，为了验证数据的准确性，以底盘车线控协议DBC文件作为判定基础。在实验中，通过标定线控底盘车转角参数和纵向控制参数实现对车辆的控制。标定系统整体测试的目标有：上位机和控制器及车辆三者之间可以正确的建立连接;三者之间可以实现命令和参数传递;可以通过上位机和控制器发送线控协议实现对车辆控制。三者之间的连接方式如图6。

4.1 实车实验

为了验证系统的可靠性稳定性，通过设置加速度实现对车辆加速控制，发送的加速度值和车辆实时速度之间的关系等车辆实时数据分析图如图7所示，由图可知，通过设定加速度可以实现对车辆的加速控制，当加速度值比较大时，车辆速度变化较快;当加速度值比较小时，车辆速度变化比较慢。这种变化趋势和我们踩踏油门踏板控制车辆加减速的趋势一致。

5 结论

本文独创性的提出了基于CAN总线的CCP协议在自动驾驶汽车控制系统的中应用，通过多次实验，验证了CCP协议在自动驾驶控制器参数标定或固件刷新方面的可行性，减少了车辆调试和使用下载器刷写固件的时间，为自动驾驶控制器固件远程升级（OTA）的开发建立奠定了技术基础。

参考文献：

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[11]Wang C， Liu H， Bai W， et al. Research on Calibration of Vehicle Control Unit for Battery Electric Vehicles Based on CAN Calibration ProtocolCCP. Qiche Gongcheng/Automotive Engineering[J]. 2020;42（3）：286-291.