《智能网联汽车技术》教学课件08智能网联汽车的技术架构

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1、智能网联汽车的技术架构项目八学生通过本项目的学习,了解智能网联汽车技术体系架构及其控制系统、智能网联汽车 安全传输协议、智能网联汽车车内网络架构、智能网联汽车车载智能终端系统功能与应用、运行与操作。学生通过对智能网联汽车技术体系架构及其控制系统、智能网联汽车安全传 输协议、智能网联汽车车内网络架构、智能网联汽车车载智能终端系统的学习,提高自身对 智能网联汽车技术体系架构及其控制系统、智能网联汽车安全传输协议、智能网联汽车车内 网络架构、智能网联汽车车载智能终端系统的学习兴趣,通【项目要求】通过对智能网联汽车技术体系架构 及其控制系统、智能网联汽车安全传输协议、智能网联汽车车内网络架构、智能网联

2、汽车车 载智能终端系统的总体认知,学生初步了解智能网联汽车技术体系架构及其控制系统、智能 网联汽车安全传输协议、智能网联汽车车内网络架构、智能网联汽车车载智能终端系统的学 习内容,同时,加深学生对智能网联汽车技术体系架构及其控制系统、智能网联汽车安全传 输协议、智能网联汽车车内网络架构、智能网联汽车车载智能终端系统工作原理和技术的知 识理解。【项目要求】智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置,并融合现代通信与网络技术,实现车与X(车、路、人、云端等)智能信息交换、共享,具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能,可实现“安全、高效、舒适、节能”行驶,并最终实现替代人来操作的

3、新一 代汽车。【相关知识】智能网联汽车包括智能化与网联化两个技术层面,其分级也可对应地按照智能化与网 联化两个层面区分。在智能化方面,美国汽车工程师学会(SAE)、美国高速公路安全管理局(NHTSA)、德国汽车工业联合会(VDA)等组织已经给出了各自的分级方案,现以较权威的 美国SAE分级定义为基础,并考虑中国道路交通情况的复杂性,加入对应级别下智能系统 能够适应的典型工况特征。在网联化层面,按照网联通信内容的不同将其划分为网联辅助信息交互、网联协同感 知、网联协同决策与控制3个等级。【相关知识】知识链接知识链接一一智能网联汽车智能化等级智能网联汽车智能化等级概述概述随着电子技术和计算机软件技

4、术的不断发展,汽车的智能化水平也在不断地提高。汽车的智能化是从电子化开始的,20世纪70年 代,以 汽 车 收 音 机 和 电 子 点 火 装 置 为 代 表 的 电 子技术开始应用于汽车领域,随着集成电路和微处理器技术的发展,动力系统和底盘系统开 始实现电子化,为智能汽车的发展奠定了基础。自2000年以来,以自适应巡航控制(adaptivecruisecontrol,ACC)、自动紧急刹车(au-tomaticemergencybraking,AEB)和车道保持辅助(lanekeepingassistance,LKA)为代表的 高级驾驶辅助系统(advanceddriverassistanc

5、esystem,ADAS)开始实现应用,实现了至少一 种驾驶操作的自动化,达到自动化驾驶1级水平。目前,以 VolvoXC90等为代表达到2级 自动化驾驶水平的汽车也开始批量投放市场。智能汽车的智能化等级分为自动驾驶等级和网联化等级两个方面。根据节能与新能源 汽车技术路线图战略咨询委员会、中国汽车工程学会发布的资料,自动驾驶等级定义,见表 8-1。从表8-1中得知,在自动驾驶1级和2级情况下,驾驶操作部分由机器完成,对驾驶系 统的监控和失效应对由驾驶员执行,与现行法律对驾驶员的要求一致。自动驾驶为3级以上时,由自动驾驶系统监控驾驶环境,当3级自动驾驶在系统失效 时,要求驾驶员接管车辆的控制;当

6、4级自动驾驶系统失效时,系统对驾驶员提出响应请求,驾驶员也可以不响应。3级和4级自动驾驶在法律上都要求界定机器驾驶和驾驶员驾驶的 责任。5级自动驾驶为最高级别的自动驾驶,驾驶操作的控制、监控和失效应对都由机器完成,因而机器驾驶承担法律责任,这与现行维也纳公约国际法对驾驶员是驾驶行为法律主体 的描述相矛盾。为此,相关国家已经开始对自动驾驶车辆的法律问题进行研究和探讨,有望在未来制定 出适应自动驾驶技术发展的相关法律。知识拓展知识拓展知识链接二知识链接二智能网联汽车技术体系架智能网联汽车技术体系架构及其控制系统构及其控制系统智能网联汽车除了依靠本车的物理传感器实现周边状态的感知外,还能够通过 V2

7、X(vehicletovehicle,V2V;vehicletoinfrastructure,V2I;etc.)通信技术在更大的空间尺度上扩展环境和交通状况的感知范围。在目前智能汽车环境感知传感器配置下,通过车载毫米波雷达、机器视觉、激光雷达和超声波雷达等物理传感器可实现自车物理传感器感知范围内(通常在200m 之内)环境和交 通状态的感知。一、智能汽车技术体系架构一、智能汽车技术体系架构对于广域的交通拥堵状况、气象情况,以及道路维修和道路事故等信息的感知,则可通过 V2X 通信技术获得自车物理传感器感知范围之外的交通信息。根据 V2X 通信获取的信息内容及其在驾驶和协同控制中的作用,汽车网联

8、化可分为3 个等级,见表8-2。智 能 汽 车 通 过 自 车 传 感 器 感 知、结 合 V2X 通信感知,能够在广域范围内 实现以安全和能量优化为目标的路径和车速优化、防撞避撞等功能,进一步提 升道路交通的效率、降低事故发生率和整车的能耗水平。智能网联汽车集成了先进的传感器、定位和通信装置,在不同的空间尺度 范围内感知道路周边及广域交通环境信息,通过环境感知信息融合、评估和路径 规划控制,能够通过协同控制来提高自动驾驶技术的安全性、舒适性和节能性。智能汽车技术体系架构,如图8-1所示。智能汽车的控制系统由环境感知系统,评估、决策和控制系统,以及人机交互系统组成。智能汽车控制系统的功能架构如

9、图8-2所示。环境感知系统分为物理传 感 器 系 统 和 V2X 通信传感系统两种类型。二、智能网联汽车控制系统功能架构二、智能网联汽车控制系统功能架构物理传感器分为环境感知传感器(包括超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达和机器视觉 传感器)、高精度数字地图,以及车辆状态传感器(包括动力系统和底盘系统 等 状 态)3 类。V2X 通 信 传 感 系 统 一 方 面 通 过 V2V、V2I等 通 信 获 得 道 路 交 通 状 态 和 其 他 车 辆 及 交 通 参 与 者的信息,另一方面可以将本车的相关操纵状态信息发给其他车辆和交通参与者。评估、决策和控制系统由交通场景评估模块及路径规划和控制模块

10、组成。交通场景评 估模块的功能是将不同的传感器感知的交通状况进行信息融合,进行地图 定 位 和 匹 配、生 成 道 路 交 通 状 态 描 述 等。路径规划和控制模块的功能是根据交通场景评估的结果进行路径规划和行驶轨迹 控制。在完成车辆的路径规划后,需要进行轨迹跟踪控制来实现车辆的自动驾驶功能。车辆 的轨迹跟踪控制可通过控制实际车辆跟踪虚拟车辆来实现。为了便于描述轨迹控制原理,给出车辆的实际位姿与虚拟车辆位姿,如图8-3所示。人机交互系统具有两个方面的功能:当智能驾驶系统检测到危险状态时,对驾驶员进行振动、声音或语音报警,提醒驾驶员有危险状况;驾驶员通过操作控制面板、旋钮激活、关闭智能驾驶系统

11、或设定智能驾驶系统的参数来进一步设置智能驾驶系统。知识拓展知识拓展知识链接三知识链接三智能网联汽车安全传输协议智能网联汽车安全传输协议移动通信网络技术是智能网联汽车的基础设施,而移动通信网络的特点决定了智能网联汽车与其他移动智能电子设备一样,面临着严峻的信息安全形势。每一辆智能网联汽车,以及智能网联汽车用户的信息都将在公开的移动通信网络中传 输,但是这些数据信息可以被窃取、收集。大量用户的隐私数据,如车辆行驶轨迹、播放音乐 记录、车辆地理信息、车辆交易信息,很容易被非法分子感知、干扰甚至篡改,直接影响到智 能网联汽车的安全。因此,有必要制定智能网联汽车安全传输协议。安全传输协议主要有 HTTP

12、S协议和 TLS协议。安全超文本传输协议(hypertexttransferprotocolsecure,HTTPS)。HTTPS协议是一 种网络安全传输协议。HTTPS协议客户端与服务端进行通信时经由 HTTPS协议传输报 文,但是使用SSL/TLS协议来加密数据包。HTTPS协议的主要目的是提供对网络服务端 的身份认证,保护客户端与服务端之间传输的数据的隐私、完整。该协议于1994年由网景 公司首次提出,随后被整个互联网广泛接受。在20世纪90年代末期,HTTPS协议仅仅用 于互联网上的支付信息与敏感信息的传输保护。进入21世纪以后,HTTPS协议开始广泛 地使用于保护所有类型网站上的网页

13、真实性,保护账户和保持用户通信、身份和网络浏览的 私密性。一、安全超文本传输协议一、安全超文本传输协议HTTPS协议的主要思想是在公开的不安全的互联网中创建一个安 全 的 通 信 信 道,在 HTTPS协 议 客 户 端 与 HTTPS协议服务端创建安全的通信信道时,HTTPS协议服务端的证书可 以 被 校 验 认 证,在 创 建 安 全 的 通 信 信 道 之 后 保 护 HTTPS协议客户端与 HTTPS服 务端之间的数据通信,对窃听攻击与中间人攻击提供有效的防护。在浏览器中,HTTPS的 信 任 链 基 于 预 先 放 置 在 系 统 的 证 书 颁 发 机 构 发 布 的 CA证书。H

14、TTPS协议报文中的任何 东西都会被加密,其中包含所有数据包的包头与载荷。除了可能的选择密文攻击手段以外,一个攻击者理论上所有能知道关于通信双方的信息为客户端与服务器具有连接这一个事实。安全传输层协议(transportlayersecurity,TLS)。TLS协议是安全套接字协议(secure socketslayer,SSL)的后续版本。TLS协议的目的是为互联网通信提供安全、数据完整性保障。网景公司于1994年首 次推出网页浏览器网景导航者时,同时推出了 HTTPS协议,此时的 HTTPS协议就是 以SSL协议进行加密。1999年,IETF 组织将 SSL协议进行标准化并公布了第一版

15、TLS 标准文件,TLS1.0。在2008年8月,IETF组织公布 RFC5246,TLS协 议 的 1.1版 本。在 2011年 3月,IETF组 织 公 布 RFC6176,TLS协 议 的 1.2版 本。在 浏 览 器、电 子 邮 件、即 时 通信、VOIP等众多应用程序当中,TLS协议被广泛支持。二、安全传输层协议二、安全传输层协议在 全 世 界 范 围 内,主 要 的 网 站,例 如,Google、Baidu等 也 以 TLS协 议 来 创 建 安 全 可 靠 的 链 接。TLS协 议 已 经 变 成 互 联 网 安 全通信的产业标准TLS协议由两个协议组成,一个是记录层协议,另一个

16、是传输层协议。记录层协议确定数据传输的封装格式,这个格式由客户端与服务端会话协商。记录层协议通常使用 PKI体 系的 X.509证书进行身份认证,然后利用非对称加密算法来计算协商信息,最后以 协 商 信 息 作 为 会 话 密 钥。在 协 商 完 之 后,TLS协 议 客 户 端 与 TLS协议服务端的通信内容都用这个 会话密钥进行加密,从而保证 TLS协 议 通 信 双 方 的 数 据 私 密 性、保 密 性、可 靠 性,防 止 通 信 数据被窃听与中间人攻击。TLS协议的协商密钥是双方通信的第一个步骤,也是最重要的一个步骤。之后双方的 通信都基于协商出来的会话密钥。客户端与服务器协商会话密钥的过程,如图8-4所示。(1)发 送 一 个“ClientHello”消 息,内 容 包 括:客 户 端 支 持 的 TLS协议版本,例如,TLS1.2版本;一个随机数,该随机数由客户端生成,并将用于生成会话密钥当中;客户端支持的加 密算法和支持的数据压缩算法。(2)然 后 收 到 一 个“ServerHello”消 息,内 容 包 括:确 认 TLS协议双方使用的加密通信 协议版本,例如,TL