Использование шины CAN: как программно управлять автомобилем

Автор: Ariel Nuñez
Изменение температуры кондиционера Ford Fusion при помощи команд через шину CAN.

Рисунок 1: Как при помощи приложения управлять ключевыми функциями автомобиля?
Недавно я вместе со своими друзьями из компании Voyage работал над реализацией программного управления системой кондиционирования в Ford Fusion. На данный момент Voyage занимается разработкой бюджетных самоуправляемых автомобилей. Конечная цель: чтобы каждый смог вызвать автомобиль к своей входной двери и безопасно путешествовать туда, куда вздумается. В компании Voyage считают крайне важной возможностью предоставление доступа к ключевым функциям автомобиля с заднего кресла, поскольку не за горами тот день, когда работа водителя будет полностью автоматизирована.
Зачем нужна шина CAN
Современные автомобили используют множество систем управления, которые во многих случаях функционируют подобно микро-службам в веб-разработке. Например, подушки безопасности, тормозные системы, регулирование скорости движения (круиз контроль), электроусилитель руля, аудиосистемы, управление окнами и дверями, подстройка стекл, системы зарядки для электрических автомобилей и т. д. Эти системы должны уметь осуществлять коммуникацию и считывать параметры друг друга. В 1983 в компании Bosch началась разработка шины CAN (Controller Area Network; Локальная сеть контролеров) для решения этой сложной задачи.
Можно сказать, что шина CAN представляет собой простую сеть, где каждая система автомобиля может считывать и отсылать команды. Эта шина интегрируется все сложные компоненты элегантным образом, что дает возможность реализовать всеми любимые функции автомобиля, которыми мы пользуемся.

Рисунок 2: Впервые шина CAN стала использоваться в 1988 году в БМВ 8 серии
Самоуправляемые автомобили и шина CAN
Поскольку интерес к разработке самоуправляемых автомобилей серьезно вырос, соответственно, словосочетание «шина CAN» также становится популярным. Почему? Большинство компаний, создающих самоуправляемых автомобилей, не занимаются производством с нуля, а пытаются научиться программно управлять машинами после выхода с конвейера фабрики. 
Понимание внутреннего устройства шины CAN, используемой в автомобиле, позволяет инженеру формировать команды при помощи программного обеспечения. Самые нужные команды, как вы можете догадаться, связаны с управлением рулем, ускорением и торможением.

Рисунок 3: Введение в LIDAR (ключевой сенсор самоуправляемого автомобиля)
При помощи сенсоров наподобие LIDAR (light detecting and ranging; оптическая локационная система) машина способна смотреть на мир как суперчеловек. Затем компьютер внутри автомобиля на базе полученной информации принимает решения и посылается команды в шину CAN для управления рулем, ускорение и торможением.
Не каждый автомобиль способен стать самоуправляемым. И по некоторым причинам компания Voyage выбрала модель Ford Fusion (подробнее о причинах можно почитать в этой статье).
Исследование шины CAN в Ford Fusion
Перед началом исследования систем кондиционирования воздуха в Ford Fusion я открыл мою любимую книгу The Car Hacker’s Handbook. Перед погружением в суть вопроса заглянем в Главу 2, где описываются три важные концепции: протоколы шины, шина CAN и CAN-фреймы.
Шина CAN
Шина CAN начала использоваться в американских легковых машинах и небольших грузовиках с 1994 года и с 2008 года в обязательном порядке (в европейских автомобилях с 2001 года). В этой шине предусмотрено два провода: CAN high (CANH) и CAN low (CANL). Шина CAN использует дифференциальный сигналинг, суть которого заключается в том, что при поступлении сигнала на одном проводе вольтаж повышается, а на другом понижается на одну и ту же величину. Дифференциальный сигналинг используется в средах, которые должны быть малочувствительны к шуму, например, в автомобильных системах или при производстве.
 
Рисунок 4: Необработанный сигнал шины CAN, отображаемый на осциллографе
С другой стороны, пакеты, передаваемые по шине CAN, не стандартизированы. Каждый пакет содержит 4 ключевых элемента:

• Арбитражный ID (ArbitrationID) представляет собой широковещательно сообщение, идентифицирующее устройство, которое пытается начать коммуникацию. Любое устройство может отсылать несколько арбитражных ID. Если в единицу времени по шине отсылаются два CAN-пакета, пропускается тот, у которого ниже арбитражный ID.
• Расширение идентификатора (Identifierextension; IDE) – в случае с шиной CAN стандартной конфигурации этот бит всегда равен 0.
• Код длины данных (Datalengthcode; DLC) определяет размер данных, который варьируется от 0 до 8 байт.
• Данные. Максимальный размер данных, переносимых стандартной шиной CAN, может быть до 8 байт. В некоторых системах происходит принудительное дополнение пакета до размера 8 байт.

Рисунок 5: Формат стандартных CAN-пакетов
CAN фреймы
Для того чтобы включить / выключить климатическую систему мы должны найти нужную шину CAN (в автомобиле таких шин несколько). В Ford Fusion есть как минимум 4 задокументированные шины. 3 шины работают на высокой скорости 500 кбит/с (High Speed CAN; HS) и 1 шина на средней скорости 125 кбит/с (Medium Speed CAN; MS).
К порту OBD-II подключено две высокоскоростные шины HS1 и HS2, однако там стоит защита, которая не позволяет подделывать команды. Вместе с Аланом из компании Voyage мы вынули порт OBD-II и нашли места соединения со всеми шинами (HS1, HS2, HS3 и MS). На задней стенке OBD-II все шины подключались к модулю шлюза (Gateway Module).

Рисунок 6: Homer – первое самоуправляемое такси от компании Voyage
Поскольку климатическая система управляется через медиа-интерфейс (SYNC), нам придется отсылать команды через среднескоростную шину (MS).
Чтение и запись CAN-пакетов осуществляется при помощи драйвера и сетевого стека SocketCAN, созданного исследовательским отделом компании Volkswagen для ядра в Linux.
Мы будем подсоединять три провода от машины (GND, MSCANH, MSCANL) к переходнику Kvaser Leaf Light HSv2 (можно купить за 300$ на Амазоне) или к CANable (продается за 25$ на Tindie) и загружать на компьютере со свежим Linux-ядром шину CAN в качестве сетевого устройства.

modprobe can
  modprobe kvaser_usb
  ip link set can0 type can bitrate 1250000
  ifconfig can0 up

После загрузки запускаем команду candump can0 и начинаем отслеживать трафик:

can0  33A   [8]  00 00 00 00 00 00 00 00                                                                      can0  415   [8]  00 00 C4 FB 0F FE 0F FE                                                                      can0  346   [8]  00 00 00 03 03 00 C0 00                                                                      can0  348   [8]  00 00 00 00 00 00 00 00                                                                      can0  167   [8]  72 7F FF 10 00 19 F8 00                                                                      can0  3E0   [8]  00 00 00 00 80 00 00 00                                                                      can0  167   [8]  72 7F FF 10 00 19 F7 00                                                                      can0  34E   [8]  00 00 00 00 00 00 00 00                                                                      can0  358   [8]  00 00 00 00 00 00 00 00                                                                      can0  3A4   [8]  00 00 00 00 00 00 00 00                                                                      can0  216   [8]  00 00 00 00 82 00 00 00                                                                      can0  3AC   [8]  FF FF FF FF FF FF FF FF                                                                      can0  415   [8]  00 00 C8 FA 0F FE 0F FE                                                                      can0  083   [8]  00 00 00 00 00 01 7E F4                                                                      can0  2FD   [8]  D4 00 E3 C1 08 52 00 00                                                                      can0  3BC   [8]  0C 00 08 96 01 BB 27 00                                                                      can0  167   [8]  72 7F FF 10 00 19 F7 00                                                                      can0  3BE   [8]  00 20 AE EC D2 03 54 00                                                                      can0  333   [8]  00 00 00 00 00 00 00 00                                                                      can0  42A   [8]  D6 5B 70 E0 00 00 00 00                                                                      can0  42C   [8]  05 51 54 00 90 46 A4 00                                                                      can0  33B   [8]  00 00 00 00 00 00 00 00                                                                      can0  42E   [8]  93 00 00 E1 78 03 CD 40                                                                      can0  42F   [8]  7D 04 00 2E 66 04 01 77                                                                      can0  167   [8]  72 7F FF 10 00 19 F7 00                                                                      can0  3E7   [8]  00 00 00 00 00 00 00 00                                                                      can0  216   [8]  00 00 00 00 82 00 00 00                                                                      can0  415   [8]  00 00 CC F9 0F FE 0F FE                                                                      can0  3A5   [8]  00 00 00 00 00 00 00 00                                                                      can0  3AD   [8]  FF FF FF FF FF FF FF FF                                                                      can0  50B   [8]  1E 12 00 00 00 00 00 00

Несмотря на то, что вышеуказанная информация эквивалентна амплитуде звукового сигнала, довольно трудно понять, что происходит, и обнаружить какие-либо закономерности. Нам нужно нечто похожее на частотный анализатор, и такой эквивалент есть в виде утилиты cansniffer. Cansniffer показывает список идентификаторов и позволяет отслеживать изменения в секции данных внутри CAN-фрейма. По мере того как мы будем изучать определенные идентификаторы, мы можем установить фильтр нужных ID, которые имеют отношение к нашей задаче.
На рисунке ниже показан пример информации, снятой при помощи cansniffer с шины MS. Мы отфильтровали все, что имеет отношение к идентификаторам 355, 356 и 358. После нажатия и отпускания кнопок, связанных с подстройкой температуры, в самом конце появляется значение 001C00000000.

Рисунок 7: Информация с шины MS, снятая при помощи утилиты cansniffer
Далее необходимо объединить функционал для управления климатической системой с компьютером, работающим внутри автомобиля. Компьютер работает на операционной системе ROS (Robot Operating System; Операционная система для роботов). Поскольку мы используем SocketCAN, то модуль socketcan_bridge серьезно упрощает задачу по преобразованию CAN-фрейма в блок информации, понимаемый операционной системой ROS.
Ниже показан пример алгоритма декодирования:

if frame.id == 0x356:
   raw_data = unpack('BBBBBBBB', frame.data)
   fan_speed = raw_data[1] / 4
   driver_temp = parse_temperature(raw_data[2:4])
   passenger_temp = parse_temperature(raw_data[4:6])

Полученные данные хранятся в CelsiusReport.msg:

bool auto
  bool system_on
  bool unit_on
  bool dual
  bool max_cool
  bool max_defrost
  bool recirculation
  bool head_fan
  bool feet_fan
  bool front_defrost
  bool rear_defrost

string driver_temp
  string passenger_temp

После нажатия всех нужных кнопок в машине, у нас появляется следующий список:

CONTROL_CODES = {
   'ac_toggle': 0x5C,
   'ac_unit_toggle': 0x14,
   'max_ac_toggle': 0x38,
   'recirculation_toggle': 0x3C,
   'dual_temperature_toggle': 0x18,
   'passenger_temp_up': 0x24,
   'passenger_temp_down': 0x28,
   'driver_temp_up': 0x1C,
   'driver_temp_down': 0x20,
   'auto': 0x34,
   'wheel_heat_toggle': 0x78,
   'defrost_max_toggle': 0x64,
   'defrost_toggle': 0x4C,
   'rear_defrost_toggle': 0x58,
   'body_fan_toggle': 0x04,
   'feet_fan_toggle': 0x0C,
   'fan_up': 0x2C,
   'fan_down': 0x30,
  }

Затем эти строки отсылаются на узел под управлением операционной системы ROS и далее происходит трансляция в коды, понимаемые автомобилем:

rostopic pub /celsius_control celsius/CelsiusControl ac_toggle

Заключение
Теперь мы можем создавать и посылать те же самые коды в шину CAN, которые формируются при нажатии физических кнопок, связанных с повышением и понижением температуры, что дает возможность удаленного изменения температуры автомобиля при помощи приложения, когда мы находимся на заднем сидении автомобиля.

Рисунок 8: Удаленное управление климатической системой автомобиля
Это лишь небольшой шаг при создании самоуправляемого такси вместе со специалистами компании Voyage. Я получил массу положительных эмоций во время работы над этим проектом. Если вы тоже интересуетесь этой темой, можете ознакомиться со списком вакансий в компании Voyage.