自動(dòng)駕駛技術(shù)架構

　　概述

　　隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)時(shí)代的來(lái)臨,我們發(fā)現恩智浦正處于許多相關(guān)標準、方法論和設計方案討論的關(guān)鍵位置。人們會(huì )問(wèn)：“你們會(huì )如何構建一輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)?”本文就是我們的回答。我們將介紹恩智浦基于五大域的系統架構方案，還將說(shuō)明這一全新架構如何幫助汽車(chē)制造商掌控自動(dòng)駕駛的復雜性。

　　目錄

　　1 為什么要問(wèn)我們?

　　2 基于五大域的汽車(chē)架構

　　3 深入了解基于域的汽車(chē)架構

　　4 架構粘合劑：網(wǎng)關(guān)和車(chē)載網(wǎng)絡(luò )架構5 基于域的汽車(chē)架構的基本概念

　　6 不僅僅是一種架構——還是一種組織方法

　　7 實(shí)現新的突破

　　為什么要問(wèn)我們?

　　恩智浦在汽車(chē)半導體整體市場(chǎng)中的份額超過(guò)14%，穩居首位。[Strategy Analytics公司，2016年]

　　問(wèn)一家半導體公司會(huì )如何構建自動(dòng)駕駛汽車(chē)似乎不太尋常，但當你考慮到電子設備對當今汽車(chē)架構的重要性時(shí)，這個(gè)問(wèn)題就可以理解了。

　　汽車(chē)行業(yè)的大多數推陳出新都離不開(kāi)汽車(chē)電子。汽車(chē)比過(guò)去更安全、更高效，也更智能，半導體是一大功臣。如今從裝配流水線(xiàn)上下來(lái)的車(chē)輛更像是車(chē)輪上的機器人，其極高的電子精密程度主要歸功于半導體技術(shù)。 隨著(zhù)電子化趨勢持續發(fā)展，半導體公司將在車(chē)輛設計中發(fā)揮重要作用。

　　在恩智浦，我們?yōu)槠?chē)行業(yè)客戶(hù)提供技術(shù)指導以及實(shí)施經(jīng)驗分享。這是因為，除了作為全球首屈一指的汽車(chē)半導體公司，我們還在一些傳統上與汽車(chē)關(guān)聯(lián)不大的領(lǐng)域，如處理、信息安全和移動(dòng)等，凝聚了幾十年的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗、擁有眾多創(chuàng )新成果，具有領(lǐng)先優(yōu)勢。簡(jiǎn)單地說(shuō)，在提供系統級設計的技術(shù)范圍和豐富經(jīng)驗方面，沒(méi)有哪家公司能夠和我們相媲美。

　　所以，當人們問(wèn)我們將如何構建自動(dòng)駕駛汽車(chē)時(shí)，我們已成竹在胸。我們會(huì )說(shuō)，我們已經(jīng)定義了一種清晰精簡(jiǎn)的系統設計方案：即基于五大域的汽車(chē)架構。

　　基于五大域的汽車(chē)架構

　　基于域的汽車(chē)架構源自我們汽車(chē)創(chuàng )新團隊的辛勤努力以及我們多年來(lái)與產(chǎn)業(yè)相關(guān)方的合作成果。它將諸多讓汽車(chē)能夠感知、思考、并代替駕駛員采取行動(dòng)的相關(guān)功能進(jìn)行了組織和歸類(lèi)，同時(shí)對系統復雜性及可擴展性進(jìn)行有效管控和支持。

　　圖1：基于域的汽車(chē)架構

　　上圖顯示了構成我們所定義的自動(dòng)駕駛汽車(chē)架構的各個(gè)域。車(chē)載體驗、車(chē)身與舒適系統以及傳動(dòng)與動(dòng)力系統域在車(chē)輛架構中存在已久。而駕駛員替代與連接性域則是最新定義出的域，分別關(guān)聯(lián)至自動(dòng)駕駛所需的功能。

　　總體而言，基于域的汽車(chē)架構能夠出色地支持自動(dòng)駕駛技術(shù)，同時(shí)確保最高程度的功能安全和信息安全。

　　實(shí)現模塊化的優(yōu)勢

　　將功能劃分為單獨的域優(yōu)勢眾多。這有助于強調各個(gè)子系統的功能安全性和網(wǎng)絡(luò )安全需求，簡(jiǎn)化自動(dòng)化算法的開(kāi)發(fā)和部署，方便在各個(gè)子系統中擴展功能。

• 　　? 優(yōu)化更輕松——

　　基于域的汽車(chē)架構打造的自動(dòng)駕駛汽車(chē)安全和保障水平更高，并且特性與功能更容易擴展。

　　基于域的汽車(chē)架構將相似功能組合到一起并加以區分，從而方便根據各個(gè)域的共同需求來(lái)確定合適的功能安全和信息安全目標等級。例如，在連接域中，汽車(chē)要與外部世界通信，需要保護與外部交互免遭篡改，這時(shí)信息安全至關(guān)重要。另一方面，在傳動(dòng)與動(dòng)力系統域中，因為這個(gè)域工作時(shí)遠離外部因素，因此信息安全相對來(lái)說(shuō)不成問(wèn)題。但是由于要求組件暴露于極端條件下時(shí)必須仍能發(fā)揮作用，因此在這里功能安全和可靠性更為重要。

• 　　? 擴展更簡(jiǎn)單——

　　模塊化方案更容易在各個(gè)域中實(shí)現從基準性能到高端操作的擴展。這意味著(zhù)可以更方便地打造一系列功能，滿(mǎn)足各種不同的市場(chǎng)要求。例如，含有信息娛樂(lè )功能的用戶(hù)體驗域可以為經(jīng)濟車(chē)型提供基本選項，為豪華車(chē)型提供更多選項?；谟虻钠?chē)架構在汽車(chē)的各個(gè)部分支持這種可擴展性，從而更輕松地創(chuàng )建可兼容和可重復使用的獨立模組。這讓開(kāi)發(fā)工作更加高效和經(jīng)濟，并且讓制造過(guò)程更加靈活、響應速度更快。

　　深入了解基于域的汽車(chē)架構

　　連接性

　　什么是ASIL等級?

　　汽車(chē)安全完整性等級(ASIL)會(huì )給汽車(chē)生產(chǎn)中的電氣和電子系統分配一個(gè)安全等級。ASIL等級表示發(fā)生特定風(fēng)險的可能性及其嚴重程度。ASIL等級基于航空和鐵路工業(yè)所使用的等級系統發(fā)展而來(lái)，并于2011年定義為ISO標準26262的一部分，等級范圍為A至D，A表示發(fā)生嚴重危害的風(fēng)險最低，D表示風(fēng)險最高。

　　連接性域是一個(gè)非常重要的域，包含多項操作。它管理所有將汽車(chē)連接至外界的無(wú)線(xiàn)接口。

• 　　? 外部連接——

　　連接域可安全無(wú)縫地進(jìn)行部署，并收集來(lái)自車(chē)輛所有外接接口的信息。包括乘客及其設備的常用接口，如收音機、移動(dòng)電話(huà)、Wi-Fi、低能耗藍牙(BLE)和GPS接口，以及與車(chē)輛操作聯(lián)系更密切的更新的接口，如車(chē)對車(chē)的車(chē)輛通信(V2V)和車(chē)對外界車(chē)聯(lián)網(wǎng)(V2X)通信。在理想的設置中，所有這些外部接口都封裝在一個(gè)高度集成的智能天線(xiàn)模塊中，可以根據需要更輕松地添加或刪減接口。

• 　　? 連接的首要需求

　　- ASIL B級

　　- 信息安全

　　- 接收穩定性

　　- 多標準傳輸共存

　　駕駛員替代

　　駕駛員替代產(chǎn)品域讓汽車(chē)“機器人”接管駕駛任務(wù)。它提供感知和思考功能，并利用保障機制來(lái)確保正確操作。駕駛員替代產(chǎn)品域是許多汽車(chē)的“智能”所在，可以解析各種傳感器和攝像頭檢測到的環(huán)境情況。“感知”組件包含雷達、攝像頭、基于激光的LiDAR，以及用于定位和檢測其他環(huán)境信息的組件。“思考”組件包含環(huán)境評估、路線(xiàn)規劃、傳感器融合、安全相關(guān)的算法等。

• 　　? 比人類(lèi)更出色——

　　現在駕駛自動(dòng)擋汽車(chē)，基本上就是調整方向盤(pán)與控制油門(mén)和剎車(chē)兩塊踏板。但無(wú)論使用何種衡量方式，駕駛員替代產(chǎn)品域在這些操作中都比我們人類(lèi)更加出色。駕駛員替代產(chǎn)品能夠更快、更持續地做出反應，不受人類(lèi)情緒的影響，并且始終處于預警狀態(tài)。它也不會(huì )喝咖啡、吃零食、和其他乘客交談、接電話(huà)，或者有其他在工作中分心的行為。

• 　　? 能夠學(xué)習——

　　在某種程度上，駕駛員替代產(chǎn)品域可以說(shuō)是汽車(chē)的大腦。并且，就如人類(lèi)大腦，它能夠充分利用從經(jīng)驗中獲取的新知識。“教授”自動(dòng)駕駛汽車(chē)的一種方式就是使用云連接。例如，當自動(dòng)駕駛汽車(chē)夜晚停放在車(chē)庫中時(shí)，它可以連接至云并上傳白天積累的數據。這些數據可以與其他車(chē)輛的數據整合起來(lái)，用于優(yōu)化駕駛算法。“睡眠中”的汽車(chē)可以下載這些新功能，這樣當它早晨“醒來(lái)”時(shí)，就能利用新功能開(kāi)啟全新的一天了。

• 　　? 駕駛員替代產(chǎn)品的首要需求

　　- ASIL D級

　　- 汽車(chē)質(zhì)量認證

　　- 智能感知

　　- 成本/外形尺寸/性能均衡

　　傳動(dòng)與動(dòng)力系統

　　這個(gè)域可以管理運動(dòng)和速度，是讓汽車(chē)移動(dòng)的域。自動(dòng)駕駛汽車(chē)基于駕駛員或駕駛員替代產(chǎn)品輸入的信息而移動(dòng)，可以根據個(gè)人偏好和環(huán)境限制(如路況)等因素進(jìn)行修改和優(yōu)化。

• 　　? 汽車(chē)的心臟——

　　動(dòng)力系統是汽車(chē)的主干，自車(chē)輛設計之初就已經(jīng)是汽車(chē)的一部分。無(wú)論是作為傳統內燃機、電動(dòng)引擎，還是混合動(dòng)力引擎，此域的動(dòng)力系統部分都可以將原始燃料轉化成動(dòng)力，供汽車(chē)在路面行駛。這部分通常包含引擎、變速箱、驅動(dòng)軸、車(chē)軸和車(chē)輪。動(dòng)力系統中的工作條件非常惡劣，常常暴露在高溫和幾乎持續不斷的振動(dòng)下。

• 　　? 更平穩地駕駛——

　　在汽車(chē)行業(yè)，動(dòng)力代表移動(dòng)時(shí)的力量和扭矩。此域的車(chē)輛動(dòng)力系統部分全面支持各個(gè)子系統，如懸架和轉向系統，可確保穩定性和平穩駕駛。您還可以在這里找到多種汽車(chē)傳感器技術(shù)，包括那些基于復雜MEMS和MR技術(shù)的傳感器技術(shù)。

• 　　? 傳動(dòng)系統和車(chē)輛動(dòng)力系統域的首要需求

　　- ASIL D級

　　- 成本/外形尺寸/性能權衡

　　- 軟件支持個(gè)性化且可升級

　　- 數據融合(汽車(chē)傳感器和駕駛員輸入)

　　車(chē)身與舒適系統

　　車(chē)身與舒適系統域支持一些基本功能，為駕駛員和乘客提供支持，并且可以根據行為了解他們的偏好。這部分系統通常也管理被動(dòng)安全機制(安全帶)和訪(fǎng)問(wèn)機制(門(mén)鎖)等功能。

• 　　? 自適應環(huán)境——

　　您喜歡在車(chē)內設置的功能——座椅的特定位置、倒車(chē)鏡的特定位置、合適的空調溫度——都可以在你每次使用汽車(chē)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調整。這些功能通常依靠傳統汽車(chē)電子設備，如車(chē)窗控制和座椅調節裝置。通?？梢詫⑦@些硬件操作轉換成軟件操作，以便于管理和修改。

• 　　? 外部和內部照明——

　　傳感器、微控制器和全新照明技術(shù)可以相互合作，打造智能照明功能，提高安全性并滿(mǎn)足個(gè)人偏好。針對外部照明，前燈可以根據天氣情況或即將出現的交通狀況自動(dòng)調節。針對內部照明，車(chē)內設計了可編程區域，方便乘客睡覺(jué)、閱讀或觀(guān)看視頻，還有儀表盤(pán)設置也可根據一天的時(shí)間或車(chē)內人員進(jìn)行自動(dòng)調整。

• 　　? 車(chē)身與舒適系統的首要需求

　　- 可升級功能

　　- 少維護

　　- 高能效

　　- 監控和學(xué)習能力

　　車(chē)載體驗

　　這個(gè)域可以讓汽車(chē)滿(mǎn)足車(chē)上每個(gè)人的娛樂(lè )體驗、提升幸福感的需求。

• 　　? 移動(dòng)的起居室——

　　車(chē)載體驗域基本上可以復制與您居住環(huán)境相同的體驗。它可無(wú)縫訪(fǎng)問(wèn)，并讓您能夠創(chuàng )建和管理您的數字化內容。而且這種智能學(xué)習環(huán)境可以根據您的偏好進(jìn)行調整。這個(gè)域中應使用靈活且便于升級的軟件，確?？赏ㄟ^(guò)任何現有硬件基礎架構來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。與此同時(shí)，還需要實(shí)現先進(jìn)的無(wú)障礙人機界面(HMI)，能夠支持語(yǔ)音命令、手勢、增強現實(shí)，以及高級個(gè)性化定制功能。

• 　　? 車(chē)載體驗域的首要需求

　　- 空中(OTA)更新

　　- 監控和學(xué)習能力

　　- 支持內容訪(fǎng)問(wèn)的軟件可升級性/靈活性

　　- 高級人機界面

　　架構粘合劑：網(wǎng)關(guān)和車(chē)載網(wǎng)絡(luò )

　　基于域的汽車(chē)架構可以通過(guò)一個(gè)復雜的通信網(wǎng)絡(luò )相互連接，讓各個(gè)域利用串聯(lián)和共享信息進(jìn)行操作。作為在架構中集合各個(gè)域的粘合劑，內部網(wǎng)絡(luò )可確保數據在適當的帶寬中以安全可靠的方式進(jìn)行分享。內部網(wǎng)絡(luò )采用當今最先進(jìn)的IT領(lǐng)域中的許多相同技術(shù)，包括以太網(wǎng)連接和安全網(wǎng)關(guān)。

• 　　? 內部連接——

　　車(chē)載網(wǎng)絡(luò )(IVN)，包括各種傳統汽車(chē)技術(shù)，如CAN、LIN和FlexRay以及以太網(wǎng)，可安全無(wú)憂(yōu)地連接各個(gè)域。IVN讓各個(gè)域可以分享相關(guān)信息，協(xié)同車(chē)載網(wǎng)關(guān)來(lái)確保汽車(chē)數據的正確分發(fā)。

• 　　? 車(chē)載網(wǎng)關(guān)——

　　車(chē)載網(wǎng)關(guān)會(huì )將信息保存在汽車(chē)內，保護其免遭外部訪(fǎng)問(wèn)和外部攻擊。網(wǎng)關(guān)用于保護子系統(構建防火墻)，將各個(gè)子系統隔離開(kāi)，避免意外交互。這樣，安全關(guān)鍵型系統就能與其他系統，如信息娛樂(lè )系統的操作隔離開(kāi)。網(wǎng)關(guān)還可確保各個(gè)域使用的大量數據能夠高效可靠地進(jìn)行傳輸。

• 　　? 網(wǎng)關(guān)和車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的首要需求

　　- ASIL D級

　　- 信息安全性

　　- 接收穩定性

　　- 低電磁輻射

　　- 多標準傳輸共存

　　基于域的汽車(chē)架構的基本概念

　　作為我們基于域的汽車(chē)架構定義的一部分，我們著(zhù)重強調指導整個(gè)開(kāi)發(fā)流程決策的三個(gè)基本概念的重要性。

• 　　? 簡(jiǎn)便性——

　　自動(dòng)駕駛汽車(chē)是極其復雜的系統，軟件和內部連接方面的復雜性也在不斷增加。我們通過(guò)簡(jiǎn)化傳感器網(wǎng)絡(luò )、改進(jìn)安全機制以及限制軟件開(kāi)銷(xiāo)，力求盡可能降低這種復雜性。我們盡可能簡(jiǎn)化和精簡(jiǎn)設計流程，從而讓每個(gè)人都能節約時(shí)間、加快產(chǎn)品上市速度，以及最大程度降低風(fēng)險。

• 　　? 可重復使用——

　　我們強烈建議采用可重用設計原理。我們致力于在每一個(gè)汽車(chē)域中使用相同的模組，以便更輕松地添加或刪減功能，以及在出現新技術(shù)時(shí)能夠更容易地進(jìn)行設計的迭代更新。具體而言，我們的微控制器產(chǎn)品系列全部采用相同的架構和軟件平臺，支持設計再利用。無(wú)論您所開(kāi)發(fā)的是雷達系統、制動(dòng)電子控制單元(ECU)還是汽車(chē)網(wǎng)關(guān)，如果使用我們的單芯片微控制器架構，那就意味著(zhù)您可以使用相同的基本微控制器硬件，并利用相似工具集、外設IP驅動(dòng)庫和軟件代碼完成設計。

• 　　? 可擴展性——

　　由于汽車(chē)公司每年生產(chǎn)數百萬(wàn)輛汽車(chē)，每種車(chē)型級別有幾十種不同型號，因此在保持面對市場(chǎng)的快速響應和成本控制方面壓力巨大。設計和制造流程需要能夠實(shí)現性能和容量的快速擴展，并且靈活性是關(guān)鍵所在。這意味著(zhù)我們提供的組件，可輕松配置，并且能夠在單個(gè)封裝尺寸中提供一系列功能。我們的擴展性設計體現在簡(jiǎn)便性和可復用原則，關(guān)注汽車(chē)制造商的需求，助其保持敏捷性。

　　不僅僅是一種架構——還是一種組織方法

　　基于域的汽車(chē)架構不僅是打破常規，將與車(chē)輛設計相關(guān)的硬件和軟件組件分解和重組到一起的一種邏輯方式，也是設計團隊自身組織起來(lái)的一種方式。在恩智浦，我們利用各種域來(lái)指導內部結構。這有助于我們集中精力、凝聚專(zhuān)業(yè)，更輕松地促成激發(fā)創(chuàng )新所需的協(xié)作以及技術(shù)跨界合作。

　　實(shí)現新的突破

　　想更深入了解我們如何為未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)做好準備，

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