自動駕駛技術(shù)架構(gòu)

　　概述

　　隨著自動駕駛汽車時代的來臨,我們發(fā)現(xiàn)恩智浦正處于許多相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、方法論和設(shè)計方案討論的關(guān)鍵位置。人們會問：“你們會如何構(gòu)建一輛自動駕駛汽車?”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(tǒng)架構(gòu)方案，還將說明這一全新架構(gòu)如何幫助汽車制造商掌控自動駕駛的復(fù)雜性。

　　目錄

　　1 為什么要問我們?

　　2 基于五大域的汽車架構(gòu)

　　3 深入了解基于域的汽車架構(gòu)

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

　　6 不僅僅是一種架構(gòu)——還是一種組織方法

　　7 實現(xiàn)新的突破

　　為什么要問我們?

　　恩智浦在汽車半導(dǎo)體整體市場中的份額超過14%，穩(wěn)居首位。[Strategy Analytics公司，2016年]

　　問一家半導(dǎo)體公司會如何構(gòu)建自動駕駛汽車似乎不太尋常，但當(dāng)你考慮到電子設(shè)備對當(dāng)今汽車架構(gòu)的重要性時，這個問題就可以理解了。

　　汽車行業(yè)的大多數(shù)推陳出新都離不開汽車電子。汽車比過去更安全、更高效，也更智能，半導(dǎo)體是一大功臣。如今從裝配流水線上下來的車輛更像是車輪上的機器人，其極高的電子精密程度主要歸功于半導(dǎo)體技術(shù)。 隨著電子化趨勢持續(xù)發(fā)展，半導(dǎo)體公司將在車輛設(shè)計中發(fā)揮重要作用。

　　在恩智浦，我們?yōu)槠囆袠I(yè)客戶提供技術(shù)指導(dǎo)以及實施經(jīng)驗分享。這是因為，除了作為全球首屈一指的汽車半導(dǎo)體公司，我們還在一些傳統(tǒng)上與汽車關(guān)聯(lián)不大的領(lǐng)域，如處理、信息安全和移動等，凝聚了幾十年的專業(yè)經(jīng)驗、擁有眾多創(chuàng)新成果，具有領(lǐng)先優(yōu)勢。簡單地說，在提供系統(tǒng)級設(shè)計的技術(shù)范圍和豐富經(jīng)驗方面，沒有哪家公司能夠和我們相媲美。

　　所以，當(dāng)人們問我們將如何構(gòu)建自動駕駛汽車時，我們已成竹在胸。我們會說，我們已經(jīng)定義了一種清晰精簡的系統(tǒng)設(shè)計方案：即基于五大域的汽車架構(gòu)。

　　基于五大域的汽車架構(gòu)

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

　　圖1：基于域的汽車架構(gòu)

　　上圖顯示了構(gòu)成我們所定義的自動駕駛汽車架構(gòu)的各個域。車載體驗、車身與舒適系統(tǒng)以及傳動與動力系統(tǒng)域在車輛架構(gòu)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)至自動駕駛所需的功能。

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

　　實現(xiàn)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(diào)各個子系統(tǒng)的功能安全性和網(wǎng)絡(luò)安全需求，簡化自動化算法的開發(fā)和部署，方便在各個子系統(tǒng)中擴展功能。

• 　　? 優(yōu)化更輕松——

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

　　基于域的汽車架構(gòu)將相似功能組合到一起并加以區(qū)分，從而方便根據(jù)各個域的共同需求來確定合適的功能安全和信息安全目標(biāo)等級。例如，在連接域中，汽車要與外部世界通信，需要保護(hù)與外部交互免遭篡改，這時信息安全至關(guān)重要。另一方面，在傳動與動力系統(tǒng)域中，因為這個域工作時遠(yuǎn)離外部因素，因此信息安全相對來說不成問題。但是由于要求組件暴露于極端條件下時必須仍能發(fā)揮作用，因此在這里功能安全和可靠性更為重要。

• 　　? 擴展更簡單——

　　模塊化方案更容易在各個域中實現(xiàn)從基準(zhǔn)性能到高端操作的擴展。這意味著可以更方便地打造一系列功能，滿足各種不同的市場要求。例如，含有信息娛樂功能的用戶體驗域可以為經(jīng)濟(jì)車型提供基本選項，為豪華車型提供更多選項。基于域的汽車架構(gòu)在汽車的各個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(fù)使用的獨立模組。這讓開發(fā)工作更加高效和經(jīng)濟(jì)，并且讓制造過程更加靈活、響應(yīng)速度更快。

　　深入了解基于域的汽車架構(gòu)

　　連接性

　　什么是ASIL等級?

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

　　連接性域是一個非常重要的域，包含多項操作。它管理所有將汽車連接至外界的無線接口。

• 　　? 外部連接——

　　連接域可安全無縫地進(jìn)行部署，并收集來自車輛所有外接接口的信息。包括乘客及其設(shè)備的常用接口，如收音機、移動電話、Wi-Fi、低能耗藍(lán)牙(BLE)和GPS接口，以及與車輛操作聯(lián)系更密切的更新的接口，如車對車的車輛通信(V2V)和車對外界車聯(lián)網(wǎng)(V2X)通信。在理想的設(shè)置中，所有這些外部接口都封裝在一個高度集成的智能天線模塊中，可以根據(jù)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(wěn)定性

　　- 多標(biāo)準(zhǔn)傳輸共存

　　駕駛員替代

　　駕駛員替代產(chǎn)品域讓汽車“機器人”接管駕駛?cè)蝿?wù)。它提供感知和思考功能，并利用保障機制來確保正確操作。駕駛員替代產(chǎn)品域是許多汽車的“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(dá)、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、路線規(guī)劃、傳感器融合、安全相關(guān)的算法等。

• 　　? 比人類更出色——

　　現(xiàn)在駕駛自動擋汽車，基本上就是調(diào)整方向盤與控制油門和剎車兩塊踏板。但無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?nèi)祟惛映錾?。駕駛員替代產(chǎn)品能夠更快、更持續(xù)地做出反應(yīng)，不受人類情緒的影響，并且始終處于預(yù)警狀態(tài)。它也不會喝咖啡、吃零食、和其他乘客交談、接電話，或者有其他在工作中分心的行為。

• 　　? 能夠?qū)W習(xí)——

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

• 　　? 駕駛員替代產(chǎn)品的首要需求

　　- ASIL D級

　　- 汽車質(zhì)量認(rèn)證

　　- 智能感知

　　- 成本/外形尺寸/性能均衡

　　傳動與動力系統(tǒng)

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

• 　　? 汽車的心臟——

　　動力系統(tǒng)是汽車的主干，自車輛設(shè)計之初就已經(jīng)是汽車的一部分。無論是作為傳統(tǒng)內(nèi)燃機、電動引擎，還是混合動力引擎，此域的動力系統(tǒng)部分都可以將原始燃料轉(zhuǎn)化成動力，供汽車在路面行駛。這部分通常包含引擎、變速箱、驅(qū)動軸、車軸和車輪。動力系統(tǒng)中的工作條件非常惡劣，常常暴露在高溫和幾乎持續(xù)不斷的振動下。

• 　　? 更平穩(wěn)地駕駛——

　　在汽車行業(yè)，動力代表移動時的力量和扭矩。此域的車輛動力系統(tǒng)部分全面支持各個子系統(tǒng)，如懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可確保穩(wěn)定性和平穩(wěn)駕駛。您還可以在這里找到多種汽車傳感器技術(shù)，包括那些基于復(fù)雜MEMS和MR技術(shù)的傳感器技術(shù)。

• 　　? 傳動系統(tǒng)和車輛動力系統(tǒng)域的首要需求

　　- ASIL D級

　　- 成本/外形尺寸/性能權(quán)衡

　　- 軟件支持個性化且可升級

　　- 數(shù)據(jù)融合(汽車傳感器和駕駛員輸入)

　　車身與舒適系統(tǒng)

　　車身與舒適系統(tǒng)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(jù)行為了解他們的偏好。這部分系統(tǒng)通常也管理被動安全機制(安全帶)和訪問機制(門鎖)等功能。

• 　　? 自適應(yīng)環(huán)境——

　　您喜歡在車內(nèi)設(shè)置的功能——座椅的特定位置、倒車鏡的特定位置、合適的空調(diào)溫度——都可以在你每次使用汽車時進(jìn)行自動調(diào)整。這些功能通常依靠傳統(tǒng)汽車電子設(shè)備，如車窗控制和座椅調(diào)節(jié)裝置。通?？梢詫⑦@些硬件操作轉(zhuǎn)換成軟件操作，以便于管理和修改。

• 　　? 外部和內(nèi)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，提高安全性并滿足個人偏好。針對外部照明，前燈可以根據(jù)天氣情況或即將出現(xiàn)的交通狀況自動調(diào)節(jié)。針對內(nèi)部照明，車內(nèi)設(shè)計了可編程區(qū)域，方便乘客睡覺、閱讀或觀看視頻，還有儀表盤設(shè)置也可根據(jù)一天的時間或車內(nèi)人員進(jìn)行自動調(diào)整。

• 　　? 車身與舒適系統(tǒng)的首要需求

　　- 可升級功能

　　- 少維護(hù)

　　- 高能效

　　- 監(jiān)控和學(xué)習(xí)能力

　　車載體驗

　　這個域可以讓汽車滿足車上每個人的娛樂體驗、提升幸福感的需求。

• 　　? 移動的起居室——

　　車載體驗域基本上可以復(fù)制與您居住環(huán)境相同的體驗。它可無縫訪問，并讓您能夠創(chuàng)建和管理您的數(shù)字化內(nèi)容。而且這種智能學(xué)習(xí)環(huán)境可以根據(jù)您的偏好進(jìn)行調(diào)整。這個域中應(yīng)使用靈活且便于升級的軟件，確?？赏ㄟ^任何現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)架構(gòu)來訪問。與此同時，還需要實現(xiàn)先進(jìn)的無障礙人機界面(HMI)，能夠支持語音命令、手勢、增強現(xiàn)實，以及高級個性化定制功能。

• 　　? 車載體驗域的首要需求

　　- 空中(OTA)更新

　　- 監(jiān)控和學(xué)習(xí)能力

　　- 支持內(nèi)容訪問的軟件可升級性/靈活性

　　- 高級人機界面

　　架構(gòu)粘合劑：網(wǎng)關(guān)和車載網(wǎng)絡(luò)

　　基于域的汽車架構(gòu)可以通過一個復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)相互連接，讓各個域利用串聯(lián)和共享信息進(jìn)行操作。作為在架構(gòu)中集合各個域的粘合劑，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可確保數(shù)據(jù)在適當(dāng)?shù)膸捴幸园踩煽康姆绞竭M(jìn)行分享。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用當(dāng)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(nèi)部連接——

　　車載網(wǎng)絡(luò)(IVN)，包括各種傳統(tǒng)汽車技術(shù)，如CAN、LIN和FlexRay以及以太網(wǎng)，可安全無憂地連接各個域。IVN讓各個域可以分享相關(guān)信息，協(xié)同車載網(wǎng)關(guān)來確保汽車數(shù)據(jù)的正確分發(fā)。

• 　　? 車載網(wǎng)關(guān)——

　　車載網(wǎng)關(guān)會將信息保存在汽車內(nèi)，保護(hù)其免遭外部訪問和外部攻擊。網(wǎng)關(guān)用于保護(hù)子系統(tǒng)(構(gòu)建防火墻)，將各個子系統(tǒng)隔離開，避免意外交互。這樣，安全關(guān)鍵型系統(tǒng)就能與其他系統(tǒng)，如信息娛樂系統(tǒng)的操作隔離開。網(wǎng)關(guān)還可確保各個域使用的大量數(shù)據(jù)能夠高效可靠地進(jìn)行傳輸。

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

　　- ASIL D級

　　- 信息安全性

　　- 接收穩(wěn)定性

　　- 低電磁輻射

　　- 多標(biāo)準(zhǔn)傳輸共存

　　基于域的汽車架構(gòu)的基本概念

　　作為我們基于域的汽車架構(gòu)定義的一部分，我們著重強調(diào)指導(dǎo)整個開發(fā)流程決策的三個基本概念的重要性。

• 　　? 簡便性——

　　自動駕駛汽車是極其復(fù)雜的系統(tǒng)，軟件和內(nèi)部連接方面的復(fù)雜性也在不斷增加。我們通過簡化傳感器網(wǎng)絡(luò)、改進(jìn)安全機制以及限制軟件開銷，力求盡可能降低這種復(fù)雜性。我們盡可能簡化和精簡設(shè)計流程，從而讓每個人都能節(jié)約時間、加快產(chǎn)品上市速度，以及最大程度降低風(fēng)險。

• 　　? 可重復(fù)使用——

　　我們強烈建議采用可重用設(shè)計原理。我們致力于在每一個汽車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(xiàn)新技術(shù)時能夠更容易地進(jìn)行設(shè)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(gòu)和軟件平臺，支持設(shè)計再利用。無論您所開發(fā)的是雷達(dá)系統(tǒng)、制動電子控制單元(ECU)還是汽車網(wǎng)關(guān)，如果使用我們的單芯片微控制器架構(gòu)，那就意味著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(shè)IP驅(qū)動庫和軟件代碼完成設(shè)計。

• 　　? 可擴展性——

　　由于汽車公司每年生產(chǎn)數(shù)百萬輛汽車，每種車型級別有幾十種不同型號，因此在保持面對市場的快速響應(yīng)和成本控制方面壓力巨大。設(shè)計和制造流程需要能夠?qū)崿F(xiàn)性能和容量的快速擴展，并且靈活性是關(guān)鍵所在。這意味著我們提供的組件，可輕松配置，并且能夠在單個封裝尺寸中提供一系列功能。我們的擴展性設(shè)計體現(xiàn)在簡便性和可復(fù)用原則，關(guān)注汽車制造商的需求，助其保持敏捷性。

　　不僅僅是一種架構(gòu)——還是一種組織方法

　　基于域的汽車架構(gòu)不僅是打破常規(guī)，將與車輛設(shè)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(shè)計團(tuán)隊自身組織起來的一種方式。在恩智浦，我們利用各種域來指導(dǎo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這有助于我們集中精力、凝聚專業(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。

　　實現(xiàn)新的突破

　　想更深入了解我們?nèi)绾螢槲磥淼淖詣玉{駛汽車做好準(zhǔn)備，

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