概述
集微网消息, 随着自动驾驶汽车时代的来临,我们发现恩智浦正处于许多相关标准, 方法论和设计方案讨论的关键位置. 人们会问: '你们会如何构建一辆自动驾驶汽车? ' 本文就是我们的回答. 我们将介绍恩智浦基于五大域的系统架构方案, 还将说明这一全新架构如何帮助汽车制造商掌控自动驾驶的复杂性.
目录
1 为什么要问我们? 2 基于五大域的汽车架构3 深入了解基于域的汽车架构4 架构粘合剂: 网关和车载网络架构5 基于域的汽车架构的基本概念6 不仅仅是一种架构——还是一种组织方法7 实现新的突破
恩智浦在汽车半导体整体市场中的份额超过14%, 稳居首位. [Strategy Analytics公司, 2016年]
为什么要问我们?
问一家半导体公司会如何构建自动驾驶汽车似乎不太寻常, 但当你考虑到电子设备对当今汽车架构的重要性时, 这个问题就可以理解了.
汽车行业的大多数推陈出新都离不开汽车电子. 汽车比过去更安全, 更高效, 也更智能, 半导体是一大功臣. 如今从装配流水线上下来的车辆更像是车轮上的机器人, 其极高的电子精密程度主要归功于半导体技术. 随着电子化趋势持续发展, 半导体公司将在车辆设计中发挥重要作用.
在恩智浦, 我们为汽车行业客户提供技术指导以及实施经验分享. 这是因为, 除了作为全球首屈一指的汽车半导体公司, 我们还在一些传统上与汽车关联不大的领域, 如处理, 信息安全和移动等, 凝聚了几十年的专业经验, 拥有众多创新成果, 具有领先优势. 简单地说, 在提供系统级设计的技术范围和丰富经验方面, 没有哪家公司能够和我们相媲美.
所以, 当人们问我们将如何构建自动驾驶汽车时, 我们已成竹在胸. 我们会说, 我们已经定义了一种清晰精简的系统设计方案: 即基于五大域的汽车架构.
基于五大域的汽车架构
基于域的汽车架构源自我们汽车创新团队的辛勤努力以及我们多年来与产业相关方的合作成果. 它将诸多让汽车能够感知, 思考, 并代替驾驶员采取行动的相关功能进行了组织和归类, 同时对系统复杂性及可扩展性进行有效管控和支持.
上图显示了构成我们所定义的自动驾驶汽车架构的各个域. 车载体验, 车身与舒适系统以及传动与动力系统域在车辆架构中存在已久. 而驾驶员替代与连接性域则是最新定义出的域, 分别关联至自动驾驶所需的功能.
总体而言, 基于域的汽车架构能够出色地支持自动驾驶技术, 同时确保最高程度的功能安全和信息安全.
(基于域的汽车架构打造的自动驾驶汽车安全和保障水平更高, 并且特性与功能更容易扩展. )
实现模块化的优势
将功能划分为单独的域优势众多. 这有助于强调各个子系统的功能安全性和网络安全需求, 简化自动化算法的开发和部署, 方便在各个子系统中扩展功能.
优化更轻松—— 基于域的汽车架构将相似功能组合到一起并加以区分, 从而方便根据各个域的共同需求来确定合适的功能安全和信息安全目标等级. 例如, 在连接域中, 汽车要与外部世界通信, 需要保护与外部交互免遭篡改, 这时信息安全至关重要. 另一方面, 在传动与动力系统域中, 因为这个域工作时远离外部因素, 因此信息安全相对来说不成问题. 但是由于要求组件暴露于极端条件下时必须仍能发挥作用, 因此在这里功能安全和可靠性更为重要.
扩展更简单—— 模块化方案更容易在各个域中实现从基准性能到高端操作的扩展. 这意味着可以更方便地打造一系列功能, 满足各种不同的市场要求. 例如, 含有信息娱乐功能的用户体验域可以为经济车型提供基本选项, 为豪华车型提供更多选项. 基于域的汽车架构在汽车的各个部分支持这种可扩展性, 从而更轻松地创建可兼容和可重复使用的独立模组. 这让开发工作更加高效和经济, 并且让制造过程更加灵活, 响应速度更快.
深入了解基于域的汽车架构
连接性:
连接性域是一个非常重要的域, 包含多项操作. 它管理所有将汽车连接至外界的无线接口.
外部连接—— 连接域可安全无缝地进行部署, 并收集来自车辆所有外接接口的信息. 包括乘客及其设备的常用接口, 如收音机, 移动电话, Wi-Fi, 低能耗蓝牙(BLE)和GPS接口, 以及与车辆操作联系更密切的更新的接口, 如车对车的车辆通信(V2V)和车对外界车联网(V2X)通信. 在理想的设置中, 所有这些外部接口都封装在一个高度集成的智能天线模块中, 可以根据需要更轻松地添加或删减接口.
连接的首要需求- ASIL B级- 信息安全- 接收稳定性- 多标准传输共存
什么是ASIL等级? 汽车安全完整性等级(ASIL)会给汽车生产中的电气和电子系统分配一个安全等级. ASIL等级表示发生特定风险的可能性及其严重程度. ASIL等级基于航空和铁路工业所使用的等级系统发展而来, 并于2011年定义为ISO标准26262的一部分, 等级范围为A至D, A表示发生严重危害的风险最低, D表示风险最高.
驾驶员替代驾驶员替代产品域让汽车 '机器人' 接管驾驶任务. 它提供感知和思考功能, 并利用保障机制来确保正确操作. 驾驶员替代产品域是许多汽车的 '智能' 所在, 可以解析各种传感器和摄像头检测到的环境情况. '感知' 组件包含雷达, 摄像头, 基于激光的LiDAR, 以及用于定位和检测其他环境信息的组件. '思考' 组件包含环境评估, 路线规划, 传感器融合, 安全相关的算法等.
比人类更出色—— 现在驾驶自动挡汽车, 基本上就是调整方向盘与控制油门和刹车两块踏板. 但无论使用何种衡量方式, 驾驶员替代产品域在这些操作中都比我们人类更加出色. 驾驶员替代产品能够更快, 更持续地做出反应, 不受人类情绪的影响, 并且始终处于预警状态. 它也不会喝咖啡, 吃零食, 和其他乘客交谈, 接电话, 或者有其他在工作中分心的行为.
能够学习—— 在某种程度上, 驾驶员替代产品域可以说是汽车的大脑. 并且, 就如人类大脑, 它能够充分利用从经验中获取的新知识. '教授' 自动驾驶汽车的一种方式就是使用云连接. 例如, 当自动驾驶汽车夜晚停放在车库中时, 它可以连接至云并上传白天积累的数据. 这些数据可以与其他车辆的数据整合起来, 用于优化驾驶算法. '睡眠中' 的汽车可以下载这些新功能, 这样当它早晨 '醒来' 时, 就能利用新功能开启全新的一天了.
驾驶员替代产品的首要需求- ASIL D级- 汽车质量认证- 智能感知- 成本/外形尺寸/性能均衡
传动与动力系统这个域可以管理运动和速度, 是让汽车移动的域. 自动驾驶汽车基于驾驶员或驾驶员替代产品输入的信息而移动, 可以根据个人偏好和环境限制 (如路况) 等因素进行修改和优化.
汽车的心脏—— 动力系统是汽车的主干, 自车辆设计之初就已经是汽车的一部分. 无论是作为传统内燃机, 电动引擎, 还是混合动力引擎, 此域的动力系统部分都可以将原始燃料转化成动力, 供汽车在路面行驶. 这部分通常包含引擎, 变速箱, 驱动轴, 车轴和车轮. 动力系统中的工作条件非常恶劣, 常常暴露在高温和几乎持续不断的振动下.
更平稳地驾驶—— 在汽车行业, 动力代表移动时的力量和扭矩. 此域的车辆动力系统部分全面支持各个子系统, 如悬架和转向系统, 可确保稳定性和平稳驾驶. 您还可以在这里找到多种汽车传感器技术, 包括那些基于复杂MEMS和MR技术的传感器技术.
传动系统和车辆动力系统域的首要需求- ASIL D级- 成本/外形尺寸/性能权衡- 软件支持个性化且可升级- 数据融合 (汽车传感器和驾驶员输入)
车身与舒适系统车身与舒适系统域支持一些基本功能, 为驾驶员和乘客提供支持, 并且可以根据行为了解他们的偏好. 这部分系统通常也管理被动安全机制 (安全带) 和访问机制 (门锁) 等功能.
自适应环境—— 您喜欢在车内设置的功能——座椅的特定位置, 倒车镜的特定位置, 合适的空调温度——都可以在你每次使用汽车时进行自动调整. 这些功能通常依靠传统汽车电子设备, 如车窗控制和座椅调节装置. 通常可以将这些硬件操作转换成软件操作, 以便于管理和修改.
外部和内部照明—— 传感器, 微控制器和全新照明技术可以相互合作, 打造智能照明功能, 提高安全性并满足个人偏好. 针对外部照明, 前灯可以根据天气情况或即将出现的交通状况自动调节. 针对内部照明, 车内设计了可编程区域, 方便乘客睡觉, 阅读或观看视频, 还有仪表盘设置也可根据一天的时间或车内人员进行自动调整.
车身与舒适系统的首要需求- 可升级功能- 少维护- 高能效- 监控和学习能力
车载体验这个域可以让汽车满足车上每个人的娱乐体验, 提升幸福感的需求.
移动的起居室—— 车载体验域基本上可以复制与您居住环境相同的体验. 它可无缝访问, 并让您能够创建和管理您的数字化内容. 而且这种智能学习环境可以根据您的偏好进行调整. 这个域中应使用灵活且便于升级的软件, 确保可通过任何现有硬件基础架构来访问. 与此同时, 还需要实现先进的无障碍人机界面(HMI), 能够支持语音命令, 手势, 增强现实, 以及高级个性化定制功能.
车载体验域的首要需求- 空中(OTA)更新- 监控和学习能力- 支持内容访问的软件可升级性/灵活性- 高级人机界面
架构粘合剂: 网关和车载网络
基于域的汽车架构可以通过一个复杂的通信网络相互连接, 让各个域利用串联和共享信息进行操作. 作为在架构中集合各个域的粘合剂, 内部网络可确保数据在适当的带宽中以安全可靠的方式进行分享. 内部网络采用当今最先进的IT领域中的许多相同技术, 包括以太网连接和安全网关.
内部连接—— 车载网络(IVN), 包括各种传统汽车技术, 如CAN, LIN和FlexRay以及以太网, 可安全无忧地连接各个域. IVN让各个域可以分享相关信息, 协同车载网关来确保汽车数据的正确分发.
车载网关—— 车载网关会将信息保存在汽车内, 保护其免遭外部访问和外部攻击. 网关用于保护子系统 (构建防火墙) , 将各个子系统隔离开, 避免意外交互. 这样, 安全关键型系统就能与其他系统, 如信息娱乐系统的操作隔离开. 网关还可确保各个域使用的大量数据能够高效可靠地进行传输.
网关和车载网络的首要需求- ASIL D级- 信息安全性- 接收稳定性- 低电磁辐射- 多标准传输共存
基于域的汽车架构的基本概念
作为我们基于域的汽车架构定义的一部分, 我们着重强调指导整个开发流程决策的三个基本概念的重要性.
简便性—— 自动驾驶汽车是极其复杂的系统, 软件和内部连接方面的复杂性也在不断增加. 我们通过简化传感器网络, 改进安全机制以及限制软件开销, 力求尽可能降低这种复杂性. 我们尽可能简化和精简设计流程, 从而让每个人都能节约时间, 加快产品上市速度, 以及最大程度降低风险.
可重复使用—— 我们强烈建议采用可重用设计原理. 我们致力于在每一个汽车域中使用相同的模组, 以便更轻松地添加或删减功能, 以及在出现新技术时能够更容易地进行设计的迭代更新. 具体而言, 我们的微控制器产品系列全部采用相同的架构和软件平台, 支持设计再利用. 无论您所开发的是雷达系统, 制动电子控制单元(ECU)还是汽车网关, 如果使用我们的单芯片微控制器架构, 那就意味着您可以使用相同的基本微控制器硬件, 并利用相似工具集, 外设IP驱动库和软件代码完成设计.
可扩展性—— 由于汽车公司每年生产数百万辆汽车, 每种车型级别有几十种不同型号, 因此在保持面对市场的快速响应和成本控制方面压力巨大. 设计和制造流程需要能够实现性能和容量的快速扩展, 并且灵活性是关键所在. 这意味着我们提供的组件, 可轻松配置, 并且能够在单个封装尺寸中提供一系列功能. 我们的扩展性设计体现在简便性和可复用原则, 关注汽车制造商的需求, 助其保持敏捷性.
不仅仅是一种架构——还是一种组织方法
基于域的汽车架构不仅是打破常规, 将与车辆设计相关的硬件和软件组件分解和重组到一起的一种逻辑方式, 也是设计团队自身组织起来的一种方式. 在恩智浦, 我们利用各种域来指导内部结构. 这有助于我们集中精力, 凝聚专业, 更轻松地促成激发创新所需的协作以及技术跨界合作.
实现新的突破
想更深入了解我们如何为未来的自动驾驶汽车做好准备, 请访问www.nxp.com/automotive