概述
集微網消息, 隨著自動駕駛汽車時代的來臨,我們發現恩智浦正處於許多相關標準, 方法論和設計方案討論的關鍵位置. 人們會問: '你們會如何構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於五大域的系統架構方案, 還將說明這一全新架構如何幫助汽車製造商掌控自動駕駛的複雜性.
目錄
1 為什麼要問我們? 2 基於五大域的汽車架構3 深入了解基於域的汽車架構4 架構粘合劑: 網關和車載網路架構5 基於域的汽車架構的基本概念6 不僅僅是一種架構——還是一種組織方法7 實現新的突破
恩智浦在汽車半導體整體市場中的份額超過14%, 穩居首位. [Strategy Analytics公司, 2016年]
為什麼要問我們?
問一家半導體公司會如何構建自動駕駛汽車似乎不太尋常, 但當你考慮到電子設備對當今汽車架構的重要性時, 這個問題就可以理解了.
汽車行業的大多數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於半導體技術. 隨著電子化趨勢持續發展, 半導體公司將在車輛設計中發揮重要作用.
在恩智浦, 我們為汽車行業客戶提供技術指導以及實施經驗分享. 這是因為, 除了作為全球首屈一指的汽車半導體公司, 我們還在一些傳統上與汽車關聯不大的領域, 如處理, 資訊安全和移動等, 凝聚了幾十年的專業經驗, 擁有眾多創新成果, 具有領先優勢. 簡單地說, 在提供系統級設計的技術範圍和豐富經驗方面, 沒有哪家公司能夠和我們相媲美.
所以, 當人們問我們將如何構建自動駕駛汽車時, 我們已成竹在胸. 我們會說, 我們已經定義了一種清晰精簡的系統設計方案: 即基於五大域的汽車架構.
基於五大域的汽車架構
基於域的汽車架構源自我們汽車創新團隊的辛勤努力以及我們多年來與產業相關方的合作成果. 它將諸多讓汽車能夠感知, 思考, 並代替駕駛員採取行動的相關功能進行了組織和歸類, 同時對系統複雜性及可擴展性進行有效管控和支援.
上圖顯示了構成我們所定義的自動駕駛汽車架構的各個域. 車載體驗, 車身與舒適系統以及傳動與動力系統域在車輛架構中存在已久. 而駕駛員替代與連接性域則是最新定義出的域, 分別關聯至自動駕駛所需的功能.
總體而言, 基於域的汽車架構能夠出色地支援自動駕駛技術, 同時確保最高程度的功能安全和資訊安全.
(基於域的汽車架構打造的自動駕駛汽車安全和保障水平更高, 並且特性與功能更容易擴展. )
實現模組化的優勢
將功能劃分為單獨的域優勢眾多. 這有助於強調各個子系統的功能安全性和網路安全需求, 簡化自動化演算法的開發和部署, 方便在各個子系統中擴展功能.
優化更輕鬆—— 基於域的汽車架構將相似功能組合到一起並加以區分, 從而方便根據各個域的共同需求來確定合適的功能安全和資訊安全目標等級. 例如, 在連接域中, 汽車要與外部世界通信, 需要保護與外部交互免遭篡改, 這時資訊安全至關重要. 另一方面, 在傳動與動力系統域中, 因為這個域工作時遠離外部因素, 因此資訊安全相對來說不成問題. 但是由於要求組件暴露於極端條件下時必須仍能發揮作用, 因此在這裡功能安全和可靠性更為重要.
擴展更簡單—— 模組化方案更容易在各個域中實現從基準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, 含有資訊娛樂功能的用戶體驗域可以為經濟車型提供基本選項, 為豪華車型提供更多選項. 基於域的汽車架構在汽車的各個部分支援這種可擴展性, 從而更輕鬆地建立可相容和可重複使用的獨立模組. 這讓開發工作更加高效和經濟, 並且讓製造過程更加靈活, 響應速度更快.
深入了解基於域的汽車架構
連接性:
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介面.
外部連接—— 連接域可安全無縫地進行部署, 並收集來自車輛所有外接介面的資訊. 包括乘客及其設備的常用介面, 如收音機, 行動電話, Wi-Fi, 低能耗藍芽(BLE)和GPS介面, 以及與車輛操作聯繫更密切的更新的介面, 如車對車的車輛通信(V2V)和車對外界車聯網(V2X)通信. 在理想的設置中, 所有這些外部介面都封裝在一個高度整合的智能天線模組中, 可以根據需要更輕鬆地添加或刪減介面.
連接的首要需求- ASIL B級- 資訊安全- 接收穩定性- 多標準傳輸共存
什麼是ASIL等級? 汽車安全完整性等級(ASIL)會給汽車生產中的電氣和電子系統分配一個安全等級. ASIL等級表示發生特定風險的可能性及其嚴重程度. ASIL等級基於航空和鐵路工業所使用的等級系統發展而來, 並於2011年定義為ISO標準26262的一部分, 等級範圍為A至D, A表示發生嚴重危害的風險最低, D表示風險最高.
駕駛員替代駕駛員替代產品域讓汽車 '機器人' 接管駕駛任務. 它提供感知和思考功能, 並利用保障機制來確保正確操作. 駕駛員替代產品域是許多汽車的 '智能' 所在, 可以解析各種感測器和攝像頭檢測到的環境情況. '感知' 組件包含雷達, 攝像頭, 基於雷射的LiDAR, 以及用於定位和檢測其他環境資訊的組件. '思考' 組件包含環境評估, 路線規劃, 感測器融合, 安全相關的演算法等.
比人類更出色—— 現在駕駛自動擋汽車, 基本上就是調整方向盤與控制油門和刹車兩塊踏板. 但無論使用何種衡量方式, 駕駛員替代產品域在這些操作中都比我們人類更加出色. 駕駛員替代產品能夠更快, 更持續地做出反應, 不受人類情緒的影響, 並且始終處於預警狀態. 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.
能夠學習—— 在某種程度上, 駕駛員替代產品域可以說是汽車的大腦. 並且, 就如人類大腦, 它能夠充分利用從經驗中獲取的新知識. '教授' 自動駕駛汽車的一種方式就是使用雲連接. 例如, 當自動駕駛汽車夜晚停放在車庫中時, 它可以連接至雲並上傳白天積累的數據. 這些數據可以與其他車輛的數據整合起來, 用於優化駕駛演算法. '睡眠中' 的汽車可以下載這些新功能, 這樣當它早晨 '醒來' 時, 就能利用新功能開啟全新的一天了.
駕駛員替代產品的首要需求- ASIL D級- 汽車質量認證- 智能感知- 成本/外形尺寸/性能均衡
傳動與動力系統這個域可以管理運動和速度, 是讓汽車移動的域. 自動駕駛汽車基於駕駛員或駕駛員替代產品輸入的資訊而移動, 可以根據個人偏好和環境限制 (如路況) 等因素進行修改和優化.
汽車的心臟—— 動力系統是汽車的主幹, 自車輛設計之初就已經是汽車的一部分. 無論是作為傳統內燃機, 電動引擎, 還是混合動力引擎, 此域的動力系統部分都可以將原始燃料轉化成動力, 供汽車在路面行駛. 這部分通常包含引擎, 變速箱, 驅動軸, 車軸和車輪. 動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下.
更平穩地駕駛—— 在汽車行業, 動力代表移動時的力量和扭矩. 此域的車輛動力系統部分全面支援各個子系統, 如懸架和轉向系統, 可確保穩定性和平穩駕駛. 您還可以在這裡找到多種汽車感測器技術, 包括那些基於複雜MEMS和MR技術的感測器技術.
傳動系統和車輛動力系統域的首要需求- ASIL D級- 成本/外形尺寸/性能權衡- 軟體支援個性化且可升級- 數據融合 (汽車感測器和駕駛員輸入)
車身與舒適系統車身與舒適系統域支援一些基本功能, 為駕駛員和乘客提供支援, 並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安全機制 (安全帶) 和訪問機制 (門鎖) 等功能.
自適應環境—— 您喜歡在車內設置的功能——座椅的特定位置, 倒車鏡的特定位置, 合適的空調溫度——都可以在你每次使用汽車時進行自動調整. 這些功能通常依靠傳統汽車電子設備, 如車窗控制和座椅調節裝置. 通常可以將這些硬體操作轉換成軟體操作, 以便於管理和修改.
外部和內部照明—— 感測器, 微控制器和全新照明技術可以相互合作, 打造智能照明功能, 提高安全性並滿足個人偏好. 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調節. 針對內部照明, 車內設計了可編程區域, 方便乘客睡覺, 閱讀或觀看視頻, 還有儀錶盤設置也可根據一天的時間或車內人員進行自動調整.
車身與舒適系統的首要需求- 可升級功能- 少維護- 高能效- 監控和學習能力
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複製與您居住環境相同的體驗. 它可無縫訪問, 並讓您能夠建立和管理您的數字化內容. 而且這種智能學習環境可以根據您的偏好進行調整. 這個域中應使用靈活且便於升級的軟體, 確保可通過任何現有硬體基礎架構來訪問. 與此同時, 還需要實現先進的無障礙人機界面(HMI), 能夠支援語音命令, 手勢, 增強現實, 以及高級個性化定製功能.
車載體驗域的首要需求- 空中(OTA)更新- 監控和學習能力- 支援內容訪問的軟體可升級性/靈活性- 高級人機界面
架構粘合劑: 網關和車載網路
基於域的汽車架構可以通過一個複雜的通信網路相互連接, 讓各個域利用串聯和共用資訊進行操作. 作為在架構中集合各個域的粘合劑, 內部網路可確保數據在適當的頻寬中以安全可靠的方式進行分享. 內部網路採用當今最先進的IT領域中的許多相同技術, 包括乙太網連接和安全網關.
內部連接—— 車載網路(IVN), 包括各種傳統汽車技術, 如CAN, LIN和FlexRay以及乙太網, 可安全無憂地連接各個域. IVN讓各個域可以分享相關資訊, 協同車載網關來確保汽車數據的正確分發.
車載網關—— 車載網關會將資訊保存在汽車內, 保護其免遭外部訪問和外部攻擊. 網關用於保護子系統 (構建防火牆) , 將各個子系統隔離開, 避免意外交互. 這樣, 安全關鍵型系統就能與其他系統, 如資訊娛樂系統的操作隔離開. 網關還可確保各個域使用的大量數據能夠高效可靠地進行傳輸.
網關和車載網路的首要需求- ASIL D級- 資訊安全性- 接收穩定性- 低電磁輻射- 多標準傳輸共存
基於域的汽車架構的基本概念
作為我們基於域的汽車架構定義的一部分, 我們著重強調指導整個開發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複雜的系統, 軟體和內部連接方面的複雜性也在不斷增加. 我們通過簡化感測器網路, 改進安全機制以及限制軟體開銷, 力求儘可能降低這種複雜性. 我們儘可能簡化和精簡設計流程, 從而讓每個人都能節約時間, 加快產品上市速度, 以及最大程度降低風險.
可重複使用—— 我們強烈建議採用可重用設計原理. 我們致力於在每一個汽車域中使用相同的模組, 以便更輕鬆地添加或刪減功能, 以及在出現新技術時能夠更容易地進行設計的迭代更新. 具體而言, 我們的微控制器產品系列全部採用相同的架構和軟體平台, 支援設計再利用. 無論您所開發的是雷達系統, 制動電子控制單元(ECU)還是汽車網關, 如果使用我們的單晶片微控制器架構, 那就意味著您可以使用相同的基本微控制器硬體, 並利用相似工具集, 外設IP驅動庫和軟體代碼完成設計.
可擴展性—— 由於汽車公司每年生產數百萬輛汽車, 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和成本控制方面壓力巨大. 設計和製造流程需要能夠實現性能和容量的快速擴展, 並且靈活性是關鍵所在. 這意味著我們提供的組件, 可輕鬆配置, 並且能夠在單個封裝尺寸中提供一系列功能. 我們的擴展性設計體現在簡便性和可複用原則, 關注汽車製造商的需求, 助其保持敏捷性.
不僅僅是一種架構——還是一種組織方法
基於域的汽車架構不僅是打破常規, 將與車輛設計相關的硬體和軟體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的一種方式. 在恩智浦, 我們利用各種域來指導內部結構. 這有助於我們集中精力, 凝聚專業, 更輕鬆地促成激發創新所需的協作以及技術跨界合作.
實現新的突破
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