现今从组装线完成出品的车辆更像是带车轮的机器人, 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领域发挥重要作用. 因此, 恩智浦定义了一套清楚精简的系统设计方法, 就是「领域式的汽车架构」(Domain-based Car Architecture).
领域式的汽车(Domain-based Car Architecture)整合了诸多功能, 让汽车能够感知(Sense), 思考(Think), 并代替我们采取行动(Action), 同时帮助管理复杂事务并支持扩充功能.
模块化整合多功能实现自驾
图1显示我们的自动驾驶汽车构成的主要架构领域. 最右边的三个领域(车载体验, 车身与舒适性, 传动系统与车辆动力系统)长久以来都是车辆架构的一部分. 最左边的两个领域(链接与替代驾驶)是新的领域, 与自动操作所需功能特别相关. 领域式的汽车架构能够提供最佳的自主程度, 同时确保最高程度的安全及保障.
图1 领域式的汽车架构
将模块化功能有助于突显各个子系统的功能安全性与网络安全要求, 并简化机器人算法的开发和部署, 更有利于在各个子系统中扩充功能. 其优势主要为以下两点:
. 更容易优化
领域式汽车架构将相似功能集结并区分, 如此就更容易根据各个领域的共同要求, 设计出正确的安全与保障等级.
例如, 在链接领域中, 汽车要与外部世界通讯, 安全性就非常重要, 因为必须防止与外部的互动遭到篡改.
另一方面, 在传动系统与车辆动力系统领域中, 联机安全性的重要性较低, 因为这个领域的运作不受外部因素影响. 但这领域更重要的是功能安全与可靠性, 因为零组件必须能在极端条件下正常运作才行.
. 扩充更简单
模块化方法能够更轻松地在各个领域进行扩充, 包括基础性能至高阶操作等各个领域. 这表示能更轻易建立一系列功能, 满足各种不同的市场要求. 例如, 在包含信息娱乐功能的车载体验领域, 经济车型可能提供较少选项, 而豪华车型则可提供较多选项. 领域式汽车架构能够在汽车各部分提供扩充能力, 进而更轻松地建立可兼容及重复使用的个别建构模块. 这让开发工作变得更有效率且更具成本效益, 也让制造过程更有弹性且响应速度更快.
另外, 链接领域(Connectivity)也是非常重要的领域, 涵盖了多项操作, 并管理所有连接汽车与外界的无线接口. 链接领域可安全无缝地进行部署, 并收集车辆所有外接接口传送进来的信息. 这些外接接口包含乘客及其装置常用的接口, 如收音机, 手机, Wi-Fi, 蓝牙低功耗(BLE), GPS; 以及与车辆操作更密切相关的新接口, 如车对车(V2V)与车对外界(V2X)通讯. 在理想的设置中, 这些外接接口都应该安装在高度整合的智能天线模块中, 如此就能视需求更轻松地增加或减少接口.
链接领域的重要要求如下:
1.汽车安全完整性等级(ASIL)-B
2.安全性
3.接收稳定性
4.共存多标准传输
各类感测连手实现替代驾驶
替代驾驶领域是让汽车「机器人」接管驾驶工作. 它提供感知(Sense)与思考(Think)功能, 并采用安全措施来确保正确操作. 替代驾驶领域包含汽车最多的「智能」功能, 可以解读各种传感器和摄影机侦测到的环境情况. 「感知」组件包含雷达, 摄影机, 光达(LiDAR), 以及用于定位和检测其他环境信息的零组件. 「思考」组件包含状况评估, 路线规划, 传感器融合, 安全相关算法等等.
目前驾驶自排汽车, 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, 替代驾驶领域在这些操作中, 都能做得比人类更好. 替代驾驶能够更快, 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, 或在执行任务时分心.
在某种程度上, 替代驾驶领域算是汽车的大脑. 而且就像人脑一样, 它能从经验中获取新知识并加以利用. 「教导」自动驾驶汽车的方式之一, 就是使用云端联机.
例如, 当自动驾驶汽车夜晚停放在车库时, 它可以联机至云端并上传白天累积的数据. 这些数据可以与其他车辆的数据相整合, 用于驾驶算法优化. 「睡眠中」的汽车可以下载这些新功能, 待早晨「醒来」时, 就能利用新功能展开全新的一天.
替代驾驶系统的重要要求如下:
1.ASIL-D
2.车用资格认证
3.智能感测
4.成本/外型规格/性能权衡
传动与车辆动力系统领域
传动与车辆动力系统领域负责管理动作与速度, 是让汽车移动的领域. 自动驾驶汽车的动作, 是根据驾驶员或替代驾驶输入的数据而动作, 也可根据个人偏好和环境限制(如路况)等因素进行修改和改善.
动力传动系统是汽车的主干, 自早期车辆设计开始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的一部分, 此领域的传动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. 这部分一般是指引擎, 变速箱, 驱动轴, 车轴和车轮. 传动系统的工作条件非常恶劣, 经常暴露在高温和几近连续的振动下.
在汽车产业中, 动力代表移动时的力量和扭矩. 此领域的车辆动力系统部分支持着子系统, 如悬吊和方向盘系统, 用来确保稳定性与平稳驾驶.
此领域还包含多种不同的汽车传感器技术, 包括以复杂的 MEMS与MR技术为基础的传感器技术.
传动与车辆动力系统领域的重要要求如下:
1.ASIL-D
2.成本/外型规格/性能权衡
3.软件赋予的个性化与升级能力
4.数据融合(数据来自于汽车传感器及驾驶输入的数据)
可依照偏好调整驾驶环境
车身与舒适性领域满足基本功能, 不仅能提供驾驶和乘客支持, 还能根据行为了解他们的偏好. 这领域通常也是管理被动安全机制(安全带)与进出机制(门锁)等功能的地方.
可依照驾驶喜欢的车内环境设定功能, 例如座椅的特定位置, 倒车镜的特定位置, 合适的空调温度, 都可以在您每次使用汽车时自动调整. 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整装置, 并且通常可以将硬件操作转换成软件操作, 便于管理和修改.
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, 提高安全性并符合个人偏好.
外部照明方面, 头灯可以根据天气情况或即将出现的交通状况自动调整. 内部照明方面, 车内可编程区域设计方便乘客睡觉, 阅读或观看影片, 还可设定仪表板, 根据一天的时间或车内人员进行自动调整.
车身与舒适性领域的重要要求:
1.可升级功能
2.低维护需求
3.高能源效率
4.监控和学习能力
让驾驶环境如移动的客厅
车载体验领域可以让汽车满足车上每个人的娱乐, 生产力, 幸福感需求. 该领域基本上可以重现和客厅相同的体验. 它可无缝存取数字内容, 还能让驾驶建立并管理内容. 它也是一个智能学习环境, 能够根据驾驶的偏好进行调整.
这个领域使用的软件必须灵活且容易升级, 确保能透过任何现有的硬件基础架构来存取内容. 同时也需要先进的无障碍人机界面(Human-Machine Interface, HMI), 能够支持语音指令, 手势, 扩增实境, 进阶个人化等功能.
车载体验领域的重要要求:
1.空中下载(Over-The-Air, OTA)更新
2.监控和学习能力
3.软件可升级/可灵活存取内容
4.先进的人机界面
精密车载网络/网关统合各领域
领域式汽车架构透过精密的通讯网络相互连接, 让各个领域利用串联与共享信息进行操作. 车内网络提供链接汽车架构各领域的功能, 确保能以安全可靠的方式用正确的带宽分享数据. 车内网络采用的技术, 许多都与当今最先进的IT装置相同, 包括以太网络联机与安全网关.
车载网络(In-Vehicle Network, IVN)包括各种传统汽车技术, 如CAN, LIN, FlexRay, 以太网络, 可安全连接各个领域. IVN让各个领域分享相关信息, 并与车载网关合作, 确保能正确发送汽车产出的数据.
车载网关(Onboard Gateway)将信息保存在汽车内部, 避免遭到外部存取与外部攻击. 网关用于保护子系统(建构防火墙), 将各个子系统隔开, 以避免意外互动. 如此一来, 重视安全性的系统就能与其他系统的操作隔离, 如信息娱乐系统. 网关还可确保各个领域使用的大量数据, 能够可靠有效率地进行传输.
网关与车载网络的重要要求:
1.ASIL-D
2.安全性
3.接收稳定性
4.低电磁辐射
5.共存多标准传输
领域划分助创新开发
在领域式汽车架构的定义中, 特别强调简单, 再利用, 可扩充性三个基本概念的重要性. 这三个基本概念引导整个开发流程的决策:
. 简单
自动驾驶汽车是极其复杂的系统, 软件和内部联机方面的复杂度也不断增加. 可采取一些方法, 例如简化传感器网络, 改进安全机制, 限制软件过载, 尽可能降低这类复杂性. 进而让设计流程尽可能简单, 直接以节省时间, 加快产品上市时间并大幅降低风险.
. 再利用
我们强烈提倡设计再利用(Design-Reuse)的哲学, 尽量在每个汽车领域使用相同的建构模块, 以便更容易增加或减少功能, 并于新技术出现时改进设计.
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, 以此支持设计再利用的原则. 无论是雷达系统, 煞车用电子控制单元 (Electronic Control Unit, ECU)还是汽车网关, 我们的单芯片微控制器架构, 让您能够从相同的基本微控制器硬件开始, 利用熟悉的工具组, IP库和软件代码完成设计.
. 可扩充性
由于汽车公司每年生产数百万辆汽车, 每种车型等级又有几十种不同型号, 因此要能实时响应需求并维持成本效益是非常沉重的压力. 设计和制造流程必须能够在性能与数量方面快速扩充, 保持弹性灵活则是关键. 这表示我们必须提供容易安装的零组件, 并用同一尺寸提供一系列功能产品. 可扩充性的设计, 传达我们对简单与再利用的决心, 体现我们重视汽车制造商维持市场灵活度的需求.
领域式的汽车架构, 是分解再组合车辆设计相关软硬件组件的合理方式, 也是组织设计团队的一种方式. 恩智浦用领域划分来引导内部结构, 这有助于集中精力, 凝聚专业, 轻松促进激发创新所需要的合作与技术交流.