現今從組裝線完成出品的車輛更像是帶車輪的機器人, 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領域發揮重要作用. 因此, 恩智浦定義了一套清楚精簡的系統設計方法, 就是「領域式的汽車架構」(Domain-based Car Architecture).
領域式的汽車(Domain-based Car Architecture)整合了諸多功能, 讓汽車能夠感知(Sense), 思考(Think), 並代替我們採取行動(Action), 同時幫助管理複雜事務並支援擴充功能.
模組化整合多功能實現自駕
圖1顯示我們的自動駕駛汽車構成的主要架構領域. 最右邊的三個領域(車載體驗, 車身與舒適性, 傳動系統與車輛動力系統)長久以來都是車輛架構的一部分. 最左邊的兩個領域(連結與替代駕駛)是新的領域, 與自動操作所需功能特別相關. 領域式的汽車架構能夠提供最佳的自主程度, 同時確保最高程度的安全及保障.
圖1 領域式的汽車架構
將模組化功能有助於突顯各個子系統的功能安全性與網路安全要求, 並簡化機器人演算法的開發和部署, 更有利於在各個子系統中擴充功能. 其優勢主要為以下兩點:
. 更容易優化
領域式汽車架構將相似功能集結並區分, 如此就更容易根據各個領域的共同要求, 設計出正確的安全與保障等級.
例如, 在連結領域中, 汽車要與外部世界通訊, 安全性就非常重要, 因為必須防止與外部的互動遭到篡改.
另一方面, 在傳動系統與車輛動力系統領域中, 聯機安全性的重要性較低, 因為這個領域的運作不受外部因素影響. 但這領域更重要的是功能安全與可靠性, 因為零組件必須能在極端條件下正常運作才行.
. 擴充更簡單
模組化方法能夠更輕鬆地在各個領域進行擴充, 包括基礎性能至高階操作等各個領域. 這表示能更輕易建立一系列功能, 滿足各種不同的市場要求. 例如, 在包含資訊娛樂功能的車載體驗領域, 經濟車型可能提供較少選項, 而豪華車型則可提供較多選項. 領域式汽車架構能夠在汽車各部分提供擴充能力, 進而更輕鬆地建立可相容及重複使用的個別建構模組. 這讓開發工作變得更有效率且更具成本效益, 也讓製造過程更有彈性且響應速度更快.
另外, 連結領域(Connectivity)也是非常重要的領域, 涵蓋了多項操作, 並管理所有連接汽車與外界的無線介面. 連結領域可安全無縫地進行部署, 並收集車輛所有外接介面傳送進來的資訊. 這些外接介面包含乘客及其裝置常用的介面, 如收音機, 手機, Wi-Fi, 藍芽低功耗(BLE), GPS; 以及與車輛操作更密切相關的新介面, 如車對車(V2V)與車對外界(V2X)通訊. 在理想的設置中, 這些外接介面都應該安裝在高度整合的智能天線模組中, 如此就能視需求更輕鬆地增加或減少介面.
連結領域的重要要求如下:
1.汽車安全完整性等級(ASIL)-B
2.安全性
3.接收穩定性
4.共存多標準傳輸
各類感測連手實現替代駕駛
替代駕駛領域是讓汽車「機器人」接管駕駛工作. 它提供感知(Sense)與思考(Think)功能, 並採用安全措施來確保正確操作. 替代駕駛領域包含汽車最多的「智能」功能, 可以解讀各種感測器和攝影機偵測到的環境情況. 「感知」組件包含雷達, 攝影機, 光達(LiDAR), 以及用於定位和檢測其他環境資訊的零組件. 「思考」組件包含狀況評估, 路線規劃, 感測器融合, 安全相關演算法等等.
目前駕駛自排汽車, 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, 替代駕駛領域在這些操作中, 都能做得比人類更好. 替代駕駛能夠更快, 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, 或在執行任務時分心.
在某種程度上, 替代駕駛領域算是汽車的大腦. 而且就像人腦一樣, 它能從經驗中獲取新知識並加以利用. 「教導」自動駕駛汽車的方式之一, 就是使用雲端聯機.
例如, 當自動駕駛汽車夜晚停放在車庫時, 它可以聯機至雲端並上傳白天累積的數據. 這些數據可以與其他車輛的數據相整合, 用於駕駛演算法優化. 「睡眠中」的汽車可以下載這些新功能, 待早晨「醒來」時, 就能利用新功能展開全新的一天.
替代駕駛系統的重要要求如下:
1.ASIL-D
2.車用資格認證
3.智能感測
4.成本/外型規格/性能權衡
傳動與車輛動力系統領域
傳動與車輛動力系統領域負責管理動作與速度, 是讓汽車移動的領域. 自動駕駛汽車的動作, 是根據駕駛員或替代駕駛輸入的數據而動作, 也可根據個人偏好和環境限制(如路況)等因素進行修改和改善.
動力傳動系統是汽車的主幹, 自早期車輛設計開始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的一部分, 此領域的傳動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. 這部分一般是指引擎, 變速箱, 驅動軸, 車軸和車輪. 傳動系統的工作條件非常惡劣, 經常暴露在高溫和幾近連續的振動下.
在汽車產業中, 動力代表移動時的力量和扭矩. 此領域的車輛動力系統部分支援著子系統, 如懸吊和方向盤系統, 用來確保穩定性與平穩駕駛.
此領域還包含多種不同的汽車感測器技術, 包括以複雜的 MEMS與MR技術為基礎的感測器技術.
傳動與車輛動力系統領域的重要要求如下:
1.ASIL-D
2.成本/外型規格/性能權衡
3.軟體賦予的個性化與升級能力
4.數據融合(數據來自於汽車感測器及駕駛輸入的數據)
可依照偏好調整駕駛環境
車身與舒適性領域滿足基本功能, 不僅能提供駕駛和乘客支援, 還能根據行為了解他們的偏好. 這領域通常也是管理被動安全機制(安全帶)與進出機制(門鎖)等功能的地方.
可依照駕駛喜歡的車內環境設定功能, 例如座椅的特定位置, 倒車鏡的特定位置, 合適的空調溫度, 都可以在您每次使用汽車時自動調整. 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整裝置, 並且通常可以將硬體操作轉換成軟體操作, 便於管理和修改.
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, 提高安全性並符合個人偏好.
外部照明方面, 頭燈可以根據天氣情況或即將出現的交通狀況自動調整. 內部照明方面, 車內可編程區域設計方便乘客睡覺, 閱讀或觀看影片, 還可設定儀錶板, 根據一天的時間或車內人員進行自動調整.
車身與舒適性領域的重要要求:
1.可升級功能
2.低維護需求
3.高能源效率
4.監控和學習能力
讓駕駛環境如移動的客廳
車載體驗領域可以讓汽車滿足車上每個人的娛樂, 生產力, 幸福感需求. 該領域基本上可以重現和客廳相同的體驗. 它可無縫存取數字內容, 還能讓駕駛建立並管理內容. 它也是一個智能學習環境, 能夠根據駕駛的偏好進行調整.
這個領域使用的軟體必須靈活且容易升級, 確保能透過任何現有的硬體基礎架構來存取內容. 同時也需要先進的無障礙人機界面(Human-Machine Interface, HMI), 能夠支援語音指令, 手勢, 擴增實境, 進階個人化等功能.
車載體驗領域的重要要求:
1.空中下載(Over-The-Air, OTA)更新
2.監控和學習能力
3.軟體可升級/可靈活存取內容
4.先進的人機界面
精密車載網路/網關統合各領域
領域式汽車架構透過精密的通訊網路相互連接, 讓各個領域利用串聯與共用資訊進行操作. 車內網路提供連結汽車架構各領域的功能, 確保能以安全可靠的方式用正確的頻寬分享數據. 車內網路採用的技術, 許多都與當今最先進的IT裝置相同, 包括乙太網絡聯機與安全網關.
車載網路(In-Vehicle Network, IVN)包括各種傳統汽車技術, 如CAN, LIN, FlexRay, 乙太網絡, 可安全連接各個領域. IVN讓各個領域分享相關資訊, 並與車載網關合作, 確保能正確發送汽車產出的數據.
車載網關(Onboard Gateway)將資訊保存在汽車內部, 避免遭到外部存取與外部攻擊. 網關用於保護子系統(建構防火牆), 將各個子系統隔開, 以避免意外互動. 如此一來, 重視安全性的系統就能與其他系統的操作隔離, 如資訊娛樂系統. 網關還可確保各個領域使用的大量數據, 能夠可靠有效率地進行傳輸.
網關與車載網路的重要要求:
1.ASIL-D
2.安全性
3.接收穩定性
4.低電磁輻射
5.共存多標準傳輸
領域劃分助創新開發
在領域式汽車架構的定義中, 特彆強調簡單, 再利用, 可擴充性三個基本概念的重要性. 這三個基本概念引導整個開發流程的決策:
. 簡單
自動駕駛汽車是極其複雜的系統, 軟體和內部聯機方面的複雜度也不斷增加. 可採取一些方法, 例如簡化感測器網路, 改進安全機制, 限制軟體過載, 儘可能降低這類複雜性. 進而讓設計流程儘可能簡單, 直接以節省時間, 加快產品上市時間並大幅降低風險.
. 再利用
我們強烈提倡設計再利用(Design-Reuse)的哲學, 盡量在每個汽車領域使用相同的建構模組, 以便更容易增加或減少功能, 並於新技術出現時改進設計.
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, 以此支援設計再利用的原則. 無論是雷達系統, 煞車用電子控制單元 (Electronic Control Unit, ECU)還是汽車網關, 我們的單晶片微控制器架構, 讓您能夠從相同的基本微控制器硬體開始, 利用熟悉的工具組, IP庫和軟體代碼完成設計.
. 可擴充性
由於汽車公司每年生產數百萬輛汽車, 每種車型等級又有幾十種不同型號, 因此要能即時響應需求並維持成本效益是非常沉重的壓力. 設計和製造流程必須能夠在性能與數量方面快速擴充, 保持彈性靈活則是關鍵. 這表示我們必須提供容易安裝的零組件, 並用同一尺寸提供一系列功能產品. 可擴充性的設計, 傳達我們對簡單與再利用的決心, 體現我們重視汽車製造商維持市場靈活度的需求.
領域式的汽車架構, 是分解再組合車輛設計相關軟硬體組件的合理方式, 也是組織設計團隊的一種方式. 恩智浦用領域劃分來引導內部結構, 這有助於集中精力, 凝聚專業, 輕鬆促進激發創新所需要的合作與技術交流.