概述

　　隨著自動駕駛汽車時代的來臨,我們發(fā)現恩智浦正處于許多相關標準、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于五大域的系統(tǒng)架構方案，還將說明這一全新架構如何幫助汽車制造商掌控自動駕駛的復雜性。

　　目錄

　　1 為什么要問我們?

　　2 基于五大域的汽車架構

　　3 深入了解基于域的汽車架構

　　4 架構粘合劑：網關和車載網絡架構5 基于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

　　為什么要問我們?

　　恩智浦在汽車半導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(yè)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于半導體技術。 隨著電子化趨勢持續(xù)發(fā)展，半導體公司將在車輛設計中發(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(tǒng)上與汽車關聯不大的領域，如處理、信息安全和移動等，凝聚了幾十年的專業(yè)經驗、擁有眾多創(chuàng)新成果，具有領先優(yōu)勢。簡單地說，在提供系統(tǒng)級設計的技術范圍和豐富經驗方面，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(tǒng)設計方案：即基于五大域的汽車架構。

　　基于五大域的汽車架構

　　基于域的汽車架構源自我們汽車創(chuàng)新團隊的辛勤努力以及我們多年來與產業(yè)相關方的合作成果。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功能進行了組織和歸類，同時對系統(tǒng)復雜性及可擴展性進行有效管控和支持。

　　圖1：基于域的汽車架構

　　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(tǒng)以及傳動與動力系統(tǒng)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，基于域的汽車架構能夠出色地支持自動駕駛技術，同時確保最高程度的功能安全和信息安全。

　　實現模塊化的優(yōu)勢

　　將功能劃分為單獨的域優(yōu)勢眾多。這有助于強調各個子系統(tǒng)的功能安全性和網絡安全需求，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。

　　基于域的汽車架構將相似功能組合到一起并加以區(qū)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信息安全目標等級。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，這時信息安全至關重要。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，含有信息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?；谟虻钠嚰軜嬙谄嚨母鱾€部分支持這種可擴展性，從而更輕松地創(chuàng)建可兼容和可重復使用的獨立模組。這讓開發(fā)工作更加高效和經濟，并且讓制造過程更加靈活、響應速度更快。

　　深入了解基于域的汽車架構

　　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)生特定風險的可能性及其嚴重程度。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標準26262的一部分，等級范圍為A至D，A表示發(fā)生嚴重危害的風險最低，D表示風險最高。

　　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。包括乘客及其設備的常用接口，如收音機、移動電話、Wi-Fi、低能耗藍牙(BLE)和GPS接口，以及與車輛操作聯系更密切的更新的接口，如車對車的車輛通信(V2V)和車對外界車聯網(V2X)通信。在理想的設置中，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

　　- 多標準傳輸共存

　　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，并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，可以解析各種傳感器和攝像頭檢測到的環(huán)境情況。“感知”組件包含雷達、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、安全相關的算法等。

• 　　? 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剎車兩塊踏板。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(xù)地做出反應，不受人類情緒的影響，并且始終處于預警狀態(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。并且，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云連接。例如，當自動駕駛汽車夜晚停放在車庫中時，它可以連接至云并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(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品輸入的信息而移動，可以根據個人偏好和環(huán)境限制(如路況)等因素進行修改和優(yōu)化。

• 　　? 汽車的心臟——

　　動力系統(tǒng)是汽車的主干，自車輛設計之初就已經是汽車的一部分。無論是作為傳統(tǒng)內燃機、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(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，包括那些基于復雜MEMS和MR技術的傳感器技術。

• 　　? 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/性能權衡

　　- 軟件支持個性化且可升級

　　- 數據融合(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。

• 　　? 自適應環(huán)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(tǒng)汽車電子設備，如車窗控制和座椅調節(jié)裝置。通?？梢詫⑦@些硬件操作轉換成軟件操作，以便于管理和修改。

• 　　? 外部和內部照明——

　　傳感器、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，提高安全性并滿足個人偏好。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(jié)。針對內部照明，車內設計了可編程區(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(tǒng)的首要需求

　　- 可升級功能

　　- 少維護

　　- 高能效

　　- 監(jiān)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復制與您居住環(huán)境相同的體驗。它可無縫訪問，并讓您能夠創(chuàng)建和管理您的數字化內容。而且這種智能學習環(huán)境可以根據您的偏好進行調整。這個域中應使用靈活且便于升級的軟件，確?？赏ㄟ^任何現有硬件基礎架構來訪問。與此同時，還需要實現先進的無障礙人機界面(HMI)，能夠支持語音命令、手勢、增強現實，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)控和學習能力

　　- 支持內容訪問的軟件可升級性/靈活性

　　- 高級人機界面

　　架構粘合劑：網關和車載網絡

　　基于域的汽車架構可以通過一個復雜的通信網絡相互連接，讓各個域利用串聯和共享信息進行操作。作為在架構中集合各個域的粘合劑，內部網絡可確保數據在適當的帶寬中以安全可靠的方式進行分享。內部網絡采用當今最先進的IT領域中的許多相同技術，包括以太網連接和安全網關。

• 　　? 內部連接——

　　車載網絡(IVN)，包括各種傳統(tǒng)汽車技術，如CAN、LIN和FlexRay以及以太網，可安全無憂地連接各個域。IVN讓各個域可以分享相關信息，協同車載網關來確保汽車數據的正確分發(fā)。

• 　　? 車載網關——

　　車載網關會將信息保存在汽車內，保護其免遭外部訪問和外部攻擊。網關用于保護子系統(tǒng)(構建防火墻)，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。

• 　　? 網關和車載網絡的首要需求

　　- ASIL D級

　　- 信息安全性

　　- 接收穩(wěn)定性

　　- 低電磁輻射

　　- 多標準傳輸共存

　　基于域的汽車架構的基本概念

　　作為我們基于域的汽車架構定義的一部分，我們著重強調指導整個開發(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雜的系統(tǒng)，軟件和內部連接方面的復雜性也在不斷增加。我們通過簡化傳感器網絡、改進安全機制以及限制軟件開銷，力求盡可能降低這種復雜性。我們盡可能簡化和精簡設計流程，從而讓每個人都能節(jié)約時間、加快產品上市速度，以及最大程度降低風險。

• 　　? 可重復使用——

　　我們強烈建議采用可重用設計原理。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采用相同的架構和軟件平臺，支持設計再利用。無論您所開發(fā)的是雷達系統(tǒng)、制動電子控制單元(ECU)還是汽車網關，如果使用我們的單芯片微控制器架構，那就意味著您可以使用相同的基本微控制器硬件，并利用相似工具集、外設IP驅動庫和軟件代碼完成設計。

• 　　? 可擴展性——

　　由于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。設計和制造流程需要能夠實現性能和容量的快速擴展，并且靈活性是關鍵所在。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。我們的擴展性設計體現在簡便性和可復用原則，關注汽車制造商的需求，助其保持敏捷性。

　　不僅僅是一種架構——還是一種組織方法

　　基于域的汽車架構不僅是打破常規(guī)，將與車輛設計相關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)新所需的協作以及技術跨界合作。

　　實現新的突破

　　想更深入了解我們如何為未來的自動駕駛汽車做好準備，

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