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智能輔助駕駛和智能駕駛車輛架構

2021-08-31
來源: 小明師兄

  高級駕駛輔助系統(ADAS)提供安全和日益自主的體驗,將重塑我們與交通的關系。自動駕駛領域的技術將很快讓乘客獲得個性化的互聯體驗,因為車輛可以無縫地感知、思考并根據實時路況采取行動。

  由于汽車行業未來三個最重要的問題:自動駕駛、軟件更新和驅動系統電氣化,對汽車系統設計和軟件開發的要求正在增加。

  目前汽車中的電動/電子(E/E)架構在每個控制單元中集成了一個或幾個汽車功能。這既增加了控制單元和分布式軟件功能的數量,也分別增加了連接的復雜性。在這種情況下,E/E架構必須執行越來越多的駕駛輔助功能。對軟件復雜性的估計,假設目前一輛高級汽車中的100多個控制單元包含超過1億行的代碼。

  目前,單一或密切相關的功能都是在一個單獨的控制單元上實現的。適合汽車應用的更高性能的片上系統(SoC)(如瑞薩的R-Car H3、恩智浦BlueBox或英偉達DRIVE PX)的出現,以及減輕重量的必要性(例如,通過減少控制單元或電纜),導致人們希望在一個域控制器(例如,負責車身、底盤或發動機)上整合多種功能,甚至減少為中央計算機。

  這種模式的轉變極大地改變了車輛的E/E架構。它涉及到引入面向服務的通信和動態操作系統,而這些系統又必須滿足實時、功能安全和安全方面的要求。此外,使用動態控制單元可以增加車輛啟動時沒有的功能。

  未來可能的E/E架構。其核心是一個或幾個中央計算機,通過車輛內部的以太網主干進行通信。車輛的關鍵因素是網關。它將用戶界面領域(信息娛樂系統/智能手機連接)與驅動領域(驅動系統、剎車、電池管理)分開,并使用所謂的智能天線將車輛與OEM的后端系統連接。智能天線和網關的主要任務是實現不同的安全層,如防火墻和入侵檢測。此外,該架構將使用控制單元之間的安全車載通信機制。

  與后端系統的連接實現了許多新功能。例如,可以向車輛提供環境數據,如路況、免費停車位或汽車制造商的最新報價。這些在線服務和啟用功能的選項(例如,駕駛輔助系統)使汽車制造商有機會在汽車銷售時間之外,即甚至在汽車使用時產生收入。與汽車的永久在線連接使OEM能夠收集用戶數據,從而獲得更多關于所使用部件的可靠性和磨損的信息。硬件和軟件的錯誤源以及相關的環境數據可以通過診斷接口檢測出來,軟件可以在制造商處得到改進,并且可以及時下載更新到汽車上--類似于用戶多年來已經習慣的智能手機應用程序更新。

  對于具有更復雜的多核處理器和不同的外部交互器(軟件更新、用戶輸入)的時間要求不太高的系統,動態操作系統有其優勢。最重要的應用場景是:

  -支持運行時的重新配置

  -面向服務的服務和通信

  -部分軟件更新

  -通過使用POSIX接口而不是靜態生成的接口來簡化軟件開發

  -基于XML的接口描述

  在這種情況下,AUTOSAR聯盟推出了自適應AUTOSAR。它包括一個POSIX操作系統,直接在多核處理器上運行,如果要并行集成多個操作系統,則在管理程序環境下運行。不同OEM和供應商的適應性AUTOSAR工作組定義了用于汽車應用的特殊服務,如診斷服務、安全服務和SOME/IP。服務和軟件組件(功能)通過共享服務代理進行通信。使用的中間件協議被稱為ARA,并受到通用API的啟發。

  大多數控制單元通過以太網與傳感器和執行器通信。時間敏感網絡(TSN)是音頻視頻橋接(AVB)協議的擴展,用于實現安全關鍵的可靠通信。TSN標準是專門為安全和實時關鍵系統開發的,如高級駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛。此外,以太網被用來將信息娛樂系統連接到互聯網和汽車制造商的后端系統。

  FlexRay是這種技術變化的失敗者。現場總線系統現在只被少數OEM廠商應用,應該很快被取代。CAN和具有靈活數據速率的CAN(CAN FD)仍將被用來連接傳感器和執行器或較小的輸入/輸出(IO)控制單元。

  IO設備和中央計算機通過寶馬集團在2011年指定的面向服務的接口進行通信--可擴展的面向服務的IP中間件,縮寫為SOME/IP。它是基于以太網和TCP/IP協議系列的。最重要的一點是,SOME/IP自動將定義的應用接口映射到數據包上。SOME/IP的優點是,它甚至可以被集成到小型設備中,并能快速啟動整個系統。

  除了上面介紹的基礎設施問題(主要由AUTOSAR聯盟規定并在伊萊比特的AUTOSAR產品線EB tresos中實施),對功能塊之間定義接口的功能架構的需求也越來越明顯。通用標準化接口的好處是,某些模塊可以交換,并可以選擇購買或作為產品提供。

  下圖說明了Elektrobit公司的 “開放Robinos ”項目的架構。左側顯示了用于車輛定位和物體融合的組件,該組件將各種傳感器探測到的物體結合起來,形成一個整體畫面。然后根據當前的駕駛情況確定軌跡規劃、加速度和轉向角。

  該項目的目標是開發一個開放的參考架構,定義軟件組件、接口和控制機制。這種方法對市場來說是新的;然而,它的目的是要集成到不同的ADAS平臺。在這種情況下,該平臺是不同硬件產品的一部分,具有不同的操作系統,如自適應AUTOSAR、QNX或市場上的類Unix操作系統。

  車輛移動的基礎設施是自動駕駛汽車的一個主要技術挑戰。目前,車輛配備了盡可能多的傳感器,以便它們能在無盡的不同交通狀況中自主地找到自己的道路。與在外部控制的保護區內移動的火車和飛機相比,這種方法既昂貴又復雜。例如,高度和路線是由空中交通管制服務指導的,火車在進入不開放的區域時會自動停止。

  然而,人們不可能在所有的道路周圍設置柵欄,禁止騎自行車的人通行。但是,道路基礎設施的改造,例如在入口/出口坡道上告訴汽車,它是在高速公路上,而不是在位于幾米外的平行鄉村道路上,將簡化位置檢測問題。另一個例子是一個停車場結構,它可以遠程控制車輛并引導它到一個可用的停車位。這個概念比那些尋找空閑停車位的車輛在停車結構中自主漫游要簡單得多。

  這些用例的先決條件是快速的、全國性的移動數據網絡(5G)鋪設,用于與后端和基礎設施的數據交換,以及選擇及時調整道路基礎設施以適應自動駕駛。

  如何在這些高度復雜的整體系統中滿足功能安全和--特別是關于日益增長的車輛連接--信息安全的要求?為了滿足汽車軟件開發的高質量標準,汽車SPICE流程模型在整個行業中得到了很好的確立。它構成了安全和保障的基礎。

  ISO 26262標準定義了功能安全方面如何在過程層面和方法層面上實現系統開發。對于軟件架構,功能安全是一個關鍵因素。基本的完整性機制,如監測系統的完整性、分區、時間和過程監測或安全通信,都是可用的,并且已經在系列項目中使用。

  安全機制在汽車開發中已經有相當長的時間了。諸如防盜器、安全電子鑰匙或安全存儲里程表等系統通常已經成為標準功能。然而,由于車輛的連接性越來越強,該行業正面臨新的挑戰。根據信息技術的基本規則,“凡是連接的東西都會被攻擊”,安全和隱私的系統方面在汽車行業的意義也越來越大。

  對使用遠程訪問或互聯網的系統的首次成功攻擊已經被公開,并引起了廣泛的反應。作為回應,國際汽車工程師學會在2016年初出版了一本安全系統開發手冊(SAE J3061,“網絡物理系統的網絡安全指南”)。它描述了流程和方法,在生命周期方面遵循ISO 26262。該文件不是一個標準。然而,它總結了基本的工作,如研究計劃或現有的標準和出版物。因此,它是一個有價值的貢獻,可以作為引入安全流程和方法的一個切入點。

  對自動駕駛的架構的要求已明顯變得更加復雜。然而,通過結合標準架構、功能安全、安全、多核系統和可用性等方面,有可能設計出可靠的系統,并根據用例理想地評估和結合各個系統方面。

  所有參與汽車供應鏈的人都需要發展一種核心能力:系統工程,因此需要對物理學、電子學和軟件的跨學科理解。

  在未來,(軟件)開發人員必須對系統有更好的理解,以便在適當的工具中用鏈接代碼生成器對系統行為進行建模。經典的軟件開發側重于開發工具、代碼生成器以及作為可重復使用產品購買的標準功能。整合軟件仍然需要理解、分析和修復從深度嵌入到面向服務的行為等各個層面的錯誤的專家。

  在未來幾年里,新的汽車制造商和供應商將出現在汽車市場上。特別是IT公司多年來一直在其他領域使用這些技術,并遵循將汽車作為車輪上的智能手機運行的愿景。這樣做的原因是,自動駕駛給了車內人員相當多的時間。例如,這些時間可以用來使用社交網絡,進行網上購物,或工作。將 “駕駛時間 ”轉換為 “互聯網使用時間”,可以產生全新的商業模式。

  原始設備制造商的商業案例,也將越來越多地不僅取決于銷售,而且取決于車輛的運行。正在討論的想法包括新的租賃和出租概念,其主題不再是作為產品的汽車,而是作為服務的流動性。在未來,送你上班的自動運輸艙的租賃價格可能會因一天中的不同時間而不同。

  賽靈思是FPGA、可編程SoC以及現在的ACAP的發明者。我們高度靈活的可編程芯片,在一套先進的軟件和工具的支持下,推動了各行各業和技術的快速創新--從消費者到汽車到云計算。賽靈思提供業內最具活力的處理技術,通過其適應性強的智能計算實現快速創新。

  高度自動化和完全自主駕駛是移動性的未來。所有利益相關者--從原始設備制造商和一級供應商,到機器人出租車開發商和用戶--都期望自動駕駛汽車具有最高水平的安全性和可靠性,無論是測試車隊還是生產車輛。賽靈思汽車(XA)平臺在為高度先進的AD模塊提供動力方面發揮著關鍵作用,這些模塊對更高的性能和容量的需求越來越大,以實現高速數據聚合、預處理和分發(DAPD)以及計算加速。

  為了解決每個級別的自動駕駛所需的功能,OEM和一級供應商需要一個可擴展和可靠的架構來設計他們的AD系統。AD系統的一個關鍵組成部分是一個域控制器,它可以整合和處理ADAS和AD功能所需的大量傳感器數據。

  高度自動化和完全自主駕駛是移動性的未來。所有利益相關者--從原始設備制造商和一級供應商,到機器人出租車開發商和用戶--都期望自動駕駛汽車具有最高水平的安全性和可靠性,無論是測試車隊還是生產車輛。賽靈思汽車(XA)平臺在為高度先進的AD模塊提供動力方面發揮著關鍵作用,這些模塊對更高的性能和容量的需求越來越大,以實現高速數據聚合、預處理和分發(DAPD)以及計算加速。

  Zynq? UltraScale+? MPSoC和Versal? AI Edge等自適應SoC的功能跨越了ADAS/AD域控制器市場的整個連續性,以解決未來關鍵功能的集成。自適應XA SoC平臺可以優化處理越來越多的復雜安全關鍵型應用,并滿足OEM和一級供應商對跨傳感器和域控制器的計算延遲、性能、電源效率和功能安全的需求。

  包括機器人軸和機器人卡車在內的完全自主的車輛需要極其可靠、高性能、高功率、自適應的計算。自適應XA SoC提供了硬件加速器與應用軟件緊密結合的最佳平衡,用于集成傳感器數據聚合、計算加速和標量處理。

  域控制器內的數據聚合、預處理和分發(DAPD)角色需要一組異構的處理引擎來處理傳入的傳感器數據--這個角色可以由自適應XA Zynq UltraScale+ MPSoC和Versal? AI Edge平臺來完成。在DAPD中,自適應XA SoC準備處理傳入的傳感器數據,然后分配給域控制器內的其他元素。

  在域控制器的計算加速作用中,OEM和Robotaxi開發者的一個關鍵重點是高功率、高利用率的ML推理。無論是傳統的CV加速、CNN處理,還是ML加速--這些都需要有效地利用TOPs來處理傳感器數據。自適應的XA SoC平臺--特別是Versal AI Edge--提供最高的AI性能/瓦特,提供最佳的計算性能。




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