自動駕駛汽車電子電氣架構(gòu)技術(shù)開發(fā)

李 春，聶石啟，司炎鑫，劉明春

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026）

隨著人工智能、計(jì)算機(jī)、5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新一代技術(shù)與汽車產(chǎn)業(yè)的深度融合，自動駕駛汽車的重要性日益凸顯，正逐漸成為全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，世界各國正在加速布局［1］。當(dāng)前，智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化和共享化是汽車技術(shù)演進(jìn)的重要特征和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，是解決交通安全、道路擁堵、能源消耗等問題的重要手段，是自動駕駛汽車發(fā)展的核心基礎(chǔ)技術(shù)［2］。自動駕駛汽車在對感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、高精度組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)深入探討研究的同時(shí)，伴隨著新一代高性能計(jì)算單元、各類型感知部件等硬件設(shè)備布置在車輛上，以及裝載運(yùn)行自動駕駛操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件、功能軟件和向上支撐的應(yīng)用軟件。為應(yīng)對日趨復(fù)雜的汽車電子電氣系統(tǒng)，對自動駕駛汽車的電子電氣架構(gòu)研究是非常必要的，亦是非常重要的。自動駕駛汽車電子電氣架構(gòu)的技術(shù)研究不僅促進(jìn)自動駕駛系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，也可以延長汽車的產(chǎn)業(yè)鏈和拓展汽車產(chǎn)業(yè)的涉及面［3］。

1 EEA概述

1.1 EEA綜述

電子電氣架構(gòu)（Electrical and Electronic Architecture，簡稱EEA）概念最早來源于IT行業(yè)，是由美國DELPHI公司首先提出的，主體思路是按整車各功能域類型劃分并集成多個(gè)功能ECU進(jìn)行控制。隨著汽車技術(shù)和行業(yè)的發(fā)展，EEA概念已基本清晰，但鑒于“架構(gòu)”一詞外延較廣，也屬于一種抽象化概念，致使各OEM電子電氣架構(gòu)工程師不像整車電氣設(shè)計(jì)工程師、電氣部件研發(fā)工程師和電氣測試工程師等工作邊界那么清晰。在電氣與電子工程師協(xié)會制定的IEEE Std1471-2000《Recommended Practice for Architectural Description of Software-Intensive Systems》標(biāo)準(zhǔn)中第3.5條款定義了Architecture（架構(gòu)）一詞：The fundamental organization of a system embodied in its components，their relationships to each other，and to the environment，and the principles guiding its design and evolution。從標(biāo)準(zhǔn)定義“架構(gòu)”分析，架構(gòu)是一種抽象化的概念描述，用來描述物理功能和信息功能之間的關(guān)聯(lián)以及形式元素之間的分配?？傮w來說，架構(gòu)是系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)，是一種關(guān)系的體現(xiàn)，是一種分配原則。

1.2 汽車EEA定義

結(jié)合汽車屬性和汽車電氣系統(tǒng)的功能及性能法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，汽車EEA可以定義為：汽車上電氣部件之間的相互關(guān)系，以及包括汽車各電氣硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)測試和各功能/性能實(shí)現(xiàn)等所有電氣部件和電氣系統(tǒng)所共同承載邏輯功能之間的關(guān)系，以及未來研發(fā)設(shè)計(jì)、維護(hù)保養(yǎng)和監(jiān)測電氣系統(tǒng)所規(guī)定的諸項(xiàng)原則［4］。

汽車EEA工程師職責(zé)主要是在整車功能需求、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求等特定約束條件下，對功能、性能、工藝、裝配、服務(wù)甚至成本等各方面進(jìn)行分析研究，輸出最優(yōu)化的整車電氣系統(tǒng)模型和電氣總布置規(guī)劃書。汽車EEA的開發(fā)包括需求定義、邏輯功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件/服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、線束設(shè)計(jì)等不同層面的開發(fā)活動。汽車EEA設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是：對汽車上的電子電氣元器件排布合理、控制策略有效實(shí)施和信息交互通暢，以達(dá)到整車設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)、性能最優(yōu)、總體成本控制最低。

1.3 EEA法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

針對汽車EEA設(shè)計(jì)和要求標(biāo)準(zhǔn)，目前在國際上還沒有專門針對汽車電子電氣架構(gòu)的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。但隨著ISO 26262《Road Vehicles-Functional Safety》 和GB/T 34590《道路車輛 功能安全》標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，可作為汽車EEA設(shè)計(jì)與優(yōu)化參考依據(jù)。

2 自動駕駛汽車EEA

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化和電子化等技術(shù)的演進(jìn)，傳統(tǒng)汽車EEA已不能滿足汽車技術(shù)發(fā)展需要，全新一代自動駕駛汽車EEA對整車的安全性、可靠性和擴(kuò)展性至關(guān)重要。以蘇州金龍MiniBus“深藍(lán)”自動駕駛車型為例探討新一代自動駕駛汽車EEA，如圖1所示。

2.1 “深藍(lán)”自動駕駛系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

“深藍(lán)”自動駕駛系統(tǒng)框架劃分為環(huán)境感知、決策規(guī)劃、運(yùn)動控制、定位導(dǎo)航、整車通信和車聯(lián)網(wǎng)等6個(gè)模塊，采用高算力、高性能的車規(guī)級域控制器作為自動駕駛系統(tǒng)的車載智能計(jì)算平臺，自動駕駛系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 蘇州金龍MiniBus“深藍(lán)”自動駕駛車型

圖2 “深藍(lán)”自動駕駛系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

環(huán)境感知模塊主要為自動駕駛系統(tǒng)提供周圍障礙物的位置信息，以及與周圍車輛、道路設(shè)置或行人等障礙物的相對距離、相對速度和相對加速度等信息，進(jìn)而為控制決策提供信息依據(jù)，主要包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和攝像頭等感知設(shè)備，并綜合各傳感器的工作原理、檢測范圍、工作條件及性能特點(diǎn)等對感知融合技術(shù)開發(fā)。

決策規(guī)劃模塊作為衡量和評價(jià)自動駕駛能力的最核心的指標(biāo)之一［5］，其主要任務(wù)是接收環(huán)境感知模塊發(fā)出的當(dāng)前感知信息并對環(huán)境做出分析，然后對運(yùn)動控制模塊下達(dá)指令。較典型的決策規(guī)劃模塊可分為全局路徑規(guī)劃、行為決策層和運(yùn)動規(guī)劃3層，涉及到如Dijkstra算法［6］、Filed D*算法［7］、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［8］等自動駕駛的核心算法。

運(yùn)動控制模塊是在保證車輛操縱安全性和穩(wěn)定性的前提下，使車輛精確跟蹤期望道路，還需具備良好的動力性、平順性和乘坐舒適性。運(yùn)動控制模塊分為縱向控制和橫向控制，縱向控制是通過油門、制動的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)對車輛的車速和加速度精確控制，橫向控制是通過轉(zhuǎn)向的控制實(shí)現(xiàn)對車輛的路徑控制。運(yùn)動控制算法較多，目前應(yīng)用較多的有PID控制算法、MPC控制算法、LQR控制算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等，也可結(jié)合模糊邏輯和滑?？刂评碚摼C合設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)［9］。

車聯(lián)網(wǎng)模塊通過OBU和RSU實(shí)現(xiàn)C-V2X無線通信，結(jié)合部署MEC和建設(shè)云平臺，利用PC5模式和Uu模式將“人-車-路-云”等交通參與要素有機(jī)地聯(lián)系在一起，彌補(bǔ)單車智能在技術(shù)上的不足，實(shí)現(xiàn)更豐富的自動駕駛運(yùn)行場景。

定位導(dǎo)航模塊對自動駕駛系統(tǒng)非常重要，定位是為了確定自動駕駛車輛所在位置的相對或絕對坐標(biāo)，導(dǎo)航是為自動駕駛車輛指示方向和路徑信息，“導(dǎo)航需要定位，定位為了導(dǎo)航”。GNSS或其差分補(bǔ)償RTK是最基本的定位方法，但單一技術(shù)難以滿足現(xiàn)實(shí)復(fù)雜環(huán)境中自動駕駛車輛高精度定位穩(wěn)定性的需求，采用慣性導(dǎo)航、高精度地圖、傳感器定位等多種技術(shù)融合來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位［10］。

自動駕駛系統(tǒng)仿真可以對自動駕駛部件、系統(tǒng)以及整車進(jìn)行不同層級的全鏈條測試評價(jià)，是實(shí)車測試的前提條件。通過仿真可以實(shí)現(xiàn)更多、更復(fù)雜的自動駕駛場景測試，也可以提前發(fā)現(xiàn)軟件存在的BUG，并可以依據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高實(shí)車測試的安全性，節(jié)省測試時(shí)間和成本。

2.2 “深藍(lán)”自動駕駛汽車EEA

按照車載控制器集中化技術(shù)路線，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)思想和車載域控制器演進(jìn)發(fā)展趨勢開發(fā)“深藍(lán)”自動駕駛汽車EEA，該EEA采用底盤域控制平臺、車身控制平臺、車載智能計(jì)算平臺和車聯(lián)網(wǎng)控制平臺“Ⅳ平臺”方案。車載智能計(jì)算平臺通過傳輸速率為500kbit/s的高速CAN總線、傳輸速率為2Mbit/s的CAN FD總線和符合IEEE 802.3z標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)分別與車身控制平臺、底盤域控制平臺和車聯(lián)網(wǎng)控制平臺進(jìn)行信息交互。車身控制平臺通過傳輸速率為250kbit/s的低速CAN總線、傳輸速率為500kbit/s的高速CAN總線分別與底盤域控制平臺、車聯(lián)網(wǎng)控制平臺進(jìn)行信息交互，如圖3所示。

底盤域控制平臺作為線控行車制動EHB、線控駐車制動EPB、線控電機(jī)驅(qū)動、線控轉(zhuǎn)向C-EPS的上位機(jī)，通過傳輸速率為500kbit/s的高速CAN總線實(shí)現(xiàn)對線控底盤的控制。底盤域控制平臺通過接收到的車身狀態(tài)信息、整車位姿信息以及線控底盤的開關(guān)量、模擬量和頻率量等信息綜合運(yùn)算、研判后，響應(yīng)執(zhí)行自動駕駛車輛的縱向和橫向運(yùn)動。

圖3 “深藍(lán)”自動駕駛汽車EEA框架圖

車載智能計(jì)算平臺作為自動駕駛系統(tǒng)的“大腦”是核心功能部件?！吧钏{(lán)”車型的自動駕駛系統(tǒng)采用高算力（集成CPU算力和AI算力）、高性能的車規(guī)級域控制器作為車載智能計(jì)算平臺，主要包括按異構(gòu)分布設(shè)計(jì)的硬件平臺、車載操作系統(tǒng)和功能軟件3部分，并支撐應(yīng)用軟件和算法的開發(fā)，硬件接口包括電源、GMSL、CAN、CANFD、以太網(wǎng)、UART和GPIO接口等，功能軟件為基于SOA架構(gòu)，遵循AUTOSAR規(guī)范的開放接口。其中超聲波雷達(dá)適配傳輸速率為250kbit/s的低速CAN總線，毫米波雷達(dá)采用傳輸速率為500kbit/s的高速CAN總線，激光雷達(dá)適配1000BASE-T1以太網(wǎng)，攝像頭采用GMSL數(shù)據(jù)傳輸接口，基于RTK技術(shù)的厘米級GNSS/IMU組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)適配傳輸速率為500kbit/s的高速CAN總線，分別與車載智能計(jì)算平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?；诟鱾鞲衅鞯牟煌兄匦裕ㄟ^對周圍環(huán)境包括其它交通參與者信息在數(shù)字世界中的準(zhǔn)確重建，將各傳感器對環(huán)境感知信息融合，且進(jìn)行時(shí)鐘同步、置信度更新等處理，并結(jié)合厘米級高精度地圖，為規(guī)劃決策控制模塊提供精準(zhǔn)的感知道路環(huán)境信息，最終驅(qū)動“深藍(lán)”的執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動駕駛。

車身控制平臺主要基于傳輸速率為250kbit/s的低速CAN總線對車身電器系統(tǒng)通信和實(shí)施控制，如空調(diào)、燈光、娛樂、人機(jī)交互（HMI）、除霜、門控等系統(tǒng)。在自動駕駛過程中，通過車身控制平臺為自動駕駛系統(tǒng)的規(guī)劃決策提供車身電器系統(tǒng)的參數(shù)依據(jù)，同時(shí)控制執(zhí)行車身電器系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

車聯(lián)網(wǎng)控制平臺采用第Ⅳ代5G版G-BOS（智慧運(yùn)營系統(tǒng)），該系統(tǒng)不僅具備“智能運(yùn)營調(diào)度、智能車輛監(jiān)控、智能安全防控、智能故障預(yù)警、智能充電運(yùn)營、智能出行服務(wù)和OTA”等功能，還集成了5G模塊、V2X模塊、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、高精度定位等模塊，可擴(kuò)展集成DSSAD（自動駕駛汽車數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)），并通過配置加密芯片模組嵌入Cyber SDK密碼開發(fā)庫，實(shí)現(xiàn)車輛的數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全等信息安全管理。車聯(lián)網(wǎng)控制平臺通過V2X模塊，支持PC5接口（直通鏈路接口）和Uu接口（空中接口）通信，可實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同、編隊(duì)行駛等功能場景。應(yīng)用5G“大帶寬、低時(shí)延、廣連接”的網(wǎng)絡(luò)特性，提升車聯(lián)網(wǎng)的上行/下行速率，響應(yīng)“深藍(lán)”自動駕駛系統(tǒng)低時(shí)延、實(shí)時(shí)性要求較高的技術(shù)核心訴求。

3 汽車EEA演進(jìn)趨勢

隨著汽車電控技術(shù)的快速發(fā)展，整車電控單元的快速增長促使數(shù)據(jù)交互量也在飛速增長，這些海量數(shù)據(jù)也像人類出行需求一樣要通過各種載體準(zhǔn)時(shí)、高效、安全地送達(dá)正確的地方，數(shù)據(jù)傳輸管理方法及數(shù)據(jù)計(jì)算控制策略顯得尤為重要。以功能劃分為主要特征的汽車EEA逐漸轉(zhuǎn)化為以分區(qū)域管理為主體，同時(shí)分區(qū)域管理的思想，在整車EEA中平臺化、模塊化、集成化、智能化逐漸占有越來越多的權(quán)重。

在很大程度上，未來汽車以性能、功能、成本和服務(wù)為主要競爭重點(diǎn)，以上競爭點(diǎn)均與整車EEA有著直接或間接的關(guān)聯(lián)，整車企業(yè)把EEA作為核心技術(shù)和競爭力是必然趨勢。筆者通過分析研究整車EEA，總結(jié)出汽車行業(yè)電子電氣架構(gòu)演進(jìn)發(fā)展，如表1所示。

汽車EEA演進(jìn)趨勢的根本驅(qū)動力是市場實(shí)際需求和用戶對性能/功能預(yù)期期望的不斷提升。伴隨著汽車電子電氣技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車行業(yè)紛紛對未來汽車EEA提出規(guī)劃，如BOSCH公司提出的“融合、集中、云平臺”EEA演進(jìn)趨勢，安波福提出的“大腦”+“神經(jīng)”EEA演進(jìn)趨勢，偉世通提出的“三域（VDC車控域控制器、ADC智能駕駛域控制器、CDC智能座艙域控制器）”EEA方案，華為提出的“計(jì)算+通信”CC架構(gòu)（CDC智能座艙、VDC整車控制、MDC智能駕駛）方案；又如整車企業(yè)大眾MEB平臺圍繞ICAS1（網(wǎng)關(guān)服務(wù)單元）、ICAS2（信息娛樂單元）和ICAS3（輔助駕駛單元）3個(gè)中央電腦搭建整車EEA（E3架構(gòu)），豐田汽車提出未來EEA將采用Central &Zone EEA方案，特斯拉Model 3采用的中央計(jì)算模塊（CCM）、左車身控制模塊（BCM LH）、右車身控制模塊（BCM RH）3大部分組成整車EEA等［11］。綜上所述，未來汽車EEA將按照3層技術(shù)演進(jìn)：感知執(zhí)行層、計(jì)算與控制層、云服務(wù)層，并充分結(jié)合平臺化、模塊化和集中化的設(shè)計(jì)思想。

表1 汽車行業(yè)電子電氣架構(gòu)演進(jìn)

4 結(jié)論

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化以及自動駕駛技術(shù)的迅速發(fā)展，以及市場對汽車舒適性和娛樂性的需求不斷提升，汽車將會配置越來越多的感知設(shè)備和執(zhí)行單元，這對汽車EEA會提出更高的要求，并且伴隨著計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和云平臺技術(shù)的愈發(fā)成熟，也將催生汽車EEA發(fā)生深刻變革。以太網(wǎng)總線技術(shù)、云平臺和以智能車載計(jì)算平臺為主體的EEA將是未來汽車研究的重點(diǎn)方向。