智能輔助駕駛和智能駕駛車輛架構(gòu)

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

由于汽車行業(yè)未來三個最重要的問題：自動駕駛、軟件更新和驅(qū)動系統(tǒng)電氣化，對汽車系統(tǒng)設(shè)計和軟件開發(fā)的要求正在增加。

目前汽車中的電動/電子（E/E）架構(gòu)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(shù)量，也分別增加了連接的復(fù)雜性。在這種情況下，E/E架構(gòu)必須執(zhí)行越來越多的駕駛輔助功能。對軟件復(fù)雜性的估計，假設(shè)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(guān)的功能都是在一個單獨的控制單元上實現(xiàn)的。適合汽車應(yīng)用的更高性能的片上系統(tǒng)（SoC）（如瑞薩的R-Car H3、恩智浦BlueBox或英偉達DRIVE PX）的出現(xiàn)，以及減輕重量的必要性（例如，通過減少控制單元或電纜），導(dǎo)致人們希望在一個域控制器（例如，負責(zé)車身、底盤或發(fā)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(zhuǎn)變極大地改變了車輛的E/E架構(gòu)。它涉及到引入面向服務(wù)的通信和動態(tài)操作系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)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(tài)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(gòu)。其核心是一個或幾個中央計算機，通過車輛內(nèi)部的以太網(wǎng)主干進行通信。車輛的關(guān)鍵因素是網(wǎng)關(guān)。它將用戶界面領(lǐng)域（信息娛樂系統(tǒng)/智能手機連接）與驅(qū)動領(lǐng)域（驅(qū)動系統(tǒng)、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(tǒng)連接。智能天線和網(wǎng)關(guān)的主要任務(wù)是實現(xiàn)不同的安全層，如防火墻和入侵檢測。此外，該架構(gòu)將使用控制單元之間的安全車載通信機制。

與后端系統(tǒng)的連接實現(xiàn)了許多新功能。例如，可以向車輛提供環(huán)境數(shù)據(jù)，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(wù)和啟用功能的選項（例如，駕駛輔助系統(tǒng)）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(chǎn)生收入。與汽車的永久在線連接使OEM能夠收集用戶數(shù)據(jù)，從而獲得更多關(guān)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(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)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(jīng)習(xí)慣的智能手機應(yīng)用程序更新。

對于具有更復(fù)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(tǒng)，動態(tài)操作系統(tǒng)有其優(yōu)勢。最重要的應(yīng)用場景是：

-支持運行時的重新配置

-面向服務(wù)的服務(wù)和通信

-部分軟件更新

-通過使用POSIX接口而不是靜態(tài)生成的接口來簡化軟件開發(fā)

-基于XML的接口描述

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

大多數(shù)控制單元通過以太網(wǎng)與傳感器和執(zhí)行器通信。時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是音頻視頻橋接（AVB）協(xié)議的擴展，用于實現(xiàn)安全關(guān)鍵的可靠通信。TSN標(biāo)準(zhǔn)是專門為安全和實時關(guān)鍵系統(tǒng)開發(fā)的，如高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛。此外，以太網(wǎng)被用來將信息娛樂系統(tǒng)連接到互聯(lián)網(wǎng)和汽車制造商的后端系統(tǒng)。

FlexRay是這種技術(shù)變化的失敗者。現(xiàn)場總線系統(tǒng)現(xiàn)在只被少數(shù)OEM廠商應(yīng)用，應(yīng)該很快被取代。CAN和具有靈活數(shù)據(jù)速率的CAN（CAN FD）仍將被用來連接傳感器和執(zhí)行器或較小的輸入/輸出（IO）控制單元。

IO設(shè)備和中央計算機通過寶馬集團在2011年指定的面向服務(wù)的接口進行通信--可擴展的面向服務(wù)的IP中間件，縮寫為SOME/IP。它是基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議系列的。最重要的一點是，SOME/IP自動將定義的應(yīng)用接口映射到數(shù)據(jù)包上。SOME/IP的優(yōu)點是，它甚至可以被集成到小型設(shè)備中，并能快速啟動整個系統(tǒng)。

除了上面介紹的基礎(chǔ)設(shè)施問題（主要由AUTOSAR聯(lián)盟規(guī)定并在伊萊比特的AUTOSAR產(chǎn)品線EB tresos中實施），對功能塊之間定義接口的功能架構(gòu)的需求也越來越明顯。通用標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品提供。

下圖說明了Elektrobit公司的 "開放Robinos "項目的架構(gòu)。左側(cè)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(jié)合起來，形成一個整體畫面。然后根據(jù)當(dāng)前的駕駛情況確定軌跡規(guī)劃、加速度和轉(zhuǎn)向角。

該項目的目標(biāo)是開發(fā)一個開放的參考架構(gòu)，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(chǎn)品的一部分，具有不同的操作系統(tǒng)，如自適應(yīng)AUTOSAR、QNX或市場上的類Unix操作系統(tǒng)。

車輛移動的基礎(chǔ)設(shè)施是自動駕駛汽車的一個主要技術(shù)挑戰(zhàn)。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(qū)內(nèi)移動的火車和飛機相比，這種方法既昂貴又復(fù)雜。例如，高度和路線是由空中交通管制服務(wù)指導(dǎo)的，火車在進入不開放的區(qū)域時會自動停止。

然而，人們不可能在所有的道路周圍設(shè)置柵欄，禁止騎自行車的人通行。但是，道路基礎(chǔ)設(shè)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(xiāng)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(jié)構(gòu)，它可以遠程控制車輛并引導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（5G）鋪設(shè)，用于與后端和基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)交換，以及選擇及時調(diào)整道路基礎(chǔ)設(shè)施以適應(yīng)自動駕駛。

如何在這些高度復(fù)雜的整體系統(tǒng)中滿足功能安全和--特別是關(guān)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(fā)的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，汽車SPICE流程模型在整個行業(yè)中得到了很好的確立。它構(gòu)成了安全和保障的基礎(chǔ)。

ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)定義了功能安全方面如何在過程層面和方法層面上實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。對于軟件架構(gòu)，功能安全是一個關(guān)鍵因素?；镜耐暾詸C制，如監(jiān)測系統(tǒng)的完整性、分區(qū)、時間和過程監(jiān)測或安全通信，都是可用的，并且已經(jīng)在系列項目中使用。

安全機制在汽車開發(fā)中已經(jīng)有相當(dāng)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(tǒng)通常已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)功能。然而，由于車輛的連接性越來越強，該行業(yè)正面臨新的挑戰(zhàn)。根據(jù)信息技術(shù)的基本規(guī)則，"凡是連接的東西都會被攻擊"，安全和隱私的系統(tǒng)方面在汽車行業(yè)的意義也越來越大。

對使用遠程訪問或互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)的首次成功攻擊已經(jīng)被公開，并引起了廣泛的反應(yīng)。作為回應(yīng)，國際汽車工程師學(xué)會在2016年初出版了一本安全系統(tǒng)開發(fā)手冊（SAE J3061，"網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)。然而，它總結(jié)了基本的工作，如研究計劃或現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)的要求已明顯變得更加復(fù)雜。然而，通過結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)、功能安全、安全、多核系統(tǒng)和可用性等方面，有可能設(shè)計出可靠的系統(tǒng)，并根據(jù)用例理想地評估和結(jié)合各個系統(tǒng)方面。

所有參與汽車供應(yīng)鏈的人都需要發(fā)展一種核心能力：系統(tǒng)工程，因此需要對物理學(xué)、電子學(xué)和軟件的跨學(xué)科理解。

在未來，（軟件）開發(fā)人員必須對系統(tǒng)有更好的理解，以便在適當(dāng)?shù)墓ぞ咧杏面溄哟a生成器對系統(tǒng)行為進行建模。經(jīng)典的軟件開發(fā)側(cè)重于開發(fā)工具、代碼生成器以及作為可重復(fù)使用產(chǎn)品購買的標(biāo)準(zhǔn)功能。整合軟件仍然需要理解、分析和修復(fù)從深度嵌入到面向服務(wù)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(yīng)商將出現(xiàn)在汽車市場上。特別是IT公司多年來一直在其他領(lǐng)域使用這些技術(shù)，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(nèi)人員相當(dāng)多的時間。例如，這些時間可以用來使用社交網(wǎng)絡(luò)，進行網(wǎng)上購物，或工作。將 "駕駛時間 "轉(zhuǎn)換為 "互聯(lián)網(wǎng)使用時間"，可以產(chǎn)生全新的商業(yè)模式。

原始設(shè)備制造商的商業(yè)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(chǎn)品的汽車，而是作為服務(wù)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(xiàn)在的ACAP的發(fā)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(yè)和技術(shù)的快速創(chuàng)新--從消費者到汽車到云計算。賽靈思提供業(yè)內(nèi)最具活力的處理技術(shù)，通過其適應(yīng)性強的智能計算實現(xiàn)快速創(chuàng)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(guān)者--從原始設(shè)備制造商和一級供應(yīng)商，到機器人出租車開發(fā)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(chǎn)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(fā)揮著關(guān)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(xiàn)高速數(shù)據(jù)聚合、預(yù)處理和分發(fā)（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(yīng)商需要一個可擴展和可靠的架構(gòu)來設(shè)計他們的AD系統(tǒng)。AD系統(tǒng)的一個關(guān)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(shù)據(jù)。

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(guān)者--從原始設(shè)備制造商和一級供應(yīng)商，到機器人出租車開發(fā)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(chǎn)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(fā)揮著關(guān)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(xiàn)高速數(shù)據(jù)聚合、預(yù)處理和分發(fā)（DAPD）以及計算加速。

Zynq® UltraScale+™ MPSoC和Versal® AI Edge等自適應(yīng)SoC的功能跨越了ADAS/AD域控制器市場的整個連續(xù)性，以解決未來關(guān)鍵功能的集成。自適應(yīng)XA SoC平臺可以優(yōu)化處理越來越多的復(fù)雜安全關(guān)鍵型應(yīng)用，并滿足OEM和一級供應(yīng)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(nèi)的完全自主的車輛需要極其可靠、高性能、高功率、自適應(yīng)的計算。自適應(yīng)XA SoC提供了硬件加速器與應(yīng)用軟件緊密結(jié)合的最佳平衡，用于集成傳感器數(shù)據(jù)聚合、計算加速和標(biāo)量處理。

域控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)聚合、預(yù)處理和分發(fā)（DAPD）角色需要一組異構(gòu)的處理引擎來處理傳入的傳感器數(shù)據(jù)--這個角色可以由自適應(yīng)XA Zynq UltraScale+ MPSoC和Versal® AI Edge平臺來完成。在DAPD中，自適應(yīng)XA SoC準(zhǔn)備處理傳入的傳感器數(shù)據(jù)，然后分配給域控制器內(nèi)的其他元素。

在域控制器的計算加速作用中，OEM和Robotaxi開發(fā)者的一個關(guān)鍵重點是高功率、高利用率的ML推理。無論是傳統(tǒng)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(shù)據(jù)。自適應(yīng)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。