汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展成了啥樣?要怎么玩兒轉(zhuǎn)它?從先進(jìn)的傳感器到人工智能，汽車(chē)正在快速成為最新的電子技術(shù)與產(chǎn)品的樂(lè)園……

汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了一系列新技術(shù)，包括電力系統(tǒng)的改進(jìn)、非常復(fù)雜的遠(yuǎn)程信息處理，還有自動(dòng)駕駛。今天的汽車(chē)有更多的電子產(chǎn)品。然而，隨著諸如高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)等功能成為標(biāo)準(zhǔn)配置，而不是昂貴的選項(xiàng)，更多的先進(jìn)功能模塊將會(huì)進(jìn)入尋常百姓家的汽車(chē)當(dāng)中。

通過(guò)改進(jìn)傳感器、處理器和內(nèi)存、軟件，甚至是需要實(shí)時(shí)集成的人機(jī)接口，使得一些變化正在悄然實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖1)。下面介紹一些最新技術(shù)，以及他們與其它技術(shù)的關(guān)系如何使其在汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境中更為重要。

圖1. 需要多個(gè)重疊的傳感器來(lái)提供系統(tǒng)建立情境意識(shí)的信息，以實(shí)施安全的ADAS支持

1、車(chē)用傳感器的進(jìn)展

汽車(chē)應(yīng)用受益于可以流式傳輸4K視頻的相機(jī)，與人工智能(AI)中的機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)軟件一起，高清晰度攝像機(jī)正用于先進(jìn)ADAS應(yīng)用的障礙物和物體識(shí)別。這里，更高的分辨率是至關(guān)重要的，它也對(duì)備份相機(jī)有用。

多個(gè)攝像機(jī)組合使用可以用來(lái)提供汽車(chē)周?chē)镍B(niǎo)瞰圖瑞薩電子的，例如R-Car開(kāi)發(fā)套件將來(lái)自4個(gè)攝像機(jī)的視頻流編組成360度視圖(見(jiàn)圖2)。當(dāng)在狹窄的地方停車(chē)或?qū)Ш綍r(shí)，這是非常有用的。更先進(jìn)的ADAS系統(tǒng)突出了可能遇到的沖突的區(qū)域。

圖2.瑞薩的R-Car SoC能夠通過(guò)將來(lái)自4臺(tái)攝像機(jī)的視頻流編織在一起，在車(chē)輛周?chē)a(chǎn)生360度的鳥(niǎo)瞰圖

最近，有兩種量程傳感器呈現(xiàn)出顯顯著的改進(jìn)，他們是LiDAR和相控陣?yán)走_(dá)。這些都不是什么新技術(shù)，但小型化和成本降低的重大進(jìn)步將影響這些系統(tǒng)的使用時(shí)間和地點(diǎn)。

例如，Innoviz (見(jiàn)圖3)，LeddarTech，Quanergy和Velodyne是提供3D固態(tài)LiDAR系統(tǒng)的公司。這些系統(tǒng)適用于機(jī)器人等領(lǐng)域，這些系統(tǒng)越來(lái)越小，將有多個(gè)單元被隱藏在汽車(chē)周?chē)?/p>

圖3. Innoviz只是提供3D LiDAR技術(shù)的許多廠(chǎng)商之一

InnovizOne具有200米的深度精度優(yōu)于2厘米的范圍。它保持100度~25度的視場(chǎng)，0.1~0.1度的空間分辨率。該設(shè)備以超過(guò)6 Mpixels/s的3D分辨率提供25幀/秒。

相控陣?yán)走_(dá)克服了LiDAR的許多局限性，允許它在雨雪中操作，否則可能會(huì)誤導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)。雷達(dá)可用于補(bǔ)償LiDAR和圖像系統(tǒng)。一些公司正在努力在這一領(lǐng)域提供技術(shù)。例如，德州儀器(TI)單芯片毫米波傳感器mmWave可處理傳感器和ADAS應(yīng)用的76~81 GHz傳感器陣列。

所有這些技術(shù)都在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，從制造到安全，甚至是3D掃描和打印。

2、軟件進(jìn)展

目前，AI和ML正在引起興起，因?yàn)樗鼈兡転锳DAS帶來(lái)高效的圖像識(shí)別，這對(duì)于安全的自駕駕駛或增強(qiáng)的駕駛體驗(yàn)至關(guān)重要。AI和ML的基礎(chǔ)技術(shù)基于深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)。

即使在汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也不會(huì)取代常規(guī)的軟件應(yīng)用，而只是解決一些較為困難的問(wèn)題。結(jié)合新的硬件，他們也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)執(zhí)行，這在對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用程序(如自動(dòng)駕駛)中是必需的。在這種情況下，多核處理器會(huì)發(fā)揮重要作用，但GPU能實(shí)現(xiàn)更好的工作效果(見(jiàn)圖4)。定制硬件最好，如專(zhuān)門(mén)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)可以處理機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。

圖4. 來(lái)自Nvidia的Drive PX2是針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的最新多核CPU/GPU解決方案

這些解決方案的并行處理性能在設(shè)計(jì)中的多核和晶體管數(shù)增長(zhǎng)方面表現(xiàn)良好，即使上級(jí)時(shí)鐘頻率達(dá)到峰值。與更傳統(tǒng)的處理器解決方案相比，定制的解決方案具有較低的功耗。

車(chē)載信息娛樂(lè)(IVI)系統(tǒng)的進(jìn)步正在改變司機(jī)和乘客的可視化方式，以及如何將智能設(shè)備和基于云的應(yīng)用程序連接到他們的車(chē)上。所有汽車(chē)制造商均提供基于蜂窩的Wi-Fi汽車(chē)熱點(diǎn)。更多的選擇需要更強(qiáng)大和開(kāi)放的方法。在這方面，GENIVI聯(lián)盟促進(jìn)了與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。

例如，Linux基金會(huì)的汽車(chē)級(jí)Linux(AGL)是已經(jīng)得到了廣泛廠(chǎng)商支持的IVI系統(tǒng)。豐田的2018款凱美瑞(見(jiàn)圖5)以及未來(lái)的豐田汽車(chē)將使用AGL 。

圖5. 豐田的2018款凱美瑞將為其車(chē)載信息娛樂(lè)(IVI)系統(tǒng)運(yùn)行汽車(chē)級(jí)Linux(AGL)

考慮到大量傳感器產(chǎn)生的信息量，以及由AI系統(tǒng)處理和生成的數(shù)據(jù)和車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)的視頻流時(shí)，汽車(chē)系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序和任務(wù)的數(shù)量可能會(huì)令人吃驚。在關(guān)鍵的安全領(lǐng)域，管理數(shù)據(jù)分發(fā)可以得益于像對(duì)象管理組(OMG)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)這樣的標(biāo)準(zhǔn)，可以在整個(gè)系統(tǒng)中提供安全、實(shí)時(shí)的管理數(shù)據(jù)交換能力。這種方法比在應(yīng)用程序之間需要較少連接的設(shè)計(jì)中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)解決方案更好。

虛擬機(jī)管理程序是另一種常用工具，但不在車(chē)輛控制設(shè)置中。然而，由于多核解決方案的數(shù)量和復(fù)雜性，以及將安全和安全關(guān)鍵組件與IVI及非關(guān)鍵系統(tǒng)相結(jié)合的需求，這種變化也在明顯改變著。面向汽車(chē)的虛擬機(jī)管理程序可從諸如Blackberry QNX Hypervisor，Wind River VxWorks，Green Hills Software INTEGRITY Multivisor (見(jiàn)圖6)和Mentor Graphics的嵌入式管理程序等供應(yīng)商獲得。

圖6. Green Hills Software的Multivisor提供了1型虛擬機(jī)管理程序的虛擬機(jī)隔離，在與IVI子系統(tǒng)相同的硬件上承載安全和關(guān)鍵子系統(tǒng)的汽車(chē)環(huán)境中，該虛擬機(jī)正在變得越來(lái)越普遍

虛擬機(jī)管理程序允許對(duì)虛擬機(jī)(VM)進(jìn)行分區(qū)，從而可以對(duì)安全和安全認(rèn)證進(jìn)行劃分。這意味著非關(guān)鍵組件也不需要相同級(jí)別的認(rèn)證，這需要時(shí)間并且非常昂貴。同樣，隨著時(shí)間的推移，第三方添加有限的安全和安全相關(guān)組件在IVI中變得越來(lái)越普遍。

像Blackberry的QNX Hypervisor 2.0，這樣的1型虛擬機(jī)管理程序設(shè)計(jì)的很小巧，具有低內(nèi)存和性能開(kāi)銷(xiāo)，但功能對(duì)于性能和安全性至關(guān)重要(見(jiàn)圖7)。QNX提供具有可配置調(diào)度策略的、基于優(yōu)先級(jí)的虛擬CPU(vCPU)。管理程序基于QNX SDP 7.0 RTOS，從而提供細(xì)粒度的管理和安全性。QNX Neutrino RTOS是需要安全認(rèn)證的VM備選方案。QNX OS for Safety已通過(guò)ASILD和IEC 61508 SIL3的ISO 26262認(rèn)證，并已被用于SIL 4認(rèn)證的EN 50128系統(tǒng)。

圖7. 安全性滲透到汽車(chē)環(huán)境的各個(gè)方面，從制造到安全的空中更新協(xié)調(diào)和支持這種基礎(chǔ)設(shè)施可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，黑莓公司正在盡力提供一個(gè)完整的解決方案

3、車(chē)內(nèi)通信的進(jìn)展

目前，CAN和LIN仍然是汽車(chē)采用的主流控制總線(xiàn)，但CAN-FD、FlexRay、MOST和以太網(wǎng)也在混合使用，其中一些是IVI系統(tǒng)的一部分，ADAS傳感器連接也被添加到這些應(yīng)用組合中。

RJ-45插孔和CAT5和CAT6在在引擎蓋下，很難被發(fā)現(xiàn)，而OPEN Alliance SIG的100BASE-T1和1000BASE-T1采用了更簡(jiǎn)單的接線(xiàn)方式。IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)在IEEE 802.3bw-2015條款96中包含100BASE-T1，其允許具有以太網(wǎng)連接的常規(guī)微處理器接線(xiàn)。

目前，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)正在汽車(chē)中使用，至少在音頻和多媒體同步的IVI方面是這樣。TSN實(shí)際上開(kāi)啟了專(zhuān)為汽車(chē)應(yīng)用的音視頻橋接(AVB)支持。

然而，并不是所有的汽車(chē)通信都需要接線(xiàn)。Wi-Fi接入點(diǎn)，以及蜂窩鏈路等無(wú)線(xiàn)通信功能已經(jīng)可以在這里設(shè)置了，而且還將會(huì)有更多通信方式被采用。車(chē)對(duì)車(chē)(V2V)和車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)是V2x組合的一部分，旨在改進(jìn)ADAS，并為自動(dòng)駕駛提供更多的環(huán)境信息。

關(guān)于V2X的討論很熱，全球各地的很多城市也正在進(jìn)行測(cè)試部署，這種測(cè)試通常是智慧城市建設(shè)的一部分，它提供從交叉路口檢測(cè)和智能停車(chē)位到尋找停車(chē)位或提供車(chē)輛跟蹤的諸多信息。

4、用戶(hù)界面的進(jìn)展

如果擁有更好的顯示效果，則IVI和ADAS系統(tǒng)就能更好的工作。許多已被證明，而且在其他應(yīng)用領(lǐng)域流行的技術(shù)，如OLED，正在進(jìn)入概念車(chē)當(dāng)中，以提供曲面顯示功能，以及更好的觀(guān)看體驗(yàn)。

頭戴式顯示器(HUD)正變得越來(lái)越普遍，也越來(lái)越復(fù)雜，其能在更大的空間中提供更多的信息。

圖8. 德州儀器的DLP3000-Q1數(shù)字微鏡器件(DMD)和芯片組已獲得汽車(chē)認(rèn)證，可提供12度視角

TI將其DLP技術(shù)應(yīng)用到了HUD(見(jiàn)圖8)。其DLP3000-Q1數(shù)字微鏡器件(DMD)和芯片組已獲得汽車(chē)認(rèn)證?？商峁?2度視野的平臺(tái)無(wú)需光源，不需要偏光源，這意味著系統(tǒng)不會(huì)與具有偏光鏡片的眼鏡發(fā)生沖突。

我們一直在談?wù)撍械母呖萍歼M(jìn)入汽車(chē)，然而，低端技術(shù)與一些高科技支持相結(jié)合，可以為用戶(hù)提供一個(gè)有趣的解決方案，如Mpow Universal HUD(見(jiàn)圖9)。它使用智能手機(jī)顯示信息，使用與其他HUD相同的實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)用程序可以基于智能手機(jī)中的傳感器顯示速度。這與車(chē)載HUD不同，30美元的成本是一道很難逾越的門(mén)檻。

圖9. Mpow Universal HUD使用智能手機(jī)驅(qū)動(dòng)HUD

5、結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)正在成為最復(fù)雜的消費(fèi)類(lèi)設(shè)備，在具有4個(gè)輪子和一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的底盤(pán)上操控方向盤(pán)并不太容易，未來(lái)，一些汽車(chē)將會(huì)失去方向盤(pán)，那時(shí)，我們會(huì)體驗(yàn)到一種全新的駕駛樂(lè)趣。