多核及ADAS ECU的AUTOSAR Safety解決方案

如今，ADAS ECU 是負(fù)責(zé) ADAS 功能的專用模塊,在許多汽車中都有使用。分布式 ADAS ECU 正在被集成度更高的 ADAS 域控制器，域控制器其把多個(gè) ECU 的功能集成到一起。ADAS 域控制器是大腦，可融合來自攝像頭，激光雷達(dá)，雷達(dá)，慣性測(cè)量單元（IMU）等傳感器數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)，以進(jìn)行感知外界環(huán)境并作出最佳的決策。

汽車制造商于 1980 年代首次將電子控制單元（ECU）引入車輛。

他們的目標(biāo)？改善道路安全，挽救生命。這些功能的保障從曾經(jīng)需要機(jī)械零件去實(shí)現(xiàn)將會(huì)轉(zhuǎn)變成依賴軟件和電子技術(shù)去實(shí)現(xiàn)。從安全氣囊到防抱死制動(dòng)和轉(zhuǎn)向，毫無疑問，這些電子 ECU 的使用和安全功能的軟件策略促成了道路上死亡人數(shù)的廣泛減少。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，人為錯(cuò)誤仍然存在。

在現(xiàn)代車輛中，ECU 支持許多旨在進(jìn)一步提高道路安全性的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）。隨著汽車生態(tài)系統(tǒng)朝著更高的自動(dòng)化水平發(fā)展，而全自動(dòng)駕駛成為最終目標(biāo)，ADAS ECU 將扮演越來越重要的角色。

本文將通過研究 ADAS ECU 的體系結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間的發(fā)展以及將來有望發(fā)揮的作用，來探討 ADAS ECU 的作用和重要性。

要了解 ADAS ECU 如何對(duì)安全無人駕駛至關(guān)重要，首先要弄明白車輛 ECU 系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展歷程。

ADAS架構(gòu)的演變

傳統(tǒng)上，用于單個(gè)ADAS應(yīng)用程序的ECU根據(jù)其特定功能分布在車輛周圍。例如，前避撞ECU放置在擋風(fēng)玻璃中，行人檢測(cè)可以放置在整個(gè)車身的位置以檢測(cè)車輛周圍的危險(xiǎn)。

但是，這些分散的系統(tǒng)架構(gòu)不足以實(shí)現(xiàn)更高水平的自動(dòng)駕駛所需的更為復(fù)雜的駕駛員輔助系統(tǒng)。將取代分布式架構(gòu)的系統(tǒng)需要高性能的計(jì)算能力，并將多種功能組合到一個(gè)集成的域控制器或ADAS ECU中。

這種新型ECU具備高性能計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，具有強(qiáng)大的處理能力和廣泛的內(nèi)存，使系統(tǒng)能夠精確且可靠地處理多個(gè)數(shù)據(jù)流。

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)可自動(dòng)控制車輛的加速和制動(dòng)

對(duì)于汽車生態(tài)系統(tǒng)而言，繼續(xù)支持采用半自動(dòng)駕駛汽車以提供高級(jí)駕駛輔助至關(guān)重要。隨著車輛中ECU的功能越來越強(qiáng)大，它們具有高性能的處理能力，這為開發(fā)安全ADAS ECU的集中式的架構(gòu)提供了基礎(chǔ)。

遵守汽車安全標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)人員需要意識(shí)到不斷變化的系統(tǒng)架構(gòu)，才能繼續(xù)遵守嚴(yán)格的汽車安全標(biāo)準(zhǔn)。

作為安全性至關(guān)重要的系統(tǒng)，ADAS ECU及其組件（包括片上系統(tǒng)（SoC））必須符合電子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262的安全性。此國(guó)際功能安全標(biāo)準(zhǔn)為公路車輛中與安全相關(guān)的系統(tǒng)解決了因任何故障引起的潛在危害。

由于SoC需要更高的自動(dòng)化水平，并且在諸如轉(zhuǎn)向，制動(dòng)和加速之類的安全關(guān)鍵型應(yīng)用中發(fā)揮作用，因此SoC還必須符合汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）并滿足汽車質(zhì)量管理流程（例如ASPICE）。

盡管目前存在這些挑戰(zhàn)，但滿足這些關(guān)鍵的安全要求有助于確保駕駛員及其周圍人員的安全。

ADAS ECU及其與傳感器的關(guān)系

ADAS ECU除了具備更加智能地控制車輛能力，還具有對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的功能。它融合了來自多個(gè)數(shù)據(jù)源的原始數(shù)據(jù)，包括照相機(jī)，短程和遠(yuǎn)程雷達(dá)，激光雷達(dá)，超聲傳感器以及地圖數(shù)據(jù)。

可以通過ECU中的微控制器單元（MCU）處理大量的傳感器數(shù)據(jù)。車輛使用它來生成周圍環(huán)境的高精度360度地圖，其中包括識(shí)別道路標(biāo)記，盲點(diǎn)或障礙物。

然后，ADAS ECU分析采樣數(shù)據(jù)的情況并采取最佳和最安全的措施，并通過一個(gè)集成的功能強(qiáng)大的域控制器控制整個(gè)車輛的特定目標(biāo)動(dòng)作。

ADAS ECU的體系結(jié)構(gòu)安全特征之一是，車輛可以及時(shí)做出安全決策，例如緊急制動(dòng)，行人檢測(cè)和前方碰撞警告。來自外部來源的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地圖和交通數(shù)據(jù)以及傳感器可以預(yù)測(cè)未來道路上的變化，來為ADAS算法應(yīng)用算法（例如自適應(yīng)巡航控制（ACC）和高速公路輔助系統(tǒng)）提供基礎(chǔ)。

為了使這些駕駛自動(dòng)化應(yīng)用程序安全運(yùn)行，必須考慮使用ADAS域控制器。強(qiáng)大的計(jì)算能力，帶寬和內(nèi)存使車輛能夠?qū)崟r(shí)處理大量原始傳感器和地圖數(shù)據(jù)，從而像人一樣做出決策，甚至比人的決策更好，因?yàn)槿丝倳?huì)犯錯(cuò)誤的。

針對(duì)上面的介紹，下面分析一下幾種ADAS ECUD 安全架構(gòu)方法.架構(gòu)設(shè)計(jì)的前提是基于安全需求的確立，需求從是三個(gè)方面進(jìn)行闡述，依賴的硬件的平臺(tái)，需要的性能需求及AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)提供的軟件及開發(fā)方法需求

ADAS ECU的安全需求

• Dependability，為了開發(fā)安全的ADAS ECU，需滿足以下幾條假設(shè)前提 -- Functional Safety (ASIL-D)
  -- Safety Microcontroller
  --Security, Reliability, Availability, Maintainability
• Performance，要求具備以下特定的性能需求 --Advanced ADAS Algorithms
  --AUTOSAR SWC
  --Realtime Requirements
  --High Performance Multi-Core Microcontroller
  --Multi-Microcontroller ECUs
  --Support for hardware acceleration (e.g. OpenCL)
• Compatibility，從軟件架構(gòu)和開發(fā)過程并行且配合地保證ECU開發(fā)的安全性
• Software Features
  --Can, Flexray, Ethernet support --Standard Diagnostic capabilities (e.g. OBD)
  --Network Management (e.g. Partial Network)
• Development Process
  --Use of standard AUTOSAR formats e.g. ECU Extract, Diagnostic Extract

ADAS ECU的不同的架構(gòu)方案及比較

下面是四種方案的overview：

• Full AUTOSAR architecture

  ? Safety Microcontroller
  ? AUTOSAR Multi-Core Safety OS
  ? ADAS algorithms as SWC
  ? Advanced hardware drivers integration as Complex Device Drivers
  ? e.g. OpenCL, AVB
  ? Proprietary video bus systems

• Microcontroller partitioning architecture
  ? Partitioning in Safety and Performance Microcontroller
  ? Separated applications treated as different ECUs during development
  ? Private Network for communication

• Core partitioning architecture
  ? One Microcontroller with several performance cores  and one safety core (typically Lockstep)

• Hypervisor architecture

  ? Host OS with AUTOSAR guest system on one Microcontroller
  ? Hypervisor could be part of Guest OS

• Compare and contrast each architecture 從安全額性能上可以看出每個(gè)架構(gòu)的異同點(diǎn)

AUTOSAR is part of each architecture as a common standard for

• Basic Software, Safety and Security in ECUs
• Synchronized development process between OEM and T1

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