汽車電子，新興技術(shù)大展拳腳

汽車電子技術(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，汽車正在快速成為最新的電子技術(shù)與產(chǎn)品的樂園……

汽車應(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當(dāng)中。

通過改進(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、車用傳感器的進(jìn)展

汽車應(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)組合使用可以用來提供汽車周圍的鳥瞰圖瑞薩電子的，例如R-Car開發(fā)套件將來自4個(gè)攝像機(jī)的視頻流編組成360度視圖(見圖2)。當(dāng)在狹窄的地方停車或?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能夠通過將來自4臺(tái)攝像機(jī)的視頻流編織在一起，在車輛周圍產(chǎn)生360度的鳥瞰圖

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)越來越小，將有多個(gè)單元被隱藏在汽車周圍。

圖3. Innoviz只是提供3D LiDAR技術(shù)的許多廠商之一

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，0.1~0.1度的空間分辨率。該設(shè)備以超過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(見圖4)。定制硬件最好，如專門的數(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. 來自Nvidia的Drive PX2是針對(duì)汽車應(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。

車載信息娛樂(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上。所有汽車制造商均提供基于蜂窩的Wi-Fi汽車熱點(diǎn)。更多的選擇需要更強(qiáng)大和開放的方法。在這方面，GENIVI聯(lián)盟促進(jìn)了與操作系統(tǒng)無關(guān)的開放標(biāo)準(zhǔn)。

例如，Linux基金會(huì)的汽車級(jí)Linux(AGL)是已經(jīng)得到了廣泛廠商支持的IVI系統(tǒng)。豐田的2018款凱美瑞(見圖5)以及未來的豐田汽車將使用AGL 。

圖5. 豐田的2018款凱美瑞將為其車載信息娛樂(IVI)系統(tǒng)運(yùn)行汽車級(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)和車載網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)的視頻流時(shí)，汽車系統(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)的汽車環(huán)境中，該虛擬機(jī)正在變得越來越普遍

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)存和性能開銷，但功能對(duì)于性能和安全性至關(guān)重要(見圖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、車內(nèi)通信的進(jìn)展

目前，CAN和LIN仍然是汽車采用的主流控制總線，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采用了更簡單的接線方式。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。

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

然而，并不是所有的汽車通信都需要接線。Wi-Fi接入點(diǎn)，以及蜂窩鏈路等無線通信功能已經(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。車對(duì)車(V2V)和車對(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)行測試部署，這種測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和智能停車位到尋找停車位或提供車輛跟蹤的諸多信息。

4、用戶界面的進(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)入概念車當(dāng)中，以提供曲面顯示功能，以及更好的觀看體驗(yàn)。

頭戴式顯示器(HUD)正變得越來越普遍，也越來越復(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認(rèn)證，可提供12度視角

TI將其DLP技術(shù)應(yīng)用到了HUD(見圖8)。其DLP3000-Q1數(shù)字微鏡器件(DMD)和芯片組已獲得汽車認(rèn)證。可提供12度視野的平臺(tái)無需光源，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，然而，低端技術(shù)與一些高科技支持相結(jié)合，可以為用戶提供一個(gè)有趣的解決方案，如Mpow Universal HUD(見圖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。這與車載HUD不同，30美元的成本是一道很難逾越的門檻。

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

5、結(jié)語

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