智能汽車綜合控制系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件架構(gòu)分析

張曉謙，李巖，孫忠剛，劉超，姜珊

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車電子部，吉林長春 130011)

智能汽車綜合控制系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件架構(gòu)分析

張曉謙，李巖，孫忠剛，劉超，姜珊

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車電子部，吉林長春 130011)

目前，各整車廠針對智能汽車的開發(fā)進(jìn)行得如火如荼，但大多還停留在原型開發(fā)級別，智汽能車的核心計算和控制大多在工控機(jī)上實現(xiàn)，采用何種基礎(chǔ)軟件架構(gòu)支撐智能汽車綜合控制產(chǎn)品控制器的開發(fā)是亟須解決的問題之一。根據(jù)自動駕駛汽車不同級別的需求，分析了幾種嵌入式基礎(chǔ)軟件在智能車綜合控制中的特點及優(yōu)勢，重點說明了不同級別智能汽車綜合控制所采用基礎(chǔ)軟件的類型、架構(gòu)，為分步驟實現(xiàn)智能汽車無人駕駛控制器提供了基礎(chǔ)軟件方案及思路。

智能汽車；軟件架構(gòu)；嵌入式；基礎(chǔ)軟件；操作系統(tǒng)

0 引言

2015年10月，智能交通世界大會在法國波爾多舉行，智能車自動駕駛技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了越來越多的關(guān)注。為了將自動駕駛技術(shù)快速推向市場，奔馳、奧迪公司早在2014年9月便獲得了在美國加利福尼亞州進(jìn)行實車測試的許可，著手開展針對美國特有路況的研發(fā)[1]。美國的谷歌公司也獲得了美國國家高速公路交通安全管理局的上路許可，無人駕駛汽車的司機(jī)被認(rèn)定為自駕系統(tǒng)，而非車主本人。目前智能車綜合控制已取得了階段性成果，但這些成果主要基于工控機(jī)實現(xiàn)，需要分階段、有步驟地將智能控制從原型開發(fā)過渡到產(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品控制器。智能駕駛綜合控制的目的是對包括環(huán)境感知等各種信息進(jìn)行綜合計算、判斷和處理，并完成對整車上各個控制系統(tǒng)的智能化控制，從而實現(xiàn)各種智能化功能。智能車綜合控制系統(tǒng)相當(dāng)于“汽車”的大腦，隨著汽車自動化程度的提高，對控制器硬件及基礎(chǔ)軟件的要求也會逐漸增加，建立一種滿足汽車控制要求、可擴(kuò)展的基礎(chǔ)軟件架構(gòu)，支撐未來日益增長的自動駕駛用戶需求，是目前需要解決的重要問題。

1 智能汽車的分級

美國高速公路安全管理局(NHTSA)將自動駕駛分為Level 0到Level 4共5個級別，其中Level 0代表車輛完全由人工控制；Level 1代表車輛擁有單個或多個獨立功能的電子控制系統(tǒng)，比如輔助自動剎車系統(tǒng)；Level 2和Level 3分別代表車輛具有組合控制功能和有限度的自動駕駛，但主控權(quán)仍然在駕駛者身上；Level 4代表實現(xiàn)完全的自動駕駛功能。

德國汽車工業(yè)協(xié)會(VDA)與德國聯(lián)邦公路研究所則將自動駕駛劃歸為3個級別：部分自動化駕駛、高度自動化駕駛和全自動駕駛。部分自動化駕駛需要以駕駛員為主導(dǎo)，系統(tǒng)提供部分自動化功能；高度自動化駕駛則允許車輛在一定條件下進(jìn)行自動控制，而全自動駕駛中，無須人工參與，系統(tǒng)負(fù)責(zé)在車輛行駛過程對各種情況做出處理。

作者以德國的劃分形式為基礎(chǔ)，主要討論部分自動駕駛及高度自動駕駛級別的基礎(chǔ)軟件架構(gòu)。

2 智能汽車基礎(chǔ)軟件架構(gòu)分析

2.1 當(dāng)前主流基礎(chǔ)軟件(操作系統(tǒng))

當(dāng)前，汽車電子領(lǐng)域基礎(chǔ)軟件主要應(yīng)用在兩個方面：車輛控制及車載信息娛樂。

在車輛控制方面，基礎(chǔ)軟件架構(gòu)主要有AUTOSAR(Automotive Open System Architecture)。AUTOSAR是由全球汽車制造商、部件供應(yīng)商及其他電子、半導(dǎo)體和軟件系統(tǒng)公司于2003年聯(lián)合推出的一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的軟件架構(gòu)，專門應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域。該架構(gòu)可以實現(xiàn)應(yīng)用程序和基礎(chǔ)模塊之間的分離，從而優(yōu)化整個軟件的開發(fā)流程，有利于車輛電子系統(tǒng)軟件的交換與升級[2]。滿足AUTOSAR架構(gòu)的基礎(chǔ)軟件，具有可移植、可擴(kuò)展、高實時、高可靠、滿足功能安全要求的特點。

在車載信息娛樂方面，GENIVI提供了基于LINUX的車載信息娛樂系統(tǒng)規(guī)范，GENIVI聯(lián)盟的宗旨是共享一個標(biāo)準(zhǔn)的車載信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)的開源平臺，該平臺有助于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，從而減少汽車生產(chǎn)商的成本[3]。同時，Android操作系統(tǒng)因具有開放性的優(yōu)勢,也在信息娛樂領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

此外，QNX作為一種分布式、嵌入式和可擴(kuò)展的硬實時操作系統(tǒng)，已在全球多家整車廠的信息娛樂系統(tǒng)中得到應(yīng)用；VXWORKS以其良好的可靠性和實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空航天等對實時性要求極高的領(lǐng)域中，近些年也進(jìn)入了汽車電子領(lǐng)域；這兩個系統(tǒng)都是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)并具有文件系統(tǒng)。

2.2 部分自動駕駛級別的基礎(chǔ)軟件

部分自動駕駛實現(xiàn)特定場景下的自動駕駛，如全自動泊車、緊急制動、超級巡航，自動變道等功能，主要運(yùn)用前視攝像頭、超聲波雷達(dá)、環(huán)視攝像頭等傳感器，這些傳感器具有信息處理能力，能夠完成對周圍環(huán)境的感知和識別，將識別后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至智能控制系統(tǒng)；智能車綜合控制系統(tǒng)通過對傳感器信息的有限融合，完成對動力總成控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)特定場景下的自動駕駛功能。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 部分自動駕駛級別系統(tǒng)架構(gòu)

智能車綜合控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動駕駛功能，有如下需求：

(1)在自動駕駛過程中需要對整車進(jìn)行控制，人只進(jìn)行有限的干預(yù)，自動駕駛過程中為了避免對人的傷害，要求較高的功能安全等級；

(2)智能車綜合控制系統(tǒng)需要較高的實時性，以滿足對車內(nèi)各控制系統(tǒng)的實時控制；

(3)傳感器的數(shù)量并不多，且感知信息的處理和目標(biāo)識別無須智能車綜合系統(tǒng)參與，對數(shù)據(jù)融合的計算要求有限，對處理器要求并不高。

汽車電子控制領(lǐng)域的AUTOSAR基礎(chǔ)軟件框架能夠滿足該系統(tǒng)的這些要求。AUTOSAR 4.0以上版本對功能安全有相關(guān)支持，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功能安全要求[4]；AUTOSAR基于多核MCU的實時操作系統(tǒng)能夠滿足對整車的實時控制要求；目前多核高端車控MCU能夠支撐這個級別的感知信息融合的計算量。AUTOSAR架構(gòu)對車控有著完整的支持，具有完備的CAN總線，有完整的協(xié)議棧。通過CAN總線可以將傳感器目標(biāo)信息傳入智能車綜合控制器，由AUTOSAR通信服務(wù)組件完成對不同類型傳感器信息的解釋，形成傳感器解釋層[5]，支撐應(yīng)用程序?qū)δ繕?biāo)的判斷及融合，如圖2所示。

圖2 部分自動駕駛級別基礎(chǔ)軟件方案

這種方案對原有EE架構(gòu)的影響較小，與整車控制器的開發(fā)類似，能夠迅速實現(xiàn)這個級別的自動駕駛功能要求。但是由于車控MCU的性能畢竟有限，無法處理更大的計算量以及管理大存儲器，導(dǎo)致無法實現(xiàn)更復(fù)雜的處理及應(yīng)用。

2.3 高度自動駕駛級別的基礎(chǔ)軟件

高度自動駕駛級別應(yīng)用場景會更加復(fù)雜，除了部分自動駕駛級別已實現(xiàn)的功能，自動化更高的功能將被實現(xiàn)，如高速公路長時托管、運(yùn)行軌跡規(guī)劃等。這就要求智能車綜合管理系統(tǒng)能夠處理更多的輸入信息，保證對整車智能化控制的需要。在環(huán)境感知方面，除了要采用前視攝像頭、超聲波雷達(dá)、環(huán)視攝像頭等傳感器外，毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等傳感器的數(shù)據(jù)將會被處理。同時，網(wǎng)聯(lián)信息會被同時考慮，GPS以及V2X等數(shù)據(jù)信息也將參與數(shù)據(jù)融合。高度自動駕駛級別對輸入信息的各種計算處理以及數(shù)據(jù)融合任務(wù)量會變得非常大，部分駕駛級別的系統(tǒng)架構(gòu)無法滿足對數(shù)據(jù)處理的需要。為應(yīng)對這樣的需求，高度自動駕駛級別的智能車綜合控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 高度自動駕駛級別系統(tǒng)架構(gòu)

整車控制仍然要求基礎(chǔ)軟件的高實時性及高級別的功能安全，這與上個級別沒有區(qū)別。數(shù)據(jù)處理及融合，由于其結(jié)果作為整車控制的輸入，直接影響自動駕駛決策，所以，數(shù)據(jù)處理模塊也要求實時性，并達(dá)到一定的功能安全級別；更精細(xì)的實時地圖構(gòu)建、歷史數(shù)據(jù)存儲等要求基礎(chǔ)軟件管理更大的內(nèi)存，基礎(chǔ)軟件中必須有文件系統(tǒng)的支持。

根據(jù)以上分析，對于車輛的控制仍采用車控基礎(chǔ)軟件AUTOSAR框架，可滿足對于車輛控制的高實時性和安全性；對于數(shù)據(jù)處理應(yīng)采用VXWORKS、QNX等具有文件系統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)框架進(jìn)行開發(fā)，以滿足系統(tǒng)對實時計算及存儲的要求?；A(chǔ)軟件方案如圖4所示。

圖4 高度自動駕駛級別基礎(chǔ)軟件方案

2.4 未來趨勢展望

隨著汽車智能化、信息程度的不斷提高，智能、網(wǎng)聯(lián)、信息娛樂的深度交互是必然的趨勢，由于各種應(yīng)用的特點不同，系統(tǒng)中存在不同基礎(chǔ)軟件的協(xié)同工作也是必然。文中給出兩種可能的架構(gòu)方向：

(1)分布式的多操作系統(tǒng)軟件架構(gòu)

基于高速數(shù)據(jù)總線建立一體化的基礎(chǔ)軟件平臺，同時滿足控制、功能安全、數(shù)據(jù)處理、信息娛樂的要求。在高速總線通信技術(shù)的支撐之下，各控制器功能在空間上相對獨立，信息通過高速總線交互。通過中間件技術(shù)向應(yīng)用層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，不同類型特點的系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)可以被整個系統(tǒng)訪問，形成更為復(fù)雜的嵌入式軟件架構(gòu)。

(2)基于虛擬化的多操作系統(tǒng)軟件架構(gòu)

虛擬化技術(shù)能夠使基礎(chǔ)軟件各種不同類型的操作系統(tǒng)共存于一個芯片之中，通過虛擬機(jī)完成數(shù)據(jù)在不同操作系統(tǒng)間傳遞，AUTOSAR組織也在積極探索這種架構(gòu)[6]。采用虛擬機(jī)的軟件架構(gòu)有利于基礎(chǔ)軟件的平臺化開發(fā)，同時由于控制器數(shù)量減少，可以大大降低電子電氣的開發(fā)成本。由于不同類型的應(yīng)用要求的安全等級并不相同，虛擬機(jī)應(yīng)保證各系統(tǒng)的充分隔離，同時也要解決虛擬機(jī)的效率問題。多操作系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 多操作系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3 結(jié)束語

根據(jù)智能汽車自動駕駛汽車發(fā)展各級別的需求，重點說明了智能車基礎(chǔ)軟件在各個級別所采用的類型、架構(gòu)，分析了各種嵌入式基礎(chǔ)軟件在智能車綜合控制中的作用及優(yōu)勢，并對智能汽車未來基礎(chǔ)軟件架構(gòu)的趨勢進(jìn)行了展望，為分級別解決實現(xiàn)智能汽車無人駕駛產(chǎn)品控制器的問題提供了基礎(chǔ)軟件的方案及思路。

【1】德國.各汽車制造商加速推廣高度自動駕駛[N].世界汽車調(diào)查月報,2014，11(75).

【2】PELZ G,OEHLER P,FOURGEAU E,et al.Automotive System Design and Autosar[M]// Advances in Design and Specification Languages for SoCs.Springer US,2004:293-305.

【3】BRITTA W.BMW and Partners Found GENIVI Open Source Platform[C].CeBIT 2009,2009.

【4】AUTOSAR:Specification of Watchdog Manager[DK],2013.

【5】KWAKKERNAAT M,BIJLSMA T,OPHELDERS F.Layer-Based Multi-Sensor Fusion Architecture for Cooperative and Automated Driving Application Development[M]//Advanced Microsystems for Automotive Applications 2014.Springer International Publishing,2014:29-38.

【6】REINHARDT D,KUCERA M,KAULE D.Achieving a Scalable E/E-Architecture Using AUTOSAR and Virtualization[J].SAE International Journal of Passenger Cars-Electronic and Electrical Systems,2013,6(2):489-497.

Basic Software Architecture Analysis of Intelligent Vehicles Integrated Control System

ZHANG Xiaoqian, LI Yan, SUN Zhonggang, LIU Chao, JIANG Shan

(China Faw Group Corporation R & D Center,Changchun Jilin 130011,China)

Recently, the development of intelligent vehicles is grown vigorously in all OEMs, but most of the intelligent vehicles development is still in prototype stage. The core control algorithm is mostly operated in industrial personal computer. Which kind of basic software architecture can support embedded control software of intelligent vehicles, is a key to industrializing intelligent vehicle control system. Depending on the different levels of intelligent vehicles demand, the characteristics and advantages of some embedded basic software in intelligent vehicles controller were analyzed, focusing on the type and structure for the intelligent vehicles in different levels.The research provides basic software solutions to realize the intelligent vehicles control system in phases.

Intelligent vehicles; Software architecture; Embedded; Basic software; Operating system

2016-08-29

張曉謙，男，碩士，從事基礎(chǔ)軟件專業(yè)技術(shù)開發(fā)及管理工作。E-mail：zhangxiaoqian@rdc.faw.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.019

U461.4

A

1674-1986(2016)12-074-03