國(guó)外智能汽車電子電氣架構(gòu)綜述及分析

華一丁， 龔進(jìn)峰， 戎 輝， 唐風(fēng)敏， 王文揚(yáng)， 趙洪林

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中汽研 （天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；3.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；4.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

近年來，隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、通信導(dǎo)航、自動(dòng)控制、人工智能、機(jī)器視覺、精密傳感器、高精度地圖等高新技術(shù)與先進(jìn)汽車技術(shù)的快速融合，智能汽車 （或無人駕駛汽車、自動(dòng)駕駛汽車）已經(jīng)成為世界汽車工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和汽車產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)的新動(dòng)力。

智能汽車若要實(shí)現(xiàn)各種智能、互聯(lián)功能，取決于電子電氣架構(gòu)的先進(jìn)性以及數(shù)據(jù)處理的速度。目前，國(guó)內(nèi)普遍以增加電子控制單元 （ECU）數(shù)量來應(yīng)對(duì)額外的電子電氣系統(tǒng)需求，但是這種解決方案不僅成本高，而且會(huì)阻塞網(wǎng)絡(luò)、減慢數(shù)據(jù)傳輸、降低系統(tǒng)可靠性。國(guó)外主流主機(jī)廠采用基于通信主干網(wǎng)，分支網(wǎng)絡(luò)，多域控制器和貨架控制器的電子電氣架構(gòu)，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜度［1］。因此，有必要研究國(guó)外先進(jìn)車企 （以?shī)W迪A8、寶馬7系和特斯拉為例）有關(guān)智能駕駛及整車電子電氣的先進(jìn)架構(gòu)，進(jìn)而分析出相關(guān)自動(dòng)駕駛控制器、車載傳感器、執(zhí)行器以及所使用車載總線技術(shù)。最后，便可結(jié)合基于需求驅(qū)策型的自上而下和分層集成的電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)方法和流程，自主設(shè)計(jì)智能汽車電子電氣硬件系統(tǒng)架構(gòu)。

1 奧迪A8

奧迪A8第5代搭載了L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，是世界上首款實(shí)現(xiàn)L3級(jí)別自動(dòng)駕駛的量產(chǎn)車。奧迪官方將該自動(dòng)駕駛系統(tǒng)命名為“奧迪AI交通擁堵駕駛系統(tǒng)”，并加入了一個(gè)“Audi AI”操作按鈕來開啟自動(dòng)駕駛功能，它允許車輛在低于時(shí)速60 km的情況下由系統(tǒng)完全接管駕駛［2-3］。屆時(shí)，汽車將自主完成加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等駕駛操作。奧迪官方強(qiáng)調(diào)，駕駛員將不再需要在這個(gè)時(shí)候保持對(duì)車輛情況的監(jiān)控，而是可以雙手離開方向盤，真正實(shí)現(xiàn)車輛在特定場(chǎng)景下的完全自動(dòng)駕駛。如果車輛判斷這一情況下不能自主完成安全駕駛，會(huì)提醒駕駛員接管方向盤。

1.1 駕駛員輔助系統(tǒng)

圖1 奧迪A8傳感器位置

其中，G203~G206為后部駐車輔助傳感器，G252~G255為前部駐車輔助傳感器，G568~G569為前部自動(dòng)泊車輔助傳感器，G716~G717為后部自動(dòng)泊車輔助傳感器，R242為駕駛員輔助系統(tǒng)正面攝像頭，R243~R246為周圍環(huán)境攝像頭。

圖2展示的是自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)用到的控制單元。

1.2 預(yù)測(cè)式高效輔助系統(tǒng)

使用車輛導(dǎo)航系統(tǒng)預(yù)測(cè)出的道路數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)車輛的縱向動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高效駕駛并能減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，如圖3所示。根據(jù)MMI-設(shè)置，車速限制、道路形態(tài) （彎道、十字路口等）以及地形 （上坡、下坡）都集成在ACC-調(diào)節(jié)過程中了。

1.3 智能泊車輔助系統(tǒng)

智能泊車輔助系統(tǒng)在下述泊車情形時(shí)為駕駛員提供幫助：倒車進(jìn)入縱向停車位；前行退出縱向停車位；在先駛過橫向停車位后前行進(jìn)入橫向停車位；未駛過橫向停車位時(shí)前行進(jìn)入橫向停車位；倒車進(jìn)入橫向停車位。智能泊車輔助系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖2 自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)用到的控制單元

圖3 預(yù)測(cè)式高效輔助系統(tǒng)原理框圖 （縱向調(diào)節(jié)）

圖4 智能泊車輔助系統(tǒng)原理框圖

1.4 橫向輔助功能系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)

橫向輔助 （也可稱交叉路口輔助或十字路口輔助）是一種新型駕駛員輔助系統(tǒng)，首次用于Audi A8（車型4N）上，該系統(tǒng)可幫助駕駛員避免與本車前部橫向通過的車輛相撞。橫向輔助系統(tǒng)在本車前部橫向通過的車輛因視野受限而稍晚才能被駕駛員看到時(shí)為駕駛員提供幫助。這樣的視野受限情形比如有：十字路口以及穿行窄出口時(shí)。另外，在復(fù)雜交通情形時(shí)，比如駕駛員因注意看其他交通參與者而忽略了橫穿的交通參與者時(shí)，該系統(tǒng)也能為駕駛員提供幫助。橫向輔助系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

圖5 橫向輔助系統(tǒng)原理框圖

1.5 倒車攝像頭

奧迪A8上的倒車攝像頭是少數(shù)幾個(gè)不使用駕駛員輔助系統(tǒng)控制單元J1121的系統(tǒng)之一。攝像頭廣角圖像的修正、攝像頭的校準(zhǔn)以及攝像頭上的輔助線投射，均由專用的倒車攝像頭控制單元J772來完成。

倒車攝像頭的圖像經(jīng)屏蔽的FBAS-線直接被送到信息電子控制單元1-J794，圖像從這里再經(jīng)2根屏蔽的LVDS-線傳至MMI-顯示器J685，從而顯示出圖像。倒車系統(tǒng)原理框圖見圖6。

圖6 倒車系統(tǒng)原理框圖

1.6 第5代A8（4N）與第4代A8（4H）對(duì)比

第5代奧迪A8（4N）相較于第4代奧迪A8（4H）主要擴(kuò)展了駕駛員輔助駕駛的范圍，且能在更多情形時(shí)通過最新的技術(shù)為駕駛員提供幫助。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

黃斌主席要求，各級(jí)工會(huì)負(fù)責(zé)幫扶工作的干部要用改革理念創(chuàng)新幫扶工作思路，吸引社會(huì)資源，改變“單打獨(dú)斗、單兵作戰(zhàn)”模式，要加強(qiáng)和改進(jìn)工作方法，深入困難職工家庭，摸實(shí)情、出實(shí)招、用硬招，努力向職工提供更高水平的幫扶和服務(wù)，咱們工會(huì)干部切實(shí)成為職工信得過、靠得住、離不開的知心人、貼心人、“娘家人”，讓廣大職工特別是困難職工切實(shí)感到工會(huì)組織是真正的職工之家?！?/p>

1）配備了新的橫向輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)在因視野受限（比如十字路口以及穿行窄出口）時(shí)為駕駛員提供幫助。具體幫助方式是發(fā)出各種警報(bào)來提醒駕駛員，以避免本車與前方橫向來車發(fā)生碰撞等。

2）首次采用了自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在車速0~250 km／h之間時(shí)幫助駕駛員同時(shí)進(jìn)行車輛橫向控制和縱向控制。自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)是將以前多個(gè)駕駛員輔助系統(tǒng) （這些系統(tǒng)在別的奧迪車型上早就使用了）合成為一個(gè)系統(tǒng)。使用自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)，首次在車速0~250 km／h之間可同時(shí)進(jìn)行車輛橫向控制和縱向控制。所謂縱向控制，指車輛的加速和制動(dòng)；所謂橫向控制，指車輛的轉(zhuǎn)向。但是在橫向控制時(shí)駕駛員必須一直把手放在方向盤上。Audi A8 4N添加自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 Audi A8 4N添加自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)

3）奧迪公司在Audi A8（車型4N）上首次使用了駕駛員輔助系統(tǒng)中央控制單元，該控制單元是多個(gè)輔助系統(tǒng)的主控制單元。這個(gè)中央控制單元在售后服務(wù)中被稱作駕駛員輔助系統(tǒng)控制單元J1121，該控制單元取代了數(shù)個(gè)我們熟知的控制單元 （其功能現(xiàn)在已集成到J1121內(nèi)了）。多個(gè)傳感器直接連接在駕駛員輔助系統(tǒng)控制單元J1121上，不再使用車上的總線系統(tǒng)。傳感器數(shù)據(jù)的處理是在控制單元J1121內(nèi)進(jìn)行的，這些數(shù)據(jù)涉及駕駛員輔助系統(tǒng)正面攝像頭和4個(gè)周圍環(huán)境攝像頭?？刂茊卧狫1121還通過FlexRay總線接收其它傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)。一個(gè)控制單元內(nèi)現(xiàn)在就可使用所有傳感器數(shù)據(jù)，就可為駕駛員提供車輛周圍高品質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)功能，另外這也是各種駕駛員輔助系統(tǒng)繼續(xù)提高性能的一個(gè)基礎(chǔ)。Audi A8 4N J759帶攝像頭框架圖見圖8。

圖8 Audi A8 4N J759帶攝像頭

2 寶馬7系

寶馬7系整合主動(dòng)車距定速控制系統(tǒng)、主動(dòng)車道維持輔助、擁塞交通輔助系統(tǒng)、車側(cè)防撞輔助、前方車流警示、路口車流防撞輔助、閃避轉(zhuǎn)向輔助等功能，使駕駛可以在不需控制油門的情況下跟前車維持距離，并且能在偏離車道時(shí)自動(dòng)修正方向盤將車輛導(dǎo)回正常路線，甚至還可偵測(cè)前方車流與路口車流，主動(dòng)介入控制制動(dòng)及轉(zhuǎn)向來避免碰撞危險(xiǎn)［4］。2016款7系轎車將支持遠(yuǎn)程遙控停車／出車位。

2.1 車道偏離警告系統(tǒng)

通過車道偏離警告系統(tǒng)識(shí)別出偏離車道情況，借助振蕩執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)方向盤振動(dòng)，并通過相應(yīng)警告燈發(fā)出車外后視鏡內(nèi)的視覺警告時(shí)觸發(fā)，車速范圍在70~210 km／h。車道偏離警告系統(tǒng)原理框圖如圖9所示。

2.2 車道變更警告系統(tǒng)

首次將其應(yīng)用于F01／F02車輛，車道變更警告系統(tǒng)SWW控制單元 （傳感器）位于后保險(xiǎn)杠下方。車道變更警告系統(tǒng)SWW控制單元 （主控單元）位于右側(cè)，車道變更警告系統(tǒng)SWW2控制單元 （副控單元）位于左側(cè)。一些傳感器能夠根據(jù)天氣情況在最遠(yuǎn)70m距離內(nèi)進(jìn)行有效探測(cè)。識(shí)別出車輛且啟用系統(tǒng)時(shí)，通過車外后視鏡內(nèi)的相應(yīng)顯示告知駕駛員情況。車道變更警告系統(tǒng)原理框圖見圖10。

圖9 車道偏離警告系統(tǒng)原理框圖

圖10 車道變更警告系統(tǒng)原理框圖

2.3 夜視系統(tǒng)

集成在BMW腎形格柵內(nèi)，夜視系統(tǒng)可在夜間最佳條件下識(shí)別出最遠(yuǎn)約100m處的行人和動(dòng)物，在5°C以下溫度范圍內(nèi)會(huì)接通一個(gè)加熱裝置，從而避免攝像機(jī)結(jié)冰。行人識(shí)別最遠(yuǎn)約100m，大型動(dòng)物識(shí)別最遠(yuǎn)約150m，中型動(dòng)物識(shí)別最遠(yuǎn)約70m。夜視系統(tǒng)原理框圖見圖11。

圖11 夜視系統(tǒng)原理框圖

2.4 駐車和倒車系統(tǒng)

駐車操作輔助系統(tǒng)PMA可以測(cè)量停車位大小并根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定停車位是否夠大，前部保險(xiǎn)杠內(nèi)的2個(gè)附加超聲波傳感器負(fù)責(zé)在行駛期間測(cè)量停車位，通過后部保險(xiǎn)杠飾板內(nèi)的4個(gè)超聲波傳感器和前部保險(xiǎn)杠飾板內(nèi)的另外4個(gè)超聲波傳感器測(cè)量與障礙物的距離，通過位于后部保險(xiǎn)杠內(nèi)的另外2個(gè)超聲波傳感器在停車入位過程中準(zhǔn)確探測(cè)橫向停車位。通過附加 PDC傳感器測(cè)量與所識(shí)別目標(biāo)的距離。駐車和倒車系統(tǒng)原理框圖見圖12。

圖12 駐車和倒車系統(tǒng)原理框圖

2.5 第6代G11／12與第5代F01／02對(duì)比

第6代7系寶馬在第5代的基礎(chǔ)上增添了如車道偏離警告系統(tǒng)、交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)、環(huán)視系統(tǒng)、交叉行駛警告系統(tǒng)等智能輔助駕駛功能，同時(shí)更多地在娛樂、攝像機(jī)信號(hào)圖像傳輸?shù)饶K使用高帶寬的以太網(wǎng)代替原來的LVDS傳輸。

中央網(wǎng)關(guān)模塊ZGM集成在BDC內(nèi)，它可以說是控制單元中的控制單元，因?yàn)锽DC內(nèi)ZGM的工作方式就像是一個(gè)獨(dú)立的控制單元。ZGM將所有主總線系統(tǒng)彼此連接起來，將不同協(xié)議和速度轉(zhuǎn)換到其他總線系統(tǒng)上。通過ZGM可經(jīng)過以太網(wǎng)將有關(guān)控制單元的編程數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕v上。

第3~6代輔助駕駛系統(tǒng)配置及智能駕駛分級(jí)見表1。

3 特斯拉M odel S

特斯拉Medel S有7種類型的控制器局域網(wǎng) （CAN）總線。除2條總線外，所有的總線都連接到了中央網(wǎng)關(guān)。各個(gè)控制器使用這些總線在不同系統(tǒng)間傳遞數(shù)據(jù)。這些總線分別是底盤、車身、車身容錯(cuò) （Body-Fault tolerant）、動(dòng)力總成、車載診斷II（On-Board Diagnostics II，OBDII）、快速充電 （Not connected to GTW）、穩(wěn)定控制（Not connected to GTW）［5］。Medel S有5種LIN總線，它們具有以下功能：LIN 1——方向盤控制單元；LIN 2——12 V智能電池傳感器和監(jiān)控單元；LIN 3——座椅加熱器和后視鏡；LIN 4——保留供將來使用；連接到整車控制模塊BCM的LIN總線傳輸來自左右車門傳感器的數(shù)據(jù)，因此車身控制器可以確保擋風(fēng)玻璃刮水器、燈和HVAC系統(tǒng)的正確操作。特斯拉中央網(wǎng)關(guān)單元的媒體控制器有USB、e-net、line等線連接。特斯拉Medel S7控制器局域網(wǎng)總線框圖見圖13。

3.1 動(dòng)力總成與快速充電總線

動(dòng)力總成總線連接以下控制器：電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）、主充電器 （Master charger）、從充電器 （Slave charger）、充電口 （Charge port）、直流-直流變換器 （DC-DC converter）、熱管理系統(tǒng) （Tesla Thermal Controller，THC）、主驅(qū)動(dòng) 變 頻 器（Master drive inverter）；快速充電總線連接以下控制器：電池管理系統(tǒng) （Battery Management System，BMS）、主充電器 （Master charger）。動(dòng)力總成與快速充電總線圖見圖14。

圖13 特斯拉M edel S7控制器局域網(wǎng)總線框圖

圖14 動(dòng)力總成與快速充電總線圖

表1 第3～6代輔助駕駛系統(tǒng)配置及智能駕駛分級(jí)

動(dòng)力總成與快速充電CAN在2個(gè)節(jié)點(diǎn)上都具有“T”。這表示總線的2個(gè)終止節(jié)點(diǎn)每個(gè)都為CAN總線增加120Ω。終止節(jié)點(diǎn)位于每條總線的末端，以幫助反映消息。從每個(gè)末端測(cè)量CAN總線的電阻值均為60Ω，這是由于2個(gè)120Ω在末端并聯(lián)的原因。

3.2 Tesla智能輔助駕駛系統(tǒng)對(duì)比其他車型

Autopilot1.0（現(xiàn)已很少使用）、Autopilot2.0（Tesla Model S）、Super Cruise （Cadillac CT6）、以及zFAS （Audi A8）傳感器比較如表2所示。

表2 智能輔助駕駛系統(tǒng)傳感器配置

在上述傳感器中，Autopilot2.0（Tesla Model S）目前8個(gè)攝像頭中，只有4個(gè)攝像頭用于智能輔助駕駛，分別為3個(gè)前視攝像頭 （正常、長(zhǎng)焦、廣角）與一個(gè)后置攝像頭，無法像Super Cruise和zFAS一樣在車身兩側(cè)形成“環(huán)視+超聲波”的“雙保險(xiǎn)”。zFAS（Audi A8）不用擁有最多的傳感器，更添加了激光雷達(dá)，這是Audi A8能夠先于Tesla Model S／X、Cadillac CT6成為全球首款自動(dòng)駕駛level 3級(jí)別的量產(chǎn)車的重要原因之一。

3.3 Tesla智能輔助駕駛系統(tǒng)Autopilot發(fā)展及展望

在總線系統(tǒng)上，Tesla智能輔助駕駛系統(tǒng)Autopilot有著比較顯著的變化。在Autopilot 1.0中，所有總線幾乎都是通過CAN或LIN信號(hào)傳輸，在Autopilot 2.0中，控制器已經(jīng)開始預(yù)留LVDS和以太網(wǎng)接口［6］，Autopilot 2.5并對(duì)這些接口進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，Tesla智能輔助駕駛系統(tǒng)Autopilot進(jìn)化史如表3所示。

3.4 Tesla Autopilot 2.0功能分析

如表4所示，Autopilot2.0核心內(nèi)容由主動(dòng)巡航控制［7］、輔助轉(zhuǎn)向、自動(dòng)變道構(gòu)成，可同時(shí)與車道輔助、防撞輔助、車速輔助等功能搭配使用。其中，主動(dòng)巡航控制可以自動(dòng)對(duì)車輛進(jìn)行縱向控制，簡(jiǎn)單來說就是開啟后系統(tǒng)接管了制動(dòng)器，但駕駛員仍然需要手動(dòng)控制方向盤。輔助轉(zhuǎn)向提供的自動(dòng)橫向控制，取代了手動(dòng)控制方向盤的操作。

4 總結(jié)

以太網(wǎng)總線技術(shù)是將來智能汽車電子電氣架構(gòu)研究的發(fā)展方向。同時(shí)，單一傳感器已經(jīng)無法滿足智能車輛高速發(fā)展的趨勢(shì)，因此，針對(duì)不同傳感器在空間及時(shí)間的多維數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定及數(shù)據(jù)融合，同時(shí)引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，更加豐富完善的電子電氣硬件系統(tǒng)架構(gòu)將是今后智能汽車研究的重點(diǎn)。