1. 工控机
自动驾驶公司早期的智驾系统为了进行算法的验证,常常用x86架构的工控机结合英伟达的桌面级GPU作为计算模块,但随着工程化的深入,工控机的功耗、稳定性、成本和功能都不再能满足开发需求,对于专用的自动驾驶计算平台的需求应运而生。
2. ECU
ECU是电子控制单元,也叫做“行车电脑”,是汽车专用的微机控制器,ECU和普通的单片机一样,由微控制器(MCU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成。ECU是包括微控制器和相关外围接器件的电路板的总称,是微控制器在汽车的应用系统。
汽车上多个ECU之间的数据交换是CAN总线连接起来的,通过它将整车的ECU形成一个网络系统 。但随着汽车电子化程度越来越高,尤其是自动驾驶、主动安全等功能的增加爱,ECU数量急剧增加,分散的ECU模块容易导致车辆线束布置复杂,车身越来越重,从而导致整车成本高昂;另一方面,由于涉及的供应商众多,ECU模块的软件开发始终无法同步,后续更新也难以为继。
2.1. MCU
微控制器(MCU)是汽车电子控制单元ECU的核心,是将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上的微型计算机。这样在一块芯片中集成了整个计算机系统,可以直接加简单的外围器件(电阻,电容)就可以运行代码了
2.2. ECU应用一览
现如今ECU已经成为汽车上最为常见的部件之一,依据功能的不同可以分为不同的类型。最常见的有如下几种ECU:
EMS(Engine Mangement System)发动机管理系统,应用在包括汽油机PFI(如上图)、GDI,柴油机,混合动力系统等,主要控制发动机的喷油、点火、扭矩分配等功能。
TCU(Transmision Control Unit)自动变速箱控制单元,常用于AMT、AT、DCT、CVT等自动变速器中,根据车辆的驾驶状态采用不同的档位策略。
BCM(Body Control Module)车身控制模块,主要控制车身电器,比如整车灯具、雨刮、洗涤、门锁、电动窗、天窗、电动后视镜、遥控等。
ESP(Electronic Stability Program)车身电子稳定控制系统,车身电子稳定控制系统。ESP可以使车辆在各种状况下保持最佳的稳定性,在转向过度或转向不足的情形下效果更加明显。ESP是博世公司的专门叫法,譬如日产的车辆行驶动力学调整系统VDC(Vehicle Dynamic Control ),丰田的车辆稳定控制系统VSC(Vehicle Stability Control),本田的车辆稳定性控制系统VSA(Vehicle Stability Assist Control),宝马的动态稳定控制系统DSC(Dynamic Stability Control)等。现如今很多中高端合资车、国产车都会配备这个模块。
BMS(Battery Management System)电池管理系统,顾名思义这个控制器是专门针对配备有动力电池的电动车或者混合动力车准备的。主要功能就是为了能够提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。
VCU(Vehicle Control Unit)整车控制器,用于混合动力/纯电动汽车动力系统的总成控制器,负责协调发动机、驱动电机、变速箱、动力电池等各部件的工作,提高新能源汽车的经济性、动力性、安全性并降低排放污染。
3. DCU
域控制器(Domain Control Unit)是把功能相近的多个传统ECU,集中到一个算力和资源都很强大的控制器里,这个控制器被称为域控制器,所以这里的域指的是功能域。每个传统ECU对应域控制器里的一个或多个应用程序,而控制执行器的底层驱动由域控制器统一管理。
DCU通常由一个或多个SoC、MCU、数据交换模块等部分组成,不同的模块之间通过总线连接。SoC主要负责复杂的逻辑和计算功能,MCU则负责安全功能、电源管理、温度电压监控等功能。数据交换模块则负责SoC、MCU之间以及与外部部分传感器、HMI、T-Box等的连接以及时间同步。现在很多自动驾驶域控制器有多个SoC,一方面可以分散不同的计算需求,获得更大的算力,另一方面不同的SoC可以互为backup,增强系统的安全性。
3.1. SOC
SoC(System on Chip的)称为系统级芯片,主要负责复杂的逻辑和计算功能,是自动驾驶计算平台中最为核心的部分。自动驾驶任务伴随着大量的计算,而不同的模块执行的计算具有不同的特点:决策规划模块往往有大量的基于规则的逻辑计算、感知模块则有很多图像处理和网络推理等单指令多数据的计算。单一计算芯片通常不能高效地处理所有类型的计算,例如CPU有复杂的指令预测和流水线机制,善于应对逻辑计算,但不善于应对单指令多数据的计算;而GPU则善于进行矩阵运算,不适合进行逻辑运算。因此自动驾驶SoC需要采用异构计算的形式,组合CPU、GPU以及一些特殊优化的FPGA、ASIC等。
一个SoC芯片除了计算单元(如CPU、GPU、DLA深度学习加速器、PVA可编程视觉加速器、ISP图像信号处理器、视频编解码器)之外,还会有缓存、I/O接口。而在一些车规级芯片中,还会预留安全岛,负责异常的捕获和处理。
除了算力指标,还有一个重要指标是功率(以及由此衍生的算力功率比)。现在市面上常见的智能驾驶SoC有英伟达的DRIVE Orin和Xavier、地平线的征程5、德州仪器的TDA4等。
3.2. DCU应用一览
动力域(Power Train)主要集合动力总成相关功能,负责动力总成的优化与控制,同时兼具电气智能故障诊断、智能节电、总线通信等功能。在新能源车中主要是指电驱和电控系统的集成化。其中,电驱系统的集成以三合一技术路线为主流,即将电机、电控(逆变器)与减速器集成为电驱桥。电控系统的集成则倾向多合一模块,通常将变压器、车载充电机、加热器等进行集成,甚至会将整车控制器(VCU)等包含在内。
底盘域(Chassis)主要负责具体的汽车行驶控制,需要对包括助力转向系统、车身稳定系统、电动刹车助力器、安全气囊控制系统等在内的系统进行统一的控制。与动力域类似,底盘域内所涉及的控制系统大多都具备较高的安全等级要求,需要符合 ASIL-D 安全等级(ASIL 系列中最高安全等级)。
车身域(Body/Comfort)主要负责车身功能的整体控制,本身技术门槛较低且单车价值量不高,其本质是在传统车身控制器(BCM)的基础上,集成了无钥匙启动系统(PEPS)、纹波防夹、空调控制系统等功能而成。此外,由于涉及安全等级较低,随着汽车 E/E 架构的进一步集中化,有望率先实现与智能座舱域的融合。
座舱域(Cockpit/Infotainment)主要负责汽车座舱电子系统功能,可融合传统的车载信息系统(仪表)和车载娱乐系统(IVI)等功能,同时集成驾驶员监控系统、360环视系统、AR HUD、行车记录仪和空调控制器等功能。其发展过程经历了由传统的“机械物理按键”到“中控液晶显示屏”,再到“中控+仪表盘一体化设计”的进程。
自动驾驶域(ADAS)承担了自动驾驶所需要的数据处理运算及判断能力,包括对毫米波雷达、摄像头、激光雷达、GPS、惯性导航等设备的数据处理工作,因此需要更强的AI算力以及算法的支持。同时,自动驾驶域控制器亦负责车辆在自动驾驶状态下底层核心数据、联网数据的安全保障工作,是推动自动驾驶迈向 L3 及以上更高等级的核心部件。