徐磊
摘 要:汽車電氣化、智能化的發(fā)展,帶來智能座艙Cockpit和輔助駕駛ADAS域控制器電子電氣架構的變化。高階座艙域控制器系統(tǒng)對硬件平臺芯片及接口資源、軟件系統(tǒng)、多模態(tài)交互方式等提出更高的要求。本文根據(jù)高通SA8295車規(guī)級芯片主要特性和座艙應用要求,設計出智能座艙系統(tǒng)平臺的軟硬件架構及其功能,結合實際應用場景詳細研究分析各功能模塊。
關鍵詞:智能化 智能座艙 域控制器系統(tǒng) 設計研究
1 引言
車載座艙系統(tǒng)在電氣化及智能化的發(fā)展背景下,功能越來越豐富。消費類電子設備,尤其是智能手機和移動平板設備的發(fā)展,給用戶帶來思維方式和生活習慣的改變。相較于傳統(tǒng)封閉式車載電子系統(tǒng),汽車座艙系統(tǒng)也將會被消費類電子帶來的變化所影響,如傳統(tǒng)座艙的導航、音響娛樂、電話、燈光、空調(diào)控制等功能需求變化。傳統(tǒng)車廠及零部件供應商被迫思考從根本上轉(zhuǎn)型,如何改變座艙系統(tǒng)現(xiàn)有的封閉落后狀況,順應行業(yè)趨勢發(fā)展,利用智能汽車載體設計出更符合用戶需求和習慣的智能座艙系統(tǒng),成為行業(yè)面臨的課題。
2 座艙行業(yè)狀況
汽車座艙的發(fā)展有三個清晰的方向,分別是汽車硬件電子化、汽車控制系統(tǒng)集成化和座艙環(huán)境舒適化。為推進這三個方向,座艙硬件、座艙控制系統(tǒng)、座艙駕駛輔助設備的不斷涌現(xiàn),就是智能座艙在今天和未來的發(fā)展方向。
汽車“新四化”[1]的快速發(fā)展背景下,大量相同功能的ECU重新整合,交由域控制器進行統(tǒng)一管理調(diào)度,汽車電子電氣架構從分布式邁向當前域集中式,再到未來的中央集中式電氣架構,整體呈現(xiàn)快速演進態(tài)勢。
隨著整車E/E架構集中化升級,智能座艙未來會經(jīng)歷四個發(fā)展趨勢:
● 電子座艙:主要在基礎技術層面,將汽車EE架構域內(nèi)整合、系統(tǒng)分層,決定汽車新的軟硬件定義方法。
● 智能助理:提升車輛內(nèi)部感知能力,駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)、抬頭顯示系統(tǒng)(HUD)等。
● 人機共駕:車內(nèi)與車外感知相結合,車輛支持自主或半自主決策,主動感知需求,向人提供服務。
● 第三生活空間:車輛場景生活化、豐富化(出行規(guī)劃、主動訂餐、自動停泊車/尋車+充電、智能內(nèi)容推送、影音/游戲娛樂、自動支付等),車內(nèi)體驗線上/下無縫聯(lián)動的空間體驗。
3 智能座艙系統(tǒng)資源
目前主流的智能座艙系統(tǒng)主要構成可以分為三部分:硬件(座艙芯片、電子后視鏡、HUD等)、軟件、多模態(tài)交互(觸覺、聽覺、視覺、生物識別)。
3.1 智能座艙硬件
傳統(tǒng)汽車ECU安裝數(shù)量多達200,且不便控制。在集中式E/E架構趨勢下,新增的域控制器集成了更多的功能。主控芯片會用到高算力、高帶寬、多接口資源能力的SoC芯片,替代傳統(tǒng)的MCU。單SoC能減少域控制器內(nèi)部算力冗余,將多應用共用一套硬件設備。集中式架構SoC應用,能完成高實時性的統(tǒng)一交互,減少ECU硬件數(shù)量和成本等總需求,增加用戶汽車體驗舒適度。
電子后視鏡通過車輛攝像頭的視角,實時拍攝車輛外部畫面,能將無損、無延遲的畫面在中央后視鏡顯示屏真實呈現(xiàn)出來。相比于傳統(tǒng)玻璃后視鏡,能減少視覺盲區(qū),提高夜間畫面清晰度。目前流媒體后視鏡通過車輛后置攝像頭,實時拍攝車輛后方的畫面;
車內(nèi)電子后視鏡通過后視鏡側(cè)視攝像頭,將感知到的外部數(shù)據(jù),實時傳輸?shù)桨惭b在A柱和門把手間的屏幕進行顯示。
HUD抬頭顯示儀,基本原理為將重要信息光源通過反射映照在顯示板或前擋風玻璃上。駕駛員不必低頭就可以看清重要汽車信息,且不遮擋視野,極大的提升了駕駛過程的行車安全和交互便利。HUD投影成像技術有三種:C-HUD將信息鏡像到透明面板上;
W-HUD將信息直接顯示在擋風玻璃上,駕駛員看到的是虛擬圖像,通常距離駕駛員的眼睛約2米;
AR-HUD,具有數(shù)據(jù)融合和圖像處理功能,可將圖像精確地繪制到道路上向駕駛員導航。
3.2 智能座艙軟件
在軟件定義汽車的大趨勢下,座艙操作系統(tǒng)(Operating System,OS)指控制和管理計算設備的硬件和軟件資源[2]的窗口,是實現(xiàn)傳統(tǒng)汽車向智能化升級的關鍵。座艙域控制器操作系統(tǒng)包括QNX、Linux、Android,通過Hypervisor虛擬機模擬完整的硬件系統(tǒng)功能,運行在一個完全隔離環(huán)境的計算機系統(tǒng)中。域控制器底層OS在虛擬環(huán)境下,靈活調(diào)度CPU、內(nèi)存和I/O等硬件資源,實現(xiàn)多操作系統(tǒng)在虛擬機的協(xié)調(diào)下單元整合與算力共享。
OTA遠程在線升級,通過網(wǎng)絡下載升級包對車輛自動升級。OTA分兩種,SOTA:遠程給汽車軟件系統(tǒng)升級和完善,主要服務于車載信息和娛樂系統(tǒng)。FOTA:遠程給汽車固件系統(tǒng)升級和完善,主要服務于自動駕駛、車身控制和動力系統(tǒng)。OTA是汽車在全生命周期中實現(xiàn)軟件及功能更新的重要途徑。座艙系統(tǒng)虛擬化后,OTA能為車機安全、軟件提供漏洞補丁并導入新功能,用戶可在任何有網(wǎng)絡的地方,對車輛升級。目前可OTA升級的座艙系統(tǒng)包含:中控屏界面、操作按鈕、娛樂系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、油門踏板力度等。
3.3 智能座艙多模態(tài)交互
多模態(tài)人機交互[3]利用AI技術和傳感器配合,完成自動駕駛輔助安全功能和提升座艙多模互動便利。交互方式有觸覺、聽覺、視覺、生物識別等技術特征。
觸覺技術包括實體按鍵和屏幕觸控等。座艙多屏化、大屏化[4]使得觸控范圍同步在擴大,如從前排屏擴展到后排屏同步觸控和異步多點觸控等,這加速了車端座艙智能化的步伐,讓艙內(nèi)體驗環(huán)境更豐富。
語音交互從過去的被動式向當下的主動式演進,再到未來主動交互+情感式陪伴等組合方式,終極目標是替代用戶完成所有車內(nèi)需要動手的操作。語音軟件在座艙語音交互技術中扮演重要角色,通過精準的座艙語音助手和算法處理能力,完成聲源定位、語義理解、單句多任務等功能。艙內(nèi)場景如聲源定位,后排左邊乘客發(fā)出語音指令“打開天窗”,就能實現(xiàn)精準定位,打開天窗。語義理解能憑借粗略描述精準反饋結果,同時車端互動配置情感色彩。單句多任務打破原先“一句一操”的呆板互動,變成從關上車窗、打開空調(diào)、導航的一次性連貫性操作。
視覺是基于面部和手勢識別大量應用座艙內(nèi)。面部識別以DMS為主,系統(tǒng)基于攝像頭和近紅外技術,檢測駕駛員凝視方向、打哈欠和頭部運動、閉眼、疲勞及其他異常駕駛等狀態(tài)。若出現(xiàn)情況,及時啟用語音燈光警示駕駛員,防范駕駛嚴重事故。手勢識別在座艙場景中,補充交互模態(tài)上車,應用于多媒體切換、音量控制、接電話、燈光控制等;
在ADAS方面,基于車外視覺感知功能,實現(xiàn)車輛停泊車、召喚、啟動等功能。
生物識別技術主要有指紋、虹膜/眼球追蹤、靜脈/心率等。應用場景包括,用戶ID記錄、車內(nèi)支付;
車載健康概念;
增強DMS/OMS等艙內(nèi)監(jiān)控精度,未來可能應用在意圖預測、主動推薦方面等。
4 高通SA8295芯片資源
汽車智能化電子電氣架構的發(fā)展,給SoC芯片原廠帶來“減重降本”、“智能網(wǎng)聯(lián)化”、“快速迭代”、“商業(yè)模式顛覆”等四大方面的機遇和挑戰(zhàn)。基于E/EA電子電氣架構的演變,高通近些年在智能座艙SoC芯片領域也做了提升變化,見圖1。
SoC芯片端高通對性能是有質(zhì)的提升,目前市場主要應用7nm的SA8155P平臺。2023年第三季度,高通SA8295量產(chǎn),且已經(jīng)得到很多國內(nèi)外車廠的廣泛定點。
5 高通SA8295智能座艙域控制器系統(tǒng)軟硬件設計與實現(xiàn)
根據(jù)高通SA8295的芯片資源,結合整車對于連接器、電源、信號、通信各方面的要求,對智能座艙域控制器進行系統(tǒng)設計。域控制器系統(tǒng)硬件架構圖如下圖2所示。
5.1 高通SA8295座艙域控制器系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案
結合上述座艙硬件架構系統(tǒng)平臺,本文基于高通SA8295智能座艙域控制器系統(tǒng)平臺設計方案多元化配置。
音頻模塊主要依賴于功放系統(tǒng)模塊來發(fā)聲,達到滿意音頻效果。高通SA8295座艙SoC自帶音頻aDSP處理音效,其集成度高、價格和軟件開發(fā)成本優(yōu)勢明顯,音頻處理實時性更高(延時極低),加上軟件配置特殊算法如ANC主動降噪、3D環(huán)繞等音效;
豐富的音頻接口,能靈活支持外置功放和內(nèi)置功放,能讓音頻效果通過A2B接口發(fā)揮更多的想象和處理空間。主流產(chǎn)品使用外置功放,其優(yōu)點高功率輸出、通道數(shù)多。另外,音頻模塊能集中對AM/FM發(fā)聲,讓硬件開發(fā)難度降低,實現(xiàn)個性化配置。
視頻輸入單元支持360°攝像頭環(huán)視感知與融合,經(jīng)內(nèi)部高吞吐AI引擎處理后,供屏幕單元顯示。視頻輸出支持中控/儀表屏、AR-HUD、后座顯示器RSE、電子后視鏡e-Mirror和車內(nèi)DMS/OMS等。高通SA8295平臺提供的攝像頭MIPI CSI和屏幕DSI、DP、eDP接口,通過串行器和解串器芯片,支持主流的GSML和FPD-Link接口協(xié)議,完成攝像頭傳感器端和屏幕端的互聯(lián)和數(shù)據(jù)鏈路傳輸,實現(xiàn)環(huán)視數(shù)據(jù)融合在座艙中。
本座艙系統(tǒng)平臺硬件搭載符合功能安全ASIL等級MCU,確保座艙內(nèi)車控車設及駕駛員安全狀態(tài)的同時,也提供豐富通訊接口。低速通訊接口以傳統(tǒng)的LIN總線為主,能滿足車機內(nèi)大部分車控車設、車燈預警、雨量雨刮控制等功能應用;
MCU也支持CAN/CAN FD總線,最高達5Mbps帶寬數(shù)據(jù)傳輸,可實現(xiàn)多控制器信息互聯(lián)通訊和數(shù)據(jù)傳輸。
整機系統(tǒng)平臺通訊單元支持以太網(wǎng)MAC接口,通過外置的PHY和Switch完成高速、實時數(shù)據(jù)通訊,數(shù)據(jù)帶寬最高達SERDES級別,其應用端可接高精度雷達和高速互聯(lián)模塊,完成高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)取O到y(tǒng)配置高性能BT&WiFi、USB接口設備,確保艙內(nèi)復雜環(huán)境下,高數(shù)據(jù)帶寬的有線和無線傳輸,車端應用主要集中在娛樂,如聽音樂、觀影、打電子游戲和AR/VR眼鏡。
高通SA8295系統(tǒng)平臺硬件實物如下圖3。
5.2 高通SA8295座艙域控制器系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案
座艙平臺符合主流的SOA軟件設計,軟件系統(tǒng),如信息安全域、儀表盤和IVI系統(tǒng)等,用戶狀態(tài)軟件選用功能安全等級較高的OS、QNX、Linux等操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境,確保車機整體安全狀態(tài)。這些系統(tǒng)協(xié)同在同一個虛擬機監(jiān)視器Hypervisor[5]下運行。車控車設外掛的MCU在AutoSAR操作系統(tǒng)下,完成各個接口模塊高實時、高安全性、高穩(wěn)定性通訊任務。SA8295智能座艙系統(tǒng)平臺軟件架構如下圖4所示。
系統(tǒng)支持Andriod開發(fā),用戶可靈活地選擇使用不同的應用程序,來滿足自己的需求。根據(jù)自己的喜好進行自定義和個性化設置,如主題、桌面、鍵盤等可以隨意更換。這也是高通平臺主打娛樂系統(tǒng)的亮點。
6 結語
智能座艙是汽車智能化時代研究的重點,其受車規(guī)芯片SoC性能、接口資源及操作系統(tǒng)軟件影響。本文結合新形勢下座艙發(fā)展和電子電氣架構演變,介紹了座艙的發(fā)展情況和應用技術要點;
基于高通SA8295系統(tǒng)平臺,設計出智能座艙域控制器;
并重點介紹座艙域控制器平臺硬件軟硬件架構,同時重點闡述架構平臺的系統(tǒng)資源和功能作用。系統(tǒng)平臺擴大了座艙的功能范圍,豐富了感知融合實現(xiàn)方式,有助于座艙智能化科技體驗。
參考文獻:
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