軟件框架使自動駕駛功能研發(fā)更流暢

SAE International 國際自動機工程師學會

Elektrobit 獨特的軟件框架可使自動駕駛功能的研發(fā)變得更加流暢。

自動代客停車是軟件框架的實際應用的一個例子。

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如今，增加功能性是大多數(shù)駕駛輔助（ADAS）功能，甚至包括SAE 1級至4級自動駕駛系統(tǒng)的研發(fā)趨勢，但這同時也會將讓車輛所處的軟件環(huán)境和相應的研發(fā)流程變得更加復雜。這是為什么？

簡單來說，這是因為隨著功能性的不斷增加，牽涉的 ECU 數(shù)量也會增加。由于現(xiàn)有功能和系統(tǒng)架構在設計之初大多并未考慮 SAE 3 級和 SAE 4 級自動駕駛的需求，因此，盡管各級自動駕駛系統(tǒng)在功能方面的重復性較高，但真正想要在不同級別系統(tǒng)之間實現(xiàn)功能模塊的復用卻并不容易，甚至是完全不可能的。

各代車型間的軟件模塊復用也有類似的問題，傳感器、促動器、融合模塊、功能模塊及控制模塊等，都必須從軟件和硬件角度進行重新整合。這些問題都會導致此類項目中功能復雜度的非線性增長。

模塊復用的挑戰(zhàn)還不止于此。比如，當涉及多方研發(fā)時，不同團隊之間的銜接和協(xié)調也會不可避免地產(chǎn)生額外開銷。此外，商業(yè)戰(zhàn)略方面的考慮也必不可少：自動駕駛系統(tǒng)離不開“環(huán)境模型”和“精準定位功能”等基礎軟件，但這些功能本質上很難實現(xiàn)差異化。因此，即便OEM推出各式各樣的駕駛輔助系統(tǒng)或操縱系統(tǒng)，但在環(huán)境模型和定位上，它們無法與競爭對手真正拉開差距。

但盡管如此，廠商仍需要不斷投入資源，對這些基礎模塊進行不斷完善，而這些資源本可以被用來開發(fā)差異性更高的組件，比如人機接口。這其實讓廠商陷入一種兩難境地：隨著 SAE 3 級或 SAE 4 級自動駕駛系統(tǒng)的推廣，駕駛員將駕駛任務交給汽車后將有大量時間使用 HMI 功能，因此 HMI 研發(fā)的重要性毋庸置疑。但與此同時，“環(huán)境模型”和“定位功能”等基礎模塊又對汽車廠商需要全權負責的車輛安全性和可靠性至關重要。正因如此，廠商也必須高度嚴肅對待安全性和可靠性問題，基礎模塊的完善不能忽略。

用于自動駕駛的 EB robinos框架的總體架構。

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使用軟件框架加速研發(fā)

在此背景之下，軟件框架應運而生。這種軟件框架可以被視為一組自動駕駛系統(tǒng)設計與開發(fā)的基本構件，可在自動駕駛系統(tǒng)研發(fā)中發(fā)揮顯著優(yōu)勢。Elektrobit 公司的 EB robins 即為這樣一種非常典型的軟件框架，其基本架構可見圖 2。

EB robins 參考架構可以支持 SAE 1 級到 SAE 4 級等全部自動駕駛級別，在未來 SAE 5 級自動駕駛解決方案的開發(fā)中也將發(fā)揮重要作用。當然，在 SAE 5 級自動駕駛解決方案的研發(fā)中，動態(tài)情景的數(shù)量將顯著增加，相應的系統(tǒng)和軟件架構也需要經(jīng)過重大改動。

這種軟件框架具有模塊化設計的特點，可以在最大范圍內實現(xiàn)靈活復用和規(guī)?；?。標準化的模塊和接口定義可以降低復雜開發(fā)項目的開銷。此外，這些軟件模塊在應用時并不區(qū)別具體的硬件和傳感器，因此可以輕松、快速地應用至不同廠商選擇的不同硬件平臺上。

正如上文所示，軟件框架的應用不受具體硬件影響，而且還可以支持一些類似傳感器融合等必要功能。這種標準化、模塊化的措施，不僅清晰定義了一種功能性的架構，并讓軟件之間、以及軟件和外部接口之間的開放交互成為可能。所以從這些方面考慮，軟件框架又可以進一步降低研發(fā)復雜度、投入和成本。

除了“環(huán)境模型”、“傳感器融合”和“精準定位”等基礎模塊，軟件框架還包括“安全檢測”等診斷模塊，可以對傳感器和軟件模塊進行不間斷監(jiān)測，確保其正常工作。此外，框架中的“監(jiān)管模塊”還可以管理算法冗余，監(jiān)督關鍵功能的執(zhí)行情況，比如在碰撞發(fā)生后檢查路線規(guī)劃情況，或檢查運動管理模塊的正常運行等。

自動駕駛汽車差異化功能和非差異化功能的研發(fā)對軟件框架的要求是不同的。對于差異化功能，廠商可能更愿意倚靠內部研發(fā)力量，并著重于品牌特有的外觀和體驗，而“環(huán)境模塊”等非差異化功能則更容易從標準化和規(guī)?；邪l(fā)中受益。通過軟件架構，研發(fā)人員可以在電腦上快速構建原型設計，并隨后在 Adaptive AUTOSAR 或 Linux 等環(huán)境中開始運行。

此外，設計人員還可以根據(jù)客戶需求，輕松增加/移除特定構件，真正利用最少的研發(fā)、應用和測試資源，實現(xiàn)軟件構件的復用。

環(huán)境模型由四個主要部分組成：對象融合，自由空間和障礙融合，道路融合和交通規(guī)則融合。

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供研發(fā)人員使用的模塊構件

全面了解各種特定功能模塊還可以協(xié)助研發(fā)人員更好地理解特定模塊構件的應用范圍和交互。

舉例而言，“環(huán)境模型”（如圖 3 所示）共包括 4 個主要組成部分?！澳繕巳诤稀笨苫诟鞣N追蹤邊界框模型（bounding box model），將雷達、激光雷達、攝像頭及更多傳感器捕捉的目標進行融合，從而更加完整地進行目標描述，提供包括目標相對位置、尺寸、活動、分類（比如車輛、自行車、行人）等各類信息。

“空地和障礙物融合”則主要基于一種多邊曲線，描述車輛周圍的空地及欄桿和交通信號燈等靜態(tài)障礙物。出于這個目的，“空地和障礙物融合”模型主要使用環(huán)境傳感器提供的原始和建模數(shù)據(jù)，確定車輛可選的行駛路線?！暗缆啡诤稀眲t可以利用攝像頭信號（識別的道路標記）和“空地和障礙物融合”信息（道路靜止設施等），確定道路的幾何形狀。此外，“道路融合”還可以結合道路移動目標軌跡信息和數(shù)字地圖數(shù)據(jù)，更加全面地描繪道路的幾何形狀。

“交通規(guī)則融合”則可以處理從攝像頭或數(shù)字地圖獲得的交通標志、信號燈、人行橫道等信息，并輸出類似限速標準、禁止通信或先行通過等規(guī)則信息。

“環(huán)境模型”采用模塊化設計且支持升級，可以靈活應用至從基礎 SAE 1 級到先進 SAE 3 或 SAE 4 級自動駕駛系統(tǒng)（圖4）。大多數(shù)情況下，“環(huán)境模型”的應用僅需適配傳感器等少量硬件設備，即可在不同系統(tǒng)中進行實現(xiàn)。

“定位模塊”的工作則與“環(huán)境模塊”緊密相關，該模塊可基于測距法、回轉儀、加速表和 GPS 信號，提供非常準確的車輛位置和軌跡信息，因此也是所有基于“地理位置”功能的基礎，比如路線規(guī)劃和自動停車等。此外，“定位模塊”還可以為車間通信、車載通話和導航等應用提供必需的位置信息。

“外推組件”也是“定位模塊”的另一個重要組成部分，可以基于車輛的當下運動情況，預估車輛的未來位置，在一定程度上對“融合功能”等其他應用進行補充，從而避免延遲可能帶來的影響。此外，系統(tǒng)中還有一個“電子地平線模塊”，可針對前方道路，為預測性的駕駛員輔助功能提供高度準確的實時信息。這也將促進過彎超速預警、自適應彎道照明、交通標志顯示、里程判斷、道路跟隨、節(jié)油駕駛等功能的集成，并為一些 SAE 3 級和 SAE 4 級自動駕駛功能提供更多有用信息。

軟件框架中的各類構件，通常都是在基于多工處理控制器的車輛網(wǎng)絡架構上工作。Elektrobit 公司 EB corbo 軟件套裝集成了運行多工處理控制器的所有必備元素，可以進行安全快速的高性能運算，且能提供運行環(huán)境、軟件功能和一些內置安全功能。該套裝專門設計了一個非常高效的管理程序，可支持多操作系統(tǒng)的運行，比如針對自適應應用的AUTOSAR Runtime (簡稱AUTOSAR Adaptive) 或 Linux 操作系統(tǒng)。

該框架還允許從1級功能升級到更高級的3級或4級功能。

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自動駕駛級別的進化及相應的標準化

為了促進現(xiàn)有系統(tǒng)架構中的集成，EB robinos 自動駕駛軟件架構還包含一款軟件工具鏈，可在項目的前期調研、預先設計、概念構設、實際研發(fā)和最終量產(chǎn)等不同研發(fā)測試階段，輕松進行軟件模塊的配置和適配。

這種集中式功能框架支持各類以服務為導向的安全項目研發(fā)，也可以用于研發(fā)人員的培訓。采用模塊化功能設計，可支持 SAE 1 級到 SAE 4 級自動駕駛系統(tǒng)，還能在車輛功能與設計提升方面發(fā)揮明顯作用。此外，值得一提的是，為了真正實現(xiàn)靈活集成，行業(yè)內必須形成一套通用的標準接口定義，用于軟件架構中不同功能模塊之間，以及與外部模塊的通信與交互。

值得高興的是，汽車行業(yè)已開始進行多項旨在建立明確標準化的接口定義與規(guī)格的工作。Elektrobit 公司也一直積極配合相關標準化組織的工作，長期致力于相關標準的建立。

軟件框架的進一步推廣，有助于研發(fā)人員和廠商縮短產(chǎn)品上市時間，推動非差異化組件的規(guī)?；幚?，顯著降低研發(fā)復雜度、投入和成本，從而提高品牌競爭力，在保證 SAE 5 級駕駛功能的基礎上，為消費者提供更多更好的功能。