詳解自動(dòng)駕駛的五大域控制器技術(shù)

隨著汽車(chē)智能化，網(wǎng)聯(lián)化的滲透與普及，汽車(chē)電子電氣零部件占汽車(chē)的比重也逐漸提高。高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)，車(chē)載多媒體娛樂(lè)系統(tǒng)等逐漸成為消費(fèi)者關(guān)注且左右購(gòu)買(mǎi)決策的功能配置。越發(fā)復(fù)雜的系統(tǒng)對(duì)傳感器、電子控制器（Electronic Control Unit， ECU）的數(shù)量有了需求，如自動(dòng)駕駛的攝像頭，毫米波雷達(dá)，多媒體娛樂(lè)系統(tǒng)的副駕駛娛樂(lè)屏幕，HUD 抬頭顯示系統(tǒng)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)的 ECM 模塊、管理新能源汽車(chē)電池的 BMS 模塊以及用于 360 度環(huán)視影像融合計(jì)算的 AVM 模塊等等。據(jù)焉知汽車(chē)數(shù)據(jù)，一輛現(xiàn)代豪華汽車(chē)中通常包含了70到100個(gè)ECU。

傳統(tǒng)的分布式電子電氣架構(gòu)（Electrical/Electronic Architecture， EEA）由于其：1. 算力分散無(wú)法高效利用 ；2. 線束成本重量劣勢(shì)；3. 無(wú)法支持高帶寬車(chē)內(nèi)通信；4. 后續(xù)升級(jí)維護(hù)困難等多維度原因，已無(wú)法滿足發(fā)展需求。集中式電子電氣架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，并且在未來(lái)最終會(huì)走向中央計(jì)算平臺(tái)的形式。

1、 算力分散無(wú)法高效利用。

分布式架構(gòu)下汽車(chē)搭載數(shù)十個(gè)控制器，且為保證性能穩(wěn)定性及安全性，每個(gè)控制器芯片硬件算力相對(duì)其上運(yùn)行的程序都有所冗余。這就導(dǎo)致從整車(chē)維度，各個(gè)控制器的能力“各自為政”，無(wú)法高效協(xié)同。反之在集中式電子電氣架構(gòu)下算力在行車(chē)時(shí)為輔助駕駛服務(wù)，在駐車(chē)休息時(shí)可為車(chē)載游戲提供運(yùn)行算力。

2、 線束成本及重量劣勢(shì)。

龐大的 ECU 數(shù)量同樣意味著復(fù)雜、冗長(zhǎng)的總線線束。據(jù)電子工程世界網(wǎng)數(shù)據(jù)，一輛高級(jí)汽車(chē)的線束使用量約 2km，重量在 20~30kg。在線束中，線纜材料本身重量占到線束總重量的 75%左右。集中式的電子電氣架構(gòu)以及域控制器的引入，可極大的縮短線束的使用量。

3、 無(wú)法支持高帶寬車(chē)內(nèi)通信。

分布式 ECU 時(shí)代，計(jì)算和控制的核心是 MCU 芯片，傳輸?shù)幕A(chǔ)核心是基于傳統(tǒng)的 CAN、LIN 和 FlexRay 等低速總線。隨著 ECU的不斷增多，導(dǎo)致總線負(fù)載增加，基本上達(dá)到允許的上限了，這樣容易導(dǎo)致信號(hào)丟幀、總線堵塞等技術(shù)難題，從而導(dǎo)致安全隱患。但在域控制器時(shí)代，高性能、高集成度的異構(gòu)芯片作為域的主控處理器，域內(nèi)統(tǒng)一調(diào)度控制，域外通過(guò)以太網(wǎng)等進(jìn)行高速通信。目前百兆和千兆的以太網(wǎng)已在多款新車(chē)型上得到應(yīng)用。車(chē)載以太網(wǎng)每節(jié)點(diǎn)實(shí)施成本高于 CAN 、 LIN，與 FlexRay 相當(dāng)。在未來(lái)，數(shù)據(jù)傳輸速度的制約將使得車(chē)載以太網(wǎng)替代傳統(tǒng)總線成為必然。

4、 系統(tǒng)集成及 OTA 維護(hù)困難。

各個(gè) ECU 開(kāi)發(fā)主要由各 Tier1 提供主機(jī)廠，主機(jī)廠由內(nèi)部團(tuán)隊(duì)進(jìn)行集成整合。對(duì)主機(jī)廠集成開(kāi)發(fā)能力，供應(yīng)商管理能力提出了很高的挑戰(zhàn)。此外，分布式的架構(gòu)零散的 ECU 布局也難以支持車(chē)載軟件在線升級(jí)（OTA），從而加大了軟件后期維護(hù)迭代的難度。目前，OTA 已經(jīng)從部分新勢(shì)力車(chē)企的獨(dú)門(mén)絕技，逐漸大眾化，各個(gè)車(chē)企的更新迭代頻率也在快速提升。據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局披露的數(shù)據(jù)，2021 年各大車(chē)企報(bào)告 OTA 升級(jí) 351 次，較 2020 年同期上升了 55%，而涉及到的車(chē)輛達(dá)到 3424 萬(wàn)輛之巨，更是較 2020 年同期暴增了307%。

傳統(tǒng)汽車(chē)的電子電氣架構(gòu)一般采用分布式，其控制中樞由電子控制單元ECU通過(guò)CAN總線和LIN總線連接，在傳感器、電源及通信芯片、執(zhí)行器等零部件的配合下，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)狀態(tài)與功能的操控。每個(gè)控制系統(tǒng)采用單獨(dú)的 ECU，不同的電控系統(tǒng)功能保持獨(dú)立性，每增加一個(gè)功能就需要增加一個(gè) ECU，因此傳統(tǒng)汽車(chē)智能功能的增加和升級(jí)主要依賴于 ECU 和傳感器數(shù)量的累加。

在電子化和智能化發(fā)展的需要下，傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)逐漸進(jìn)化為域集中式架構(gòu)，“域”和“域控制器”產(chǎn)生。域控制器最早由博世、大陸、德?tīng)柛５?Tier1廠商提出，通過(guò)利用處理能力更強(qiáng)的多核 CPU/GPU 芯片，引入以太網(wǎng)并將分散的 ECU 集成為運(yùn)算能力更強(qiáng)的域控制器來(lái)相對(duì)集中地控制每個(gè)域，從而解決分布式架構(gòu)存在的成本、算力等局限性。

域集中式架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)主要包括：

1）域集中式架構(gòu)可以節(jié)約成本、降低裝配難度。在分布式架構(gòu)中，隨著 ECU 數(shù)量增加產(chǎn)生的大量?jī)?nèi)部通信需求，導(dǎo)致線束成本增加并加大裝配難度；而域集中式架構(gòu)將傳感與處理分開(kāi)，傳感器和 ECU 不再一對(duì)一，管理更便捷，有效減少了 ECU 和線束的數(shù)量，從而降低硬件成本和人工安裝成本，同時(shí)更有利于部件布局。

2）域集中式架構(gòu)可以提高通信效率，實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，便于整車(chē) OTA 升級(jí)。分布式架構(gòu)中，來(lái)自不同供應(yīng)商的 ECU 的軟件開(kāi)發(fā)框架和底層代碼不同，導(dǎo)致冗余，并提高維護(hù)和 OTA 統(tǒng)一升級(jí)難度；而域集中式架構(gòu)做到對(duì)各 ECU 進(jìn)行統(tǒng)一管理與信息交互，統(tǒng)一軟件底層開(kāi)發(fā)框架，從而便于未來(lái)的 OTA 升級(jí)和拓展功能的實(shí)現(xiàn)。

3）域集中式架構(gòu)能進(jìn)一步集中算力，減少冗余。分布式架構(gòu)中的各個(gè) ECU 之間算力無(wú)法協(xié)同，相互冗余，產(chǎn)生極大浪費(fèi)。而域控制架構(gòu)將原本分散的 ECU 進(jìn)行算力集中，統(tǒng)一處理數(shù)據(jù)，減少算力冗余，更能滿足高階自動(dòng)駕駛對(duì)于算力的高要求。

基于功能集中分區(qū)，博世等傳統(tǒng) Tier1將汽車(chē)電子控制系統(tǒng)分為動(dòng)力域（安全）、底盤(pán)域（車(chē)輛運(yùn)動(dòng)）、座艙域（娛樂(lè)信息）、自動(dòng)駕駛域（駕駛輔助）和車(chē)身域（車(chē)身電子）五域。

動(dòng)力域用于動(dòng)力總成的優(yōu)化與控制，同時(shí)兼具電氣智能故障診斷、智能節(jié)電、總線通信等功能。動(dòng)力域控制器是一種智能化的動(dòng)力總成管理單元，借助 CAN/FLEXRAY 實(shí)現(xiàn)變速器管理，引整管理電池監(jiān)控交流發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)。其優(yōu)勢(shì)在于為多種動(dòng)力系統(tǒng)單元（內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)、電池、變速箱）計(jì)算和分配扭矩、通過(guò)預(yù)判駕駛策略實(shí)現(xiàn) CO2減排、通信網(wǎng)關(guān)等，主要用于動(dòng)力總成的優(yōu)化與控制，同時(shí)兼具電氣智能故障診斷、智能節(jié)電、總線通信等功能。

底盤(pán)域?qū)⒓烧?chē)制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸架等車(chē)輛橫向、縱向、垂向相關(guān)的控制功能，實(shí)現(xiàn)一體化控制。傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)把發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)輪，可以分為機(jī)械式、液力式和電力等；行駛系統(tǒng)把汽車(chē)各個(gè)部分連成一個(gè)整體并對(duì)全車(chē)起支承作用；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保證汽車(chē)能按駕駛員的意愿進(jìn)行直線或轉(zhuǎn)向行駛；制動(dòng)系統(tǒng)迫使路面在汽車(chē)車(chē)輪上施加一定的與汽車(chē)行駛方向相反的外力，對(duì)汽車(chē)進(jìn)行一定程度的強(qiáng)制制動(dòng)，其功能是減速停車(chē)、駐車(chē)制動(dòng)。底盤(pán)域可在傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)以及制動(dòng)系統(tǒng)中集成多種功能，較為常見(jiàn)的有空氣彈簧的控制、懸架阻尼器的控制、后輪轉(zhuǎn)向功能、電子穩(wěn)定桿功能、轉(zhuǎn)向柱位置控制功能等。若提前預(yù)留足夠的算力，底盤(pán)域?qū)⒓烧?chē)制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸架等車(chē)輛橫向、縱向、垂向相關(guān)的控制功能，實(shí)現(xiàn)一體化控制。實(shí)現(xiàn)底盤(pán)域的功能，需要實(shí)現(xiàn)底盤(pán)域驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向算法的集成。

智能座艙域?qū)?HUD（抬頭顯示）、儀表、車(chē)載信息娛樂(lè)等座艙電子集成，實(shí)現(xiàn)“一芯多屏”。智能座艙的構(gòu)成部件主要包括全液晶儀表、大屏中控系統(tǒng)、車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)、抬頭顯示系統(tǒng)、流媒體后視鏡等，座艙域控制器通過(guò)以太網(wǎng)/MOST/CAN，實(shí)現(xiàn)抬頭顯示、儀表盤(pán)、導(dǎo)航等部件的融合，不僅具有傳統(tǒng)座艙電子部件，還進(jìn)一步整合智能駕駛ADAS 系統(tǒng)和車(chē)聯(lián)網(wǎng) V2X 系統(tǒng)，從而進(jìn)一步優(yōu)化智能駕駛、車(chē)載互聯(lián)、信息娛樂(lè)等功能。智能座艙域可以實(shí)現(xiàn)“獨(dú)立感知”和“交互方式升級(jí)”。一方面，車(chē)輛具有“感知”人的能力。另一方面，車(chē)內(nèi)交互方式從僅有“物理按鍵交互”升級(jí)至“觸屏交互”、“語(yǔ)音交互”、“手勢(shì)交互”并存的狀態(tài)，體驗(yàn)感更好。

自動(dòng)駕駛域能夠使車(chē)輛具備多傳感器融合、定位、路徑規(guī)劃、決策控制、圖像識(shí)別、高速通訊、數(shù)據(jù)處理的能力。自動(dòng)駕駛域通常需要外接多個(gè)攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等等車(chē)載傳感器來(lái)感知周?chē)h(huán)境，通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)處理及多傳感器信息融合，以及適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｐ椭贫ㄏ鄳?yīng)的策略，進(jìn)行決策與規(guī)劃。域控制器的輸入為各項(xiàng)傳感器的數(shù)據(jù)，所進(jìn)行的算法處理涵蓋了感知、決策、控制三個(gè)層面，最終將輸出傳送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行車(chē)輛的橫縱向控制。自動(dòng)駕駛域所集成的功能基本不涉及機(jī)械部件，且與座艙域交互密切，并和智能座艙域一樣需要處理大量數(shù)據(jù)，對(duì)算力要求較高，因此需要匹配核心運(yùn)算力強(qiáng)的芯片，來(lái)滿足自動(dòng)駕駛的算力需求，簡(jiǎn)化設(shè)備，大大提高系統(tǒng)的集成度。

車(chē)身域?qū)⒓蓚鹘y(tǒng) BCM 功能和空調(diào)風(fēng)門(mén)控制、胎壓監(jiān)測(cè)、PEPS、網(wǎng)關(guān)等功能，未來(lái)率先與智能座艙域融合。傳統(tǒng)的車(chē)身控制器（BCM）功能主要包括內(nèi)/外部車(chē)燈、雨刮、車(chē)窗、車(chē)門(mén)、電子轉(zhuǎn)向鎖等的控制，通過(guò)CAN/LIN與各個(gè)小節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，節(jié)點(diǎn)較多，線束設(shè)計(jì)、軟件控制邏輯均較復(fù)雜。而車(chē)身域控制器對(duì)車(chē)身節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了功能和零部件的集成，對(duì)于各個(gè)車(chē)身電子進(jìn)行集中控制，對(duì)采集到的信息進(jìn)行統(tǒng)一的分析和處理，效率更高；技術(shù)上，車(chē)身域控制器要求傳統(tǒng) BCM 開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)、硬件集成能力、軟件架構(gòu)能力、芯片保供能力，未來(lái)將集成網(wǎng)關(guān)以及一些低等級(jí) ADAS 功能，并率先與智能座艙域?qū)崿F(xiàn)融合。

其中，智能座艙域、自動(dòng)駕駛域是現(xiàn)階段承載整車(chē)個(gè)性化智能體驗(yàn)的關(guān)鍵所在，也是目前車(chē)企的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)和布局重點(diǎn)。這兩個(gè)域最能在整車(chē)端體現(xiàn)品牌的智能化差異，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)功能系統(tǒng)供應(yīng)鏈依賴度小；在現(xiàn)階段迭代最快，其功能開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)需要涉及大量AI 運(yùn)算，因此對(duì)芯片所提供算力、操作系統(tǒng)底層算法要求很高；而其他域控制器涉及整車(chē)安全的部件較多，因此對(duì)功能安全等級(jí)要求更高，對(duì)芯片算力要求和功能智能化程度相對(duì)較低。

從供應(yīng)端來(lái)看，在汽車(chē)整體分布式架構(gòu)集中化的進(jìn)程中，由中控系統(tǒng)升級(jí)而來(lái)的智能座艙域與新興的自動(dòng)駕駛域的供應(yīng)體系較為完整；而其他域則是對(duì)傳統(tǒng)功能系統(tǒng)的進(jìn)一步集成，涉及的供應(yīng)商繁多，更容易產(chǎn)生利益沖突，且隨著電子模組件實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)后的降價(jià)趨勢(shì)，未來(lái)價(jià)值增量有限。未來(lái)，底盤(pán)域、動(dòng)力域、車(chē)身域有望進(jìn)一步集成，按照車(chē)身區(qū)域進(jìn)行“區(qū)域域”集成，向車(chē)輛集中式架構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，域控制器主要由硬件（主控芯片和元器件等）和軟件（底層基礎(chǔ)軟件、中間件以及上層應(yīng)用算法）構(gòu)成，其功能的實(shí)現(xiàn)主要來(lái)自于主控芯片、軟件操作系統(tǒng)及中間件、應(yīng)用算法軟件等多層次軟硬件之間的有機(jī)結(jié)合。

1）域控制器硬件主要包括主控芯片、PCB 板、電阻電容等無(wú)源元器件、射頻元器件、支架、散熱組件、密封性金屬外殼等部分，其中主控芯片是核心部件。

目前來(lái)看，對(duì)算力要求較高的智能座艙域和自動(dòng)駕駛域所使用的主控芯片普遍由提供控車(chē)功能的MCU 芯片和包括中央處理器 CPU、圖像處理器 GPU、音頻處理器 DSP、深度學(xué)習(xí)加速單元 NPU、圖像信號(hào)處理器 ISP、應(yīng)用型專(zhuān)用集成芯片 ASIC、半定制電路芯片 FPGA 等部件的 SoC 芯片來(lái)共同提供所需算力，以支撐各種場(chǎng)景下的硬件加速需求。而底盤(pán)域、車(chē)身域、動(dòng)力域由于相對(duì)較低的算力要求和成本考量，其主控芯片仍然多為較為傳統(tǒng)的MCU 芯片。預(yù)計(jì)主控芯片的未來(lái)趨勢(shì)會(huì)走向單獨(dú)使用更高算力的 SoC 芯片。

2）軟件主要包括底層操作系統(tǒng)、中間件和開(kāi)發(fā)框架、上層應(yīng)用軟件層。底層操作系統(tǒng)包括基礎(chǔ)汽車(chē)操作系統(tǒng)、定制操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)、系統(tǒng)內(nèi)核等。

中間層和開(kāi)發(fā)框架包括AP AutoSar、SOA 等，處于底層操作系統(tǒng)與上層應(yīng)用軟件之間，為應(yīng)用軟件功能實(shí)現(xiàn)層屏蔽掉特定處理器和底層操作系統(tǒng)相關(guān)的細(xì)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)與車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)、電源等系統(tǒng)交互所需的基礎(chǔ)服務(wù)。上層應(yīng)用軟件層包括智能座艙 HMI、ADAS/AD 算法、網(wǎng)聯(lián)算法、云平臺(tái)等，實(shí)際實(shí)現(xiàn)對(duì)于車(chē)輛的控制與各種智能化功能。其中，預(yù)計(jì)底層操作系統(tǒng)將是眾多Tier1 的發(fā)力重點(diǎn)，而上層應(yīng)用軟件層、中間層將是是各整車(chē)廠重點(diǎn)研發(fā)打造差異化的領(lǐng)域。

編輯：黃飛