自动驾驶汽车硬件平台

Chapter2

自动驾驶汽车硬件平台

Outline硬件平台概述

自动驾驶汽车电子电气架构

自动驾驶汽车感知系统

自动驾驶汽车计算平台车辆线控系统车辆控制平台通信总线自动驾驶汽车机械设计

2.1硬件平台概述感知定位硬件、计算平台、控制执行器件等一系列能够实现车辆环境感知、决策与驾驶动作执行的硬件设备共同构成了自动驾驶汽车的硬件平台。图、硬件平台构成2.2自动驾驶汽车电子电气架构传统的原始线束设计2.2自动驾驶汽车电子电气架构随着汽车配置和电子电气系统变得越来越复杂，电子电气的成本也越来越高，先进的电子电气架构（Electronic&ElectricalArchitecture，简称EEA）设计就应运而生，随之取代了传统的原始线束设计。定义：电子电气架构是汽车电子电气系统的顶层设计。目的：对功能、成本和装配等方面进行具体分析，得出最优的电子电气系统架构。规划：采用基于平台化规划，即构建利于复用、裁剪、扩展的电子电气架构，用于支撑目标市场的不同车型。2.2自动驾驶汽车电子电气架构汽车电子电气架构宏观物理架构逻辑架构微观众多电子电器件

可以从宏观和微观两个角度理解汽车电子电气架构2.2自动驾驶汽车电子电气架构汽车电子电气架构平台的发展主要经历了以下4个阶段:关联式分布系统架构、联合式分布系统架构、联合式分布系统架构以及综合式集权域系统架构。图、电子电气架构平台演变历程2.2自动驾驶汽车电子电气架构

电子电气架构发展趋势CAN总线CAN+车载以太网2.2自动驾驶汽车电子电气架构CAN总线的优势：广播车辆的全部数据流，车内的各种控制器和传感器可相互沟通改善了当时电子电气架构的效率与互操作性。降低了系统的复杂度，减少布线数量。CAN总线的劣势传输速率500kb/s,

带宽和吞吐量有限，难以应对未来车辆在数据流处理、网络安全及“终极”机器学习方面的需求。图、首款采用CAN总线的车型为1986款BMW860轿跑2.2自动驾驶汽车电子电气架构以太网可以提供比CAN总线高1000倍的带宽，开始更多在汽车主动安全等对速度与容量有较高要求的应用中发挥作用。未来，“CAN+车载以太网”构成双主干网络总线架构，CAN协议主要负责时效要求更高、数据量小的信息传输，而车载以太网则主要作用于不同的域之间，以实现数据量大的信息互通。

图、“CAN+车载以太网”车内电子架构2.3自动驾驶汽车感知系统现有的车载传感器主要包括超声波雷达、激光雷达、毫米波雷达、车载摄像头、红外探头等。表

主流车载传感器性能对比性能激光雷达毫米波雷达摄像头GPS/IMU远距离测量能力优优优优分辨率良优优优低误报率良优一般优温度适应性优优优优不良天气适应性较差优较差优灰尘/潮湿适应性较差优较差较差低成本硬件较差优优良低成本信号处理较差优较差良2.3自动驾驶汽车感知系统激光雷达LiDAR是LightDetectionandRanging的简称。它是一种通过光学方法来测量距离和反射率的仪器。特点：距离精度极高，分辨率中等激光雷达在自动驾驶中两个核心作用：3D建模进行环境感知。SLAM加强定位。LiDAR两大标准：线数距离2.3自动驾驶汽车感知系统激光雷达造价高昂，Velodyne公司开发出了LiDAR传感器版本HDL-64E、HDL-32E和HDL-16E。表、Velodyne激光雷达参数HDL-64EHDL-32EHDL-16E价格8万美元左右2万美元7999美元激光束643216扫描范围120米100米100米精度正负2厘米正负2厘米正负2厘米数据频率1.3M像素/秒700,000像素/秒300,000像素/秒角度（垂直/水平）26.87360°40°/360°307360°功率60W12W8W2.3自动驾驶汽车感知系统固态激光雷达推进成本快速下降固态激光雷达取消机械结构，体积更小，方便集成在车身内部，系统可靠性提高，成本有望控制在数百美元。图QuanergyS3固态激光雷达图Velodyne与福特共同发布的混合固态激光雷达VLP-16PUCK2.3自动驾驶汽车感知系统车载摄像头基本原理

图像处理图片转换为二维数据模式识别定位计算相对距离和相对速度优缺点数据量大,接近人眼效果训练样本大、周期长技术成熟，成本很低受光线、天气影响较大2.3自动驾驶汽车感知系统应用场景：按照安装位置差异可分为前视、环视、侧视、后视及车内监控5类，可以实现行车辅助（行车记录仪、ADAS）、驻车辅助（安全环视）与车内人员监控（人脸识别技术）等功能。表车载摄像头位置及安装功能图实现盲点检测和代替后视镜2.3自动驾驶汽车感知系统高速采集图像影像捕捉速率不低于30帧/秒，甚至是60帧/秒和120帧/秒功能稳定高动态：在较暗环境及明暗差异较大时仍能实现识别中低像素：30万~120万像素满足要求，2百万~5百万是发展趋势角度要求：环视和后视用135度以上广角镜头，前置用55度的范围安全级别要求更高温度要求：工作在

-40度~80度之间防磁抗振：必须具备极高的防磁抗振能力以及极低的对外电磁辐射能力较长的寿命：至少稳定工作8~10年车载摄像头具备的特性：2.3自动驾驶汽车感知系统毫米波雷达基本原理：向周围发射无线电，通过测定和分析反射波以计算障碍物的距离和方向。特性：不易受天气状况限制，即使是雨雪天也能正常运作，穿透雾、烟、灰尘的能力强，广泛应用于车载距离探测，如自适应巡航、碰撞预瞥、盲区探测等。图毫米雷达波工作原理2.3自动驾驶汽车感知系统应用场景：主流工作频段为24GHz和77GHz，分别应用于中短距和中长距测量。图搭载“1长+4短”毫米雷达波的奥迪A4表长距雷达与短距雷达主要参数对比分类窄带雷达宽带雷达探测距离（m)28030/120车速上限km/h250150精度0.5m厘米级主要应用范围ACC自适应巡航车辆环境监测2.3自动驾驶汽车感知系统导航定位系统基本原理：自动驾驶汽车通过GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem，全球导航卫星系统）获取高精度的位置信息后，跟高精地图进行匹配，从而形成良好的导航功能。GNSS系统也能为车载传感器的时间同步或者导航提供最基础的时空信息。世界上著名的卫星导航系统GPS

美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem）GLONASS

俄罗斯的全球导航卫星系统

（GlobalNavigationSatelliteSystem）BDS

中国的北斗卫星导航系统（BeidouNavigationSatelliteSystem）Galileo

欧盟伽利略系统2.3自动驾驶汽车感知系统导航定位系统目前GPS三种定位方式：单点-GPS：精度差（米级）、易受干扰差分-DGPS：精度高（厘米级）、易受干扰组合惯性制导-GPS/INS：精度高、可对干扰进行补偿，成本高

WGS-84GPS同时接收到四颗卫星便可定位DGPS通过位置已知的基站减小误差2.3自动驾驶汽车感知系统应用场景：基于卡尔曼滤波的传感器融合技术，我们可以融合GPS与IMU数据，增强系统动态适应能力，并使整个系统获得优于局部系统的精度；另一方面可以提高空间和时间的覆盖范围，从而实现真正意义上的连续导航。图GPS/INS系统结构2.3自动驾驶汽车感知系统GPS/IMU组合的优势有以下几点：系统精度的提高：利用GPS的长期稳定性弥补IMU误差随时间累积的缺点。系统抗干扰能力的增强：利用IMU的短期高精度弥补GPS系统易受干扰、信号易失锁等缺点，同时借助IMU的姿态信息、角速度信息可进一步提高GPS系统快速捕获或重新锁定卫星信号的能力。导航信息的补全：除了可以提供载体运动的三维位置和速度信息外，还可提供加速度、姿态和航向信息；GPS/IMU组合系统可提供100Hz甚至高于100Hz的数据更新率。2.4自动驾驶汽车计算平台计算平台基本定义：是计算机系统硬件与软件的设计和开发的基础，硬件的基础是中央处理器（CPU），软件的基础是操作系统。基本指标：性能、功耗、功能安全解决方案：计算平台解决方案A)基于GPU的计算平台B)基于FPGA的计算平台C)基于DSP的计算平台D)基于ASIC的计算平台2.4自动驾驶汽车计算平台基于GPU的计算平台多核心、高内存带宽强大的计算能力对深度学习应用有力支持主流平台解决方案基于FPGA的计算平台硬件配置灵活能耗低性能高可编程适合进行感知计算图NVIDIATeslaP100高性能GPU处理器图CycloneVSoc多域控制平台2.4自动驾驶汽车计算平台基于DSP的计算平台DSP芯片（DigitalSignalProcessor），也称为数字信号处理器数据和地址总线分开,大幅提升了微处理器的运行速度强大数据处理能力图美国德州仪器公司TDA2x汽车系统级芯片2.4自动驾驶汽车计算平台基于ASIC的计算平台ASIC，即专用集成电路,为某种特定需求而专门定制的芯片体积小、功耗低、计算性能和计算效率高芯片出货量越大成本越低解决方案：因特尔旗下Mobileye的下一代视觉soc芯片EyeQ5，装备有四种异构的全编程加速器，分别对专有算法进行优化，

包括计算机视觉、信号处理和机器学习等。图Mobileye生产的EyeQ5芯片2.5车辆线控系统基本定义：车辆线控技术指用电子信号代替由机械、液压或气动的系统连接的部分，如换档连杆、油门拉线、转向器传动机构、刹车油路等。基本组成：线控转向、线控制动、线控换挡、线控油门、线控悬挂五大系统。图

自动驾驶车辆线控底盘构成2.5车辆线控系统线控油门:用线束代替拉索或者拉杆，在节气门部位装一只微型电动机，用电机驱动节气门开度。图

电子油门控制原理2.5车辆线控系统线控换挡:将传统的机械手动档位改为手柄、拨杆、转盘、按钮等电子信号输出的方式。线控转向:指取消方向盘与转向车轮之间的机械连接，采用电信号控制车轮转向，可以自由设计汽车转向系角传递特性和力传递特性。图

线控转向系统2.5车辆线控系统线控转向系统的工作原理系统控制器采集方向盘转角、车速和横摆角速度等传感器信号控制策略对汽车转向运动进行控制路感模拟系统根据汽车不同行驶工况对路感进行模拟并反馈给驾驶人2.5车辆线控系统线控制动定义:指采用电线取代部分或全部制动管路，通过控制器操纵电控元件来控制制动力大小。线控制动系统组成：制动踏板模块、车轮制动作动器、制动控制器制动踏板模块包括:制动踏板、踏板行程传感器、踏板力感模拟器线控制动工作原理踏板行程传感器通过检测驾驶者的制动意图并将其传递给制动控制器控制器综合纵/侧向加速度传感器、横摆角速度传感器等信号进行计算，并控制车轮制动作动器快速而精确地提供所需的制动压力。同时制动踏板模块接收控制器送来的信号，控制踏板力感模拟器产生力感，以提供给驾驶人相应的踏感信息。2.5车辆线控系统线控制动系统分类线控制动系统电子驻车制动系统(ElectronicPorkingBrake，EPB)电液线控制动系统(ElectronicHydraulicBrake，EHB)电子机械制动系统(Electro-mechanicalBrake，EMB)2.5车辆线控系统EHB系统在量产汽车上已得到实际应用精确地独立控制各个轮缸压力系统响应快，可以实现再生制动与其它系统结合，提高车辆制动稳定性，能量回收最大化EHB采用液压蓄能器来提供压力液压制动阀的安装位置更加灵活与传统制动结构相差不大，因此在紧急状态下，可以直接向前轮施加制动压力，不需要备用系统2.5车辆线控系统图EHB线控制动系统2.5车辆线控系统EMB为完全线控制动系统，由于成本及可靠性等问题，目前还没有用于量产车。EMB使用电动机来提供制动力来源电信号响应速度快便于增加电控功能和系统改进设计最重要的是,EHB液压控制技术结构复杂，有经验门槛，专利基本上由巨头控制，所以EMB对于新兴市场或者企业更具备竞争优势2.5车辆线控系统图EMB系统工作原理2.6车辆控制平台车辆控制系统基本组成：电子控制单元（ECU）与通信总线两大部分ECU：主要实现控制算法通信总线：主要实现ECU及机械部件间的通信功能控制平台是无人车的核心部件，集成着汽车防抱死制动系统（ABS)、汽车驱动防滑系统（ASR)、汽车电子稳定程序（ESP)、电子感应制动控制系统（SBC)、电子制动力分配（EBD)、辅助制动系统（BAS)、安全气囊（SRS)和汽车雷达防碰撞系统、电控自动变速器(EAT)、无级变速器(CVT)、巡航控制系统(CCS)、电子控制悬架（ECS)、电控动力转向系统（EPS)等车辆的各种控制系统。2.6车辆控制平台电子控制单元基本定义：ECU,ElectronicControlUnit，又称“车载电脑”，是汽车专用微机控制器。作用ECU采集各传感器的信号进行运算将运算结果转变为控制信号，与采集来的各传感器的信号进行比较和计算，对发动机点火、怠速、废气再循环等多项参数的控制。它还有故障自诊断和保护功能。自适应程序2.6车辆控制平台图

汽车电子控制单元（ECU）2.6车辆控制平台CPU是ECU中的核心部分，它具有运算与控制的功能。CPU采集各传感器的信号进行运算。将运算的结果转变为控制信号，控制被控对象的工作。实现对存储器（ROM、RAM)、输入/输出接口（I/O）和其他外部电路的控制。图CPU2.6车辆控制平台域控制器基本定义：集成感知、控制、决策系统，一个模块化的、可移植性的、便于管理的汽车子系统。图

车辆域控制器架构2.6车辆控制平台域控制器解决方案：业内有NVIDIA、英飞凌、瑞萨、TI、NXP、Mobileye等多个方案。图

德尔福zFAS域控制器图

采埃孚ProAI域控制器2.6车辆控制平台图

大陆推出的自动驾驶控制单元ADCU2.6车辆控制平台图伟世通推出的自动驾驶平台——DriveCore™2.6车辆控制平台国内厂商也积极参与自动驾驶域控制器研发东软睿驰推出基于NXP自动驾驶芯片S32V打造的自动驾驶中央域控制器新悦智行开发的基于NVidiaGPU自主设计开发的低成本WiseADCU武汉环宇智行开发的名为TITAN-III自动驾驶车辆控制器图TITAN-III2.7通信总线随着汽车各系统的控制方式逐步向自动化和智能化转变，汽车电气系统变得日益复杂。为满足各电子系统的实时性要求，须对汽车数据，如发动机转速、车轮转速、节气门踏板位置等信息实行共享，因此汽车通信总线需要不断进化。表

四种车用总线性能对比类别总线名称通信速度应用范围A类LIN10~125K（车身）大灯、灯光、门锁、电动座椅等B类CAN125K~1M汽车空调、电子指示、故障检测等C类FlexRay1M~10M发动机控制、ABS、悬挂控制、线控转向等D类MOST/139410M以上汽车导航系统、多媒体娱乐等2.7通信总线局部互联协议LIN:LIN是面向汽车低端分布式应用的具有低成本、低速串行等特点的总线形式。LIN总线的工作原理:是采用单个主控制器多个从设备的模式，在主从设备之间只需要一根电压为12V的信号线。图LINBus系统结构2.7通信总线LIN通讯机制：主机节点中的主机任务根据进度表确定当前的通信内容，发送相应的帧头，并为报文帧分配帧通道。总线上的从机节点接收帧头之后，通过解读标识符确定自己是否应该对当前通信做出响应、做出何种响应。2.7通信总线控制器局域网CAN：是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。德国的RobertBosch公司于1986年推出，用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。CAN总线的特点:实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低；采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；具有优先权和仲裁功能；可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭到破坏后，可自动重发；节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。2.7通信总线CAN总线通信介质访问控制方式：采用了的３层模型：物理层、数据链路层和应用层。支持的拓扑结构为总线型。传输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等。CAN的通信方式：网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息;在发生冲突时，采用非破坏性总线优先仲裁技术：当几个节点同时向网络发送消息时，运用逐位仲裁原则，借助帧中开始部分的表示符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响的继续发送信息;CAN总线控制器:完成CAN的通信协议由实现CAN总线协议部分和微控制器接口部分电路组成。2.7通信总线图CAN三层模型2.7通信总线图CAN总线系统组成2.7通信总线图CAN总线电平示意图图CAN总线物理接口实例2.7通信总线高速容错网络协议FlexRay：FlexRay是一种用于汽车的高速、可确定性的、具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间触发两种方式相结合，具有高效的网络利用率和系统灵活性特点，可以作为新一代汽车内部网络的主干网络。FlexRay通讯架构图FlexRay节点2.7通信总线FlexRay拓扑结构：总线式、星型、混合型。图总线型图星型图混合型2.7通信总线FlexRay通信方法：将一个通信周期分为静态部分、动态部分和网络空闲时间。静态部分使用TDMA方法每个节点会均匀分配时间片，每个节点只有在属于自己的时间片里才能发送消息用于发送需要经常性发送的重要性高的数据动态部分使用FTDMA方法会轮流问询每个节点有没有消息要发，有就发，没有就跳过用于发送使用频率不确定、相对不重要的数据网络空闲时间2.7通信总线车载以太网：用于连接汽车内各种电气设备的一种物理网络。车载以太网是在民用以太网协议的基础上，改变了物理接口的电气特性，并结合车载网络需求专门定制新标准的以太网络。表can总线与车载以太网的性能对比2.8自动驾驶汽车机械设计自动驾驶车辆在设计过程中越来越重视车辆线控系统的设计，并逐渐省去诸多复杂、控制效率低下、响应缓慢的机械液压结构，如将部分机械连接件、液压传动管路等换成导线，提高自动驾驶车辆线控化程度。Waymo原型车百度无人车2.8自动驾驶汽车机械设计车辆动力与驱动系统：传统汽车要实现自动驾驶，需要进行底层改造工作，对于不是专门从