智能车辆设计与控制基础课件：智能车辆系统关键硬件基础

智能车辆系统关键硬件基础2.1引言传感器智能车辆系统的关键硬件包括传感器、控制器和执行器用于获取车辆周围的环境信息，包括道路边界、车辆和行人。控制器接收和处理传感器数据，进行决策和路径规划，并生成控制指令，发送给线控底盘执行器，最终控制车辆的行驶。电子电气架构电子电气架构是指把汽车里的传感器（Sensor）、中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）、电子电气系统、软件硬件通过技术手段整合在一起。智能车辆系统中重要的硬件控制器是智能车辆系统的核心组件关系车辆内部各种电子和电气系统之间的组织结构和相互2.2智能车辆传感器环境感知传感器激光雷达摄像头毫米波雷达超声波雷达用于探测车辆周边环境，类似车辆的“眼睛”。运动感知传感器（如GNSS、惯性传感器、轮速计）提供车辆位置、速度、加速度等信息，帮助车辆决策和控制。激光雷达毫米波雷达摄像头超声波雷达实现环境感知和运动感知2.2.1激光雷达激光雷达通常由激光发射、激光接收、信号处理和扫描模块四个部分组成。激光雷达的工作原理类似于蝙蝠测距，通过发射和接受激光，利用回波时间（TimeofFlight，TOF）测量方法进行测距。激光雷达能够通过扫描生成点云，其主要优点包括：（1）直接生成丰富的空间数据，如点的3D坐标和纹理；（2）具有高分辨率的距离、角度和速度测量能力；（3）抗干扰能力强，不受光照强度影响。缺点：激光雷达在雨、雪、雾、尘等极端天气下探测距离会缩减，且无法识别物体的颜色和文字信息，成本也相对较高。激光雷达分类2.2.2毫米波雷达毫米波雷达是通过发射毫米波频段的电磁波，测量反射回来的信号来确定物体的距离、速度和角度，从而完成周围环境的感知。安装在汽车各部位的短程雷达（SRR）、中程雷达（MRR）、远程雷达（LRR）三种毫米波雷达具有不同的探测范围，可以完成不同的辅助驾驶功能。毫米波雷达不具备产生高分辨率图像的能力，对行人等反射面较小的目标难以识别，但可以进行目标速度的估计。此外，毫米波长穿透能力强，可实现雷达在雾、雪、雨等恶劣的天气条件下的可靠探测，且毫米波雷达制造成本低，并易于在车辆上安装。技术原理探测范围2.2.3摄像头单目摄像头双目摄像头多目摄像头摄像头是一种被动式接受光线来获取图像信息的传感器，按照摄像头数量可以分为下面几种：车载摄像头通常由镜头组、图像传感器和PCB板三组成，成像原理如图所示:视觉传感器相较于雷达有其独特的优势，摄像头能够提供高分辨率、带有颜色的图像信息，对于车道检测、行人检测、交通标志辨识等任务非常重要，但是难点在于对算法的要求较高。分类技术原理2.2.4超声波雷达超声波雷达是一种通过发射频率大于20KHz的声波，经过物体的反射后接收回波测量距离的传感器，常用于停车辅助和自动泊车功能。常用的车载超声波雷达有两种，根据使用场景可分为停车辅助（UltrasonicParkingAssistance，UPA）超声波雷达和自动泊车（AutomaticParkingAssistance，APA）超声波雷达。超声波雷达通常由超声波发射器、接收器和控制部分组成。超声波发射器通过换能器将陶瓷振子的电振动能量转换成超声波向空中发射，超声波接收器通过陶瓷振子换能器和放大电路将接收声波（遇到障碍物返回）产生的机械振动转换成电信号，控制部分则根据接收到的信号进行分析得出障碍物的距离，并将信息传输给停车辅助或自动泊车系统。安装位置工作原理2.2.5车辆定位车辆的定位就是让汽车找到自身确切位置。在智能驾驶中，车辆定位的实现主要依赖于多种运动感知传感器，包括全球导航卫星系统（GNSS）、惯性传感器(IMU）及轮速器。业内常常将组合定位系统硬件称为定位盒子（PositionBox，P-Box），组合定位系统通常由GNSS、IMU、RTK和计算芯片组成。通过GNSS接收卫星信号实现全局定位，通过IMU实现校准，并在GNSS信号丢失时继续维持一定时间精度的定位能力，也可以接受车辆轮速计的信号作为输入，提高定位精度。2.2.6传感器标定传感器标定的目的是指对安装在车辆上各种传感器进行校准，以确保传感器数据的准确性和可靠性，也是多传感器信息融合及定位的必要条件。图像与激光雷达点云融合通过特定标靶标定转换关系传感器标定目标一般包括内部和外部参数。内部参数一般与传感器模型相关，例如摄像头的焦距。外部参数一般是指确定车辆上不同传感器坐标系之间的转换关系，标定过程也称联合标定，联合标定的对象通常包括摄像头和摄像头、摄像头和激光雷达、摄像头和IMU、激光雷达和IMU、IMU和GPS等。域集中式架构应运而生将功能相似ECU功能集成到性能更强的处理器硬件平台上，形成域控制器。域控制器最早由博世等厂商提出，划分为动力域、底盘域、车身域、智能座舱域、智能驾驶域等，利用多核CPU/GPU芯片和以太网实现集中控制ECU数量增多致总线带宽瓶颈传统汽车电子电气采用分布式架构，各ECU分别负责不同系统，如发动机、制动、座椅控制等，通过总线通信随着汽车电子化发展，ECU数量增加，总线带宽有限，数据传输速度变慢，难以满足智能车高速通信需求0102域集中架构域控制器输入输出设备ECU输入输出设备分布式架构域控制器将作用相似或区域相近的功能集成化减少器件使用量与降低功能管理难度每个ECU（电子控制单元）负责控制特定功能单元；ECU间或存在一定关联，功能更新或需一并更新2.3.1域控制器产生背景结构上，域控制器主要由硬件（主控芯片和元器件等）和软件（底层基础软件、中间件以及上层应用算法）构成域控制器硬件包括主控芯片、PCB板、电阻电容、射频元器件、支架、散热组件、密封性金属外壳等，主控芯片是核心部件类别模块描述举例通用计算ACPU应用CPU，安全级别一般为ASILBARMCortexA72算法加速GeneralComputingCore通用计算核心，用于算法的并行加速计算DSP（DigitalSignalProcessor）/GPUVisionACC视觉高级巡航控制系统，通常采用ASIC或FPGA等定制化硬件Rectify/Pyramid/DepthACCNNAccelerator深度学习加速器，主要用于矩阵乘加运算NVIDLADLA/TIMMA安全SafetyMCU功能安全MCU，安全级别为ASILDCortexR5FSecurityHardwareModule用于Security的控制器和加速器对称/非对称加密加速器FuSaHardwareMechanismFuSa相关的硬件单元，一般会内嵌到各个硬件模块ECC/BIST内存DDR/SARM易失存储单元，用于存储算法的输入、中间结果、输出/典型主控芯片构成2.3.2智能车辆域控制器构成五大域控能划分域控制器主控芯片要求应用场景动力域MCU芯片，算力要求低对动力系统的相关功能进行控制底盘域MCU芯片，算力要求低对转向/制动/驱动等底盘执行单元进行控制车身域MCU芯片，算力要求低在原有车身控基础器上集成更多的功能智能座舱域高性能SoC芯片，算力要求40~200KDMIPS实现一芯多屏等智能座舱功能智能驾驶域高性能SoC芯片，算力要求30~1000TOPS自动驾驶感知、决策、规划详细设计流程算力等需求确认例如，针对一套拥有5个毫米波雷达、12个超声波雷达和11个摄像头传感器配置的智能驾驶系统，目标算力按20%预留，AI算力至少需要60TOPS，CPU算力至少需要100KDMIPS，基于此进行智能驾驶域控器选型（其他域类似）2.3.3智能车辆域控制器功能及设计智能车辆域控制器代表产品采埃孚的车辆动力域控制器是一种中央计算机，旨在整合车辆的跨域功能，包括车身和动力系统管理，并支持独立功能控制，可以利用单一控制单元协调底盘、车辆、车身控制等功能，而无需额外的电子控制单元，从而降低复杂性经纬恒润自主研发的底盘域控制器，集减震器阻尼控制、空气弹簧高度控制、电子驻车冗余控制等功能为一体，简化复杂的底盘控制系统结构。除上述功能外，还可以集成后轮转向功能、转向柱位置控制功能等大陆ADCU系列产品是大陆集团推出的车身域控制器产品，该产品集成了一些高级的车身功能，例如车灯控制、雨刮器控制、空调控制等智能座舱域控制器车内信息娱乐系统、仪表盘系统、空调系统等多个功能集成在一起，通过中央处理器进行统一控制和管理英伟达智能驾驶域控制器，其主要有4个模块：CPU、GPU、DLA和PVA。占据最大面积的是GPU，其次是CPU，最后是两个ASIC：一个是用于深度学习神经网络推理加速的DLA，还有一个是加速传统计算机视觉算法的PVA2.3.4智能车辆域控制器功能及设计算力需求推动芯片技术发展智能汽车发展对算力需求不断增加，推动域控制器芯片技术发展，如动力域、底盘域等算力需求约10KDMIPS~15KDMIPS智能座舱域和智能驾驶域对CPU算力要求更高，智能驾驶域需上百TOPS算力支持视觉深度神经网络模型算法，满足自动驾驶需求异构SoC芯片成主流为满足不同场景硬件加速需求，域控制器主控芯片走向集成“CPU+xPU”的异构式SoC，其中“CPU+ASIC”方案成主要发展方向异构SoC芯片提高计算效率，降低成本和功耗，推动智能汽车技术进步，提升车辆智能化水平硬件集成度提升域控制器功能整合，如动力域集成电机控制、车身控制等功能，要求域主控处理器SoC集成更多接口类型高集成度SoC芯片连接和管理各种ECU、传感器和执行器，实现功能域集中控制，提高系统效率和可靠性软件架构升级软件架构向SOA演进，借鉴互联网和分布式计算成熟技术，如RPC、事件/消息总线、RESTfulAPI设计等SOA架构提高软件开发效率和可维护性，实现车载计算单元整合与算力共享，推动汽车软件技术发展2.3.5智能车辆域控制器发展趋势概述智能车辆的电子电气架构是一个高度集成、以中央处理器计算为核心，在电子电气分配系统管理下，通过先进通信网络连接各类传感器、执行器和软件系统，实现车辆智能化功能的复杂框架。传感器Sensor中央处理器电子电气分配系统电子电气系统的顶层设计通信网络CAN执行器Actuator软件系统Software2.4整车电子电气系统架构整车电子电气架构示意图概述智能车辆电子电气架构发展车辆功能在云端车载电脑和区域导向架构跨域中心控制器域中心控制器功能集成每个功能独立ECU车-云计算车载电脑域融合集中化集成模块化电子电气架构趋势——低耦合，高内聚。功能集中化、模块化，通信高速化，整体安全化，功能服务化。硬件架构升级软件架构升级通信架构升级车路云一体化区域域控制器中央计算平台面向服务SOA软件解耦以太网服务通讯5G通信数字孪生电子电气架构发展路线图发展趋势2.4整车电子电气系统架构分布式电子电气架构整车的电子电气系统划分为多个独立的功能子系统网络，中央网关作为智能车辆的关键枢纽2.4整车电子电气系统架构分布式电子电气架构是将整车电子电气系统划分为多个独立的子系统功能网络，这些子系统内部的电子控制单元ECU明确定义了各自之间的网络传输种类，建立了有效的通信链路，使得同一功能子系统内的控制单元可以相互通信和数据共享。智能车辆在功能子系统的基础上引入中央网关（CentralGateway，CGW）作为关键枢纽。这个中央网关的功能包括承担不同网络总线类型之间的协议转换任务，同时参与各个网络段的网络管理。分布式架构中央网关（跨）域集中式电子电气架构域控制器按照整车系统功能进行划分，一般分为动力总成域、底盘系统域、车身电子域、智能座舱域和智能驾驶域。采用跨域中心控制器将两个及以上的域控制器进行融合，进一步降低线