配備3級自動駕駛和激光雷達(dá)技術(shù)的奧迪A8

當(dāng)奧迪在 2017 年底推出重新設(shè)計的 A8 轎車時，該公司將其吹捧為汽車行業(yè)的首款 3 級轎車。整個汽車行業(yè)仍在與奧迪當(dāng)時面臨的技術(shù)問題和陌生的成本結(jié)構(gòu)作斗爭。System Plus 進(jìn)行的拆解為以下幾個問題提供了寶貴的見解：

開一輛 3 級車需要什么？

A8 傳感器套件包括什么？

3 級汽車需要多少處理能力？

它是驅(qū)動奧迪中央駕駛輔助控制器 zFAS 的 GPU、SoC、CPU 還是 FPGA？

zFAS 的成本是多少？

奧迪如何使用市場上已經(jīng)在其他應(yīng)用中嘗試和測試的芯片實現(xiàn) 3 級功能可能具有啟發(fā)意義，尤其是與兩年后（2019 年）推出“全自動駕駛計算機(jī)”板的特斯拉相比這在很大程度上依賴于兩個本土的自動駕駛芯片。

System Plus 拆解包括超越簡單的逆向工程和識別硬件元素的分析。該公司還執(zhí)行“逆向成本核算”——估算公司采購特定組件和制造產(chǎn)品所需的成本。System Plus 對 A8 的逆向成本計算表明，zFAS 成本的 60%（估計為 290 美元）是由半導(dǎo)體成本驅(qū)動的。這并不令人吃驚，因為現(xiàn)代汽車中 80% 到 85% 的內(nèi)容是電子產(chǎn)品。然而，這并不是關(guān)于成本的令人吃驚的事情。

利潤率
System Plus Consulting的首席執(zhí)行官 Romain Fraux 表示，真正讓汽車 OEM 感到震驚的是，沒有一家汽車公司愿意為每個組件支付 50% 的利潤率——英偉達(dá)、英特爾和其他公司為其旗艦芯片解決方案收取的費用。這為汽車原始設(shè)備制造商打開了通往全新世界的大門，促使他們重新思考高度自動化汽車的計算。

System Plus 拆解/成本估算不包括自動駕駛汽車的軟件開發(fā)成本。然而，在 zFAS 中使用 FPGA (Altera Cyclone) 表明奧迪試圖保留其已經(jīng)開發(fā)的自有軟件資產(chǎn)。

在過去的 18 個月里，一些領(lǐng)先的 OEM 已經(jīng)開始暗示他們希望設(shè)計自己的自動駕駛汽車芯片，就像特斯拉一樣。這種方法使他們能夠在硬件和軟件開發(fā)方面控制自己的命運。然而，考慮到芯片設(shè)計的高成本，汽車原始設(shè)備制造商是否最好單獨行動還不清楚。

A8 的另一個重要方面是，奧迪在所有汽車 OEM 中推出了第一款商用車，以展示一條通往自主的道路。

在 A8 發(fā)布時，車內(nèi)的技術(shù)被宣傳為“自動駕駛突破”，其中包括一個名為 Traffic Jam Pilot 的系統(tǒng)。激活后，Traffic Jam Pilot 據(jù)說可以使人類駕駛員從談判走走停停的交通中解脫出來。

但這些精心設(shè)計的計劃與“交接問題”（在計算機(jī)出現(xiàn)故障時提醒并吸引分心的人）相沖突，該問題從一開始就一直困擾著 3 級車輛的概念。

今天，A8 已經(jīng)出現(xiàn)在街頭，但沒有一款 A8 的 3 級自動駕駛功能在現(xiàn)實世界中被激活和運行。

然而，這并不是對奧迪的打擊。A8 向 AV 行業(yè)清楚地表明了它所面臨的挑戰(zhàn)。行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者必須先解決所有監(jiān)管、技術(shù)、安全、行為、法律和業(yè)務(wù)相關(guān)的復(fù)雜問題，然后才能吹捧機(jī)器人汽車的烏托邦式未來。這部分解釋了汽車原始設(shè)備制造商、一級供應(yīng)商、芯片供應(yīng)商以及技術(shù)和服務(wù)公司（即 Waymo、優(yōu)步）制定 安全標(biāo)準(zhǔn)的增長勢頭。

引擎蓋下的 A8
汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)將不再是提供從 0 到 100 公里/小時的最快速度或最佳加速度，而是確保越來越先進(jìn)的自動駕駛和輔助系統(tǒng)。這是奧迪A8 3級自動駕駛的目標(biāo)，率先使用了激光雷達(dá)技術(shù)。

A8 的傳感器套件還包括攝像頭、雷達(dá)和超聲波傳感器。奧迪 A8 將在最擁擠的道路上自動管理駕駛，無需駕駛員干預(yù)。奧迪規(guī)定，駕駛員可以隨時將手從方向盤上移開，并且根據(jù)當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)，可以從事其他活動，例如在車上看電視。車輛可以執(zhí)行大多數(shù)駕駛?cè)蝿?wù)，但仍需要人工干預(yù)（圖 1）。

圖 1：奧迪 A8 的關(guān)鍵要素

Fraux 列出了奧迪 A8 內(nèi)部的創(chuàng)新技術(shù)：“奧迪是第一款具有 3 級自動駕駛功能的汽車。安裝在奧迪 A8 上的 Traffic Jam Pilot 系統(tǒng)使用傳感器融合和世界上第一臺激光掃描儀，負(fù)責(zé)在高速公路和高速公路上以高達(dá) 60 公里/小時的速度在緩慢行駛的交通中駕駛?！?（注意：此 3 級功能，然而，迄今為止從未激活過。）

3 級自動駕駛和計算平臺
數(shù)字技術(shù)可以承擔(dān)駕駛員應(yīng)該完成的相同任務(wù)，同時提供更高的安全性和舒適性。長期目標(biāo)是擁有完全聯(lián)網(wǎng)的道路——汽車智能電網(wǎng)。交通擁堵和環(huán)境污染減少，安全顯著提高。

自動駕駛是汽車界越來越重要的話題。有關(guān)該部門進(jìn)展和新事物的新聞已列入議程。用于奧迪 A8 的 3 級被定義為高度自動化駕駛。該系統(tǒng)能夠減輕駕駛員對車輛縱向和橫向運動的持續(xù)控制的需要。

Fraux 說：“奧迪 A8 由多種傳感器和一個由 Aptiv 與四個處理器芯片組合而成的 zFAS 控制器組成。” zFAS（圖 2）是第一個集中式計算平臺。計算機(jī)充當(dāng)中央集線器，處理超聲波傳感器（前、后和側(cè)面）、360° 攝像頭（前、后和側(cè)鏡）、中程雷達(dá)（各個角度）以及長測距雷達(dá)和車輛前部的實時激光掃描儀。

圖 2：Aptiv zFAS 控制器

zFAS 中
的大量處理器 構(gòu)成平臺的處理器是 Nvidia Tegra K1，用于交通信號識別、行人檢測、碰撞警告、燈光檢測和車道識別。Tegra K1 具有八層 PCB，集成了 192 個 Cuda 內(nèi)核，與 Nvidia 集成到當(dāng)前市場上支持 DirectX 11 和 OpenGL 4.4的 Kepler GPU 內(nèi)的單個 SMX 模塊中的數(shù)量相同（圖 3 ）。

圖 3：英偉達(dá) Tegra K1

當(dāng)您考慮集成到其中的傳感器數(shù)量時，在汽車中擁有非常強(qiáng)大的處理器非常重要。Intel/Mobileye 的 EyeQ3 負(fù)責(zé)圖像處理。為了滿足功耗和性能目標(biāo)，EyeQ SoC 采用更精細(xì)的幾何形狀進(jìn)行設(shè)計。Eye3 中，Mobileye 使用的是 40 納米 CMOS，而該公司將在第五代 SoC EyeQ5 中使用 7 納米 FinFET。每個 EyeQ 芯片都具有異構(gòu)、完全可編程的加速器，每種加速器類型都針對自己的算法系列進(jìn)行了優(yōu)化。

奇怪的是，Nvidia Tegra K1 和 Mobileye EyeQ 3 不足以處理 3 級車輛預(yù)期的所有高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 任務(wù)。zFAS 內(nèi)部是用于數(shù)據(jù)預(yù)處理的 Altera Cyclone 和用于監(jiān)視安全操作的 Infineon Aurix Tricore。Altera Cyclone 系列 FPGA 器件基于 1.5-V、0.13-μm、全層銅 SRAM 工藝，具有高達(dá) 20,060 個邏輯元件 (LE) 的密度和高達(dá) 288 kbits 的 RAM。

英飛凌 Aurix 架構(gòu)用于汽車行業(yè)動力總成和安全應(yīng)用的性能優(yōu)化。TriCore 是第一個為實時嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化的統(tǒng)一、單核、32 位微控制器-DSP 架構(gòu)。

奧迪 A8 中的傳感器 在
汽車界，ADAS 已成為所有新車獲得更高 Euro NCAP 評級的必備條件。在圖 1中，我們可以找到 System Plus 找到的奧迪 A8 中設(shè)備的詳細(xì)列表?！爸圃焐陶谑袌錾祥_發(fā)越來越高效的雷達(dá)傳感器，”Fraux 說?！拔覀兛梢詤^(qū)分一些公司，例如 Aptiv、Veoneer、ZF、法雷奧、博世、Mando、Denso 和 Ainstein。”

特別是在奧迪A8中，我們可以看到奧托立夫的第三代汽車夜視攝像頭、安波福的車道輔助前置攝像頭、法雷奧的SCALA激光掃描儀、博世的LRR4 77-GHz遠(yuǎn)程雷達(dá)傳感器、安波福的R3TR 76-GHz中程雷達(dá)傳感器。

奧托立夫夜視攝像頭由兩個模塊組成：攝像頭和遠(yuǎn)程處理單元（圖 4）。紅外夜視攝像機(jī)由 FLIR 的 17 微米像素高清氧化釩微測輻射熱計 ISC0901 組成。該設(shè)備提供了一種工程方法，具有復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和基于 FPGA 陣列和自定義算法的復(fù)雜數(shù)值處理系統(tǒng)。

圖4：奧托立夫第三代車載夜視攝像頭

Aptiv 的車道輔助前置攝像頭安裝在后視鏡上，可提供 80 m 的范圍和 36 幅圖像/秒的幀。該相機(jī)使用安森美半導(dǎo)體提供的 1.2 兆像素 CMOS 圖像傳感器和 8 位 Microchip PIC 微控制器。zFAS 控制單元使用 Mobileye EyeQ3 處理芯片管理圖像映射和識別軟件（圖 5）。

圖 5：Aptiv 車道輔助前置攝像頭的 PCB

LRR4 是一款多模雷達(dá)，帶有來自博世的六個固定雷達(dá)天線。四個中心布置的天線提供了對環(huán)境的高速記錄，產(chǎn)生了一個孔徑角為 ±6° 的聚焦波束，并且對相鄰車道的交通干擾最小。在近場，LRR4 的兩個外部天線將視場擴(kuò)大到 ±20°，提供 5 m 的范圍，能夠快速檢測進(jìn)入或離開車道的車輛（圖 6）。

圖 6：遠(yuǎn)程雷達(dá)傳感器（圖片：System Plus）

Aptiv 的短程雷達(dá)傳感器由兩個發(fā)射器和四個接收器通道組成，工作在 76 至 77 GHz 頻段，這是汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。PCB 使用單片微波集成電路 (MMIC) 和腔波導(dǎo)。射頻 (RF) PCB 基板使用玻璃增強(qiáng)碳?xì)浠沾蓪訅喊?，完全不?PTFE（圖 7和圖8）。

圖 7：Aptiv R3TR 76-GHz 短程雷達(dá)概覽

圖 8：Aptiv R3TR 76-GHz 短程雷達(dá)電子板

激光雷達(dá)技術(shù)
奧迪 A8 的關(guān)鍵元素是激光雷達(dá)。這是汽車制造商首次使用激光掃描儀。它是一種基于機(jī)械系統(tǒng)的激光雷達(dá)，采用旋轉(zhuǎn)鏡技術(shù)和 905 納米波長的邊緣發(fā)射技術(shù)。該設(shè)備提供 150 m 的范圍，具有 145° 水平和 3.2° 垂直的 FOV。電機(jī)控制單元由帶有控制驅(qū)動器的定子和轉(zhuǎn)子以及用于運動檢測的 MPS40S 霍爾效應(yīng)傳感器組成。霍爾效應(yīng)傳感器響應(yīng)磁場而改變其輸出電壓。這是一個持久的解決方案，因為沒有機(jī)械部件會隨著時間的推移而磨損。集成包減小了系統(tǒng)的大小和實現(xiàn)的相對復(fù)雜性（圖9、10和11）。

LiDAR 系統(tǒng)基于飛行時間 (ToF)，可測量精確的定時事件（圖 12）。最新的發(fā)展已經(jīng)看到了幾個多光束 LiDAR 系統(tǒng)，它們可以生成車輛周圍環(huán)境的準(zhǔn)確 3D 圖像。該信息用于選擇最合適的駕駛操作。

圖 9：激光掃描儀（圖片：System Plus）

圖 10：奧迪 A8 中實施的激光掃描儀的內(nèi)部部件

圖 11：激光掃描儀框圖

圖 12：飛行時間功能圖（圖片：Maxim Integrated）

邊發(fā)射激光器是半導(dǎo)體激光器的原始形式，至今仍廣泛使用。它們的諧振長度允許實現(xiàn)高增益。在該結(jié)構(gòu)內(nèi)，激光束在典型的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中被引導(dǎo)。根據(jù)波導(dǎo)的物理特性，可以實現(xiàn)具有高光束質(zhì)量但輸出功率有限或高輸出功率但低光束質(zhì)量的輸出（圖 13）。

圖 13：邊發(fā)射激光二極管

LiDAR 解決方案中使用的激光器采用三引腳 TO 型封裝，裸片面積為 0.27 mm 2，如圖 13所示。激光器的功率為 75 W，直徑為 5.6 mm。“可能由 Sheaumann Laser 在 100 毫米晶圓上制造，”Fraux 說。調(diào)節(jié)單元使用雪崩光電二極管 (APD) 獲取激光束通過兩個透鏡，一個發(fā)射和一個接收后?！癆PD 可能由 First Sensor 在 150 毫米晶圓上制造，采用 8 引腳 FR4 LLC 封裝，芯片面積為 5.2 毫米2 [見圖 14 ]，”Fraux 說。

APD 是一種高速光電二極管，它使用光子倍增來獲得低噪聲信號。APD實現(xiàn)了比PIN光電二極管更高的信噪比，可用于高精度測距儀和微光檢測等廣泛應(yīng)用。從電子學(xué)的角度來看，APD 需要更高的反向電壓，并更詳細(xì)地考慮其與溫度相關(guān)的增益特性。

圖 14：雪崩光電二極管

除了激光和運動控制兩個單元外，控制硬件還包括主板，由 Xilinx XA7Z010 SoC 雙核 Arm Cortex-A9、32 位 STMicroelectronics SPC56EL60L3 微控制器和電源管理系統(tǒng)組成ADI 的同步降壓穩(wěn)壓器、英飛凌的雙通道智能高側(cè)電源開關(guān)、ADI 的帶 LDO 的三重單片降壓 IC 以及 Allegro 的三相無傳感器風(fēng)扇驅(qū)動器 IC。FlexRay 協(xié)議支持?jǐn)?shù)據(jù)通信。FlexRay 系統(tǒng)由多個電子控制單元組成，每個電子控制單元都有一個控制器，用于管理對一個或兩個通信通道的訪問。

此類 LiDAR 技術(shù)每超過 10 萬臺/年的成本估計可能達(dá)到 150 美元，其中很大一部分與主機(jī)板和激光器有關(guān)（圖 15）。

圖 15：拆卸后的激光掃描儀硬件
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審核編輯 黃昊宇
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