華一丁， 龔進(jìn)峰， 戎 輝， 唐風(fēng)敏， 王文揚， 趙洪林

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中汽研 （天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；3.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；4.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

近年來，隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)、通信導(dǎo)航、自動控制、人工智能、機器視覺、精密傳感器、高精度地圖等高新技術(shù)與先進(jìn)汽車技術(shù)的快速融合，智能汽車 （或無人駕駛汽車、自動駕駛汽車）已經(jīng)成為世界汽車工程領(lǐng)域的研究熱點和汽車產(chǎn)業(yè)增長的新動力。

智能汽車若要實現(xiàn)各種智能、互聯(lián)功能，取決于電子電氣架構(gòu)的先進(jìn)性以及數(shù)據(jù)處理的速度。目前，國內(nèi)普遍以增加電子控制單元 （ECU）數(shù)量來應(yīng)對額外的電子電氣系統(tǒng)需求，但是這種解決方案不僅成本高，而且會阻塞網(wǎng)絡(luò)、減慢數(shù)據(jù)傳輸、降低系統(tǒng)可靠性。國外主流主機廠采用基于通信主干網(wǎng)，分支網(wǎng)絡(luò)，多域控制器和貨架控制器的電子電氣架構(gòu)，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜度［1］。因此，有必要研究國外先進(jìn)車企 （以奧迪A8、寶馬7系和特斯拉為例）有關(guān)智能駕駛及整車電子電氣的先進(jìn)架構(gòu)，進(jìn)而分析出相關(guān)自動駕駛控制器、車載傳感器、執(zhí)行器以及所使用車載總線技術(shù)。最后，便可結(jié)合基于需求驅(qū)策型的自上而下和分層集成的電子電氣架構(gòu)設(shè)計方法和流程，自主設(shè)計智能汽車電子電氣硬件系統(tǒng)架構(gòu)。

1 奧迪A8

奧迪A8第5代搭載了L3級別的自動駕駛系統(tǒng)，是世界上首款實現(xiàn)L3級別自動駕駛的量產(chǎn)車。奧迪官方將該自動駕駛系統(tǒng)命名為“奧迪AI交通擁堵駕駛系統(tǒng)”，并加入了一個“Audi AI”操作按鈕來開啟自動駕駛功能，它允許車輛在低于時速60 km的情況下由系統(tǒng)完全接管駕駛［2-3］。屆時，汽車將自主完成加速、制動、轉(zhuǎn)向等駕駛操作。奧迪官方強調(diào)，駕駛員將不再需要在這個時候保持對車輛情況的監(jiān)控，而是可以雙手離開方向盤，真正實現(xiàn)車輛在特定場景下的完全自動駕駛。如果車輛判斷這一情況下不能自主完成安全駕駛，會提醒駕駛員接管方向盤。

1.1 駕駛員輔助系統(tǒng)

圖1 奧迪A8傳感器位置

其中，G203~G206為后部駐車輔助傳感器，G252~G255為前部駐車輔助傳感器，G568~G569為前部自動泊車輔助傳感器，G716~G717為后部自動泊車輔助傳感器，R242為駕駛員輔助系統(tǒng)正面攝像頭，R243~R246為周圍環(huán)境攝像頭。

圖2展示的是自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)用到的控制單元。

1.2 預(yù)測式高效輔助系統(tǒng)

使用車輛導(dǎo)航系統(tǒng)預(yù)測出的道路數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)車輛的縱向動力學(xué)狀態(tài)，從而實現(xiàn)高效駕駛并能減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，如圖3所示。根據(jù)MMI-設(shè)置，車速限制、道路形態(tài) （彎道、十字路口等）以及地形 （上坡、下坡）都集成在ACC-調(diào)節(jié)過程中了。

1.3 智能泊車輔助系統(tǒng)

智能泊車輔助系統(tǒng)在下述泊車情形時為駕駛員提供幫助：倒車進(jìn)入縱向停車位；前行退出縱向停車位；在先駛過橫向停車位后前行進(jìn)入橫向停車位；未駛過橫向停車位時前行進(jìn)入橫向停車位；倒車進(jìn)入橫向停車位。智能泊車輔助系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖2 自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)用到的控制單元

圖3 預(yù)測式高效輔助系統(tǒng)原理框圖 （縱向調(diào)節(jié)）

圖4 智能泊車輔助系統(tǒng)原理框圖

1.4 橫向輔助功能系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)

橫向輔助 （也可稱交叉路口輔助或十字路口輔助）是一種新型駕駛員輔助系統(tǒng)，首次用于Audi A8（車型4N）上，該系統(tǒng)可幫助駕駛員避免與本車前部橫向通過的車輛相撞。橫向輔助系統(tǒng)在本車前部橫向通過的車輛因視野受限而稍晚才能被駕駛員看到時為駕駛員提供幫助。這樣的視野受限情形比如有：十字路口以及穿行窄出口時。另外，在復(fù)雜交通情形時，比如駕駛員因注意看其他交通參與者而忽略了橫穿的交通參與者時，該系統(tǒng)也能為駕駛員提供幫助。橫向輔助系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

圖5 橫向輔助系統(tǒng)原理框圖

1.5 倒車攝像頭

奧迪A8上的倒車攝像頭是少數(shù)幾個不使用駕駛員輔助系統(tǒng)控制單元J1121的系統(tǒng)之一。攝像頭廣角圖像的修正、攝像頭的校準(zhǔn)以及攝像頭上的輔助線投射，均由專用的倒車攝像頭控制單元J772來完成。

倒車攝像頭的圖像經(jīng)屏蔽的FBAS-線直接被送到信息電子控制單元1-J794，圖像從這里再經(jīng)2根屏蔽的LVDS-線傳至MMI-顯示器J685，從而顯示出圖像。倒車系統(tǒng)原理框圖見圖6。

圖6 倒車系統(tǒng)原理框圖

1.6 第5代A8（4N）與第4代A8（4H）對比

第5代奧迪A8（4N）相較于第4代奧迪A8（4H）主要擴展了駕駛員輔助駕駛的范圍，且能在更多情形時通過最新的技術(shù)為駕駛員提供幫助。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

黃斌主席要求，各級工會負(fù)責(zé)幫扶工作的干部要用改革理念創(chuàng)新幫扶工作思路，吸引社會資源，改變“單打獨斗、單兵作戰(zhàn)”模式，要加強和改進(jìn)工作方法，深入困難職工家庭，摸實情、出實招、用硬招，努力向職工提供更高水平的幫扶和服務(wù)，咱們工會干部切實成為職工信得過、靠得住、離不開的知心人、貼心人、“娘家人”，讓廣大職工特別是困難職工切實感到工會組織是真正的職工之家?！?/p>

1）配備了新的橫向輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)在因視野受限（比如十字路口以及穿行窄出口）時為駕駛員提供幫助。具體幫助方式是發(fā)出各種警報來提醒駕駛員，以避免本車與前方橫向來車發(fā)生碰撞等。

2）首次采用了自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在車速0~250 km／h之間時幫助駕駛員同時進(jìn)行車輛橫向控制和縱向控制。自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)是將以前多個駕駛員輔助系統(tǒng) （這些系統(tǒng)在別的奧迪車型上早就使用了）合成為一個系統(tǒng)。使用自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)，首次在車速0~250 km／h之間可同時進(jìn)行車輛橫向控制和縱向控制。所謂縱向控制，指車輛的加速和制動；所謂橫向控制，指車輛的轉(zhuǎn)向。但是在橫向控制時駕駛員必須一直把手放在方向盤上。Audi A8 4N添加自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 Audi A8 4N添加自適應(yīng)駕駛輔助系統(tǒng)

3）奧迪公司在Audi A8（車型4N）上首次使用了駕駛員輔助系統(tǒng)中央控制單元，該控制單元是多個輔助系統(tǒng)的主控制單元。這個中央控制單元在售后服務(wù)中被稱作駕駛員輔助系統(tǒng)控制單元J1121，該控制單元取代了數(shù)個我們熟知的控制單元 （其功能現(xiàn)在已集成到J1121內(nèi)了）。多個傳感器直接連接在駕駛員輔助系統(tǒng)控制單元J1121上，不再使用車上的總線系統(tǒng)。傳感器數(shù)據(jù)的處理是在控制單元J1121內(nèi)進(jìn)行的，這些數(shù)據(jù)涉及駕駛員輔助系統(tǒng)正面攝像頭和4個周圍環(huán)境攝像頭?？刂茊卧狫1121還通過FlexRay總線接收其它傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)。一個控制單元內(nèi)現(xiàn)在就可使用所有傳感器數(shù)據(jù)，就可為駕駛員提供車輛周圍高品質(zhì)測量數(shù)據(jù)功能，另外這也是各種駕駛員輔助系統(tǒng)繼續(xù)提高性能的一個基礎(chǔ)。Audi A8 4N J759帶攝像頭框架圖見圖8。

圖8 Audi A8 4N J759帶攝像頭

2 寶馬7系

寶馬7系整合主動車距定速控制系統(tǒng)、主動車道維持輔助、擁塞交通輔助系統(tǒng)、車側(cè)防撞輔助、前方車流警示、路口車流防撞輔助、閃避轉(zhuǎn)向輔助等功能，使駕駛可以在不需控制油門的情況下跟前車維持距離，并且能在偏離車道時自動修正方向盤將車輛導(dǎo)回正常路線，甚至還可偵測前方車流與路口車流，主動介入控制制動及轉(zhuǎn)向來避免碰撞危險［4］。2016款7系轎車將支持遠(yuǎn)程遙控停車／出車位。

2.1 車道偏離警告系統(tǒng)

通過車道偏離警告系統(tǒng)識別出偏離車道情況，借助振蕩執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)方向盤振動，并通過相應(yīng)警告燈發(fā)出車外后視鏡內(nèi)的視覺警告時觸發(fā)，車速范圍在70~210 km／h。車道偏離警告系統(tǒng)原理框圖如圖9所示。

2.2 車道變更警告系統(tǒng)

首次將其應(yīng)用于F01／F02車輛，車道變更警告系統(tǒng)SWW控制單元 （傳感器）位于后保險杠下方。車道變更警告系統(tǒng)SWW控制單元 （主控單元）位于右側(cè)，車道變更警告系統(tǒng)SWW2控制單元 （副控單元）位于左側(cè)。一些傳感器能夠根據(jù)天氣情況在最遠(yuǎn)70m距離內(nèi)進(jìn)行有效探測。識別出車輛且啟用系統(tǒng)時，通過車外后視鏡內(nèi)的相應(yīng)顯示告知駕駛員情況。車道變更警告系統(tǒng)原理框圖見圖10。

圖9 車道偏離警告系統(tǒng)原理框圖

圖10 車道變更警告系統(tǒng)原理框圖

2.3 夜視系統(tǒng)

集成在BMW腎形格柵內(nèi)，夜視系統(tǒng)可在夜間最佳條件下識別出最遠(yuǎn)約100m處的行人和動物，在5°C以下溫度范圍內(nèi)會接通一個加熱裝置，從而避免攝像機結(jié)冰。行人識別最遠(yuǎn)約100m，大型動物識別最遠(yuǎn)約150m，中型動物識別最遠(yuǎn)約70m。夜視系統(tǒng)原理框圖見圖11。

圖11 夜視系統(tǒng)原理框圖

2.4 駐車和倒車系統(tǒng)

駐車操作輔助系統(tǒng)PMA可以測量停車位大小并根據(jù)測量結(jié)果確定停車位是否夠大，前部保險杠內(nèi)的2個附加超聲波傳感器負(fù)責(zé)在行駛期間測量停車位，通過后部保險杠飾板內(nèi)的4個超聲波傳感器和前部保險杠飾板內(nèi)的另外4個超聲波傳感器測量與障礙物的距離，通過位于后部保險杠內(nèi)的另外2個超聲波傳感器在停車入位過程中準(zhǔn)確探測橫向停車位。通過附加 PDC傳感器測量與所識別目標(biāo)的距離。駐車和倒車系統(tǒng)原理框圖見圖12。

圖12 駐車和倒車系統(tǒng)原理框圖

2.5 第6代G11／12與第5代F01／02對比

第6代7系寶馬在第5代的基礎(chǔ)上增添了如車道偏離警告系統(tǒng)、交通標(biāo)志識別系統(tǒng)、環(huán)視系統(tǒng)、交叉行駛警告系統(tǒng)等智能輔助駕駛功能，同時更多地在娛樂、攝像機信號圖像傳輸?shù)饶K使用高帶寬的以太網(wǎng)代替原來的LVDS傳輸。

中央網(wǎng)關(guān)模塊ZGM集成在BDC內(nèi)，它可以說是控制單元中的控制單元，因為BDC內(nèi)ZGM的工作方式就像是一個獨立的控制單元。ZGM將所有主總線系統(tǒng)彼此連接起來，將不同協(xié)議和速度轉(zhuǎn)換到其他總線系統(tǒng)上。通過ZGM可經(jīng)過以太網(wǎng)將有關(guān)控制單元的編程數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕v上。

第3~6代輔助駕駛系統(tǒng)配置及智能駕駛分級見表1。

3 特斯拉M odel S

特斯拉Medel S有7種類型的控制器局域網(wǎng) （CAN）總線。除2條總線外，所有的總線都連接到了中央網(wǎng)關(guān)。各個控制器使用這些總線在不同系統(tǒng)間傳遞數(shù)據(jù)。這些總線分別是底盤、車身、車身容錯 （Body-Fault tolerant）、動力總成、車載診斷II（On-Board Diagnostics II，OBDII）、快速充電 （Not connected to GTW）、穩(wěn)定控制（Not connected to GTW）［5］。Medel S有5種LIN總線，它們具有以下功能：LIN 1——方向盤控制單元；LIN 2——12 V智能電池傳感器和監(jiān)控單元；LIN 3——座椅加熱器和后視鏡；LIN 4——保留供將來使用；連接到整車控制模塊BCM的LIN總線傳輸來自左右車門傳感器的數(shù)據(jù)，因此車身控制器可以確保擋風(fēng)玻璃刮水器、燈和HVAC系統(tǒng)的正確操作。特斯拉中央網(wǎng)關(guān)單元的媒體控制器有USB、e-net、line等線連接。特斯拉Medel S7控制器局域網(wǎng)總線框圖見圖13。

3.1 動力總成與快速充電總線

動力總成總線連接以下控制器：電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）、主充電器 （Master charger）、從充電器 （Slave charger）、充電口 （Charge port）、直流-直流變換器 （DC-DC converter）、熱管理系統(tǒng) （Tesla Thermal Controller，THC）、主驅(qū)動 變 頻 器（Master drive inverter）；快速充電總線連接以下控制器：電池管理系統(tǒng) （Battery Management System，BMS）、主充電器 （Master charger）。動力總成與快速充電總線圖見圖14。

圖13 特斯拉M edel S7控制器局域網(wǎng)總線框圖

圖14 動力總成與快速充電總線圖

表1 第3～6代輔助駕駛系統(tǒng)配置及智能駕駛分級

動力總成與快速充電CAN在2個節(jié)點上都具有“T”。這表示總線的2個終止節(jié)點每個都為CAN總線增加120Ω。終止節(jié)點位于每條總線的末端，以幫助反映消息。從每個末端測量CAN總線的電阻值均為60Ω，這是由于2個120Ω在末端并聯(lián)的原因。

3.2 Tesla智能輔助駕駛系統(tǒng)對比其他車型

Autopilot1.0（現(xiàn)已很少使用）、Autopilot2.0（Tesla Model S）、Super Cruise （Cadillac CT6）、以及zFAS （Audi A8）傳感器比較如表2所示。

表2 智能輔助駕駛系統(tǒng)傳感器配置

在上述傳感器中，Autopilot2.0（Tesla Model S）目前8個攝像頭中，只有4個攝像頭用于智能輔助駕駛，分別為3個前視攝像頭 （正常、長焦、廣角）與一個后置攝像頭，無法像Super Cruise和zFAS一樣在車身兩側(cè)形成“環(huán)視+超聲波”的“雙保險”。zFAS（Audi A8）不用擁有最多的傳感器，更添加了激光雷達(dá)，這是Audi A8能夠先于Tesla Model S／X、Cadillac CT6成為全球首款自動駕駛level 3級別的量產(chǎn)車的重要原因之一。

3.3 Tesla智能輔助駕駛系統(tǒng)Autopilot發(fā)展及展望

在總線系統(tǒng)上，Tesla智能輔助駕駛系統(tǒng)Autopilot有著比較顯著的變化。在Autopilot 1.0中，所有總線幾乎都是通過CAN或LIN信號傳輸，在Autopilot 2.0中，控制器已經(jīng)開始預(yù)留LVDS和以太網(wǎng)接口［6］，Autopilot 2.5并對這些接口進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，Tesla智能輔助駕駛系統(tǒng)Autopilot進(jìn)化史如表3所示。

3.4 Tesla Autopilot 2.0功能分析

如表4所示，Autopilot2.0核心內(nèi)容由主動巡航控制［7］、輔助轉(zhuǎn)向、自動變道構(gòu)成，可同時與車道輔助、防撞輔助、車速輔助等功能搭配使用。其中，主動巡航控制可以自動對車輛進(jìn)行縱向控制，簡單來說就是開啟后系統(tǒng)接管了制動器，但駕駛員仍然需要手動控制方向盤。輔助轉(zhuǎn)向提供的自動橫向控制，取代了手動控制方向盤的操作。

4 總結(jié)

以太網(wǎng)總線技術(shù)是將來智能汽車電子電氣架構(gòu)研究的發(fā)展方向。同時，單一傳感器已經(jīng)無法滿足智能車輛高速發(fā)展的趨勢，因此，針對不同傳感器在空間及時間的多維數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定及數(shù)據(jù)融合，同時引入機器學(xué)習(xí)算法，提高檢測的準(zhǔn)確度，更加豐富完善的電子電氣硬件系統(tǒng)架構(gòu)將是今后智能汽車研究的重點。