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拆解奧迪A8，從中學到教訓

2020-05-04 23:29:39·  來源：智車科技  作者：吉田順子  
　
奧迪制造了世界上第一輛L3級自動駕駛汽車A8，盡管A8因為各種原因不再配置該系統(tǒng)，但其中的經驗教育值得深度拆解。本文來源：EET Asia作者：吉田順子，智車科技編
奧迪制造了世界上第一輛L3級自動駕駛汽車A8，盡管A8因為各種原因不再配置該系統(tǒng)，但其中的經驗教育值得深度拆解。
 
本文來源：EET Asia 作者：吉田順子，智車科技編譯
 
奧迪A8的最新拆解恰恰說明了從技術和經濟角度來看，實現(xiàn)更高水平的汽車自主性比任何人最初的預期都難。因此，奧迪在A8上的經驗至今仍然很重要。
當奧迪于2017年底推出重新設計的A8轎車時，該公司吹捧它是汽車行業(yè)的首款L3級汽車。整個汽車行業(yè)仍在面對當時奧迪面臨的技術問題和陌生的成本結構。
 
System Plus進行的拆卸提供了對以下幾個問題的寶貴見解：
  • 制造出L3級汽車需要什么？
  • A8傳感器套件包含什么？
  • 三級車需要多少處理能力？
  • 是GPU，SoC，CPU還是FPGA驅動著奧迪的稱為zFAS的中央駕駛員輔助控制器嗎？
  • zFAS的價格是多少？這對奧迪如何使用市場上已有的芯片實現(xiàn)了Level 3功能具有啟發(fā)性，并且已經在其他應用中進行了測試和測試，特別是與特斯拉相比，特斯拉在兩年后（2019年）推出了“ 全自動駕駛計算機 ”主板主要依靠兩個自產的自動駕駛芯片。
System Plus拆解包括的分析不僅僅包括逆向工程和確定硬件元素。該公司還執(zhí)行“反向成本計算”，即估算公司采購特定組件和制造其產品所必須付出的成本。System Plus的A8反向成本計算表明，zFAS成本的60％（估計為290美元）是由半導體成本驅動的。這幾乎令人吃驚，因為現(xiàn)代汽車中80％至85％的內容是電子產品。但是，這并不是令人驚訝的成本。
 
System Plus的拆解/成本估算不包括自動駕駛汽車軟件開發(fā)的成本。但是，在zFAS中使用FPGA（Altera Cyclone）表明，奧迪試圖保留自己已經開發(fā)的軟件資產。
 
在過去的18個月中，一些領先的OEM廠商開始暗示他們希望設計自己的自動駕駛汽車芯片（特斯拉）。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，鑒于芯片設計的高昂成本，目前尚不清楚汽車原始設備制造商是否會更好地獨自解決。
 
在A8投放市場時，車內技術被稱為“自動駕駛突破”，其特色是名為Traffic Jam Pilot的系統(tǒng)。啟用該功能后，Traffic Jam Pilot可以緩解駕駛員在停停走走交通談判中的麻煩。
 
但是，這些規(guī)劃最完善的計劃與“交接問題”（當計算機停滯時提醒并吸引分心的人）相沖突，自一開始就困擾著Level-3車輛的概念。
 
如今，A8出現(xiàn)在大街上，但沒有一個在現(xiàn)實世界中激活并運行其3級自治功能。
 
A8向視聽行業(yè)表明了它所面臨的挑戰(zhàn)。行業(yè)領導者必須弄清各種監(jiān)管，技術，安全，行為，法律和與業(yè)務相關的復雜性，然后才能吹噓無人駕駛機器人的未來。這部分解釋了汽車原始設備制造商，一級供應商，芯片供應商以及技術和服務公司（即Waymo，Uber）之間制定安全標準的勢頭越來越大。
 
引擎蓋下的A8
 
汽車制造商所面臨的挑戰(zhàn)將不再是提供從零到100 km / h的最快速度或最佳加速，而是要確保日益先進的自動駕駛和輔助系統(tǒng)。這是奧迪A8具有第3級自駕功能的目標，這是第一個使用激光雷達技術的汽車。
 
A8的傳感器套件還包括攝像頭，雷達和超聲波傳感器。奧迪A8將自動在最擁擠的道路上進行駕駛管理，而無需駕駛員干預。奧迪（Audi）規(guī)定，駕駛員可以始終保持雙手不離開方向盤，并且可以根據(jù)當?shù)胤煞ㄒ?guī)進行其他活動，例如在車上看電視。車輛可以執(zhí)行大多數(shù)駕駛任務，但仍然需要人工控制（圖1）。
 
圖1：奧迪A8的關鍵要素
弗勞克斯（Fraux）在奧迪A8內的創(chuàng)新技術名列榜首：“奧迪是首款具有3級自主性的汽車。安裝在奧迪A8上的Traffic Jam Pilot系統(tǒng)使用傳感器融合技術和世界上第一臺激光掃描儀，負責在高速公路和高速公路上以60 km / h的速度緩慢行駛的交通。（注意：但是，此級別3功能迄今為止尚未激活）

L3級自治和計算平臺
 
數(shù)字技術可以承擔駕駛員應執(zhí)行的相同任務，同時提供更高的安全性和舒適性。長期目標是擁有完全聯(lián)網(wǎng)的道路-汽車智能電網(wǎng)。減少交通擁堵和環(huán)境污染，安全性顯著提高。
 
無人駕駛是汽車界越來越重要的話題。有關該部門的進展和新穎性的新聞  已提上日程。奧迪A8所使用的級別3被定義為高度自動駕駛。該系統(tǒng)能夠使駕駛員無需對車輛的縱向和橫向運動進行連續(xù)控制。
 
弗勞克斯說：“奧迪A8由Aptiv與四個處理器芯片組合在一起的各種傳感器和一個zFAS控制器組成。” zFAS（圖2）是第一個集中式計算平臺。一臺計算機作為中央樞紐，用于處理超聲傳感器（前，后和側面），360度攝像頭（前，后和側面鏡），中程雷達（各個角度）以及遠程雷達和激光掃描儀實時位于車輛前部。
 
圖2：Aptiv zFAS控制器
 
zFAS中的大量處理器構成該平臺的處理器是Nvidia Tegra K1，用于交通信號識別，行人檢測，碰撞警告，光檢測和車道識別。具有八層PCB的Tegra K1集成了192個Cuda內核，與Nvidia集成到目前市場上的開普勒GPU（圖3）中支持DirectX 11和OpenGL 4.4的單個SMX模塊中的數(shù)量相同。
 
圖3：Nvidia Tegra K1
考慮到集成在其中的傳感器的數(shù)量，在汽車中擁有非常強大的處理器至關重要。英特爾/ Mobileye的EyeQ3負責圖像處理。為了滿足功耗和性能目標，EyeQ SoC通過使用更精細的幾何體進行設計。在Eye3中，Mobileye使用40 nm CMOS，而該公司將在第五代SoC EyeQ5中使用7nm FinFET。每個EyeQ芯片均具有異構的完全可編程的加速器。每個加速器類型都針對其自己的算法系列進行了優(yōu)化。
 
奇怪的是，Nvidia Tegra K1和Mobileye EyeQ 3不足以處理3級車輛的所有ADAS任務。在zFAS內部是用于數(shù)據(jù)預處理的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1.5V，0.13µm的全層銅SRAM工藝，具有高達20,060個邏輯單元（LE）的密度和高達288 kbit的RAM。
 
英飛凌Aurix架構實現(xiàn)了汽車行業(yè)動力總成和安全應用中的性能優(yōu)化。TriCore是第一個為實時嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化的統(tǒng)一的單核32位微控制器-DSP架構。
 
奧迪A8中的傳感器
 
汽車世界中，高級駕駛輔助系統(tǒng)已成為所有新車獲得更高歐洲NCAP評分的必要條件。在圖1的第一頁中，我們可以找到System Plus發(fā)現(xiàn)的Audi A8中設備的詳細列表。“制造商正在開發(fā)效率越來越高的雷達傳感器，在市場上，我們可以區(qū)分一些公司，例如Aptiv，Veoneer，ZF，Valeo，Bosch，Mando，Denso和Ainstein，” Fraux說。
 
特別是在奧迪A8中，我們可以看到Autoliv的第三  代汽車夜視攝像頭，Aptiv的車道輔助前置攝像頭，法雷奧Scala激光掃描儀，博世LRR4 77GHz長距離雷達傳感器，Aptiv R3TR 76 GHz是中距離雷達的右前方左，左，右后Autoliv夜視攝像機由兩個模塊組成：攝像機和一個遠程處理單元（圖4）。Autoliv的紅外夜視攝像機由FLIR的17μm像素高清氧化釩微測輻射儀ISC0901組成。該器件基于復雜的光學系統(tǒng)和基于FPGA陣列和定制算法的復雜數(shù)值處理系統(tǒng)，提供了一種工程方法。
 
圖4：Autoliv的第三代汽車夜視攝像機
 
Aptiv的車道輔助前置攝像頭安裝在后視鏡上，可提供80米的范圍和36張圖像/秒的幀。該相機使用安森美半導體提供的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處理芯片來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是一種多模式雷達，帶有六個來自博世的固定雷達天線。四個居中排列的天線提供了對環(huán)境的高速記錄，創(chuàng)建了聚焦光束，其孔徑角為±6度，并且在相鄰車道中的交通干擾最小。在近場中，LRR4的兩個外部天線將視場擴大到±20度，范圍為5米，能夠快速檢測進入或離開車道的車輛（圖6）。
 
圖6：遠程雷達傳感器（圖片：System Plus）
 
Aptiv的短程雷達傳感器由兩個發(fā)射器通道和四個接收器通道組成，并在76-77 GHz頻帶內運行，這是汽車雷達應用的標準配置。PCB使用單片微波集成電路（MMIC）和腔波導。射頻（RF）印刷電路板（PCB）基板使用玻璃增強的烴基陶瓷層壓板，并且完全不含PTFE（圖7和8）。
 
圖7：Aptiv R3TR 76GHz短程雷達概述
 
圖8：Aptiv R3TR 76GHz短程雷達電子板
激光雷達技術
奧迪A8的關鍵要素是激光雷達。這是汽車制造商第一次使用激光掃描儀。它是基于具有旋轉鏡技術和邊緣發(fā)射技術中905 nm波長的機械系統(tǒng)的激光雷達。該設備的射程為150米，水平視場角為145°，垂直視場角為3.2°。電機控制單元由帶有控制驅動器的定子和轉子以及用于運動檢測的MPS40S霍爾傳感器組成?；魻栃獋鞲衅黜憫诖艌龆淖兤漭敵鲭妷?。這是一個持久的解決方案，因為沒有機械零件會隨著時間的流逝而磨損。集成的軟件包減少了系統(tǒng)的大小和實現(xiàn)的相對復雜性（圖9、10、11）。
激光雷達系統(tǒng)基于飛行時間（ToF），可測量精確的計時事件（圖12）。最新的發(fā)展已經看到了幾種多光束激光雷達系統(tǒng)，它們可以生成車輛周圍環(huán)境的精確三維圖像。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：在Audi A8中實現(xiàn)的激光掃描儀的內部
 
圖11：激光掃描儀的框圖
 
圖12：飛行時間功能圖（圖片：Maxim Integrated）
邊緣發(fā)射激光器是半導體激光器的原始且仍被廣泛使用的形式。它們的諧振長度可以實現(xiàn)高增益。在該結構內，激光束在典型的雙異質結構波導結構中導向。根據(jù)波導的物理特性，有可能獲得高光束質量但輸出功率有限的輸出，或獲得高輸出功率但光束質量低的輸出（圖13）。
 
圖13：邊發(fā)射激光二極管
激光雷達解決方案中使用的激光器具有3引腳TO型封裝，管芯面積為0.27 mm 2 ，如圖13所示。激光器的功率為75 W，直徑為5.6 mm。“可能是Sheaumann為100 mm晶圓上的激光組件制造的，” Fraux說。調節(jié)單元使用雪崩光電二極管（APD）來獲取穿過兩片透鏡（一個發(fā)射和一個接收）后的激光束。Fraux說：“ APD可能是由第一傳感器在150毫米晶圓上制成的，該晶圓具有8引腳FR4 LLC封裝，管芯面積為5.2 mm 2（圖14）。”
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比PIN光電二極管具有更高的信噪比，可用于各種應用，例如高精度測距儀和低照度檢測。從電子角度來看，APD需要更高的反向電壓，并需要更詳細地考慮其與溫度有關的增益特性。
 
圖14：雪崩光電二極管（APD）
除了用于激光和運動控制的兩個單元之外，控制硬件還包括主板，該主板包括Xilinx XA7Z010 SoC雙核ARM Cortex-A9、32位STMicroelectronics SPC56EL60L3微控制器以及包括以下各項的電源管理系統(tǒng)：ADI公司的同步降壓穩(wěn)壓器，英飛凌公司的雙通道智能高端電源開關，ADI公司的帶LDO的三路單片式降壓IC和Allegro公司的三相無傳感器風扇驅動器IC。FlexRay協(xié)議支持數(shù)據(jù)通信。FlexRay系統(tǒng)由幾個電子控制單元組成，每個電子控制單元都帶有一個控制器，該控制器管理對一個或兩個通信通道的訪問。
估計這種激光雷達技術每年每超過10萬單位的成本可能達到150美元，其中很大一部分與主機板和激光器有關（圖15）。
 
圖15：拆卸的激光掃描儀硬件
在激光雷達項目中，跨阻放大器是電子布局中最關鍵的部分。低噪聲，高增益和快速恢復特性使這些新器件成為汽車應用的理想選擇。為了獲得最佳性能，設計人員必須特別注意接口和集成電路，波長和光機械對準的問題。這些集成電路符合AEC-Q100認證，可滿足汽車行業(yè)最嚴格的安全要求。
 
 
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