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軟件模塊化 助力自動(dòng)駕駛汽車(chē)系統(tǒng)研發(fā)

2018-11-06 12:34:53·  來(lái)源：Sebastian Klaas SAEInternation  
　
Elektrobit 獨(dú)特的軟件框架可使自動(dòng)駕駛功能的研發(fā)變得更加流暢。自動(dòng)代客停車(chē)是軟件框架的實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)例子。如今，增加功能性是大多數(shù)駕駛輔助（ADAS）功能
Elektrobit 獨(dú)特的軟件框架可使自動(dòng)駕駛功能的研發(fā)變得更加流暢。
自動(dòng)代客停車(chē)是軟件框架的實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)例子。
 
如今，增加功能性是大多數(shù)駕駛輔助（ADAS）功能，甚至包括SAE 1級(jí)至4級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的研發(fā)趨勢(shì)，但這同時(shí)也會(huì)將讓車(chē)輛所處的軟件環(huán)境和相應(yīng)的研發(fā)流程變得更加復(fù)雜。這是為什么？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這是因?yàn)殡S著功能性的不斷增加，牽涉的 ECU 數(shù)量也會(huì)增加。由于現(xiàn)有功能和系統(tǒng)架構(gòu)在設(shè)計(jì)之初大多并未考慮 SAE 3 級(jí)和 SAE 4 級(jí)自動(dòng)駕駛的需求，因此，盡管各級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在功能方面的重復(fù)性較高，但真正想要在不同級(jí)別系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)功能模塊的復(fù)用卻并不容易，甚至是完全不可能的。
 
各代車(chē)型間的軟件模塊復(fù)用也有類(lèi)似的問(wèn)題，傳感器、促動(dòng)器、融合模塊、功能模塊及控制模塊等，都必須從軟件和硬件角度進(jìn)行重新整合。這些問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致此類(lèi)項(xiàng)目中功能復(fù)雜度的非線性增長(zhǎng)。
 
模塊復(fù)用的挑戰(zhàn)還不止于此。比如，當(dāng)涉及多方研發(fā)時(shí)，不同團(tuán)隊(duì)之間的銜接和協(xié)調(diào)也會(huì)不可避免地產(chǎn)生額外開(kāi)銷(xiāo)。此外，商業(yè)戰(zhàn)略方面的考慮也必不可少：自動(dòng)駕駛系統(tǒng)離不開(kāi)“環(huán)境模型”和“精準(zhǔn)定位功能”等基礎(chǔ)軟件，但這些功能本質(zhì)上很難實(shí)現(xiàn)差異化。因此，即便OEM推出各式各樣的駕駛輔助系統(tǒng)或操縱系統(tǒng)，但在環(huán)境模型和定位上，它們無(wú)法與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手真正拉開(kāi)差距。
 
但盡管如此，廠商仍需要不斷投入資源，對(duì)這些基礎(chǔ)模塊進(jìn)行不斷完善，而這些資源本可以被用來(lái)開(kāi)發(fā)差異性更高的組件，比如人機(jī)接口。這其實(shí)讓廠商陷入一種兩難境地：隨著 SAE 3 級(jí)或 SAE 4 級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的推廣，駕駛員將駕駛?cè)蝿?wù)交給汽車(chē)后將有大量時(shí)間使用 HMI 功能，因此 HMI 研發(fā)的重要性毋庸置疑。但與此同時(shí)，“環(huán)境模型”和“定位功能”等基礎(chǔ)模塊又對(duì)汽車(chē)廠商需要全權(quán)負(fù)責(zé)的車(chē)輛安全性和可靠性至關(guān)重要。正因如此，廠商也必須高度嚴(yán)肅對(duì)待安全性和可靠性問(wèn)題，基礎(chǔ)模塊的完善不能忽略。
用于自動(dòng)駕駛的 EB robinos框架的總體架構(gòu)。

使用軟件框架加速研發(fā)
 
在此背景之下，軟件框架應(yīng)運(yùn)而生。這種軟件框架可以被視為一組自動(dòng)駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的基本構(gòu)件，可在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)研發(fā)中發(fā)揮顯著優(yōu)勢(shì)。Elektrobit 公司的 EB robins 即為這樣一種非常典型的軟件框架，其基本架構(gòu)可見(jiàn)圖 2。
 
EB robins 參考架構(gòu)可以支持 SAE 1 級(jí)到 SAE 4 級(jí)等全部自動(dòng)駕駛級(jí)別，在未來(lái) SAE 5 級(jí)自動(dòng)駕駛解決方案的開(kāi)發(fā)中也將發(fā)揮重要作用。當(dāng)然，在 SAE 5 級(jí)自動(dòng)駕駛解決方案的研發(fā)中，動(dòng)態(tài)情景的數(shù)量將顯著增加，相應(yīng)的系統(tǒng)和軟件架構(gòu)也需要經(jīng)過(guò)重大改動(dòng)。
 
這種軟件框架具有模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以在最大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈活復(fù)用和規(guī)模化。標(biāo)準(zhǔn)化的模塊和接口定義可以降低復(fù)雜開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的開(kāi)銷(xiāo)。此外，這些軟件模塊在應(yīng)用時(shí)并不區(qū)別具體的硬件和傳感器，因此可以輕松、快速地應(yīng)用至不同廠商選擇的不同硬件平臺(tái)上。
 
正如上文所示，軟件框架的應(yīng)用不受具體硬件影響，而且還可以支持一些類(lèi)似傳感器融合等必要功能。這種標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的措施，不僅清晰定義了一種功能性的架構(gòu)，并讓軟件之間、以及軟件和外部接口之間的開(kāi)放交互成為可能。所以從這些方面考慮，軟件框架又可以進(jìn)一步降低研發(fā)復(fù)雜度、投入和成本。
 
除了“環(huán)境模型”、“傳感器融合”和“精準(zhǔn)定位”等基礎(chǔ)模塊，軟件框架還包括“安全檢測(cè)”等診斷模塊，可以對(duì)傳感器和軟件模塊進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，確保其正常工作。此外，框架中的“監(jiān)管模塊”還可以管理算法冗余，監(jiān)督關(guān)鍵功能的執(zhí)行情況，比如在碰撞發(fā)生后檢查路線規(guī)劃情況，或檢查運(yùn)動(dòng)管理模塊的正常運(yùn)行等。
 
自動(dòng)駕駛汽車(chē)差異化功能和非差異化功能的研發(fā)對(duì)軟件框架的要求是不同的。對(duì)于差異化功能，廠商可能更愿意倚靠?jī)?nèi)部研發(fā)力量，并著重于品牌特有的外觀和體驗(yàn)，而“環(huán)境模塊”等非差異化功能則更容易從標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；邪l(fā)中受益。通過(guò)軟件架構(gòu)，研發(fā)人員可以在電腦上快速構(gòu)建原型設(shè)計(jì)，并隨后在 Adaptive AUTOSAR 或 Linux 等環(huán)境中開(kāi)始運(yùn)行。
 
此外，設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)客戶(hù)需求，輕松增加/移除特定構(gòu)件，真正利用最少的研發(fā)、應(yīng)用和測(cè)試資源，實(shí)現(xiàn)軟件構(gòu)件的復(fù)用。
環(huán)境模型由四個(gè)主要部分組成：對(duì)象融合，自由空間和障礙融合，道路融合和交通規(guī)則融合。
 
供研發(fā)人員使用的模塊構(gòu)件
 
全面了解各種特定功能模塊還可以協(xié)助研發(fā)人員更好地理解特定模塊構(gòu)件的應(yīng)用范圍和交互。
 
舉例而言，“環(huán)境模型”（如圖 3 所示）共包括 4 個(gè)主要組成部分。“目標(biāo)融合”可基于各種追蹤邊界框模型（bounding box model），將雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭及更多傳感器捕捉的目標(biāo)進(jìn)行融合，從而更加完整地進(jìn)行目標(biāo)描述，提供包括目標(biāo)相對(duì)位置、尺寸、活動(dòng)、分類(lèi)（比如車(chē)輛、自行車(chē)、行人）等各類(lèi)信息。
 
“空地和障礙物融合”則主要基于一種多邊曲線，描述車(chē)輛周?chē)目盏丶皺跅U和交通信號(hào)燈等靜態(tài)障礙物。出于這個(gè)目的，“空地和障礙物融合”模型主要使用環(huán)境傳感器提供的原始和建模數(shù)據(jù)，確定車(chē)輛可選的行駛路線。“道路融合”則可以利用攝像頭信號(hào)（識(shí)別的道路標(biāo)記）和“空地和障礙物融合”信息（道路靜止設(shè)施等），確定道路的幾何形狀。此外，“道路融合”還可以結(jié)合道路移動(dòng)目標(biāo)軌跡信息和數(shù)字地圖數(shù)據(jù)，更加全面地描繪道路的幾何形狀。
 
“交通規(guī)則融合”則可以處理從攝像頭或數(shù)字地圖獲得的交通標(biāo)志、信號(hào)燈、人行橫道等信息，并輸出類(lèi)似限速標(biāo)準(zhǔn)、禁止通信或先行通過(guò)等規(guī)則信息。
 
“環(huán)境模型”采用模塊化設(shè)計(jì)且支持升級(jí)，可以靈活應(yīng)用至從基礎(chǔ) SAE 1 級(jí)到先進(jìn) SAE 3 或 SAE 4 級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（圖4）。大多數(shù)情況下，“環(huán)境模型”的應(yīng)用僅需適配傳感器等少量硬件設(shè)備，即可在不同系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
 
“定位模塊”的工作則與“環(huán)境模塊”緊密相關(guān)，該模塊可基于測(cè)距法、回轉(zhuǎn)儀、加速表和 GPS 信號(hào)，提供非常準(zhǔn)確的車(chē)輛位置和軌跡信息，因此也是所有基于“地理位置”功能的基礎(chǔ)，比如路線規(guī)劃和自動(dòng)停車(chē)等。此外，“定位模塊”還可以為車(chē)間通信、車(chē)載通話(huà)和導(dǎo)航等應(yīng)用提供必需的位置信息。
 
“外推組件”也是“定位模塊”的另一個(gè)重要組成部分，可以基于車(chē)輛的當(dāng)下運(yùn)動(dòng)情況，預(yù)估車(chē)輛的未來(lái)位置，在一定程度上對(duì)“融合功能”等其他應(yīng)用進(jìn)行補(bǔ)充，從而避免延遲可能帶來(lái)的影響。此外，系統(tǒng)中還有一個(gè)“電子地平線模塊”，可針對(duì)前方道路，為預(yù)測(cè)性的駕駛員輔助功能提供高度準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)信息。這也將促進(jìn)過(guò)彎超速預(yù)警、自適應(yīng)彎道照明、交通標(biāo)志顯示、里程判斷、道路跟隨、節(jié)油駕駛等功能的集成，并為一些 SAE 3 級(jí)和 SAE 4 級(jí)自動(dòng)駕駛功能提供更多有用信息。
 
軟件框架中的各類(lèi)構(gòu)件，通常都是在基于多工處理控制器的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上工作。Elektrobit 公司 EB corbo 軟件套裝集成了運(yùn)行多工處理控制器的所有必備元素，可以進(jìn)行安全快速的高性能運(yùn)算，且能提供運(yùn)行環(huán)境、軟件功能和一些內(nèi)置安全功能。該套裝專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)非常高效的管理程序，可支持多操作系統(tǒng)的運(yùn)行，比如針對(duì)自適應(yīng)應(yīng)用的AUTOSAR Runtime (簡(jiǎn)稱(chēng)AUTOSAR Adaptive) 或 Linux 操作系統(tǒng)。
該框架還允許從1級(jí)功能升級(jí)到更高級(jí)的3級(jí)或4級(jí)功能。

自動(dòng)駕駛級(jí)別的進(jìn)化及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化
 
為了促進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)中的集成，EB robinos 自動(dòng)駕駛軟件架構(gòu)還包含一款軟件工具鏈，可在項(xiàng)目的前期調(diào)研、預(yù)先設(shè)計(jì)、概念構(gòu)設(shè)、實(shí)際研發(fā)和最終量產(chǎn)等不同研發(fā)測(cè)試階段，輕松進(jìn)行軟件模塊的配置和適配。
 
這種集中式功能框架支持各類(lèi)以服務(wù)為導(dǎo)向的安全項(xiàng)目研發(fā)，也可以用于研發(fā)人員的培訓(xùn)。采用模塊化功能設(shè)計(jì)，可支持 SAE 1 級(jí)到 SAE 4 級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，還能在車(chē)輛功能與設(shè)計(jì)提升方面發(fā)揮明顯作用。此外，值得一提的是，為了真正實(shí)現(xiàn)靈活集成，行業(yè)內(nèi)必須形成一套通用的標(biāo)準(zhǔn)接口定義，用于軟件架構(gòu)中不同功能模塊之間，以及與外部模塊的通信與交互。
 
值得高興的是，汽車(chē)行業(yè)已開(kāi)始進(jìn)行多項(xiàng)旨在建立明確標(biāo)準(zhǔn)化的接口定義與規(guī)格的工作。Elektrobit 公司也一直積極配合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織的工作，長(zhǎng)期致力于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立。
 
軟件框架的進(jìn)一步推廣，有助于研發(fā)人員和廠商縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，推動(dòng)非差異化組件的規(guī)?；幚?，顯著降低研發(fā)復(fù)雜度、投入和成本，從而提高品牌競(jìng)爭(zhēng)力，在保證 SAE 5 級(jí)駕駛功能的基礎(chǔ)上，為消費(fèi)者提供更多更好的功能。

作者：Sebastian Klaas
來(lái)源：SAE《自動(dòng)駕駛車(chē)輛工程》雜志
翻譯：SAE 中國(guó)辦公室 
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