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Nachbesprechung des Audi A8

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Die Lehren, die Audi aus der Erfahrung mit dem A8, dem weltweit ersten autonomen Level 3-Auto, gezogen hat, sind bis heute relevant. Folgendes haben wir gelernt, nachdem System Plus den Audi A8 zerlegt hat.

Die jüngste Analyse des Audi A8 hat deutlich gemacht, warum es sowohl aus technologischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht schwieriger ist, ein höheres Maß an Autonomie der Fahrzeuge zu erreichen, als ursprünglich erwartet. Das Audi-Erlebnis mit dem A8 bleibt bis heute aktuell.

Als Audi Ende 2017 die aktualisierte A8-Limousine herausbrachte, stellte das Unternehmen sie als erstes Level-3-Auto in der Geschichte der Automobilindustrie vor. Die gesamte Autoindustrie hat immer noch mit technologischen Problemen und der Unverständlichkeit der wertschöpfenden Struktur zu kämpfen, dh mit Problemen, mit denen Audi zu dieser Zeit konfrontiert war. Eine System Plus-Studie liefert wertvolle Informationen zu verschiedenen Themen:

  • Was wird benötigt, um ein Auto der 3. Stufe freizugeben?
  • Was ist im Sensorsatz A8 enthalten?
  • Wie viel Rechenleistung benötigt ein Auto der Stufe 3?
  • Basiert der zentrale Fahrerassistenz-Controller von Audi namens zFAS auf GPU, SoC, CPU oder FPGA?
  • Was kostet zFAS?

Die Erfahrung von Audi bei der Erreichung von Funktionen der 3. Stufe mit Chips, die bereits in anderen Anwendungen getestet wurden und auf dem Markt erhältlich sind, kann aufschlussreich sein - insbesondere im Vergleich zu Tesla, das zwei Jahre später (2019) sein Full Self Driving Computer Board herausbrachte, das bereitgestellt werden soll Unbemannte Antriebssysteme sind stark auf zwei interne Chips angewiesen

Das System Plus-Demontageverfahren umfasst Analysen, die über das einfache Reverse Engineering und die Hardwareidentifizierung hinausgehen. Das Unternehmen führt auch eine „umgekehrte Kostenberechnung“ durch - eine Bewertung der Kosten für die Beschaffung bestimmter Komponenten und die Erstellung von Produkten. Die Rückwärtsberechnung der A8-Kosten von System Plus zeigt, dass 60% der Kosten von zFAS (die Gesamtkosten werden auf 290 USD geschätzt) durch die Kosten für Halbleiter bestimmt werden. Dies ist kaum überraschend, da 80-85% der Komponenten in modernen Autos Elektronik sind. Dieser Wert ist jedoch nicht überraschend.

Preis


Der wahre Schock für OEMs, sagte Romain Fraux, CEO von System Plus Consulting, ist, dass kein einziges Automobilunternehmen moralisch bereit war, 50% für jede Komponente zu zahlen, so wie Nvidia, Intel. und andere Unternehmen für ihre Flaggschiff-Chip-basierten Lösungen. Dies öffnete den Autoherstellern die Tür zu einer völlig neuen Welt und veranlasste sie, die Kosten für hochautomatisierte Autos zu überdenken.

Die System Plus-Preise beinhalten keine Softwareentwicklungskosten für automatisierte Fahrzeuge. Die Verwendung von FPGA (Altera Cyclone) in zFAS zeigt jedoch den Versuch von Audi, bereits entwickelte Software-Assets zu speichern.

In den letzten 18 Monaten haben einige der führenden OEMs begonnen, auf ihren Wunsch hinzuweisen, ihre eigenen eigenständigen Automobilchips wie die von Tesla zu entwickeln. Dieser Ansatz ermöglicht es ihnen, ihr eigenes Schicksal in Bezug auf die Entwicklung von Hardware und Software zu entscheiden. Angesichts der hohen Kosten für die Entwicklung von Chips ist jedoch unklar, ob OEM-Automobilhersteller dies alleine tun sollten.

Ein weiterer wichtiger Aspekt des A8 ist, dass Audi als erster Automobilhersteller ein Nutzfahrzeug auf dem Weg zur Autonomie auf den Markt brachte.

Zum Zeitpunkt der Einführung des A8 wurde die Technologie im Auto mit dem Traffic Jam Pilot-System als „Durchbruch im Bereich des automatisierten Fahrens“ vorgestellt. Es wird davon ausgegangen, dass eine Person bei Aktivierung des Traffic Jam Pilot-Systems von der Notwendigkeit befreit wird, den Durchfluss zu steuern, bei dem Sie häufig tanken und anhalten müssen.

Diese allerbesten Pläne stießen jedoch auf das Problem der Übertragung der Kontrolle (um eine abgelenkte Person in einer Situation zu warnen und einzubeziehen, in der der Computer nicht zurechtkommt), was von Anfang an durch das Konzept der Autos der dritten Ebene angezeigt wurde.

Heute fährt der A8 durch die Straßen, aber keines dieser Autos hat die Autonomie der 3. Ebene aktiviert und funktioniert.

Dies ist jedoch kein Anspruch auf Audi. Der A8 ließ die Autoindustrie verstehen, was sie vor sich hatte. Branchenführer müssen sich mit allen regulatorischen, technischen, verhaltensbezogenen, rechtlichen und geschäftlichen Komplikationen befassen, bevor sie mit unbemannten Fahrzeugen über eine utopische Zukunft sprechen können. Dies erklärt teilweise das wachsende Interesse an der Entwicklung von Sicherheitsstandards bei Automobilherstellern, führenden Marktteilnehmern, Chiplieferanten sowie Technologie- und Dienstleistungsunternehmen (wie Waymo und Uber).

A8 unter der Haube


Die Herausforderung für die Autohersteller wird nicht mehr darin bestehen, eine Höchstgeschwindigkeit oder eine bessere Beschleunigung von null auf 100 km / h anzubieten, sondern eine immer ausgefeiltere Fahrerassistenz und autonome Fahrsysteme bereitzustellen. Dies ist das Ziel des Audi A8 mit einem autonomen Fahrsystem der dritten Ebene, das als erstes Lidars einsetzt.

Zu den A8-Sensoren gehören auch Kameras, Radar- und Ultraschallsensoren. Der Audi A8 wird das Fahren auf den verkehrsreichsten Straßen ohne Eingreifen des Fahrers bewältigen. Audi weist darauf hin, dass der Fahrer immer die Hände am Lenkrad halten und je nach den örtlichen Gesetzen und Vorschriften andere Aktivitäten ausführen kann, z. B. Fernsehen an Bord. Ein Fahrzeug kann die meisten Probleme lösen, die auf der Straße auftreten, aber ein menschliches Eingreifen ist erforderlich (Abb. 1).

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Abbildung 1: Schlüsselelemente des Audi A8

Fro kommentierte die Liste der innovativen Technologien des Audi A8 wie folgt: „Audi ist das erste Auto mit einer dritten Autonomiestufe.“ Das im Audi A8 installierte Traffic Jam Pilot-System übernimmt die Verantwortung für langsames Fahren mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 km / h auf Autobahnen und Autobahnen mithilfe einer Kombination aus Sensoren und dem weltweit ersten Laserscanner. (Hinweis: Diese Funktion der dritten Ebene ist immer noch nicht aktiviert.)

Level 3 Autonomie- und Computerplattform


Die digitale Technologie kann dieselben Aufgaben wie der Fahrer ausführen und bietet gleichzeitig mehr Sicherheit und Fahrkomfort. Langfristiges Ziel ist es, vollständig vernetzte Straßen zu schaffen - ein intelligentes Automobilnetzwerk. Verkehrsstaus und Umweltverschmutzung werden verringert, was zu einer erheblichen Erhöhung der Sicherheit führen wird.

Autonomes Fahren wird in der Automobilwelt zu einem zunehmend relevanten Thema. Auf der Tagesordnung stehen Neuigkeiten über Fortschritte und Innovationen in diesem Bereich. Das für den Audi A8 verwendete Level 3 zeichnet sich durch hochautomatisiertes Fahren aus. Das System kann den Fahrer vor der Notwendigkeit einer ständigen Kontrolle über die Längs- und Querbewegung des Fahrzeugs bewahren.

Fro sagte: "Der Audi A8 besteht aus einer Vielzahl von Sensoren und einem zFAS-Controller mit vier von Aptiv zusammengebauten Prozessoren." zFAS (Abb. 2) ist die erste zentralisierte Computerplattform. Der Computer als Zentraleinheit verarbeitet in Echtzeit die Signale von Ultraschallsensoren (vorne, hinten und seitlich), 360-Grad-Kameras (vordere, hintere und seitliche Rückspiegel), Mittelstreckenradar (in jedem Winkel) sowie Daten vom Radar Langstrecken- und Laserscanner an der Vorderseite des Fahrzeugs.

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Abbildung 2: Aptiv zFAS Controller

Eine Reihe von Prozessoren in zFAS


Einer der Prozessoren, aus denen sich die Plattform zusammensetzt, ist der Nvidia Tegra K1, der zur Ampelerkennung, Fußgängererkennung, Kollisionswarnung, Lichterkennung und Spurerkennung verwendet wird. Tegra K1 mit 8-Schicht-Leiterplatten enthält 192 Cuda-Kerne, so viele wie Nvidia in ein SMX-Modul in den derzeit auf dem Markt befindlichen Kepler-GPUs integriert (Abbildung 3) und unterstützt DirectX 11 und OpenGL 4.4.

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Abbildung 3: Nvidia Tegra K1

Das Vorhandensein eines sehr leistungsstarken Prozessors in einem Auto ist von großer Bedeutung für die Anzahl der eingebauten Sensoren. Der Intel / Mobileye EyeQ3-Prozessor ist für die Bildverarbeitung verantwortlich. Um die Energie- und Leistungsanforderungen zu erfüllen, werden EyeQ-Chipsysteme mit feineren Stempeln entworfen. In Bezug auf Eye3 verwendet Mobileye 40-nm-CMOS, während das Unternehmen 7-nm-FinFET-Systeme der 5. Generation auf Basis des EyeQ5-Chips verwenden wird. Jeder EyeQ-Chip ist mit einheitlichen, voll programmierbaren Beschleunigern ausgestattet. Darüber hinaus ist jeder Beschleunigertyp für seine eigene Familie von Algorithmen optimiert.

Seltsamerweise können der Nvidia Tegra K1 und Mobileye EyeQ 3 nicht alle für Tier 3-Fahrzeuge erwarteten ADAS-Aufgaben bewältigen. In zFAS gibt es Altera Cyclone für die Datenvorverarbeitung und Infineon Aurix Tricore für die Überwachung von Sicherheitsvorgängen. Die FPGA-Gerätefamilie von Altera Cyclone basiert auf 1,5 V, 0,13 Mikrometer, mehrschichtigem statischem Kupfer-RAM mit einer Dichte von bis zu 20.060 Logikelementen und einem RAM von bis zu 288 kbps.

Die Architektur von Infineon Aurix wurde entwickelt, um die Leistung in Kraftwerken und Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge zu optimieren. TriCore ist die erste einheitliche 32-Bit-Single-Core-Mikrocontroller-Architektur mit digitaler Signalverarbeitung, die für eingebettete Echtzeitsysteme optimiert ist.

Sensoren im Audi A8


In der Automobilwelt sind fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme zu einem Muss für alle Neuwagen geworden, die eine höhere Euro-NCAP-Bewertung wünschen. Auf der ersten Seite in Abbildung 1 konnten wir eine detaillierte Liste der von System Plus gefundenen Audi A8-Geräte finden. "Die Hersteller entwickeln immer effizientere Radargeräte. Wir können eine Reihe von Unternehmen auf dem Markt unterscheiden: Aptiv, Veoneer, ZF, Valeo, Bosch, Mando, Denso und Ainstein", sagte Fro.

Insbesondere beim Audi A8 sehen wir die Autoliv Nachtsicht-Autokamera der 3. Generation, die Aptiv Lane Assist Frontkamera, den Valeo Scala-Laserscanner, das Bosch LRR4 77GHz-Langstreckenradar, das Aptiv R3TR 76 GHz als Mittelstreckenradar. rechts und links vorne und hinten am Auto montiert. "

Die Autoliv Nachtsichtkamera besteht aus zwei Modulen - einer Kamera und einem Remote-Prozessor (Abb. 4). Die Autoliv Infrarot-Nachtsichtkamera besteht aus einem hochauflösenden 17-Mikron-FLIR-Mikrobolometer auf Basis von Vanadiumoxid ISC0901. Das Gerät basiert auf einem technischen Ansatz mit einem komplexen optischen System und einem modernen numerischen Verarbeitungssystem, das auf einem Array von PPVM und einem speziellen Algorithmus basiert.

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Abbildung 4: Nachtsicht-Autokamera der 3. Generation von Autoliv

Die Aptiv Lane Assist Frontkamera ist am Rückspiegel montiert und hat eine Reichweite von 80 Metern mit einer Frequenz von 36 Bildern / Sek. Die Kamera verwendet einen 1,2-Megapixel-CMOS-Bildsensor von On Semiconductor und einen 8-Bit-PIC-Mikrocontroller von Microchip. Die zFAS-Steuereinheit bietet eine Softwaresteuerung für die Bildverarbeitung und -erkennung mithilfe des Mobileye EyeQ3-Verarbeitungschips (Abb. 5).

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Abbildung 5: Leiterplatte der Aptiv Lane Assist Frontkamera

Das LRR4 ist ein Multimode-Radar mit sechs Bosch-Festantennen. Vier in der Mitte befindliche Antennen ermöglichen eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung der Umgebung und erzeugen einen fokussierten Strahl mit einem Öffnungswinkel von ± 6 Grad bei minimaler Störung des Verkehrs auf benachbarten Fahrspuren. Im Nahfeld erweitern zwei externe LRR4-Antennen das Sichtfeld auf ± 20 Grad und bieten eine Reichweite von 5 Metern, mit der Fahrzeuge, die die Fahrspur betreten oder verlassen, schnell erkannt werden können (Abb. 6).

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Feige. 6: Fernradarsensor (Bild: System Plus).

Der Aptiv-Kurzstreckenradarsensor besteht aus zwei Sendern und vier Empfangskanälen und arbeitet im Frequenzband 76-77 GHz, das für Autoradare Standard ist. Die Leiterplatte verwendet eine monolithische integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC) und einen Wellenleiterresonator. Auf dem Substrat der Hochfrequenz-Leiterplatte (PCB) wird ein glasfaserverstärktes Laminat auf Keramikkohlenwasserstoffbasis verwendet, das kein PTFE enthält (Abb. 7 und 8).

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Abbildung 7: Aptiv R3TR 76-GHz-Kurzstreckenradar - Übersicht Abbildung 8: Aptiv R3TR 76-GHz-Kurzstreckenradarelektronikkarte

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Lidar-Technologie


Ein Schlüsselelement des Audi A8 ist Lidar. Dies ist das erste Mal, dass ein Autohersteller einen Laserscanner verwendet. Dieses Lidar basiert auf einem mechanischen System mit einem rotierenden Spiegel und einer Wellenlänge von 905 nm und verwendet an den Rändern Strahlungstechnologie. Das Gerät hat eine Reichweite von 150 Metern mit einem Betrachtungswinkel von 145 ° horizontal und 3,2 ° vertikal. Das Motorsteuergerät besteht aus einem Stator, einem Rotor mit Steuerantrieb und einem MPS40S-Hallsensor zur Bewegungserkennung. Der Hallsensor ändert seine Ausgangsspannung als Reaktion auf ein Magnetfeld. Dies ist eine langfristige Lösung, da es keine mechanischen Teile gibt, die sich mit der Zeit abnutzen könnten. Eine integrierte Schaltung reduziert die Größe des Systems und die relative Komplexität der Implementierung (Abb. 9, 10, 11).

Lidarsysteme basieren auf der Flugzeit (ToF), die eine genaue Messung zeitbezogener Ereignisse ermöglicht (Abb. 12). Jüngste Entwicklungen haben die Schaffung mehrerer Mehrweg-Lidar-Systeme ermöglicht, die ein genaues dreidimensionales Bild der Umgebung des Fahrzeugs erzeugen. Diese Informationen werden verwendet, um die am besten geeigneten Fahrmanöver auszuwählen.

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Abbildung 9: Laserscanner (Bild: System Plus)

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Abbildung 10. Innenseite des Laserscanners

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Abbildung 11: Blockdiagramm des Laserscanners

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Abbildung 12: Funktionsdiagramm der Flugzeit (Abbildung: Maxim Integrated)

Kantenstrahlungslaser sind eine originelle und immer noch weit verbreitete Form von Halbleiterlasern. Ihre Resonanzlänge ermöglicht eine hohe Verstärkung. Der Laserstrahl innerhalb der Struktur wird üblicherweise in ein doppelt homogenes Wellenleitersystem gerichtet. Abhängig von den physikalischen Eigenschaften des Wellenleiters ist es möglich, eine Ausgabe mit hoher Strahlqualität, aber begrenzter Ausgangsleistung oder hoher Ausgangsleistung, aber niedriger Strahlqualität zu erzielen (Abb. 13).

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Abbildung 13: Kantenlaserdiode

Der im Lidar-System verwendete Laser hat ein 3-poliges TO-Gehäuse mit einer Matrixfläche von 0,27 mm2, wie in Abb. 1 gezeigt. 13. Die Laserleistung beträgt 75 Watt und hat einen Durchmesser von 5,6 mm. "Es wurde wahrscheinlich von Sheaumann für Laserkomponenten auf einer 100-mm-Platte hergestellt", sagte Fro. Das Anpassungsgerät verwendet eine Lawinenphotodiode (APD), um einen Laserstrahl zu empfangen, nachdem zwei Linsen passiert wurden - eine sendende und eine empfangende. „Die APD wird wahrscheinlich vom ersten Sensor auf einer 150-mm-Platte mit einem 8-poligen FR4 LLC-Gehäuse und einer Anschlussfläche von 5,2 mm hergestellt (Abbildung 14)“, sagte Frau.

APD ist eine Hochgeschwindigkeits-Fotodiode, die einen Fotovervielfacher verwendet, um ein rauscharmes Signal zu erzeugen. Die APD erzielt ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis als die PIN-Fotodiode und kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden (z. B. hochpräzise Entfernungsmesser und Detektoren für schwaches Licht). Aus elektronischer Sicht erfordert die APD eine höhere Sperrspannung und eine detailliertere Berücksichtigung ihrer temperaturabhängigen Verstärkungseigenschaften.

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Abbildung 14: Avalanche Photodiode (APD)

Neben zwei Laser- und Bewegungssteuergeräten besteht das Steuergerät aus einer Hauptplatine, die aus einem ARM Cortex-A9 Xilinx XA7Z010 SoC-Dual-Core-Prozessor, einem 32-Bit-Mikrocontroller STMicroelectronics SPC56EL60L3 und einem Power-Management-System besteht, das aus einem synchronen intelligenten Abwärtsregler von ADI besteht Netzschalter von Infineon, ein dreifacher monolithischer Step-Down-Chip mit LDO von ADI und ein Sensorless Fan Driver mit drei Phasen und Chip von Allegro. Das FlexRay-Protokoll ermöglicht den Datenaustausch. Das FlexRay-System besteht aus mehreren elektronischen Steuergeräten, von denen jedes mit einer Steuerung ausgestattet ist, die den Zugriff auf einen oder zwei Kommunikationskanäle steuert.

Die Berechnung der Kosten eines solchen Lidar-Systems mit einem Volumen von> 100.000 Einheiten / Jahr kann 150 US-Dollar erreichen, während ein erheblicher Teil davon mit der Hauptplatine und dem Laser verbunden ist (Abbildung 15).

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Abbildung 15: Zerlegte Laserscanner-Ausrüstung

In einem Projekt mit Lidars ist ein Transimpedanzverstärker der wichtigste Teil eines elektronischen Systems. Geringes Rauschen, hohe Verstärkung und schnelle Wiederherstellung machen die neuen Geräte ideal für Automobilanwendungen. Um maximale Leistung zu erzielen, sollten Entwickler besonders auf die Paarung und Integration von Schaltkreisen, Wellenlängen und der optisch-mechanischen Ausrichtung achten. Diese integrierten Schaltkreise erfüllen die strengsten Sicherheitsanforderungen für Kraftfahrzeuge gemäß den AEC-Q100-Qualifikationen.


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Über ITELMA
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