🏓 🖐🏻 🧜🏻 Débriefing de l'Audi A8 🍘 💖 📭

Les leçons qu'Audi a tirées de l'expérience de la création de l'A8, la première voiture autonome de niveau 3 au monde, restent d'actualité. Voici ce que nous avons appris après le démontage de l'Audi A8 par System Plus.

La récente analyse de l'Audi A8 a montré clairement pourquoi, tant du point de vue technologique qu'économique, il est plus difficile d'atteindre un plus haut niveau d'autonomie des véhicules que ce à quoi on s'attendait à l'origine. L'expérience Audi avec l'A8 reste d'actualité aujourd'hui.

Lorsque Audi a sorti la berline A8 mise à jour fin 2017, la société l'a présentée comme la première voiture de niveau 3 de l'histoire de l'industrie automobile. L'ensemble de l'industrie automobile est toujours aux prises avec des problèmes technologiques et l'incompréhensibilité de la structure génératrice de valeur, c'est-à-dire les problèmes auxquels Audi était confrontée à l'époque. Une étude System Plus fournit des informations précieuses sur plusieurs questions:

De quoi a-t-on besoin pour sortir une voiture du 3ème niveau?
Que comprend le jeu de capteurs A8?
De quelle puissance de calcul une voiture de niveau 3 a-t-elle besoin?
Le contrôleur central d'aide à la conduite d'Audi appelé zFAS est-il basé sur GPU, SoC, CPU ou FPGA?
Combien coûte zFAS?

L'expérience d'Audi dans la réalisation de fonctionnalités de troisième niveau à l'aide de puces déjà testées dans d'autres applications et sur le marché peut être instructive - en particulier par rapport à Tesla, qui a publié sa carte «Full Self Driving Computer» deux ans plus tard (2019), qui les systèmes de conduite sans pilote dépendent fortement de deux puces internes

La procédure de démontage de System Plus comprend une analyse qui va au-delà de la simple ingénierie inverse et de l'identification du matériel. L'entreprise effectue également un «calcul des coûts inversés» - une évaluation des coûts d'obtention de composants spécifiques et de création de produits. Le calcul en amont du coût A8 de System Plus montre que 60% du coût du zFAS (le coût total est estimé à 290 $) est déterminé par le coût des semi-conducteurs. Cela n'est guère surprenant, car 80 à 85% des composants des voitures modernes sont de l'électronique. Cependant, il n'y a rien de surprenant dans cette valeur.

Prix

Le véritable choc pour les OEM, a déclaré Romain Fraux, PDG de System Plus Consulting, est que pas un seul constructeur automobile n'était moralement prêt à payer 50% pour chaque composant, tout comme Nvidia, Intel l'a fait. et d'autres sociétés pour leurs solutions phares à base de puces. Cela a ouvert la porte à un tout nouveau monde pour les constructeurs automobiles, les incitant à repenser le coût des voitures hautement automatisées.

La tarification de System Plus n'inclut pas les coûts de développement de logiciels pour les véhicules automatisés. Cependant, l'utilisation de FPGA (Altera Cyclone) dans zFAS montre la tentative d'Audi de sauvegarder ses propres actifs logiciels qu'elle a déjà développés.

Au cours des 18 derniers mois, certains des principaux équipementiers ont commencé à faire allusion à leur désir de développer leurs propres puces automobiles autonomes comme celles de Tesla. Cette approche leur permet de décider de leur sort en termes de développement de matériel et de logiciels. Cependant, étant donné le coût élevé de développement des puces, il n'est pas clair si les constructeurs automobiles OEM devraient le faire seuls.

Un autre aspect important de l'A8 est qu'Audi a été le premier constructeur automobile à lancer un véhicule utilitaire sur la voie de l'autonomie.

Au moment du lancement de l'A8, la technologie à l'intérieur de la voiture a été présentée comme une «percée dans le domaine de la conduite automatisée», avec le système Traffic Jam Pilot. On suppose que lorsque le système Traffic Jam Pilot est activé, une personne est libérée de la nécessité de contrôler le débit, où vous devez souvent faire le plein et vous arrêter.

Cependant, ces meilleurs plans se sont heurtés au problème du transfert de contrôle (pour avertir et engager une personne distraite dans une situation où l'ordinateur ne pouvait pas faire face), ce qui était indiqué dès le début par le concept de voitures de troisième niveau.

Aujourd'hui, l'A8 parcourt les rues, mais aucune de ces voitures n'a activé et ne fonctionne en autonomie du 3ème niveau.

Cependant, ce n'est pas une réclamation à Audi. L'A8 a fait comprendre à l'industrie automobile à quoi elle était confrontée. Les leaders de l'industrie doivent gérer toutes les complications réglementaires, techniques, comportementales, juridiques et commerciales avant de pouvoir parler d'un avenir utopique avec des véhicules sans pilote. Cela explique en partie l'intérêt croissant pour le développement de normes de sécurité chez les constructeurs automobiles, les principaux acteurs du marché, les fournisseurs de puces, ainsi que les entreprises de technologie et de services (telles que Waymo et Uber).

A8 sous le capot

Le défi pour les constructeurs automobiles ne sera plus d'offrir une vitesse maximale ou une meilleure accélération de zéro à 100 km / h, mais de fournir une assistance au conducteur de plus en plus sophistiquée et des systèmes de conduite autonomes. C'est l'objectif de l'Audi A8 avec un système de conduite autonome de troisième niveau, le premier à utiliser des lidars.

Les capteurs A8 comprennent également des caméras, des radars et des capteurs à ultrasons. L'Audi A8 fera face à la conduite sur les routes les plus fréquentées sans intervention du conducteur. Audi indique que le conducteur peut toujours garder les mains sur le volant et, selon les lois et réglementations locales, peut s'engager dans d'autres activités, telles que regarder la télévision à bord. Un véhicule peut résoudre la plupart des problèmes qui se posent sur la route, mais une intervention humaine est nécessaire (Fig. 1).

Figure 1: éléments clés de l'Audi A8

Fro a commenté la liste des technologies innovantes de l'Audi A8: "Audi est la première voiture avec un 3ème niveau d'autonomie." Le système Traffic Jam Pilot installé sur l'Audi A8 prend en charge la conduite à faible débit à des vitesses allant jusqu'à 60 km / h sur les autoroutes et les autoroutes, en utilisant une combinaison de capteurs et le premier scanner laser au monde. (Remarque: cette fonction de troisième niveau n'est toujours pas activée).

Plateforme d'autonomie et de calcul de niveau 3

La technologie numérique peut effectuer les mêmes tâches que le conducteur, tout en offrant une sécurité et un confort de conduite accrus. L'objectif à long terme est de créer des routes entièrement en réseau - un réseau intelligent automobile. La congestion du trafic et la pollution de l'environnement seront réduites, ce qui entraînera une augmentation significative de la sécurité.

La conduite autonome devient un sujet de plus en plus pertinent dans le monde automobile; À l'ordre du jour, des nouvelles sur les progrès et les innovations dans ce domaine. Le niveau 3 utilisé pour l'Audi A8 se caractérise par une conduite hautement automatisée. Le système est en mesure de sauver le conducteur de la nécessité d'un contrôle constant sur le mouvement longitudinal et transversal de la voiture.

Fro a déclaré: «L'Audi A8 se compose d'une variété de capteurs et d'un contrôleur zFAS avec quatre processeurs assemblés par Aptiv.» zFAS (Fig. 2) est la première plate-forme informatique centralisée. L'ordinateur, en tant qu'unité centrale, traite en temps réel les signaux des capteurs à ultrasons (avant, arrière et latéraux), les caméras à 360 degrés (rétroviseurs avant, arrière et latéraux), les radars de moyenne portée (à n'importe quel angle), ainsi que les données du radar longue portée et scanner laser à l'avant du véhicule.

Figure 2: Contrôleur Aptiv zFAS

Un tas de processeurs dans zFAS

L'un des processeurs qui composent la plate-forme est le Nvidia Tegra K1, utilisé pour la reconnaissance des feux de circulation, la détection des piétons, l'alerte de collision, la détection des feux et la reconnaissance des voies. Tegra K1 avec PCB à 8 couches contient 192 cœurs Cuda, autant que Nvidia s'intègre dans un module SMX à l'intérieur des GPU Kepler actuellement sur le marché (figure 3) avec prise en charge de DirectX 11 et OpenGL 4.4.

Figure 3: Nvidia Tegra K1

La présence d'un processeur très puissant dans une voiture est d'une grande importance en ce qui concerne le nombre de capteurs intégrés. Le processeur Intel / Mobileye EyeQ3 est responsable du traitement des images. Pour répondre aux exigences énergétiques et de performance, les systèmes de puces EyeQ sont conçus en utilisant un estampage plus fin. En parlant d'Eye3, Mobileye utilise un CMOS 40 nm, tandis que la société utilisera des systèmes FinFET 7 nm de 5e génération basés sur la puce EyeQ5. Chaque puce EyeQ est équipée d'accélérateurs uniformes et entièrement programmables; en outre, chaque type d'accélérateur est optimisé pour sa propre famille d'algorithmes.

Curieusement, les Nvidia Tegra K1 et Mobileye EyeQ 3 ne peuvent pas gérer toutes les tâches ADAS attendues pour les voitures de niveau 3. À l'intérieur de zFAS, il y a Altera Cyclone pour le prétraitement des données et Infineon Aurix Tricore pour surveiller les opérations de sécurité. La famille d'appareils FPGA d'Altera Cyclone est basée sur 1,5 V, 0,13 microns, une RAM statique en cuivre multicouche, avec une densité allant jusqu'à 20 060 éléments logiques et possédant jusqu'à 288 kbps de RAM.

L'architecture Infineon Aurix est conçue pour optimiser les performances des centrales électriques et des systèmes de sécurité automobile. TriCore est la première architecture unifiée de microcontrôleur de traitement du signal numérique 32 bits monocœur optimisée pour les systèmes embarqués en temps réel.

Capteurs dans l'Audi A8

Dans le monde de l'automobile, les systèmes avancés d'aide à la conduite sont devenus un incontournable pour toutes les nouvelles voitures qui souhaitent une cote Euro NCAP plus élevée. Sur la première page, dans la figure 1, nous avons pu trouver une liste détaillée des appareils Audi A8 trouvés par System Plus. "Les fabricants développent des radars de plus en plus efficaces, et nous pouvons distinguer un certain nombre d'entreprises sur le marché: Aptiv, Veoneer, ZF, Valeo, Bosch, Mando, Denso et Ainstein", a déclaré Fro.

En particulier, sur l'Audi A8, nous pouvons voir la caméra de voiture de vision nocturne Autoliv de 3e génération, la caméra avant Aptiv Lane Assist, le scanner laser Valeo Scala, le radar longue portée Bosch LRR4 77 GHz, l'Aptiv R3TR 76 GHz comme radar de moyenne portée, monté à droite et à gauche à l'avant et à l'arrière de la voiture. "

La caméra de vision nocturne Autoliv se compose de deux modules - une caméra et un processeur distant (Fig. 4). La caméra infrarouge de vision nocturne Autoliv se compose d'un microbolomètre FLIR haute résolution de 17 microns pixel à base d'oxyde de vanadium ISC0901. Le dispositif est basé sur une approche d'ingénierie avec un système optique complexe et un système de traitement numérique moderne basé sur un réseau de PPVM et un algorithme spécialisé.

Figure 4: Caméra de voiture de vision nocturne de 3e génération Autoliv

La caméra avant Aptiv Lane Assist est montée sur le rétroviseur et a une portée de 80 mètres avec une fréquence de 36 images / sec. L'appareil photo utilise un capteur d'image CMOS de 1,2 mégapixels fourni par On Semiconductor et un microcontrôleur PIC 8 bits de Microchip. L'unité de contrôle zFAS fournit un contrôle logiciel pour le traitement et la reconnaissance d'image à l'aide de la puce de traitement Mobileye EyeQ3 (Fig. 5).

Figure 5: Carte de circuit imprimé de la caméra avant Aptiv Lane Assist

Le LRR4 est un radar multimode avec six antennes fixes Bosch. Quatre antennes situées au centre permettent un enregistrement à grande vitesse de l'environnement, créant un faisceau focalisé avec un angle d'ouverture de ± 6 degrés avec une interférence minimale avec le trafic dans les voies adjacentes. Dans le champ proche, deux antennes LRR4 externes étendent le champ de vision à ± 20 degrés, offrant une portée de 5 mètres avec la capacité de détecter rapidement les véhicules entrant ou sortant de la voie (Fig.6).

Figure. 6: Capteur radar longue portée (Image: System Plus).

Le capteur radar à courte portée Aptiv se compose de deux émetteurs et de quatre canaux de réception et fonctionne dans la bande de fréquences 76-77 GHz, ce qui est standard pour les radars de voiture. La carte de circuit imprimé utilise un circuit intégré monolithique à micro-ondes (MMIC) et un résonateur à guide d'ondes. Sur le substrat de la carte de circuits imprimés (PCB) radiofréquence (RF), un stratifié à base d'hydrocarbure céramique renforcé de verre qui ne contient pas de PTFE est utilisé (Fig.7 et 8).

Figure 7: Présentation du radar à courte portée Aptiv R3TR 76 GHz Figure 8: Carte électronique du radar à courte portée Aptiv R3TR 76 GHz

Technologie Lidar

Un élément clé de l'Audi A8 est le lidar. C'est la première fois qu'un constructeur automobile utilise un scanner laser. Ce lidar est basé sur un système mécanique avec un miroir rotatif et une longueur d'onde de 905 nm et utilise la technologie de rayonnement sur les bords. L'appareil a une portée de 150 mètres avec un angle de vision de 145 ° horizontalement et 3,2 ° verticalement. Le dispositif de commande du moteur se compose d'un stator, d'un rotor avec entraînement de commande et d'un capteur à effet Hall MPS40S pour la détection de mouvement. Le capteur Hall modifie sa tension de sortie en réponse à un champ magnétique. Il s'agit d'une solution à long terme, car aucune pièce mécanique ne peut s'user avec le temps. Un circuit intégré réduit la taille du système et la complexité relative de la mise en œuvre (Fig. 9, 10, 11).

Les systèmes Lidar sont basés sur le temps de vol (ToF), ce qui permet une mesure précise des événements liés au temps (Fig.12). Des développements récents ont permis la création de plusieurs systèmes lidar à trajets multiples qui forment une image tridimensionnelle précise de l'environnement autour du véhicule. Ces informations sont utilisées pour sélectionner les manœuvres de conduite les plus appropriées.

Figure 9: Scanner laser (Image: System Plus)

Figure 10. Intérieur du scanner laser

Figure 11: Schéma fonctionnel du scanner laser

Figure 12: Diagramme fonctionnel du temps de vol (Figure: Maxim Integrated)

Les lasers à rayonnement de bord sont une forme originale et encore largement utilisée de lasers à semi-conducteur. Leur longueur résonnante permet d'obtenir un gain élevé. Le faisceau laser à l'intérieur de la structure est généralement dirigé vers un double système de guide d'onde homogène. Selon les propriétés physiques du guide d'ondes, il est possible d'obtenir une sortie avec une qualité de faisceau élevée, mais une puissance de sortie limitée ou une puissance de sortie élevée, mais une qualité de faisceau faible (Fig. 13).

Figure 13: diode laser de bord

Le laser utilisé dans le système lidar a un boîtier de type TO à 3 broches avec une zone de matrice de 0,27 mm2, comme le montre la Fig. 13. La puissance du laser est de 75 watts et a un diamètre de 5,6 mm. "Il a probablement été fabriqué par Sheaumann pour des composants laser sur une plaque de 100 mm", a déclaré Fro. Le dispositif d'adaptation utilise une photodiode à avalanche (APD) pour recevoir un faisceau laser après avoir traversé deux lentilles - une émettrice et une réceptrice. «L'APD est probablement fabriqué par le premier capteur sur une plaque de 150 mm avec un boîtier FR4 LLC à 8 broches et une zone de connexion de 5,2 mm (figure 14)», a déclaré Frau.

APD est une photodiode haute vitesse qui utilise un photomultiplicateur pour produire un signal à faible bruit. L'APD atteint un meilleur rapport signal / bruit que la photodiode PIN et peut être utilisé dans un large éventail d'applications (telles que les télémètres de haute précision et les détecteurs à faible luminosité). D'un point de vue électronique, l'APD nécessite une tension inverse plus élevée et un examen plus détaillé de ses caractéristiques de gain dépendant de la température.

Figure 14: Photodiode à avalanche (APD)

En plus de deux unités de contrôle laser et de mouvement, l'équipement de contrôle se compose également d'une carte principale composée d'un processeur SoC ARM Cortex-A9 Xilinx XA7Z010 SoC, d'un microcontrôleur 32 bits STMicroelectronics SPC56EL60L3 et d'un système de gestion de l'alimentation comprenant un régulateur abaisseur synchrone de l'ADI, un boost intelligent à deux canaux interrupteur d'alimentation d'Infineon, une puce abaisseur triple monolithique avec LDO d'ADI et un pilote de ventilateur sans capteur à trois phases d'Allegro. Le protocole FlexRay permet l'échange de données. Le système FlexRay se compose de plusieurs unités de contrôle électroniques, chacune étant équipée d'un contrôleur qui contrôle l'accès à un ou deux canaux de communication.

Le calcul du coût d'un tel système lidar avec un volume de> 100 000 unités / an peut atteindre 150 dollars américains, tandis qu'une partie importante de celui-ci est connectée à la carte de l'unité principale et au laser (figure 15).

Figure 15: Équipement de scanner laser démonté

Dans un projet utilisant des lidars, un amplificateur à transimpédance est la partie la plus importante d'un système électronique. Le faible bruit, le gain élevé et la récupération rapide rendent les nouveaux appareils idéaux pour les applications automobiles. Pour atteindre des performances maximales, les concepteurs doivent accorder une attention particulière à l'appariement et à l'intégration des circuits, aux longueurs d'onde et à l'alignement opto-mécanique. Ces circuits intégrés répondent aux exigences de sécurité automobile les plus strictes conformément aux certifications AEC-Q100.

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