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汇报奥迪A8

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奥迪从制造世界上第一款自动驾驶3级汽车A8的经验中学到的经验教训今天仍然适用。这是在System Plus拆卸奥迪A8之后我们学到的。

最近对奥迪A8的分析清楚地说明了，从技术和经济角度来看，为什么要实现更高水平的车辆自动驾驶比任何人最初的预期都更加困难。奥迪在A8上的使用经验至今仍然很重要。

当奥迪于2017年底发布更新的A8轿车时，该公司将其介绍为汽车行业历史上的第一款3级汽车。整个汽车行业仍在努力解决技术问题和价值创造结构的不可理解性，即奥迪当时面临的问题。System Plus研究提供了有关以下问题的有价值的信息：

  • 释放第3级汽车需要什么？
  • 一组传感器A8中包含什么？
  • 三级车需要多少计算能力？
  • 奥迪的中央驾驶员辅助控制器称为zFAS，基于GPU，SoC，CPU或FPGA吗？
  • zFAS的价格是多少？

奥迪使用已经在其他应用程序中测试过并在市场上出售的芯片来实现第三级功能的经验具有启发性-特别是与特斯拉相比，特斯拉在两年后（2019年）发布了其全自驾电脑板，以提供无人驾驶系统严重依赖于两个内部芯片

System Plus拆卸过程包括的分析超出了简单的逆向工程和硬件识别的范围。该公司还进行“反向成本计算”-评估获取特定组件和生产产品的成本。System Plus的A8成本反向计算表明，zFAS成本的60％（总成本估计为290美元）由半导体成本决定。这不足为奇，因为现代汽车中80-85％的部件是电子产品。但是，此值不足为奇。

价钱


System Plus Consulting首席执行官罗曼·弗劳克斯（Romain Fraux）说，OEM给OEM带来的真正冲击是，没有一家汽车公司在道德上愿意为每个组件支付50％的费用，就像英伟达一样，英特尔也是如此。和其他公司的旗舰基于芯片的解决方案。这为汽车OEM开辟了一个全新的世界，促使他们重新考虑高度自动化的汽车的成本。

System Plus的价格不包括自动驾驶汽车的软件开发成本。但是，在zFAS中使用FPGA（Altera Cyclone）表明，奥迪试图保存自己已经开发的软件资产。

在过去的18个月中，一些领先的OEM厂商开始暗示他们渴望开发自己的独立汽车芯片，如Tesla的芯片。这种方法使他们可以在开发硬件和软件方面决定自己的命运。但是，鉴于开发芯片的高昂成本，目前尚不清楚OEM汽车制造商是否应该单独执行此操作。

A8的另一个重要方面是，奥迪是所有汽车原始设备制造商中首家在自动驾驶道路上推出商用车的公司。

在发布A8时，车内技术通过Traffic Jam Pilot系统被誉为“自动驾驶领域的突破”。假设激活了“交通堵塞飞行员”系统后，无需再控制流量（您经常需要加气和停车）。

但是，这些最好的计划遇到了控制权转移的问题（在计算机无法应对的情况下警告和分心的人），这从一开始就由三级汽车的概念所表明。

今天，A8在大街上行驶，但是这些汽车都没有激活并具有3层自动驾驶功能。

但是，这不是奥迪的要求。A8使汽车行业了解它所面临的情况。行业领导者必须处理所有法规，技术，行为，法律和业务复杂性，然后才能谈论无人驾驶汽车的乌托邦式的未来。这部分解释了汽车原始设备制造商，领先的市场参与者，芯片供应商以及技术和服务公司（例如Waymo和Uber）对制定安全标准的兴趣日益浓厚。

引擎盖下的A8


汽车制造商所面临的挑战将不再是提供从零到100 km / h的最大速度或更好的加速，而是提供越来越复杂的驾驶员辅助和自动驾驶系统。这是奥迪A8的目标，它配备了第三个使用激光雷达的自动驾驶系统。

A8传感器还包括摄像头，雷达和超声波传感器。奥迪A8将在没有驾驶员干预的情况下应付最繁忙的道路上的驾驶。奥迪表示，驾驶员始终可以将手放在方向盘上，并且可以根据当地法律法规进行其他活动，例如在船上看电视。车辆可以解决道路上出现的大多数问题，但必须进行人工干预（图1）。

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图1：奥迪A8的关键元素

弗罗（Fro）评论了奥迪A8的创新技术：“奥迪是第一辆具有第三级自主性的汽车。” 安装在奥迪A8上的Traffic Jam Pilot系统负责结合传感器和世界上第一台激光扫描仪，在高速公路和高速公路上以60 km / h的速度缓慢行驶。（注意：此第三级功能仍未激活）。

3级自治和计算平台


数字技术可以执行与驾驶员相同的任务，同时提供更高的安全性和乘坐舒适性。长期目标是创建完全联网的道路-汽车智能网络。交通拥堵和环境污染将减少，这将导致安全性显着提高。

自动驾驶正在成为汽车界越来越重要的话题。议程上有关于该领域的进展和创新的新闻。奥迪A8所使用的级别3具有高度自动驾驶的特点。该系统能够使驾驶员免于持续控制汽车的纵向和横向运动的需要。

Fro说：“奥迪A8由各种传感器和一个zFAS控制器组成，并由Aptiv组装了四个处理器。” zFAS（图2）是第一个集中式计算平台。作为中央单元的计算机实时处理超声波传感器（前，后和侧面），360度摄像头（前，后和侧面后视镜），中程雷达（任意角度）的信号以及来自雷达的数据远程和激光扫描仪位于车辆前部。

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图2：Aptiv zFAS控制器

zFAS中的一堆处理器


构成该平台的处理器之一是Nvidia Tegra K1，用于交通信号灯识别，行人检测，碰撞警告，光检测和车道识别。具有8层PCB的Tegra K1包含192个Cuda内核，与Nvidia集成到目前市场上开普勒GPU（图3）中的一个SMX模块中一样多，并支持DirectX 11和OpenGL 4.4。

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图3：Nvidia Tegra K1

当汽车中内置传感器的数量时，非常强大的处理器的存在至关重要。英特尔/ Mobileye EyeQ3处理器负责图像处理。为了满足能源和性能要求，EyeQ芯片系统采用更精细的冲压设计。说到Eye3，Mobileye使用40 nm CMOS，而该公司将使用基于EyeQ5芯片的7 nm FinFET第5代系统。每个EyeQ芯片都配备了统一的，完全可编程的加速器。此外，每种类型的加速器都针对其自己的算法系列进行了优化。

奇怪的是，Nvidia Tegra K1和Mobileye EyeQ 3无法满足3层汽车预期的所有ADAS任务，在zFAS内部，有Altera Cyclone可以进行数据预处理，而Infineon Aurix Tricore可以监视安全操作。Altera Cyclone FPGA系列基于1.5 V，0.13微米多层铜静态RAM，具有高达20,060个逻辑单元的密度，并具有288 kbps的RAM。

英飞凌Aurix架构旨在优化发电厂和汽车安全系统的性能。TriCore是首个针对实时嵌入式系统进行了优化的统一单核32位数字信号处理微控制器架构。

奥迪A8中的传感器


在汽车世界中，对于所有希望获得更高欧洲NCAP评级的新车来说，先进的驾驶员辅助系统已成为必需。在图1的第一页上，我们能够找到System Plus找到的Audi A8设备的详细列表。 “制造商正在开发效率越来越高的雷达，我们可以区分市场上的许多公司：Aptiv，Veoneer，ZF，法雷奥，博世，Mando，Denso和Ainstein，” Fro说。

特别是在奥迪A8上，我们可以看到第三代Autoliv夜视车载摄像头，Aptiv车道辅助前摄像头，Valeo Scala激光扫描仪，Bosch LRR4 77GHz远程雷达，Aptiv R3TR 76 GHz作为中程雷达，安装在汽车前后左右。”

Autoliv夜视摄像机由两个模块组成-摄像机和远程处理器（图4）。 Autoliv红外夜视摄像机由基于氧化钒ISC0901的高分辨率17微米像素FLIR微辐射热测量仪组成。该设备基于具有复杂光学系统的工程方法和基于PPVM阵列和专门算法的现代数值处理系统。

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图4：Autoliv第三代夜视车载摄像机

Aptiv Lane Assist前置摄像头安装在后视镜上，测距范围为80米，频率为36帧/秒。该相机使用安森美半导体提供的1.2百万像素CMOS图像传感器和Microchip的8位PIC微控制器。 zFAS控制单元使用Mobileye EyeQ3处理芯片（图5）为图像处理和识别提供软件控制。

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图5：Aptiv Lane Assist前置摄像头电路板电路板

LRR4是具有六个Bosch固定天线的多模雷达。位于中心的四个天线提供了对环境的高速记录，创建了聚焦光束，其孔径角为±6度，并且对相邻车道的交通干扰最小。在近场中，两个外部LRR4天线将视场扩大到±20度，提供5米的射程，能够快速检测进入或离开车道的车辆（图6）。

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图。 6：远程雷达传感器（图片：System Plus）。

Aptiv短程雷达传感器由两个发射器和四个接收通道组成，并在76-77 GHz频带内运行，这是汽车雷达的标准配置。电路板使用单片微波集成电路（MMIC）和波导谐振器。在射频（RF）印刷电路板（PCB）的基板上，使用不含PTFE的玻璃纤维增​​强的陶瓷碳氢基层压板（图7和8）。

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图7：Aptiv R3TR 76 GHz短程雷达概述图8：Aptiv R3TR 76 GHz短程

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雷达电子板

激光雷达技术


奥迪A8的关键要素是激光雷达。这是汽车制造商第一次使用激光扫描仪。该激光雷达基于具有旋转镜和905 nm波长的机械系统，并在边缘使用了辐射技术。该设备的射程为150米，水平视角为145°，垂直视角为3.2°。电机控制装置由定子，带控制驱动器的转子和用于运动检测的MPS40S霍尔传感器组成。霍尔传感器响应于磁场而改变其输出电压。这是一个长期解决方案，因为没有机械零件会随着时间的流逝而磨损。集成电路减小了系统的尺寸并降低了实现的相对复杂度（图9、10、11）。

激光雷达系统基于飞行时间（ToF），可以精确测量与时间有关的事件（图12）。最近的发展允许创建多个多路径激光雷达系统，该系统形成车辆周围环境的精确三维图像。该信息用于选择最合适的驾驶操作。

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图9：激光扫描仪（图像：System Plus）

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图10.激光扫描仪的内部

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图11：激光扫描仪的框图

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图12：飞行时间功能图（图：Maxim Integrated）

边缘辐射激光器是半导体激光器的原始且仍被广泛使用的形式。它们的谐振长度可以实现高增益。结构内部的激光束通常被引导到双同质波导系统中。根据波导的物理特性，有可能获得具有高光束质量，但输出功率有限或高输出功率，但光束质量低的输出（图13）。

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图13：边缘激光二极管

激光雷达系统中使用的激光器具有3针TO型封装，矩阵面积为0.27 mm2，如图所示。 13.激光功率为75瓦，直径为5.6毫米。 “它可能是由Sheaumann制造的，用于100mm板上的激光组件，” Fro说。匹配设备使用雪崩光电二极管（APD）来接收穿过两个透镜的激光束，其中一个透镜发射，一个透镜接收。 “ APD可能是由第一个传感器在150毫米板上制成的，带有8针FR4 LLC封装和5.2毫米连接区域（图14），” Frau说。

APD是使用光电倍增管产生低噪声信号的高速光电二极管。与PIN光电二极管相比，APD实现了更好的信噪比，可用于各种应用（例如高精度测距仪和微光探测器）。从电子角度来看，APD需要更高的反向电压，并需要更详细地考虑其与温度有关的增益特性。

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图14：雪崩光电二极管（APD）

除了两个激光和运动控制单元之外，该控制设备还包括一个主板，该主板包括一个ARM Cortex-A9 Xilinx XA7Z010 SoC双核处理器，一个32位STMicroelectronics SPC56EL60L3微控制器以及一个电源管理系统，该系统由ADI的同步降压调节器，两通道智能升压器组成Infineon的电源开关，ADI的具有LDO的三重单片降压芯片和Allegro的三相无传感器风扇驱动器芯片。 FlexRay协议提供数据交换。 FlexRay系统由几个电子控制单元组成，每个电子控制单元都配备有控制器，用于控制对一个或两个通信通道的访问。

一个这样的激光雷达系统的成本（> 100,000单位/年）的成本计算可以达到150美元，而其中很大一部分是与主机板和激光器连接的（图15）。

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图15：拆卸的激光扫描仪设备

在使用激光雷达的项目中，跨阻放大器是电子系统中最重要的部分。低噪声，高增益和快速恢复特性使这些新器件成为汽车应用的理想选择。为了获得最佳性能，设计人员应特别注意电路，波长和光机械对准的配对和集成。这些集成电路符合AEC-Q100认证中最严格的汽车安全要求。


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