ADAS和数字座舱的融合推动自动驾驶快速落地
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车云按:数字座舱是近几年来的热门话题。本文作者为兴民智通COO兼智能网联汽车事业群总经理张人杰,他从“小”和“大”两个方面探讨了这个话题。前半段,他介绍了更适合创业公司的细小切口,提到了9个数字座舱的创新机会。后半段,他从更大的软硬件架构和数据平台两个方面,介绍了数字座舱会和车联网如何建立关联。


为了改变人们的驾乘体验,汽车内部空间开始被重新定义。某种程度上,人们对智能化的理解,是因为数字座舱的到来而变得更加直观的。


在讨论数字座舱为我们带来更好用户体验的同时,我们不仅要了解哪些新技术将被广泛应用到汽车内部,更重要的是清楚数字座舱的硬件和软件体系架构该如何演化,并且随着智能化技术的发展,数字座舱和车内驾驶员、乘客的交互关系悄然改变,技术要找到更好的陪伴方式。



一、数字座舱的9个创新机会




DLP驾驶安全认证。通过DLP技术可以实现驾驶人员的面部3D扫描和授权使用。面部3D扫描通过采集、记录、泛化、融合和优化五个步骤完成,记录的信息包括了空间位置、质地、反射率、透射率和颜色等,为后期的授权提供了精确的信息保障。基于DLP技术,一方面可以监视驾驶人员是否处于疲劳驾驶状态等,另一方面可以对车的驾驶使用做授权认证。随着共享出行变得越来越普及,DLP驾驶安全认证技术将成为数字座舱的标准配置之一。



指纹识别。做为比DLP 3D扫描更加简单和易于实施的技术,指纹识别将在数字座舱中有广泛应用的机会。通过指纹识别的方式,实现对车各种操作的授权使用,可以增强系统使用的安全性。



无线充电和智能安全同步。手机是我们生活中的第一块屏幕,笔记本、平板电脑是第二块、第三块屏幕。数字座舱,在某种意义上可以看作我们的第四块屏幕。正如我们已经意识到,现在的竞争是时间的竞争,当一件物品在我们生活中占有的使用时间较多的情况下,别的物品得到使用的机会就会大大降低。如何提高数字座舱的使用频度,就是我们需要研究的方向。手机已经成为信息的中心、娱乐的中心和计算的中心。


随着移动互联网的发展,我们基本上可以用手机完成生活中的绝大多数事务,这也是为什么我们容易忽略汽车上的屏幕。数字座舱要想提高被使用的频率,需要能够帮助手机在功能上扩展,而不是与手机直接竞争。相比传统的USB充电方式,无线充电会给车主带来更大的便捷性。


对于智能同步而言,同步需要同时考虑智能和安全,智能就是如何把手机的内容无缝地扩展到数字座舱中。现在的一些手机投射技术已经部分地实现了这项功能,比如Apple的CarPlay、Google的Android Auto以及Miracast等。相对于汽车本身,手机系统更加脆弱,如果手机应用特别是车联网应用被恶意攻击,黑客可以通过破解通信过程去攻击汽车,从而控制转向、刹车等操作,产生无法想象的灾难性后后果,因此手机同步过程中的安全性非常关键。



智能感知和检测通知。尽管数字座舱的体系架构正在向多个域的方式演变,ECU的管理结构上会有一些变化,但不会改变ECU本身对组件的控制和读写。数字座舱通过MCU与ECU进行通信,获取汽车各个关键组件的实时信息,并通过人机交互以更直观的方式通告给驾乘人员。随着大数据分析和人工智能技术的应用,数字座舱能提供的信息和反馈将越来越实时和高效。



AR HUD。AR HUD通过内部特殊设计的光学系统将图像信息精确地结合于实际交通路况中,从而扩展或者增强驾驶人员对于实际驾驶环境的感知。AR HUD的本质是实景和电脑显示的智能融合,覆盖的技术点包括投射、前挡特种玻璃(折射率、反射率的考虑)、高精度地图、图像渲染以及ADAS和智能驾驶信息的结合等。



360度全景。360度全景可被用于辅助或者全自动泊车系统,它的原理是将前后左右四颗广角摄像头的视频输入,通过特定算法,计算产生俯视的视频画面,如何计算生成更精确、无畸变的视频图像,对摄像头的位置调校和处理算法都有很高的要求。



DLP雨滴反射消除技术。在无人驾驶成为现实之前,对于自然环境的变化我们一定要有相应的措施,比如在下雨或者下雪的环境中,各种光的反射、折射会影响我们的视线,进而降低驾驶的安全性。


DLP雨滴反射消除技术就是一种能够应用到数字座舱的新技术,它使用摄像头追踪雨滴或雪花的运动,并通过应用算法来预测雨滴或雪花粒子在几毫秒之后的位置,进而调整投射光束,自动照亮系统预测位置上的粒子来提高能见度。


这样的技术既可以通过配置专用DLP投射装置来实现,也可以通过改造车灯LED光源来实现。比如卡内基梅隆大学的研究人员通过将LED光源与单个芯片上的图像传感器结合,根据LED矩阵来确定雨滴的位置,开启或者关闭某个或多个照明单元。这样的智能车灯系统不会彻底消除在驾驶员视线中的雨雪,但是能够大幅减少将水产生的反射和扭曲,可以显著改善能见度,减少对司机注意力的分散。另外可以第一时间检测出对面来车,并且将光线自动从对方的视线中移开,防止光线直接照射到对方的脸上,保证彼此的安全。



虚拟游戏和教育。随着VR技术的发展,我们可以把虚拟游戏和教育放进数字座舱。车内交互式的三维动态虚拟游戏或教育环境,要比手机带来的体验效果更佳,而这类技术一定会成为数字座舱发展的热点。



高级电池管理和监视。未来的车更多的是新能源车,而无论是应用锂电池或是氢电池,充电或者换电的商务模式,都需要有硬件和软件结合的高级电池管理和监视技术。通过高级电池管理和监视,可有效地保护和监测电池的使用,并通过数字座舱的人机交互实时通告车内人员,从而保障驾乘的安全性。



二、数字座舱和智能网联的融合



智能汽车有三大发展方向:数字座舱,车联网和无人驾驶,这三个领域正随着各项技术的发展相互融合、相互渗透、互为补充。下一代数字座舱的软硬件架构正往一体化聚合的方向发展,与车联网的关系也变得更加紧密;只有让数字座舱的人机交互与云端的车联网服务结合起来,才能带来更好的用户体验。


先谈谈下一代数字座舱软硬件一体化聚合的趋势。


随着车载芯片处理计算能力的不断增强,我们的汽车将会有具备超级计算能力的“大脑”,概念类似通信领域常见的19英寸机架式设备,由CPU主线卡和各类IO线卡、计算处理子线卡组成。


我们的汽车“大脑”也可以由类似的结构组成,包括一块支持各种车内总线架构的通用背板加上模块化的主处理器卡,可以支持各种摄像头、毫米波雷达、激光雷达等传感器的IO卡,专门用于各种场景人工智能机器学习的计算板卡。这样的模块化架构让各个部分的升级和维护变得非常简单,考虑到一辆车近20年的工作生命周期,必须采用与手机等消费电子设备不同的可升级硬件架构。



当前数字座舱的购成


目前我们的数字座舱由分离的虚拟仪表、中控娱乐信息系统、T-box、HUD等设备组成,相互之间通信开销较大,而且由于每个设备有单独的硬件,总体成本较高。


而在聚合的一体化车载硬件上,我们不需要每个功能实体由真实的硬件承载,只需要在车载主芯片上进行虚拟化的软件配置,形成多个虚拟机,在每个虚拟机上运行相应的软件实例,即可实现仪表、中控、T-Box、HUD等各种功能实体,从某种意义上就是实现了软件定义汽车。


这样的硬件聚合加软件虚拟化的架构可以大大降低汽车零配件供应厂商协同设计的成本,也会减少各个设备之间相互通信的开销。软硬件的一体化聚合已经成为下一代数字座舱的发展趋势。


下一代数字座舱的软硬件一体化聚合


当然,在往一体化聚合硬件发展的道路上也会面临一些问题,比如目前智能网联最重要的设备是T-box,由于通信的要求需要一直在线,因此必须保证持续供电。对于一体化的数字座舱,T-box变成了软件功能实体,如何继续保持单点供电?是我们设计时需要考虑的问题。如果不能保证整体数字座舱的功耗,必须把类似T-box这样的功能变成子卡模式,有独立的MCU和单独供电模块。


除了车端软硬件的重新定义,云端数据平台建设也是数字座舱的基础。


目前在很多场合,车厂不愿意直接跟互联网厂商合作开放自己的数据。因为一旦开放,互联网厂商就会把传统车厂变成类似富士康的代工厂。


一种数据平台架构


对于车联网来说,最关键的内容就是数据平台,而数据平台的核心就是与车相关的数据,既包括位置信息、从车内各个ECU获取的数据,也包括类似车与车、车与基础设施等通信的数据。有了数据平台,通过标准的数据服务接口,就可以被各种应用调用,比如,微信的服务号、UBI保险、分时租赁、互联网金融等。


一种OTA方案


有了车联网应用的支持,数字座舱的人机交互就增加了有实际使用价值的线上线下服务。


谈完了基础设施建设,就要谈谈OTA(Over-the-Air Technology,在线升级)。数字座舱的固件和软件智能升级,通常需要OTA技术来实现。


OTA分为两类,第一类是像T-BOX映像和ECU固件的刷写,我们称之为FOTA,比如可以通过对发动机ECU的刷写进行参数的调校,从而改变发动机的性能。过去这类的操作需要到4S店由专业服务人员连接专用的刷写工具完成,而今后将可以在电脑客户端甚至手机上直接完成。


为防止ECU等的固件被非授权修改,OTA过程必须要有相应的加密和鉴权机制,才能保证无论是客户自己升级还是厂家远端推送升级,OTA使用的映像都是安全可靠的。


第二类是像中控、虚拟仪表和HUD这类映像占用空间较大的系统升级,通常称为SOTA,由于升级涉及的内容较多,差分升级变得非常关键。所谓差分升级就是只升级与原映像内容不同的部分,即生成差分包进行升级。这里差分包生成的算法和相应的鉴权机制也是需要考虑的核心要素。


数字座舱与智能网联的融合需要考虑以下几个层面的问题:


第一,现有的数字座舱与手机的互联模式是否真的解决了我们的问题?如果一种模式只把某个厂家的软件和应用生态连接到车里是有局限性的,互联模式的接口和通信标准必须是开放的,不能依附某个厂商,才能有效地将手机内容和服务扩展到数字座舱中去。


第二,传统的呼叫中心是否仍然有效?答案是肯定的。只有当人工智能发展到可以完全替代人类进行信息类交互,才能放弃呼叫中心,因此在相当长的时间内,数字座舱提供的车联网服务仍然是由人工智能加传统的呼叫中心服务组合而成。

第三,数字座舱中的语音服务应该如何发展?未来,启发式的主动车联网语音服务会成为发展方向。


目前的车联网语音服务都是被动式的,比如需要唤醒词激活,缺乏活跃的交互式体验,因此必须在模式上有所改变。比如,当我们启动车辆时,启发式的主动车联网服务就会询问车主想去哪儿,在得到车主信息反馈后自动规划路线,并且在行驶的过程中实时监控车的行驶状态,如果发现刹车片磨损严重,就会主动提醒驾驶人员去附近的4S店进行配件更换。


另外,可以根据驾驶员的驾驶行为及场景的不同,提供各种启发式的语音车联网服务。只有这样融入了人工智能技术的车联网服务才能真正把数字座舱变成我们的生活伴侣。



车云小结



和自动驾驶相比,数字座舱的相关技术距离落地要更近一些,并且因为更靠近用户端体验,成为了智能汽车的发展进程中备受关注的领域。但在耳目一新的交互体验背后,掌握现有最新技术并不是占领这块高地的全部,面向未来的架构设计,以及保证与时俱进的更新方式,都将是每个玩家不可或缺的技能。汽车仪表盘已经从机械仪表发展为数字仪表或者虚拟仪表,以前只有在好莱坞大片里才能看到的酷炫驾驶体验也在逐渐成为现实,宝马、奔驰、特斯拉等汽车巨头也在不断研发数字仪表和虚拟仪表。随着中产阶级的崛起,作为新一代的汽车使用者,他们对驾驶体验的要求越来越高,这也促进了数字座舱的快速普及。为了满足用户对现代化驾驶体验的追求,各大汽车厂商都在紧锣密鼓进行布局,有些品牌高端车型已经配备了数字座舱,数量上升趋势在不断加大。

特斯拉作为电动汽车的发明者,在数字座舱的研发与配置方面也进行了大刀阔斧的改进,当Model S首次交付时,很多用户被它的中控台惊艳了。中控台上的液晶显示屏尺寸为17英寸,相当于苹果iPad 9.7英寸显示屏的2倍。更重要的是,无论是打开全景天窗、调节空调设置、或者给广播电台换一个频道,只需在触摸屏上点击或轻划一下即可。触摸屏、数字化组合仪表盘和方向盘按键,无缝集成了多媒体、导航、通信、驾驶室控制系统和车辆数据显示。同时,Model S 还通过 OTA “空中升级” 的方式定期获得新的特性和功能,不断优化触摸屏的用户体验。

在这个用户体验至上的时代,传统汽车厂商如果停下发展的脚步就会失去未来的市场,因此在数字座舱的配置上我们也看到更多传统汽车厂商的身影。宝马推出了 HoloActive 触控技术为 BMW iDrive 车辆控制系统翻开新的一页,将人机交互体验提升至新的高度;在2017 CES上,大众正式发布了全新的数字座舱概念产品,展示了3D技术、视觉追踪以及增强现实(AR)技术在车内的应用;克莱斯勒Portal利用计算机和精密的车身传感系统,能够达到SAE 3级自动驾驶模式。车内的全玻璃化显示座舱非常新颖,并用操控杆代替了传统的方向盘,上下2个液晶显示屏包含了除汽车基本信息外,还有更多的多媒体及人机交流界面。

除此以上几个品牌,奥迪也计划在车内引入3D概念,带来全数字化的车舱设计,并引入手势控制操作。配置方面,新一代A7也会进一步的向A8看齐,变得更加的豪华,堵车自动驾驶系统以及自动查找停车位的自动停车系统也会引入。从消费电子市场可以看出用户体验至关重要,同样汽车品牌想在未来赢得用户青睐,就需要在数字座舱的设计上深下功夫,让驾驶体验更便捷、更智能化。

驾驶的世界正在发生根本性变化,不久的将来,你一个电话就能把汽车从车库里叫出来,还可以指挥它把你从出发地载到目的地,而且全程不需要人为参与,这才是真正的自动驾驶。然而我们必须承认,在自动驾驶的推进历程中,HMI(人机交互)的智能化,ADAS技术与地图的融合,以及5G通信商用起着重要作用,同时它们也是ADAS和数字座舱融合的重要体现。

(1)、HMI的智能化:ADAS和数字座舱的融合的结合点

从手机的演进可以看出,人机交互从最初的按键发展为触控,后来又增加了语音控制,智能化是未来的发展必然方向。以此推演到汽车控制系统,从机械仪表到虚拟仪表,汽车的HMI(人机交互)方式已经发生了极大的改变。相对于按键和触屏控制,手势控制、语音控制以其方便快捷的优势有望被HMI系统采纳;自动驾驶的安全问题已经被讨论多年,指纹识别、人脸识别、虹膜识别等生物识别技术已经逐渐成熟,它们凭借更高的安全性未来会在汽车HMI设计中得到应用。HMI是 自动驾驶 系统的控制信息输入端,ADAS系统也需要通过传感器采集外部信息,两者采集的数据都需要经过传输到达信息处理系统,由此可见,HMI系统是ADAS系统和数字座舱融合的结合点。

(2)、ADASIS V2 与高精度地图的融合为自动驾驶铺路

ADAS采集的各种数据离不开车辆上的各种传感器,但所有传感器都是有监控范围,监控范围之外的情况无法判断。如何让车辆获取到更远距离的数据?最直接的做法就是将地图信息接入ADAS系统,因为地图能提供更为细致的地形数据(海拔高度、是否有斜坡、斜坡的斜率、道路弯曲程度等)与道路数据(车道线数、宽度、各类交通标志等)。为了消除图商、ADAS零部件供应商之间协议的差异,图商、车厂、ADAS零部件供应商联合起来成立了ADASIS Forum制定了地图与ADAS系统之间的通信协议ADASIS。

在ADASIS v1中,系统会根据车辆当前位置以及最终目的地,提取所有的路径规划方案,将其中最为优先的路径称为最可能路径,而其他方案为备份方案。所有的方案都会被提取并进行重构,并最终给出选择哪条路径以及如何驾驶通过的建议,传递到不同的ADAS系统中,但是v1数据提取量很大,最终没有被汽车厂商采用。于是ADASIS v2进行了简化,在传输时采用单路径,就是传递数据的时候只选择其中一条路径,对于可能存在的备选方案,则以路径中的交叉路口(STUB)来表示。每个交叉路口之间的路径称之为路段,路段被视为构成路径的基本单元,以每一个路段为单位,再进行数据的分析与利用,目前v2已经得到广泛应用。未来,随着地图精度越来越高,数据量会越来越大,以后的ADAS或自动驾驶都会对传输的数据量和传输频率提出更高要求,因此ADASIS v3将考虑采用车身以太网的传输方式。

(3)、5G的商用助力V2x通讯技术降低延迟

汽车系统如何获取更远端的路况信息?上面讲解了ADASIS V2 与高精度地图的融合,其实除此之外还可以通过V2x通讯实现。V2X是V2V(车车通讯)、V2I(车路通讯)、V2P(车和行人)等统称,联网汽车通过V2X可以获得实时路况、道路信息、行人信息等一系列交通信息,从而感知远距离环境信号,实现精确导航。然而,4G通信技术有着无法避免的缺陷,当基站附近连接设备过多时,用户延迟会明显增大,众所周知,延迟对于自动驾驶汽车来说非常危险。未来5G通信网络的负载能力会远远强于4G,如果商用拥堵状况也会大大减轻。更重要的是5G技术会将自动驾驶汽车列为高优先级用户,对其特别考虑,保证汽车控制信号能够一直以足够快的速度来传输,从而保证自动驾驶的安全。

ADAS技术和数字座舱的融合推动自动驾驶如火如荼地向前发展,不管是互联网公司,还是传统汽车厂商都在一齐发力,努力在未来的汽车市场取得一席之地,它们立足应用大力研发自动驾驶及各种相关技术,同时又促进了ADAS技术和数字座舱不断融合。

                                       转载自车云网



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