自動駕駛時代電子控制系統如何演變

摘要

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8月工信部和發改委印發《擴大和升級信息消費三年行動計劃（2018-2020年）》通知，提出推進車載智能晶元、自動駕駛操作系統、車輛智能演算法等關鍵技術產品研發，至2020年建立可靠、安全、實時性強的智能網聯汽車計算平台。政策加碼下，自動駕駛主題再度升溫。

我們之前在多篇報告中詳細分析了汽車電氣化對半導體行業的深刻影響，新能源汽車半導體用量相比於傳統燃油車將成倍增長，功率器件特別是IGBT和MOSFET迎來時代發展機遇。而自動駕駛的到來將使得汽車半導體價值量躍升到一個新的高度，由域控制器所帶來的新增模塊價值量有望超過1000美金，無論是整車廠商還是自動駕駛模塊供應商，都無法忽視這一重要變化。

傳統汽車電子控制系統採用ECU與感測器一一對應的分散式架構，汽車電子化背景下，車載ECU數量快速增長，2017年豪華車ECU數量超過100個，約為2010年時的2倍。為應對ECU數量增長產生的成本問題，以「域控制器」為核心的中心化架構成為未來發展方向。

根據佐思產研，在無人駕駛時代，分散式架構下線束成本將不低於1000美元，重量達100公斤；中心化架構採用一個域控制器DCU，減少了車內ECU和線束數量，汽車內部架構將得到極大簡化。同時，這種統一處理的方式也推進了系統功能的集成化，提高了處理器和存儲器的利用效率。

域控制器的道路上，哪些企業走在了前頭：

（1）奧迪zFAS——2018年4月，奧迪全新A8L成為全球第一款實現量產的有限情況下L3級自動駕駛汽車，zFAS由奧迪、德爾福、英偉達、TTTech和Mobileye合作完成。

（2）2016年10月，特斯拉發布了基於英偉達Drive PX2計算平台的Autopilot 2.0系統，次年8月，特斯拉引入新款Autopilot2.5硬體套裝，為最新車型配備新一代的自動駕駛計算硬體和功能更強、冗餘更大的計算性能。

（3）2018年3月，上汽集團與TTTech簽署合資協議，成立合資公司共同推進智能駕駛控制器iECU的研發。上汽於2018年4月發布的國內首款量產智能駕駛汽車榮威MARVEL X將搭載iECU，該車型具備全速段智能巡航和全功能智能泊車輔助功能。

正文

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政策加碼下，自動駕駛熱度升溫

2018年8月10日，工信部和發改委印發《擴大和升級信息消費三年行動計劃（2018-2020年）》通知，提出推進車載智能晶元、自動駕駛操作系統、車輛智能演算法等關鍵技術產品研發，計划到2020年建立可靠、安全、實時性強的智能網聯汽車計算平台，支撐高度自動駕駛。在此之前，8月3日中國智能網聯汽車產業創新聯盟、全國汽車標準化技術委員會聯合發布了《智能網聯汽車自動駕駛功能測試規程（試行）》，規範了自動駕駛功能的各檢測項目對應測試場景、測試規程及通過條件，為全國大規模的自動駕駛道路測試奠定基礎。自動駕駛在各項政策的推動和護航下，進入飛速發展的黃金時代。

百度L4級巴士「阿波龍」批量下線，Apollo開放平台邁入量產新時代。7月4日，百度與金龍客車合作的 L4 級巴士阿波龍正式量產下線，首批量產100量，將發往北京、雄安、深圳、福建平潭、湖北武漢、日本東京等地開展商業化運營，標誌著Apollo開放平台邁入量產新時代。同時，百度聯合新石器公司全球首發L4級量產無人駕駛物流車「新石器AX1」，並在常州、雄安率先落地試運營。谷歌母公司Alphabet旗下自動駕駛汽車公司Waymo 8月1日與鳳凰城交通管理局合作，計劃為居民提供去公交站、火車站和輕軌站的班車服務，這標誌著Waymo在公共交通領域邁出的第一步。

目前無人駕駛分為兩大技術陣營，一方是以互聯網巨頭谷歌、百度及初創科技公司為代表的越級式陣營，依靠強大的技術支持和巨額的研究投入，強調通過採集高精度3D地圖信息，配合激光雷達的使用，在某一區域內直接實現高級別自動駕駛（L4以上）；另一方是以主機廠為代表的漸進式陣營，致力於以萬無一失的複雜感測器組合識別周圍環境，不斷完善ADAS功能，以逐漸遞進到自動駕駛。

目前能提供自動駕駛運算平台的公司主要有英特爾、英偉達。英特爾和寶馬、 Mobileye聯合研發無人駕駛汽車後，2017年5月、6月和8月，德爾福、大陸和克萊斯勒相繼加入，組建起汽車廠商、科技公司和零配件供應商相互合作的聯盟。另一陣營則以英偉達為首，聯合戴姆勒、博世、豐田、奧迪、特斯拉等，共同研發無人駕駛技術。

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自動駕駛時代多域控制器應運而生

汽車電子控制系統主要由感測器、控制器和執行器組成。當汽車運行時，感測器監測汽車的內部狀態和外部環境，並將這些信息通過信號發送到控制器；控制器接收感測器信號後，對其進行處理並做出決策，向相應的執行器發送驅動信號，由執行器執行命令。

傳統汽車電子控制系統採用控制器ECU與感測器一一對應的分散式架構；在汽車電子化的背景下，車載ECU數量快速增長，2017年豪華車ECU數量超過100個，約為2010年時的2倍。電子控制單元ECU（Electronic Control Unit）一般由CPU、存儲器、輸入/輸出介面、數模轉換器等大規模集成電路組成。最初ECU主要用於控制發動機工作；隨著汽車電子化的推進，ECU被逐漸應用於4輪驅動、電控自動變速器、ABS（防抱死制動系統）、安全氣囊等系統。同時，在ADAS和自動駕駛技術的推動下，車內ECU的數量迅速增長：以豪華車為例，2010年車內平均ECU數量為60個，2017年已接近110個。

為應對ECU數量增長產生的成本問題，以「域控制器」為核心的中心化架構成為未來發展方向。根據佐思產研，如果沿用當前的分散式架構，無人駕駛時代線束系統成本將不低於1000美元，重量達100公斤。中心化架構採用一個域控制器DCU（domain control unit）對接一個域內多個感測器的形式，使用處理能力更強的CPU/GPU更加集中地控制某個域，從而減少了車內ECU和線束數量，實現對汽車成本和重量的控制；基於德爾福的設想，未來汽車ECU數量會越來越少，轉而以DCU為控制單元，汽車內部架構將得到極大簡化。

基於多個DCU的多域控制器MDC（multi-domain controller）能夠處理來自不同域的感測器信號，從而滿足自動駕駛技術對汽車各域信息進行融合處理的需求。攝像頭、雷達、GPS、輪速感測器等屬於不同域的感測器信號在一個控制器中處理，保證控制器作出最優的駕駛決策。這種統一處理的方式也推進了系統功能的集成化，提高了處理器和存儲器的利用效率。此外，整車廠可根據不同車型的需求使用不同的感測器，MDC搭載的軟體還可根據整車廠需求進行個性化定製。

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典型域控制器介紹

奧迪 zFAS

2018年4月，奧迪全新A8L上市發售，該車型為全球第一款實現量產的有限情況下L3級自動駕駛汽車。當奧迪A8L以低於37.3英里/小時（約60公里/小時）的速度在雙向高速公路上行駛時，「奧迪AI擁堵自動駕駛系統」能夠接替人類操作駕駛，控制車輛的啟動、加速、轉向和制動。在駕駛途中，當系統監測到駕駛員感到疲勞或入睡時，將發出多級警示以提醒駕駛員。此外，A8L還具備自動停車功能，駕駛員可在車外觀看汽車的停車過程。

奧迪A8L使用的多域控制器zFAS由奧迪、德爾福、英偉達、TTTech和Mobileye合作完成。其中，德爾福為zFAS提供多域控制器的基礎架構，TTTech負責設計系統設計。zFAS的核心元件分別為Mobileye(已被英特爾收購)的EyeQ3、英偉達的K1、Altera(已被英特爾收購)的Cyclone V和英飛凌的Aurix TC297T。

Mobileye的EyeQ3和英偉達的K1均負責數據處理。EyeQ3為Mobileye ADAS及自動駕駛技術的第三代晶元，用於處理前置攝像和駕駛員監控攝像頭的數據，主要負責交通信號識別、行人檢測、碰撞報警、光線探測和車道識別。英偉達的K1包含192個顯示處理核心，圖形處理能力強大，用於處理處理四個環繞攝像頭的數據，主要負責監測駕駛員狀態和360度全景圖像處理。

Altera的CycloneV為28納米工藝的FPGA（Field－Programmable Gate Array），使用寬頻幹線互聯，彌補了雙晶元解決方案無法提供的互聯性能，主要負責目標物融合、地圖融合、自動泊車、預剎車和感測器數據預處理。英飛凌的Aurix TC297t包括三顆獨立的TriCore 32位內核，能夠保持多個CPU和內存的精確同步，負責監測系統運行狀態，使系統達到ASIL-D標準（AutomotiveSafety Integrity Level，D為最高級別）。

特斯拉Autopilot

2016年10月，特斯拉發布了基於英偉達Drive PX2計算平台的全新「HW2」感測器套件和Autopilot 2.0系統。2017年8月，特斯拉引入了新款Autopilot 2.5硬體套裝，為最新車型Model 3配備新一代的自動駕駛計算硬體，提供了更強勁的計算性能，該款車載設備的功能更強、冗餘更大，適用於未來的自動駕駛功能。不論是Autopilot 2.0還是Autopilot 2.5，均已具備SAE分級中所規定的L5級自動駕駛的硬體基礎。

Autopilot2.0硬體系統包含3個前置攝像頭，2個側邊攝像頭，3個後置攝像頭，可以覆蓋360度可視範圍；另外，車輛配備的12個超聲波感測器完善了視覺系統，探測和感測距離增加一倍。增強版前置毫米波雷達可以穿越大雨、霧、灰塵，甚至前方車輛；為了處理感測器收集來的數據，其車載電腦採用了NVIDIA Drive PX2晶元，比上一代運算能力快40倍。

2018年3月，特斯拉公布了最新款Autopilot 2.5車載計算機主板的照片，該設備被用於公司旗下的Model 3、Model S和Model X車型中。這套新的硬體依然基於英偉達的DrivePX2無人駕駛計算平台，但是對部分硬體配置進行了升級，進一步提高了運算性能和系統可靠性。該款產品的最大特色在於新款二級GPU，可提供更為強大的計算能力及冗餘；為配合Model 3內新增的駕駛員攝像頭，Autopilot2.5的硬體主板加入了車內攝像頭的支持介面。

上汽iECU

2018年3月，上汽集團與TTTech簽署合資協議，以50.1：49.9的股比成立合資公司，共同推進智能駕駛控制器iECU的研發。上汽於2018年4月發布的國內首款量產智能駕駛汽車榮威MARVEL X將搭載iECU，該車型具備AI Cruise全速段智能巡航（當車速保持在0-150km/h時，車輛能夠按照清晰的道路標識自動保持居中行駛，並在預設車距內主動跟隨前車直行、轉彎、自動加減速、停止）和AI Parking全功能智能泊車輔助（最後一公里自主泊車）功能。

上汽集團早在2013年便啟動了對智能駕駛技術的自主研究，並與Mobileye、英飛凌、英偉達、高通、中國移動、華為等企業開展合作，積累了高速自動駕駛、V2X、自動泊車等方面的經驗。2018年3月，上汽成為國內首批獲得開發道路測試牌照的企業；截至2018年6月，上汽已實現開發道路測試里程達3000公里，包括封閉道路測試在內的測試總里程突破7萬公里。

合作方 TTTech 為全球著名的網路與安全控制解決方案供應商，業務覆蓋航空航天、汽車、工業以及工程機 械四個領域；在自動駕駛領域，TTTech 主要提供智能駕駛控制策略。TTTech 的自動駕駛安全軟體框架 Motionwise 能夠有效地將應用層軟體和操作系統及硬體進行解耦，具備達 ASIL-D 的功能安全性、可拓展性、失效可用性（當 車輛出現故障時，系統仍能保持一段時間的安全運行）和實時性等優勢。前文提及的奧迪 zFAS，以及三星與英 偉達在 2018 年 CES 上推出的自動駕駛方案均使用了 Motionwise。2018 年 6 月，寶馬也宣布選擇 TTTech 作為其 L3 和 L4 自動駕駛功能的研發夥伴。

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