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拆解奥迪A8，从中学到教训
2020-05-04 23:29:39· 来源：智车科技 作者：吉田顺子
奥迪制造了世界上第一辆L3级自动驾驶汽车A8，尽管A8因为各种原因不再配置该系统，但其中的经验教育值得深度拆解。本文来源：EET Asia作者：吉田顺子，智车科技编
奥迪制造了世界上第一辆L3级自动驾驶汽车A8，尽管A8因为各种原因不再配置该系统，但其中的经验教育值得深度拆解。
本文来源：EET Asia 作者：吉田顺子，智车科技编译
奥迪A8的最新拆解恰恰说明了从技术和经济角度来看，实现更高水平的汽车自主性比任何人最初的预期都难。因此，奥迪在A8上的经验至今仍然很重要。
当奥迪于2017年底推出重新设计的A8轿车时，该公司吹捧它是汽车行业的首款L3级汽车。整个汽车行业仍在面对当时奥迪面临的技术问题和陌生的成本结构。
System Plus进行的拆卸提供了对以下几个问题的宝贵见解：
- 制造出L3级汽车需要什么？
- A8传感器套件包含什么？
- 三级车需要多少处理能力？
- 是GPU，SoC，CPU还是FPGA驱动着奥迪的称为zFAS的中央驾驶员辅助控制器吗？
- zFAS的价格是多少？这对奥迪如何使用市场上已有的芯片实现了Level 3功能具有启发性，并且已经在其他应用中进行了测试和测试，特别是与特斯拉相比，特斯拉在两年后（2019年）推出了“ 全自动驾驶计算机 ”主板主要依靠两个自产的自动驾驶芯片。
System Plus拆解包括的分析不仅仅包括逆向工程和确定硬件元素。该公司还执行“反向成本计算”，即估算公司采购特定组件和制造其产品所必须付出的成本。System Plus的A8反向成本计算表明，zFAS成本的60％（估计为290美元）是由半导体成本驱动的。这几乎令人吃惊，因为现代汽车中80％至85％的内容是电子产品。但是，这并不是令人惊讶的成本。
System Plus的拆解/成本估算不包括自动驾驶汽车软件开发的成本。但是，在zFAS中使用FPGA（Altera Cyclone）表明，奥迪试图保留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厂商开始暗示他们希望设计自己的自动驾驶汽车芯片（特斯拉）。这种方法使他们能够在硬件和软件开发方面控制自己的命运。然而，鉴于芯片设计的高昂成本，目前尚不清楚汽车原始设备制造商是否会更好地独自解决。
在A8投放市场时，车内技术被称为“自动驾驶突破”，其特色是名为Traffic Jam Pilot的系统。启用该功能后，Traffic Jam Pilot可以缓解驾驶员在停停走走交通谈判中的麻烦。
但是，这些规划最完善的计划与“交接问题”（当计算机停滞时提醒并吸引分心的人）相冲突，自一开始就困扰着Level-3车辆的概念。
如今，A8出现在大街上，但没有一个在现实世界中激活并运行其3级自治功能。
A8向视听行业表明了它所面临的挑战。行业领导者必须弄清各种监管，技术，安全，行为，法律和与业务相关的复杂性，然后才能吹嘘无人驾驶机器人的未来。这部分解释了汽车原始设备制造商，一级供应商，芯片供应商以及技术和服务公司（即Waymo，Uber）之间制定安全标准的势头越来越大。
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的最快速度或最佳加速，而是要确保日益先进的自动驾驶和辅助系统。这是奥迪A8具有第3级自驾功能的目标，这是第一个使用激光雷达技术的汽车。
A8的传感器套件还包括摄像头，雷达和超声波传感器。奥迪A8将自动在最拥挤的道路上进行驾驶管理，而无需驾驶员干预。奥迪（Audi）规定，驾驶员可以始终保持双手不离开方向盘，并且可以根据当地法律法规进行其他活动，例如在车上看电视。车辆可以执行大多数驾驶任务，但仍然需要人工控制（图1）。
图1：奥迪A8的关键要素
弗劳克斯（Fraux）在奥迪A8内的创新技术名列榜首：“奥迪是首款具有3级自主性的汽车。安装在奥迪A8上的Traffic Jam Pilot系统使用传感器融合技术和世界上第一台激光扫描仪，负责在高速公路和高速公路上以60 km / h的速度缓慢行驶的交通。（注意：但是，此级别3功能迄今为止尚未激活）
L3级自治和计算平台
数字技术可以承担驾驶员应执行的相同任务，同时提供更高的安全性和舒适性。长期目标是拥有完全联网的道路-汽车智能电网。减少交通拥堵和环境污染，安全性显着提高。
无人驾驶是汽车界越来越重要的话题。有关该部门的进展和新颖性的新闻 已提上日程。奥迪A8所使用的级别3被定义为高度自动驾驶。该系统能够使驾驶员无需对车辆的纵向和横向运动进行连续控制。
弗劳克斯说：“奥迪A8由Aptiv与四个处理器芯片组合在一起的各种传感器和一个zFAS控制器组成。” zFAS（图2）是第一个集中式计算平台。一台计算机作为中央枢纽，用于处理超声传感器（前，后和侧面），360度摄像头（前，后和侧面镜），中程雷达（各个角度）以及远程雷达和激光扫描仪实时位于车辆前部。
图2：Aptiv zFAS控制器
zFAS中的大量处理器构成该平台的处理器是Nvidia Tegra K1，用于交通信号识别，行人检测，碰撞警告，光检测和车道识别。具有八层PCB的Tegra K1集成了192个Cuda内核，与Nvidia集成到目前市场上的开普勒GPU（图3）中支持DirectX 11和OpenGL 4.4的单个SMX模块中的数量相同。
图3：Nvidia Tegra K1
考虑到集成在其中的传感器的数量，在汽车中拥有非常强大的处理器至关重要。英特尔/ Mobileye的EyeQ3负责图像处理。为了满足功耗和性能目标，EyeQ SoC通过使用更精细的几何体进行设计。在Eye3中，Mobileye使用40 nm CMOS，而该公司将在第五代SoC EyeQ5中使用7nm FinFET。每个EyeQ芯片均具有异构的完全可编程的加速器。每个加速器类型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不足以处理3级车辆的所有ADAS任务。在zFAS内部是用于数据预处理的Altera Cyclone和用于监视安全操作的Infineon Aurix Tricore。Altera Cyclone系列FPGA器件基于1.5V，0.13µm的全层铜SRAM工艺，具有高达20,060个逻辑单元（LE）的密度和高达288 kbit的RAM。
英飞凌Aurix架构实现了汽车行业动力总成和安全应用中的性能优化。TriCore是第一个为实时嵌入式系统优化的统一的单核32位微控制器-DSP架构。
奥迪A8中的传感器
汽车世界中，高级驾驶辅助系统已成为所有新车获得更高欧洲NCAP评分的必要条件。在图1的第一页中，我们可以找到System Plus发现的Audi A8中设备的详细列表。“制造商正在开发效率越来越高的雷达传感器，在市场上，我们可以区分一些公司，例如Aptiv，Veoneer，ZF，Valeo，Bosch，Mando，Denso和Ainstein，” Fraux说。
特别是在奥迪A8中，我们可以看到Autoliv的第三 代汽车夜视摄像头，Aptiv的车道辅助前置摄像头，法雷奥Scala激光扫描仪，博世LRR4 77GHz长距离雷达传感器，Aptiv R3TR 76 GHz是中距离雷达的右前方左，左，右后Autoliv夜视摄像机由两个模块组成：摄像机和一个远程处理单元（图4）。Autoliv的红外夜视摄像机由FLIR的17μm像素高清氧化钒微测辐射仪ISC0901组成。该器件基于复杂的光学系统和基于FPGA阵列和定制算法的复杂数值处理系统，提供了一种工程方法。
图4：Autoliv的第三代汽车夜视摄像机
Aptiv的车道辅助前置摄像头安装在后视镜上，可提供80米的范围和36张图像/秒的帧。该相机使用安森美半导体提供的1.2兆像素CMOS图像传感器和8位Microchip PIC微控制器。zFAS控制单元使用Mobileye EyeQ3处理芯片来管理图像映射和识别软件（图5）。
图5：Aptiv车道辅助前置摄像头的PCB
LRR4是一种多模式雷达，带有六个来自博世的固定雷达天线。四个居中排列的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，并且在相邻车道中的交通干扰最小。在近场中，LRR4的两个外部天线将视场扩大到±20度，范围为5米，能够快速检测进入或离开车道的车辆（图6）。
图6：远程雷达传感器（图片：System Plus）
Aptiv的短程雷达传感器由两个发射器通道和四个接收器通道组成，并在76-77 GHz频带内运行，这是汽车雷达应用的标准配置。PCB使用单片微波集成电路（MMIC）和腔波导。射频（RF）印刷电路板（PCB）基板使用玻璃增强的烃基陶瓷层压板，并且完全不含PTFE（图7和8）。
图7：Aptiv R3TR 76GHz短程雷达概述
图8：Aptiv R3TR 76GHz短程雷达电子板
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。它是基于具有旋转镜技术和边缘发射技术中905 nm波长的机械系统的激光雷达。该设备的射程为150米，水平视场角为145°，垂直视场角为3.2°。电机控制单元由带有控制驱动器的定子和转子以及用于运动检测的MPS40S霍尔传感器组成。霍尔效应传感器响应于磁场而改变其输出电压。这是一个持久的解决方案，因为没有机械零件会随着时间的流逝而磨损。集成的软件包减少了系统的大小和实现的相对复杂性（图9、10、11）。
激光雷达系统基于飞行时间（ToF），可测量精确的计时事件（图12）。最新的发展已经看到了几种多光束激光雷达系统，它们可以生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。
图9：激光扫描仪（图片：System Plus）
图10：在Audi A8中实现的激光扫描仪的内部
图11：激光扫描仪的框图
图12：飞行时间功能图（图片：Maxim Integrated）
边缘发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。在该结构内，激光束在典型的双异质结构波导结构中导向。根据波导的物理特性，有可能获得高光束质量但输出功率有限的输出，或获得高输出功率但光束质量低的输出（图13）。
图13：边发射激光二极管
激光雷达解决方案中使用的激光器具有3引脚TO型封装，管芯面积为0.27 mm 2 ，如图13所示。激光器的功率为75 W，直径为5.6 mm。“可能是Sheaumann为100 mm晶圆上的激光组件制造的，” Fraux说。调节单元使用雪崩光电二极管（APD）来获取穿过两片透镜（一个发射和一个接收）后的激光束。Fraux说：“ APD可能是由第一传感器在150毫米晶圆上制成的，该晶圆具有8引脚FR4 LLC封装，管芯面积为5.2 mm 2（图14）。”
APD是一种高速光电二极管，它使用光子倍增来获得低噪声信号。APD比PIN光电二极管具有更高的信噪比，可用于各种应用，例如高精度测距仪和低照度检测。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。
图14：雪崩光电二极管（APD）
除了用于激光和运动控制的两个单元之外，控制硬件还包括主板，该主板包括Xilinx XA7Z010 SoC双核ARM Cortex-A9、32位STMicroelectronics SPC56EL60L3微控制器以及包括以下各项的电源管理系统：ADI公司的同步降压稳压器，英飞凌公司的双通道智能高端电源开关，ADI公司的带LDO的三路单片式降压IC和Allegro公司的三相无传感器风扇驱动器IC。FlexRay协议支持数据通信。FlexRay系统由几个电子控制单元组成，每个电子控制单元都带有一个控制器，该控制器管理对一个或两个通信通道的访问。
估计这种激光雷达技术每年每超过10万单位的成本可能达到150美元，其中很大一部分与主机板和激光器有关（图15）。
图15：拆卸的激光扫描仪硬件
在激光雷达项目中，跨阻放大器是电子布局中最关键的部分。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，设计人员必须特别注意接口和集成电路，波长和光机械对准的问题。这些集成电路符合AEC-Q100认证，可满足汽车行业最严格的安全要求。
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