SAE International 國際自動機工程師學(xué)會

Elektrobit 獨特的軟件框架可使自動駕駛功能的研發(fā)變得更加流暢。

自動代客停車是軟件框架的實際應(yīng)用的一個例子。

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如今，增加功能性是大多數(shù)駕駛輔助（ADAS）功能，甚至包括SAE 1級至4級自動駕駛系統(tǒng)的研發(fā)趨勢，但這同時也會將讓車輛所處的軟件環(huán)境和相應(yīng)的研發(fā)流程變得更加復(fù)雜。這是為什么？

簡單來說，這是因為隨著功能性的不斷增加，牽涉的 ECU 數(shù)量也會增加。由于現(xiàn)有功能和系統(tǒng)架構(gòu)在設(shè)計之初大多并未考慮 SAE 3 級和 SAE 4 級自動駕駛的需求，因此，盡管各級自動駕駛系統(tǒng)在功能方面的重復(fù)性較高，但真正想要在不同級別系統(tǒng)之間實現(xiàn)功能模塊的復(fù)用卻并不容易，甚至是完全不可能的。

各代車型間的軟件模塊復(fù)用也有類似的問題，傳感器、促動器、融合模塊、功能模塊及控制模塊等，都必須從軟件和硬件角度進行重新整合。這些問題都會導(dǎo)致此類項目中功能復(fù)雜度的非線性增長。

模塊復(fù)用的挑戰(zhàn)還不止于此。比如，當(dāng)涉及多方研發(fā)時，不同團隊之間的銜接和協(xié)調(diào)也會不可避免地產(chǎn)生額外開銷。此外，商業(yè)戰(zhàn)略方面的考慮也必不可少：自動駕駛系統(tǒng)離不開“環(huán)境模型”和“精準定位功能”等基礎(chǔ)軟件，但這些功能本質(zhì)上很難實現(xiàn)差異化。因此，即便OEM推出各式各樣的駕駛輔助系統(tǒng)或操縱系統(tǒng)，但在環(huán)境模型和定位上，它們無法與競爭對手真正拉開差距。

但盡管如此，廠商仍需要不斷投入資源，對這些基礎(chǔ)模塊進行不斷完善，而這些資源本可以被用來開發(fā)差異性更高的組件，比如人機接口。這其實讓廠商陷入一種兩難境地：隨著 SAE 3 級或 SAE 4 級自動駕駛系統(tǒng)的推廣，駕駛員將駕駛?cè)蝿?wù)交給汽車后將有大量時間使用 HMI 功能，因此 HMI 研發(fā)的重要性毋庸置疑。但與此同時，“環(huán)境模型”和“定位功能”等基礎(chǔ)模塊又對汽車廠商需要全權(quán)負責(zé)的車輛安全性和可靠性至關(guān)重要。正因如此，廠商也必須高度嚴肅對待安全性和可靠性問題，基礎(chǔ)模塊的完善不能忽略。

用于自動駕駛的 EB robinos框架的總體架構(gòu)。

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使用軟件框架加速研發(fā)

在此背景之下，軟件框架應(yīng)運而生。這種軟件框架可以被視為一組自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的基本構(gòu)件，可在自動駕駛系統(tǒng)研發(fā)中發(fā)揮顯著優(yōu)勢。Elektrobit 公司的 EB robins 即為這樣一種非常典型的軟件框架，其基本架構(gòu)可見圖 2。

EB robins 參考架構(gòu)可以支持 SAE 1 級到 SAE 4 級等全部自動駕駛級別，在未來 SAE 5 級自動駕駛解決方案的開發(fā)中也將發(fā)揮重要作用。當(dāng)然，在 SAE 5 級自動駕駛解決方案的研發(fā)中，動態(tài)情景的數(shù)量將顯著增加，相應(yīng)的系統(tǒng)和軟件架構(gòu)也需要經(jīng)過重大改動。

這種軟件框架具有模塊化設(shè)計的特點，可以在最大范圍內(nèi)實現(xiàn)靈活復(fù)用和規(guī)模化。標準化的模塊和接口定義可以降低復(fù)雜開發(fā)項目的開銷。此外，這些軟件模塊在應(yīng)用時并不區(qū)別具體的硬件和傳感器，因此可以輕松、快速地應(yīng)用至不同廠商選擇的不同硬件平臺上。

正如上文所示，軟件框架的應(yīng)用不受具體硬件影響，而且還可以支持一些類似傳感器融合等必要功能。這種標準化、模塊化的措施，不僅清晰定義了一種功能性的架構(gòu)，并讓軟件之間、以及軟件和外部接口之間的開放交互成為可能。所以從這些方面考慮，軟件框架又可以進一步降低研發(fā)復(fù)雜度、投入和成本。

除了“環(huán)境模型”、“傳感器融合”和“精準定位”等基礎(chǔ)模塊，軟件框架還包括“安全檢測”等診斷模塊，可以對傳感器和軟件模塊進行不間斷監(jiān)測，確保其正常工作。此外，框架中的“監(jiān)管模塊”還可以管理算法冗余，監(jiān)督關(guān)鍵功能的執(zhí)行情況，比如在碰撞發(fā)生后檢查路線規(guī)劃情況，或檢查運動管理模塊的正常運行等。

自動駕駛汽車差異化功能和非差異化功能的研發(fā)對軟件框架的要求是不同的。對于差異化功能，廠商可能更愿意倚靠內(nèi)部研發(fā)力量，并著重于品牌特有的外觀和體驗，而“環(huán)境模塊”等非差異化功能則更容易從標準化和規(guī)模化研發(fā)中受益。通過軟件架構(gòu)，研發(fā)人員可以在電腦上快速構(gòu)建原型設(shè)計，并隨后在 Adaptive AUTOSAR 或 Linux 等環(huán)境中開始運行。

此外，設(shè)計人員還可以根據(jù)客戶需求，輕松增加/移除特定構(gòu)件，真正利用最少的研發(fā)、應(yīng)用和測試資源，實現(xiàn)軟件構(gòu)件的復(fù)用。

環(huán)境模型由四個主要部分組成：對象融合，自由空間和障礙融合，道路融合和交通規(guī)則融合。

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供研發(fā)人員使用的模塊構(gòu)件

全面了解各種特定功能模塊還可以協(xié)助研發(fā)人員更好地理解特定模塊構(gòu)件的應(yīng)用范圍和交互。

舉例而言，“環(huán)境模型”（如圖 3 所示）共包括 4 個主要組成部分。“目標融合”可基于各種追蹤邊界框模型（bounding box model），將雷達、激光雷達、攝像頭及更多傳感器捕捉的目標進行融合，從而更加完整地進行目標描述，提供包括目標相對位置、尺寸、活動、分類（比如車輛、自行車、行人）等各類信息。

“空地和障礙物融合”則主要基于一種多邊曲線，描述車輛周圍的空地及欄桿和交通信號燈等靜態(tài)障礙物。出于這個目的，“空地和障礙物融合”模型主要使用環(huán)境傳感器提供的原始和建模數(shù)據(jù)，確定車輛可選的行駛路線。“道路融合”則可以利用攝像頭信號（識別的道路標記）和“空地和障礙物融合”信息（道路靜止設(shè)施等），確定道路的幾何形狀。此外，“道路融合”還可以結(jié)合道路移動目標軌跡信息和數(shù)字地圖數(shù)據(jù)，更加全面地描繪道路的幾何形狀。

“交通規(guī)則融合”則可以處理從攝像頭或數(shù)字地圖獲得的交通標志、信號燈、人行橫道等信息，并輸出類似限速標準、禁止通信或先行通過等規(guī)則信息。

“環(huán)境模型”采用模塊化設(shè)計且支持升級，可以靈活應(yīng)用至從基礎(chǔ) SAE 1 級到先進 SAE 3 或 SAE 4 級自動駕駛系統(tǒng)（圖4）。大多數(shù)情況下，“環(huán)境模型”的應(yīng)用僅需適配傳感器等少量硬件設(shè)備，即可在不同系統(tǒng)中進行實現(xiàn)。

“定位模塊”的工作則與“環(huán)境模塊”緊密相關(guān)，該模塊可基于測距法、回轉(zhuǎn)儀、加速表和 GPS 信號，提供非常準確的車輛位置和軌跡信息，因此也是所有基于“地理位置”功能的基礎(chǔ)，比如路線規(guī)劃和自動停車等。此外，“定位模塊”還可以為車間通信、車載通話和導(dǎo)航等應(yīng)用提供必需的位置信息。

“外推組件”也是“定位模塊”的另一個重要組成部分，可以基于車輛的當(dāng)下運動情況，預(yù)估車輛的未來位置，在一定程度上對“融合功能”等其他應(yīng)用進行補充，從而避免延遲可能帶來的影響。此外，系統(tǒng)中還有一個“電子地平線模塊”，可針對前方道路，為預(yù)測性的駕駛員輔助功能提供高度準確的實時信息。這也將促進過彎超速預(yù)警、自適應(yīng)彎道照明、交通標志顯示、里程判斷、道路跟隨、節(jié)油駕駛等功能的集成，并為一些 SAE 3 級和 SAE 4 級自動駕駛功能提供更多有用信息。

軟件框架中的各類構(gòu)件，通常都是在基于多工處理控制器的車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上工作。Elektrobit 公司 EB corbo 軟件套裝集成了運行多工處理控制器的所有必備元素，可以進行安全快速的高性能運算，且能提供運行環(huán)境、軟件功能和一些內(nèi)置安全功能。該套裝專門設(shè)計了一個非常高效的管理程序，可支持多操作系統(tǒng)的運行，比如針對自適應(yīng)應(yīng)用的AUTOSAR Runtime (簡稱AUTOSAR Adaptive) 或 Linux 操作系統(tǒng)。

該框架還允許從1級功能升級到更高級的3級或4級功能。

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自動駕駛級別的進化及相應(yīng)的標準化

為了促進現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)中的集成，EB robinos 自動駕駛軟件架構(gòu)還包含一款軟件工具鏈，可在項目的前期調(diào)研、預(yù)先設(shè)計、概念構(gòu)設(shè)、實際研發(fā)和最終量產(chǎn)等不同研發(fā)測試階段，輕松進行軟件模塊的配置和適配。

這種集中式功能框架支持各類以服務(wù)為導(dǎo)向的安全項目研發(fā)，也可以用于研發(fā)人員的培訓(xùn)。采用模塊化功能設(shè)計，可支持 SAE 1 級到 SAE 4 級自動駕駛系統(tǒng)，還能在車輛功能與設(shè)計提升方面發(fā)揮明顯作用。此外，值得一提的是，為了真正實現(xiàn)靈活集成，行業(yè)內(nèi)必須形成一套通用的標準接口定義，用于軟件架構(gòu)中不同功能模塊之間，以及與外部模塊的通信與交互。

值得高興的是，汽車行業(yè)已開始進行多項旨在建立明確標準化的接口定義與規(guī)格的工作。Elektrobit 公司也一直積極配合相關(guān)標準化組織的工作，長期致力于相關(guān)標準的建立。

軟件框架的進一步推廣，有助于研發(fā)人員和廠商縮短產(chǎn)品上市時間，推動非差異化組件的規(guī)模化處理，顯著降低研發(fā)復(fù)雜度、投入和成本，從而提高品牌競爭力，在保證 SAE 5 級駕駛功能的基礎(chǔ)上，為消費者提供更多更好的功能。