智能執(zhí)行器顛覆汽車技術(shù)

來源：意法半導(dǎo)體

引言：人工智能 (AI) 在汽車技術(shù)中的重要性

公眾往往會(huì)認(rèn)為，自動(dòng)駕駛就是汽車人工智能(AI)，這種認(rèn)知只是汽車人工智能的冰山一角，掩蓋了一場更深層次的看不見的技術(shù)變革：人工智能正在融入車輛電氣/電子架構(gòu)的方方面面，這是一個(gè)復(fù)雜而精密的系統(tǒng)，所涵蓋的范圍遠(yuǎn)不止自動(dòng)駕駛功能，還包括收集數(shù)據(jù)的傳感器、實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的確定性微控制器，以及控制汽車安全關(guān)鍵型功能的執(zhí)行器。

這場深刻的轉(zhuǎn)變不僅關(guān)乎車輛的“視覺”層面，更在于人工智能如何從根本上重新定義從開門到自動(dòng)駕駛的整個(gè)用車體驗(yàn)。

現(xiàn)代汽車的基礎(chǔ)：電氣/電子 (E/E) 架構(gòu)

電子電氣架構(gòu)（圖1）構(gòu)成了現(xiàn)代汽車的基礎(chǔ)，支持越來越多的基于人工智能的高級功能。在這個(gè)系統(tǒng)中，微控制器和微處理器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼈儽仨殞?shí)時(shí)處理信息，并將虛擬指令轉(zhuǎn)化為實(shí)際動(dòng)作。無論是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向操作，還是電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)、空調(diào)控制，控制精確度和響應(yīng)能力都依賴于數(shù)據(jù)處理器之間復(fù)雜的交互操作。

在汽車上，能夠處理數(shù)據(jù)的地方屈指可數(shù)，尤其是執(zhí)行人工智能計(jì)算和系統(tǒng)控制的處理器：

1. 微控制器(MCU) 在汽車上處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)響應(yīng)。例如，MCU 控制各種執(zhí)行器，監(jiān)控關(guān)鍵部件的狀態(tài)，或在故障安全模式下接管車輛控制。
2. 微處理器(MPU) 和圖形處理單元 (GPU) 處理更復(fù)雜的任務(wù)，例如，圖像識(shí)別或高級數(shù)據(jù)可視化，為自動(dòng)駕駛賦能，并提升用戶體驗(yàn)(UX)。
3. 數(shù)據(jù)中心，其中云計(jì)算技術(shù)可以全面完善數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化性能，這對于遠(yuǎn)程診斷和車隊(duì)管理等任務(wù)至關(guān)重要。

這種三層架構(gòu)提供了一個(gè)完整的人工智能框架，徹底改變了整體用車體驗(yàn)，凸顯了人工智能在下一代汽車發(fā)展中的漸重要的推動(dòng)作用。

本文重點(diǎn)討論所謂的端點(diǎn)的復(fù)雜性，微控制器在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

圖1：區(qū)域化電氣電子 架構(gòu)示意圖。該架構(gòu)由四個(gè)區(qū)控制單元和一個(gè)控制高級駕駛輔助系統(tǒng) ADAS

和信息娛樂系統(tǒng)的中央計(jì)算機(jī)組成。藍(lán)色/紫色圖形是端點(diǎn)設(shè)備，與區(qū)控制單元相連。

端點(diǎn)設(shè)備的復(fù)雜性：微控制器、傳感器和執(zhí)行器的相互作用

在車輛架構(gòu)中，端點(diǎn)設(shè)備是指通常由小型、資源受限的元器件（例如，微控制器、傳感器和執(zhí)行器）組成的硬件系統(tǒng)。傳感器測量溫度、壓力、速度等物理特性；微控制器以最小的延遲實(shí)時(shí)處理傳感器數(shù)據(jù)，并向執(zhí)行器發(fā)出指令，執(zhí)行器將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理動(dòng)作，例如，轉(zhuǎn)向、制動(dòng)或加速。

每輛車都有很多端點(diǎn)設(shè)備，這些端點(diǎn)必須實(shí)時(shí)同步地交互和通信。圖2以車門控制系統(tǒng)為例，說明了單個(gè)端點(diǎn)的復(fù)雜性。通常，每個(gè)車門都有一個(gè)這樣的端點(diǎn)，而整輛車則有很多端點(diǎn)（例如，車頂、后備箱、照明等）。

示例：打開車門

打開車門等簡單動(dòng)作涉及一系列復(fù)雜的事件，展示了微控制器、傳感器和執(zhí)行器之間的深度交互：

1. 車門內(nèi)的超寬帶(UWB) 傳感器檢測到車鑰匙的接近，同時(shí)微控制器處理傳感器數(shù)據(jù)。
2. 執(zhí)行器解鎖車門，實(shí)現(xiàn)無鑰匙進(jìn)入。
3. 執(zhí)行器展開后視鏡。
4. 指示燈閃爍，向駕駛員發(fā)出視覺信號(hào)。
5. 迎賓程序啟動(dòng)，例如，氛圍燈點(diǎn)亮，喇叭發(fā)出問候，車外照明燈點(diǎn)亮。
6. 數(shù)字駕駛艙激活，顯示有用信息。
7. 信息娛樂系統(tǒng)開始初始化，并通過藍(lán)牙/Wi-Fi 連接駕駛員的智能手機(jī)，準(zhǔn)備個(gè)性化內(nèi)容。
8. 空調(diào)系統(tǒng)開啟，提前打開冷風(fēng)或熱風(fēng)。
9. 記憶座椅通過多個(gè)執(zhí)行器調(diào)整至預(yù)設(shè)位置。
10. 方向盤位置調(diào)整，方便駕駛員進(jìn)入駕駛艙，然后調(diào)到預(yù)設(shè)位置。
11. 后視鏡根據(jù)存儲(chǔ)的偏好進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)。

這一流程鏈并非詳盡無遺，且在不同車型之間差異巨大，但是，它凸顯了眾多分散端點(diǎn)之間復(fù)雜的協(xié)同操作，也反映了汽車制造商面臨的更廣泛的挑戰(zhàn)。

圖2：采用車門控制系統(tǒng)的端點(diǎn)示意圖。圖示端點(diǎn)集成了多種傳感器、一個(gè)微控制器、十三 個(gè)執(zhí)行器和其他電子元件，

負(fù)責(zé)控制車窗升降機(jī)、后視鏡調(diào)節(jié)電機(jī)、車門鎖等不同功能，凸顯了這種端點(diǎn)架構(gòu)的復(fù)雜性。

汽車廠商面臨的挑戰(zhàn)：應(yīng)對現(xiàn)代汽車的復(fù)雜性

在打開車門這樣看似簡單的操作背后，卻隱藏著乘客看不到的后臺(tái)運(yùn)行的很多復(fù)雜功能。如今，汽車廠商開始集中整合這些功能，接下來將這些功能變成可以軟件定義和網(wǎng)絡(luò)化，豐富功能，以提升用戶體驗(yàn)。這種即將到來的復(fù)雜性給汽車制造商帶來了諸多挑戰(zhàn)：

1. 隨著功能數(shù)量不斷增加，為了確保不同的功能無縫運(yùn)行，系統(tǒng)集成變得更加復(fù)雜。
2. 確保不同系統(tǒng)、不同供應(yīng)商之間的兼容性至關(guān)重要，且極具挑戰(zhàn)性。
3. 需要新的架構(gòu)來高效管理能源和充電系統(tǒng)。
4. 管理來自多個(gè)供應(yīng)商的更新，同時(shí)確?？煽啃允且豁?xiàng)重大挑戰(zhàn)。
5. 創(chuàng)新、合規(guī)和成本的平衡始終是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
6. 市場要求開發(fā)周期越來越快，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量不能受任何影響，這給車企帶來了保質(zhì)交貨的壓力。

這些挑戰(zhàn)迫使車企重新思考并重塑其現(xiàn)有的電子電氣架構(gòu)。采用分區(qū)控制架構(gòu)在全球汽車制造業(yè)已成為一種趨勢。

利用人工智能和分區(qū)控制架構(gòu)促進(jìn)汽車創(chuàng)新

域控制架構(gòu)轉(zhuǎn)向區(qū)控制架構(gòu)

汽車行業(yè)正在從傳統(tǒng)的域控制架構(gòu)轉(zhuǎn)向 區(qū)域控制架構(gòu) 。在域控制系統(tǒng)中，每個(gè)控制域，例如，動(dòng)力總成、駕駛輔助、信息娛樂，包括域內(nèi)端點(diǎn)在內(nèi)，都是獨(dú)立運(yùn)行的，這種布局設(shè)計(jì)導(dǎo)致布線變得復(fù)雜，硬件設(shè)備冗余。另一方面，區(qū)域控制架構(gòu)將汽車分為多個(gè)物理區(qū)，并將多個(gè)單獨(dú)的域和端點(diǎn)整合到大型微控制器內(nèi)，今天，這些微控制器又集成了人工智能功能。這種架構(gòu)的好處是：

1. 降低布線復(fù)雜性和重量
2. 減少小型微控制器的數(shù)量，將其整合成更大的集成AI 加速器的多核微控制器
3. 簡化軟件管理，減少代碼量(LoC)
4. 賦能集中式數(shù)據(jù)處理，加快決策速度
5. 促進(jìn)系統(tǒng)間高效的數(shù)據(jù)交換和協(xié)同操作。

域控制架構(gòu)轉(zhuǎn)向區(qū)域控制架構(gòu)，標(biāo)志著汽車技術(shù)的重大轉(zhuǎn)變，其中，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著先前的標(biāo)準(zhǔn)正在逐步退市，以太網(wǎng)正在成為現(xiàn)代汽車的核心通信骨干網(wǎng)。區(qū)域控制架構(gòu)的成功實(shí)施在很大程度上取決于以太網(wǎng)技術(shù)的集成。

為了支持這一轉(zhuǎn)變，意法半導(dǎo)體等領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造商正在將多個(gè)以太網(wǎng)端口和嵌入式以太網(wǎng)交換機(jī)直接集成到微控制器內(nèi)。這項(xiàng)創(chuàng)新使汽車制造商能夠從根本上實(shí)現(xiàn)車輛電氣電子架構(gòu)的現(xiàn)代化，優(yōu)化數(shù)據(jù)通信，并為人工智能等前瞻性應(yīng)用奠定基礎(chǔ)?；谝蕴W(wǎng)的架構(gòu)不僅提供更高的帶寬，還提供滿足現(xiàn)代和未來車載應(yīng)用需求所需的靈活性。

應(yīng)用示例：現(xiàn)代汽車中的人工智能驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器

新出現(xiàn)的人工智能應(yīng)用越來越多地在運(yùn)行在區(qū)域控制單元(ZCU)上 ，這些處理單元安放在傳感器和執(zhí)行器附近，能夠有效縮短處理延遲。今天的數(shù)據(jù)收集量足以進(jìn)一步加快人工智能的應(yīng)用普及，隨著數(shù)據(jù)量的增加，人工智能模型正在不斷改進(jìn)，例如：

1. 異常檢測提升車輛安全性： 人工智能模型可檢測數(shù)據(jù)模式和異常情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和主動(dòng)維護(hù)。
2. 動(dòng)力總成和能源管理優(yōu)化 ：人工智能模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)可優(yōu)化電池性能和燃油效率，并適應(yīng)駕駛條件。
3. 虛擬傳感器和傳感器融合 ：人工智能融合來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，或模擬傳感器檢測，提升車身、底盤和熱管理系統(tǒng)決策的智能化水平。
4. 自適應(yīng)處理 ：人工智能優(yōu)化輸入輸出數(shù)據(jù)，從而加快電池充電速度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)能效，并提升電機(jī)性能。

結(jié)論

人工智能正在重新定義汽車的電氣/電子 (E/E) 架構(gòu)，將智能執(zhí)行器置于核心位置，徹底改變汽車技術(shù)。從打開車門、智能空調(diào)，到自動(dòng)駕駛，人工智能為微控制器開啟很多全新的應(yīng)用機(jī)會(huì)，讓駕駛變得更安全、更高效，并提升駕駛體驗(yàn)。從域控制到區(qū)域控制架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，降低了集成復(fù)雜性，改進(jìn)了數(shù)據(jù)處理性能，并為預(yù)測性維護(hù)、優(yōu)化能源管理和傳感器融合等創(chuàng)新應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

斷提升、互操作性不斷增強(qiáng)，以及上市時(shí)間壓力等挑戰(zhàn)，人工智能仍為提升車輛安全性、能效和用車便利性提供了巨大的機(jī)遇。汽車行業(yè)正處于一個(gè)新時(shí)代的開端，人工智能不僅能夠改變駕駛體驗(yàn)，還能塑造未來的綠色環(huán)保汽車。

作者信息

Yoann Foucher

意法半導(dǎo)體汽車微控制器戰(zhàn)略產(chǎn)品部總監(jiān)