Автономные автомобили: Стэк технологий

18.05.2020

Индустрия беспилотных автомобилей находится на уровне зрелости, сопоставимом с традиционной автомобильной промышленностью 100 лет назад. Генри Форд производил на заводе Model T не только сам автомобиль, но и колеса, а также большинство других компонентов и деталей собственного производства. Сто лет спустя несколько крупных и сотни мелких поставщиков обеспечивают 70% компонентов типичного автомобильного транспортного средства, а автопроизводители делают только 30% собственных.

Совокупная выручка только 10 крупнейших поставщиков выросла до $315 млрд в 2017 году, а выручка 100 крупнейших поставщиков по всему миру приблизилась к $800 млрд, сообщает Automotive News. И это имеет смысл: детали под капотом обычно не позволяют производителю транспортного средства отличить его от конкурента, или, другими словами, конечный потребитель — то есть владелец/оператор — обычно не заботится или, как правило, даже не замечает, был ли радарный датчик для адаптивной системы круиз-контроля изготовлен Bosch, Denso или кем-то еще, пока он надежен и работает.

Тенденция в области беспилотных автомобилей продолжает идти в противоположном направлении. Например, Waymo разработала и строит свой собственный лидар, Cruise купила лидарную компанию в 2017 году, а совсем недавно Aurora также приобрела лидарную компанию. Причины просты. Практически все (за исключением, вероятно, одного человека) считают, что лидар имеет решающее значение для разработки самой безопасной и надежной системы беспилотного вождения. Другими словами, компании думают, что у них будет конкурентное преимущество, если они, по их мнению, являются ключевыми в этой области. С другой стороны, это воспринимаемое краткосрочное преимущество очень неопределенно — существует 70 подобных компаний (не считая китайских), и неясно, какие технологии будут преобладать через пару лет. И снова, будучи пассажиром робо-такси через пару лет, меня не беспокоит производитель отдельных компонентов, если автомобиль обеспечивает безопасную и комфортную поездку до пункта назначения.

В среднесрочной и долгосрочной перспективе (в основном финансируемые венчурными фондами) компании с полным стеком (т. е. те, которые пытаются максимально реализовать все компоненты — как аппаратные, так и программные — внутри компании), работающие в области беспилотных автомобилей, заметят, что затраты и сложность сильно возрастут.

Основатель (относительно небольшой) компании, работающей по принципу полного стека, недавно сказал мне, что они «могут позволить себе создавать полный стек самостоятельно, потому что их адресуемый рынок будет очень большим». Я не уверен, что он полностью понимает экономику этого масштаба. Большой и прибыльный рынок привлекает больше конкурентов, в конечном итоге снижая цены. Поставщик, поставляющий продукцию 10 производителям, очевидно, может предложить более низкую стоимость. И опять же, именно это привело к тому, что поставщики автомобилей внесли более 70% в стоимость обычного транспортного средства.

В последнее время развиваются партнерские отношения в области беспилотного вождения, которые ранее не были видны. Volkswagen отказался от контракта с Aurora и вместо этого инвестировал в Argo, и даже подарил Argo свою беспилотную автомобильную дочернюю компанию AID в рамках сделки. BMW и Daimler присоединяются к своим подразделениям разработки беспилотников, и ходят слухи, что Audi присоединится тоже.

Мы думаем, что это всего лишь промежуточный шаг. В конечном итоге индустрия беспилотного вождения увидит такой же переход. Я называю это декомпозицией беспилотного стека автомобилей. Весь стек слишком большой, слишком сложный, слишком дорогой, слишком ресурсоемкий для большинства компаний, чтобы разрабатывать его самостоятельно. Это включает в себя слишком много разных дисциплин и навыков.

Беспилотный стек автомобилей состоит из пяти основных групп: аппаратное обеспечение, внешнее программное обеспечение и данные, встроенное программное обеспечение, различные методологии, которые в совокупности приводят к разработке продукта.

1. Аппаратный стек

Аппаратный стек состоит из платформы транспортного средства, часто настраиваемой или настраиваемой для конкретного применения, которая содержит интерфейсы к исполнительным механизмам, т. е. трансмиссии, тормозной и рулевой системам, а также электронике. Кроме того, компоненты включают в себя бортовой компьютер(ы), систему связи внутри транспортного средства, а также облако, а также компоненты записи и хранения данных. Датчики включают в себя GNSS, датчики движения, лидар, радар, камеру, а иногда и ультразвук.

2. Внешнее программное обеспечение

Внешнее программное обеспечение и данные включают в себя карты (с различными слоями, см., например, документ Lancelet 2 для получения подробной информации). Карты должны быть созданы, снабжены аннотациями с метаинформацией, обновлены и распределены – также по частям – при сохранении согласованности по всей базе картографических данных. Высокоавтономные транспортные средства часто эксплуатируются в составе автопарка, что требует управления автопарком, маршрутизации автопарка, телеоперации, само — и дистанционной диагностики для беспилотных транспортных средств. Датчики одного автономного транспортного средства генерируют до 64 Гбит/с (или 8 Гбит/с, или 480 Гбит/мин, или 28 ТБ/час, или 560 ТБ/день, или 200 Пета Б/год). Автопарк, очевидно, создает кратное этому количество. Этот объем данных должен быть записан, сохранен, аннотирован, проанализирован и управляем. Разработчикам программного обеспечения необходима среда разработки программного обеспечения, обеспечивающая производительность. Инструменты включают в себя воспроизведение данных, визуализацию данных и возможность моделирования данных на различных уровнях.

3. Методологии

В процессе разработки применяются различные методологии, включая проектирование систем, проектирование архитектуры программного обеспечения, проектирование аппаратного обеспечения, проектирование взаимодействия. Тесты должны быть разработаны на всех уровнях, включая программный блок, регрессию, интеграцию, SIL, HIL, испытания транспортных средств. Другие аспекты включают функциональную безопасность, правила, омологацию, безопасность, защиту, верификацию и валидацию.

4. Встроенное программное обеспечение

Встроенный программный стек состоит из операционной системы (надеюсь, в режиме реального времени для критически важных систем безопасности, а не только Linux), которая сама состоит из ядра, планировщика и драйверов. Поверх ОС находится (по крайней мере, в хорошо спроектированной системе) программная структура, которая абстрагируется от множества вышеупомянутых компонентов, например, ОС, компьютерное оборудование, сенсорные интерфейсы, запись данных, воспроизведение, визуализация и промежуточное программное обеспечение. Он должен обеспечивать поддержку безопасности, защиты и диагностики. ROS, операционная система робота, де факто является стандартным фреймворком, а сборник статей по дизайну ROS 2 содержит более подробный обзор компонентов, входящих в роботизированный фреймворк. Здесь, в Apex.AI, мы разработали коммерческий, вскоре получивший сертификат безопасности, форк ROS 2, который мы называем Apex.OS. На вершине фреймворка находятся алгоритмические компоненты. Восприятие относится к обработке информации от датчиков в краткую модель окружающей среды. Локализация — это расположение транспортного средства относительно полосы движения, дороги и мира, представленных на картах. Понимание сцены проникает в семантическое понимание воспринимаемого мира. Решения по вождению принимаются на основе ряда целей и в зависимости от окружающей среды, желаемое движение транспортного средства планируется и отправляется исполнительным механизмам транспортного средства через контроллер. Многие из этих алгоритмических компонентов реализованы с использованием современных методов искусственного интеллекта (ИИ), которые могут достигать точности, подобной человеческой, но предъявляют новые требования для многих частей стека.

5. Продукт

Все компоненты должны быть интегрированы в продукт, который здесь относится к приложению, которое взаимодействует с пользователем/оператором. Приложение адаптировано для использования по назначению, настроено на возможности стека, поддерживающего его, и выпущено. Системная интеграция для высоко автономной работы — это совместная работа с несколькими игроками, и с хорошо разработанным стеком, она может быстро пройти через определение, настройку, тестирование и выпуск.

Средство включения для модульного и разложенного стека является общепринятой архитектурой. ROS предоставил нам стандартизированную и открытую архитектуру и реализацию с открытым исходным кодом, которой управляет фонд. Мы расширили модель ROS до стека приложений и недавно стали одним из основателей Autoware Foundation. Фонд Autoware Foundation разрабатывает функциональную архитектуру для самостоятельного вождения и строит эту архитектуру и эталонную реализацию полностью с открытым исходным кодом. Более 35 компаний и организаций уже присоединились к Autoware Foundation. Присоединитесь к этой мощной группе, чтобы помочь создать стандарт.

Waymo не были бы впереди всех остальных, если бы они ждали развития декомпозиции стека, но это бремя первопроходца. Все остальные, кто попытается наверстать упущенное, будут делать это быстрее и дешевле, поддерживая декомпозицию стека, помогая установить стандарты и выбирая правильных партнеров, в надежде, что для достижения следующего уровня зрелости в автономной отрасли не потребуется 100 лет.

О компании ИТЭЛМА

Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.

У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.

Читать еще полезные статьи: