Разбор полётов при создании Audi A8

Уроки, которые Audi извлекла из опыта создания A8 – первого в мире автономного автомобиля 3-го уровня, остаются актуальными и сегодня. Вот что мы узнали после того, как System Plus разобрали Audi A8.

Недавний разбор Audi A8 дал понять почему, как с технологической, так и с экономической точки зрения, достичь более высокого уровня автономности транспортных средств труднее, чем кто-либо ожидал изначально. Опыт Audi с А8 остается актуальным и сегодня.

Когда в конце 2017 года Audi выпустила обновленный седан А8, компания представила его как первый автомобиль 3-го уровня в истории автомобильной промышленности. Вся автоиндустрия до сих пор борется с технологическими проблемами и непонятностью структуры формирования стоимости, то есть с проблемами с которыми Audi сталкивалась в то время. В исследовании, проведенном компанией System Plus, можно получить ценную информацию по нескольким вопросам:

• Что нужно для того, чтобы выпустить с автомобиля 3-го уровня?
• Что входит в комплект датчиков А8?
• Сколько вычислительной мощности требуется автомобилю 3-го уровня?
• Центральный контроллер помощи водителю Audi, называемый zFAS, основан на GPU, SoC, CPU или FPGA?
• Сколько стоит zFAS?

Опыт Audi в достижении функциональности 3-го уровня с использованием уже испытанных в других приложениях и имеющихся на рынке чипов может быть поучительным – особенно в сравнении с Tesla, выпустившей два года спустя (2019) свою плату «Full Self Driving Computer», которая для обеспечения работы систем беспилотного вождения в значительной степени полагается на два чипа собственного производства

Процедура разборки System Plus включает в себя анализ, который выходит за рамки простого обратного инжиниринга и идентификации аппаратных элементов. Фирма также проводит «обратный расчет стоимости» — оценку затрат для получения конкретных компонентов и создания продуктов. Обратный расчет стоимости A8 от System Plus показывает, что 60% стоимости zFAS (общая стоимость оценивается в 290 долларов) определяется стоимостью полупроводников. Вряд ли это удивительно, поскольку 80-85% составляющих в современных автомобилях — электроника. Впрочем, в этой стоимости нет ничего поразительного.

Цена

Настоящий шок для OEM-производителей автомобилей, сказал Ромен Фро (Romain Fraux), генеральный директор компании System Plus Consulting, заключается в том, что ни одна автомобильная компания морально не была готова доплачивать 50% за каждый компонент – так, как доплачивают Nvidia, Intel и другие компании за их флагманские решения на базе чипов. Это открыло двери в совершенно новый мир для OEM-производителей автомобилей, подтолкнув их к переосмыслению расчета стоимости высокоавтоматизированных автомобилей.

Оценка стоимости System Plus не включает в себя затраты на разработку программного обеспечения для автоматизированных автомобилей. Тем не менее, использование FPGA (Altera Cyclone) внутри zFAS показывает попытку Audi сберечь собственные программные активы, которые она уже разработала.

За последние 18 месяцев некоторые ведущие OEM-производители начали намекать на свое желание разработать собственные автономные автомобильные чипы вроде тех, что выпускают Tesla. Такой подход позволяет им самим распоряжаться своей судьбой в плане разработки аппаратного и программного обеспечения. Однако, учитывая высокую стоимость разработки чипов, непонятно, стоит ли OEM-производителям автомобилей делать это в одиночку.

Другим важным аспектом A8 является то, что Audi первой среди всех автомобильных OEM-производителей вывела на рынок коммерческий автомобиль, идущий по пути автономности.

На момент запуска А8 технология внутри автомобиля была представлена как «прорыв в области автоматизированного вождения», с системой Traffic Jam Pilot. Предполагается, что при активации системы Traffic Jam Pilot человек освобождается от необходимости управления в потоке, где нужно часто газовать и останавливаться.

Однако, эти самые лучшие планы столкнулись с проблемой передачи управления (предупредить и привлечь к управлению отвлекшегося человека в ситуации, когда компьютер не справится), которая с самого начала была обозначена концепцией автомобилей третьего уровня.

Сегодня A8 ездят по улицам, но ни в одной из этих машин не активированы и не работают функции автономности 3-го уровня.

Впрочем, это не претензия к Audi. A8 дала автоиндустрии понять с чем она сталкивается. Лидеры отрасли должны разобраться со всеми регуляторными, техническими, поведенческими, юридическими и деловыми осложнениями, прежде чем они смогут говорить об утопическом будущем с беспилотными автомобилями. Это отчасти объясняет растущий интерес к разработке стандартов безопасности среди OEM-производителей автомобилей, ведущих игроков на рынке, поставщиков чипов, а также технологических и сервисных компаний (вроде Waymo и Uber).

А8 под капотом

Вызов для автопроизводителей будет заключаться уже не в том, чтобы предложить максимальную скорость или лучшее ускорение от нуля до 100 км/ч, а в том, чтобы обеспечить все более совершенные системы помощи водителю и автономного вождения. Такова цель Audi A8 с системой автономного вождения 3-го уровня, первой использовавшей лидары.

В комплект датчиков А8 также входят камеры, радар и ультразвуковые датчики. Audi A8 самостоятельно справится с вождением по самым загруженным дорогам без вмешательства водителя. Audi указывает, что водитель может постоянно держать руки на рулевом колесе и, в зависимости от местных законов и правил, может заниматься другими видами деятельности, например, просмотром телевизора на борту. Транспортное средство может решать большинство задач, возникающих на дороге, но при этом вмешательство человека необходимо (рис. 1).

Рисунок 1: Ключевые элементы Audi A8

Фро прокомментировал список инновационных технологий Audi A8: «Audi — первый автомобиль с 3-м уровнем автономии». Система Traffic Jam Pilot, установленная на Audi A8, берет на себя ответственность за движение в медленном потоке со скоростью до 60 км/ч по автострадам и шоссе, используя комбинацию датчиков и первый в мире лазерный сканер. (Примечание: эта функция третьего уровня до сих пор не активирована).

Автономность 3-го уровня и вычислительная платформа

Цифровые технологии могут выполнять те же задачи, что и водитель, обеспечивая при этом большую безопасность и комфорт езды. Долгосрочная цель заключается в том, чтобы создать полностью объединенные в сеть дороги — автомобильную интеллектуальную сеть. Пробки на дорогах и загрязнение окружающей среды будут снижены, что приведет к значительному повышению безопасности.

Автономное вождение становится все более актуальной темой в автомобильном мире; на повестке дня стоят новости о прогрессе и новинках в этой области. Уровень 3, используемый для Audi A8, характеризуется высокоавтоматизированным вождением. Система способна избавить водителя от необходимости постоянного контроля над продольным и поперечным движением автомобиля.

Фро сказал, что «Audi A8 состоит из различных датчиков и контроллера zFAS с четырьмя процессорами, собранным Aptiv». zFAS (рис. 2) – первая централизованная вычислительная платформа. Компьютер в качестве центрального узла обрабатывает в реальном времени сигналы ультразвуковых датчиков (передних, задних и боковых), 360-градусных камер (передние, задние и боковые зеркала заднего вида), радиолокатора среднего радиуса действия (под любым углом), а также данные с радиолокатора дальнего радиуса действия и лазерного сканера на передней части транспортного средства.

Рисунок 2: Контроллер Aptiv zFAS

Связка процессоров в zFAS

Один из процессоров, входящих в состав платформы, — это Nvidia Tegra K1, используемый для распознавания светофоров, обнаружения пешеходов, предупреждения о столкновениях, обнаружения света и распознавания полосы движения. Tegra K1 с печатными платами из 8 слоев содержит 192 ядра Cuda, столько же, сколько Nvidia интегрирует в один модуль SMX внутри графических процессоров Kepler, представленных в настоящее время на рынке (рисунок 3) с поддержкой DirectX 11 и OpenGL 4.4.

Рисунок 3: Nvidia Tegra K1

Наличие очень мощного процессора в автомобиле имеет большое значение, когда речь идет о количестве встроенных в него датчиков. Процессор Intel/Mobileye EyeQ3 отвечает за обработку изображений. Для удовлетворения требованиям по энергопотреблению и производительности, системы на чипе EyeQ разработаны с использованием более тонкой штамповки. Говоря об Eye3, Mobileye использует КМОП на 40 нм, при этом компания будет использовать 7 нм FinFET 5-го поколения систем на чипе EyeQ5. Каждый чип EyeQ оснащен однородными, полностью программируемыми ускорителями; при этом каждый тип ускорителя оптимизирован под свое семейство алгоритмов.

Любопытно, что Nvidia Tegra K1 и Mobileye EyeQ 3 не могут справиться со всеми задачами ADAS, ожидаемыми для автомобилей уровня 3. Внутри zFAS имеется Altera Cyclone для предварительной обработки данных и Infineon Aurix Tricore для контроля безопасности операций. Семейство FPGA-устройств Altera Cyclone основано на 1,5 В, 0,13 мкм, многослойной медной статической ОЗУ, с плотностью до 20 060 логических элементов и обладающей до 288 кбит оперативной памяти.

Архитектура Infineon Aurix реализована для оптимизации производительности в силовых установках и системах безопасности автомобильной промышленности. TriCore — это первая унифицированная одноядерная 32-битная архитектура микроконтроллера цифровой обработки сигналов, оптимизированная для встраиваемых систем реального времени.

Датчики в Audi A8

В автомобильном мире передовые системы помощи водителю стали обязательным требованием для всех новых автомобилей, которые хотят получить более высокий рейтинг Euro NCAP. На первой странице, на рисунке 1, мы смогли найти подробный список устройств Audi A8, найденных System Plus. «Производители разрабатывают все более эффективные радары, на рынке мы можем выделить целый ряд компаний: Aptiv, Veoneer, ZF, Valeo, Bosch, Mando, Denso и Ainstein», — сказал Фро.

В частности, на Audi A8 мы можем увидеть автомобильную камеру ночного видения 3-го поколения Autoliv, переднюю камеру Aptiv Lane Assist Front Camera, лазерный сканер Valeo Scala, радар дальнего действия Bosch LRR4 77GHz, Aptiv R3TR 76 GHz в качестве радара среднего радиуса действия, установленного справа и слева в передней и задней частях автомобиля».

Камера ночного видения Autoliv состоит из двух модулей — камеры и удаленного процессора (рис. 4). Инфракрасная камера ночного видения Autoliv состоит из 17-мкм пиксельного микроболометра FLIR с высоким разрешением на основе ванадиевой окиси ISC0901. Устройство основывается на инженерном подходе со сложной оптической системой и современной системой числовой обработки, основанной на массиве ППВМ и специализированном алгоритме.

Рисунок 4: Автомобильная камера ночного видения 3-го поколения компании Autoliv

Фронтальная камера Aptiv Lane Assist установлена на зеркале заднего вида и имеет дальность действия 80 метров с частотой 36 кадров/сек. В камере используется 1,2-мегапиксельный CMOS-датчик изображения, предоставляемый On Semiconductor, и 8-битный PIC-микроконтроллер от Microchip. Блок управления zFAS обеспечивает управление программным обеспечением для обработки и распознавания изображений с помощью чипа обработки Mobileye EyeQ3 (рис. 5).

Рисунок 5: Печатная плата фронтальной камеры Aptiv Lane Assist Front Camera

LRR4 — это многорежимный радар с шестью фиксированными антеннами Bosch. Четыре антенны, расположенные по центру, обеспечивают высокоскоростную регистрацию окружающей среды, создавая сфокусированный луч с углом раскрытия диафрагмы ±6 градусов при минимальных помехах движению на соседних полосах движения. В ближнем поле две внешние антенны LRR4 расширяют поле зрения до ±20 градусов, обеспечивая дальность действия 5 метров с возможностью быстрого обнаружения транспортных средств, въезжающих или выезжающих с полосы движения (Рис. 6).

Рис. 6: Датчик радара дальнего действия (Изображение: System Plus).

Датчик радара ближнего действия Aptiv состоит из двух передатчиков и четырех приемных каналов и работает в полосе частот 76-77 ГГц, которая является стандартной для автомобильных радаров. В печатной плате используется монолитная микроволновая интегральная схема (MMIC) и резонатор волновода. На подложке радиочастотной (RF) печатной платы (PCB) используется армированный стеклом керамический ламинат на углеводородной основе, не содержащий ПТФЭ (рис. 7 и 8).

Рисунок 7: Обзор радаров короткого радиуса действия Aptiv R3TR 76 ГГц

Рисунок 8: Плата радиолокационной электроники малого радиуса действия Aptiv R3TR 76 ГГц

Технологии лидаров

Ключевым элементом Audi A8 является лидар. Это первый раз, когда автопроизводитель использовал лазерный сканер. Этот лидар основан на механической системе с вращающимся зеркалом и длиной волны 905 нм и использует технологию излучения по краям. Прибор имеет дальность действия 150 метров с углом обзора 145° по горизонтали и 3,2° по вертикали. Устройство управления двигателем состоит из статора, ротора с управляющим приводом и датчика Холла MPS40S для обнаружения движения. Датчик Холла изменяет свое выходное напряжение, реагируя на магнитное поле. Это долгосрочное решение, так как механические детали, которые могли бы износиться с течением времени, отсутствуют. Встроенная схема уменьшает размеры системы и относительную сложность реализации (рис. 9, 10, 11).

В основе лидарных систем лежит время полета (ToF), позволяющее точно измерять события, связанные с временем (рис. 12). Последние разработки позволили создать несколько многолучевых лидарных систем, которые формируют точное трехмерное изображение окружающей среды вокруг транспортного средства. Эта информация используется для выбора наиболее подходящих маневров вождения.

Рисунок 9: Лазерный сканер (изображение: System Plus)

Рисунок 10. Внутренняя часть лазерного сканера

Рисунок 11: Блок-схема лазерного сканера

Рисунок 12: Функциональная диаграмма времени полета (Рисунок: Maxim Integrated)

Лазеры, использующие краевое излучение – оригинальная и до сих пор широко используемая форма полупроводниковых лазеров. Их резонансная длина позволяет достичь высокого коэффициента усиления. Лазерный луч внутри структуры обычно направляется в двойную однородную систему волновода. В зависимости от физических свойств волновода можно достичь выхода с высоким качеством пучка, но ограниченной выходной мощностью или высокой выходной мощностью, но низким качеством пучка (рис. 13).

Рисунок 13: Краевой лазерный диод

Лазер, используемый в системе лидаров, имеет 3-контактный пакет типа TO с площадью матрицы 0,27 мм2, как показано на рис. 13. Мощность лазера составляет 75 Вт и имеет диаметр 5,6 мм. «Вероятно, он сделан Sheaumann для лазерных компонентов на 100-мм пластине», — сказал Фро. Установка согласования использует лавинный фотодиод (APD) для получения лазерного луча после прохождения через две линзы – одну передающую и одну принимающую. «APD, вероятно, сделан первым датчиком на 150-миллиметровой пластине с 8-контактным пакетом FR4 LLC и площадью соединения 5.2 миллиметра (рис. 14)», — сказал Фрау.

APD – высокоскоростной фотодиод, использующий фотоэлектронный умножитель для получения сигнала с низким уровнем шумов. APD достигает лучшего соотношения сигналов и шумов, чем PIN-фотодиод, и может быть использован в широком диапазоне применений (таких как высокоточные дальномеры и детекторы низкого уровня освещенности). С электронной точки зрения, APD требует более высокого обратного напряжения и более подробного учета его зависящих от температуры характеристик коэффициента усиления.

Рисунок 14: Лавинный фотодиод (APD)

Кроме двух блоков управления лазерами и движением, аппаратура управления также состоит из основной платы, состоящей из двухъядерного процессора ARM Cortex-A9 Xilinx XA7Z010 SoC, 32-разрядного микроконтроллера STMicroelectronics SPC56EL60L3 и системы управления питанием, состоящей из синхронного понижающего регулятора от ADI, двухканального интеллектуального повышающего переключателя питания от Infineon, тройной монолитной понижающей микросхемы с LDO от ADI и трехфазной микросхемы Sensorless Fan Driver от Allegro. Протокол FlexRay обеспечивает обмен данными. Система FlexRay состоит из нескольких электронных блоков управления, каждый из которых оснащен контроллером, управляющим доступом к одному или двум каналам связи.

Расчет стоимости одной такой лидарной системы при объеме > 100 000 единиц/год может достигать 150 долларов США, при этом значительная ее часть связана с платой основного блока и лазером (Рисунок 15).

Рисунок 15: Разобранное оборудование лазерного сканера

В проекте, использующем лидары, трансимпедансный усилитель является наиболее важной частью электронной системы. Низкий уровень шума, высокий коэффициент усиления и быстрое восстановление делают новые устройства идеальными для применения в автомобильной промышленности. Для достижения максимальной производительности, конструкторы должны обратить особое внимание на сопряжение и интеграцию схем, длины волн и оптико-механическое выравнивание. Эти интегральные схемы соответствуют самым строгим требованиям безопасности в автомобильной промышленности в соответствии с квалификацией AEC-Q100.

Читать еще полезные статьи:

• [Прогноз] Транспорт будущего (краткосрочный, среднесрочный, долгосрочный горизонты)
• Лучшие материалы по взлому автомобилей с DEF CON 2018-2019 года
• [Прогноз] Motornet — сеть обмена данными для роботизированного транспорта
• Компании потратили 16 миллиардов долларов на беспилотные автомобили, чтобы захватить рынок в 8 триллионов
• Камеры или лазеры
• Автономные автомобили на open source
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive
• Очередная война операционок уже идет под капотом автомобилей
• Программный код в автомобиле
• В современном автомобиле строк кода больше чем…