配备3级自动驾驶和激光雷达技术的奥迪A8

当奥迪在 2017 年底推出重新设计的 A8 轿车时，该公司将其吹捧为汽车行业的首款 3 级轿车。整个汽车行业仍在与奥迪当时面临的技术问题和陌生的成本结构作斗争。System Plus 进行的拆解为以下几个问题提供了宝贵的见解：

开一辆 3 级车需要什么？

A8 传感器套件包括什么？

3 级汽车需要多少处理能力？

它是驱动奥迪中央驾驶辅助控制器 zFAS 的 GPU、SoC、CPU 还是 FPGA？

zFAS 的成本是多少？

奥迪如何使用市场上已经在其他应用中尝试和测试的芯片实现 3 级功能可能具有启发意义，尤其是与两年后（2019 年）推出“全自动驾驶计算机”板的特斯拉相比这在很大程度上依赖于两个本土的自动驾驶芯片。

System Plus 拆解包括超越简单的逆向工程和识别硬件元素的分析。该公司还执行“逆向成本核算”——估算公司采购特定组件和制造产品所需的成本。System Plus 对 A8 的逆向成本计算表明，zFAS 成本的 60%（估计为 290 美元）是由半导体成本驱动的。这并不令人吃惊，因为现代汽车中 80% 到 85% 的内容是电子产品。然而，这并不是关于成本的令人吃惊的事情。

利润率
System Plus ConsulTIng的首席执行官 Romain Fraux 表示，真正让汽车 OEM 感到震惊的是，没有一家汽车公司愿意为每个组件支付 50% 的利润率——英伟达、英特尔和其他公司为其旗舰芯片解决方案收取的费用。这为汽车原始设备制造商打开了通往全新世界的大门，促使他们重新思考高度自动化汽车的计算。

System Plus 拆解/成本估算不包括自动驾驶汽车的软件开发成本。然而，在 zFAS 中使用 FPGA (Altera Cyclone) 表明奥迪试图保留其已经开发的自有软件资产。

在过去的 18 个月里，一些领先的 OEM 已经开始暗示他们希望设计自己的自动驾驶汽车芯片，就像特斯拉一样。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，考虑到芯片设计的高成本，汽车原始设备制造商是否最好单独行动还不清楚。

A8 的另一个重要方面是，奥迪在所有汽车 OEM 中推出了第一款商用车，以展示一条通往自主的道路。

在 A8 发布时，车内的技术被宣传为“自动驾驶突破”，其中包括一个名为 Traffic Jam Pilot 的系统。激活后，Traffic Jam Pilot 据说可以使人类驾驶员从谈判走走停停的交通中解脱出来。

但这些精心设计的计划与“交接问题”（在计算机出现故障时提醒并吸引分心的人）相冲突，该问题从一开始就一直困扰着 3 级车辆的概念。

今天，A8 已经出现在街头，但没有一款 A8 的 3 级自动驾驶功能在现实世界中被激活和运行。

然而，这并不是对奥迪的打击。A8 向 AV 行业清楚地表明了它所面临的挑战。行业领导者必须先解决所有监管、技术、安全、行为、法律和业务相关的复杂问题，然后才能吹捧机器人汽车的乌托邦式未来。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、优步）制定 安全标准的增长势头。

引擎盖下的 A8
汽车制造商面临的挑战将不再是提供从 0 到 100 公里/小时的最快速度或最佳加速度，而是确保越来越先进的自动驾驶和辅助系统。这是奥迪A8 3级自动驾驶的目标，率先使用了激光雷达技术。

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 将在最拥挤的道路上自动管理驾驶，无需驾驶员干预。奥迪规定，驾驶员可以随时将手从方向盘上移开，并且根据当地法律法规，可以从事其他活动，例如在车上看电视。车辆可以执行大多数驾驶任务，但仍需要人工干预（图 1）。

图 1：奥迪 A8 的关键要素

Fraux 列出了奥迪 A8 内部的创新技术：“奥迪是第一款具有 3 级自动驾驶功能的汽车。安装在奥迪 A8 上的 Traffic Jam Pilot 系统使用传感器融合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高达 60 公里/小时的速度在缓慢行驶的交通中驾驶。” （注意：此 3 级功能，然而，迄今为止从未激活过。）

3 级自动驾驶和计算平台
数字技术可以承担驾驶员应该完成的相同任务，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。交通拥堵和环境污染减少，安全显着提高。

自动驾驶是汽车界越来越重要的话题。有关该部门进展和新事物的新闻已列入议程。用于奥迪 A8 的 3 级被定义为高度自动化驾驶。该系统能够减轻驾驶员对车辆纵向和横向运动的持续控制的需要。

Fraux 说：“奥迪 A8 由多种传感器和一个由 ApTIv 与四个处理器芯片组合而成的 zFAS 控制器组成。” zFAS（图 2）是第一个集中式计算平台。计算机充当中央集线器，处理超声波传感器（前、后和侧面）、360° 摄像头（前、后和侧镜）、中程雷达（各个角度）以及长测距雷达和车辆前部的实时激光扫描仪。

图 2：ApTIv zFAS 控制器

zFAS 中
的大量处理器 构成平台的处理器是 Nvidia Tegra K1，用于交通信号识别、行人检测、碰撞警告、灯光检测和车道识别。Tegra K1 具有八层 PCB，集成了 192 个 Cuda 内核，与 Nvidia 集成到当前市场上支持 DirectX 11 和 OpenGL 4.4的 Kepler GPU 内的单个 SMX 模块中的数量相同（图 3 ）。

图 3：英伟达 Tegra K1

当您考虑集成到其中的传感器数量时，在汽车中拥有非常强大的处理器非常重要。Intel/Mobileye 的 EyeQ3 负责图像处理。为了满足功耗和性能目标，EyeQ SoC 采用更精细的几何形状进行设计。Eye3 中，Mobileye 使用的是 40 纳米 CMOS，而该公司将在第五代 SoC EyeQ5 中使用 7 纳米 FinFET。每个 EyeQ 芯片都具有异构、完全可编程的加速，每种加速类型都针对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 级车辆预期的所有高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 任务。zFAS 内部是用于数据预处理的 Altera Cyclone 和用于监视安全 *** 作的 Infineon Aurix Tricore。Altera Cyclone 系列 FPGA 器件基于 1.5-V、0.13-µm、全层铜 SRAM 工艺，具有高达 20,060 个逻辑元件 (LE) 的密度和高达 288 kbits 的 RAM。

英飞凌 Aurix 架构用于汽车行业动力总成和安全应用的性能优化。TriCore 是第一个为实时嵌入式系统优化的统一、单核、32 位微控制器-DSP 架构。

奥迪 A8 中的传感器 在
汽车界，ADAS 已成为所有新车获得更高 Euro NCAP 评级的必备条件。在图 1中，我们可以找到 System Plus 找到的奥迪 A8 中设备的详细列表。“制造商正在市场上开发越来越高效的雷达传感器，”Fraux 说。“我们可以区分一些公司，例如 ApTIv、Veoneer、ZF、法雷奥、博世、Mando、Denso 和 Ainstein。”

特别是在奥迪A8中，我们可以看到奥托立夫的第三代汽车夜视摄像头、安波福的车道辅助前置摄像头、法雷奥的SCALA激光扫描仪、博世的LRR4 77-GHz远程雷达传感器、安波福的R3TR 76-GHz中程雷达传感器。

奥托立夫夜视摄像头由两个模块组成：摄像头和远程处理单元（图 4）。红外夜视摄像机由 FLIR 的 17 微米像素高清氧化钒微测辐射热计 ISC0901 组成。该设备提供了一种工程方法，具有复杂的光学系统和基于 FPGA 阵列和自定义算法的复杂数值处理系统。

图4：奥托立夫第三代车载夜视摄像头

Aptiv 的车道辅助前置摄像头安装在后视镜上，可提供 80 m 的范围和 36 幅图像/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 是一款多模雷达，带有来自博世的六个固定雷达天线。四个中心布置的天线提供了对环境的高速记录，产生了一个孔径角为 ±6° 的聚焦波束，并且对相邻车道的交通干扰最小。在近场，LRR4 的两个外部天线将视场扩大到 ±20°，提供 5 m 的范围，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和四个接收器通道组成，工作在 76 至 77 GHz 频段，这是汽车雷达应用的标准。PCB 使用单片微波集成电路 (MMIC) 和腔波导。射频 (RF) PCB 基板使用玻璃增强碳氢基陶瓷层压板，完全不含 PTFE（图 7和图8）。

图 7：Aptiv R3TR 76-GHz 短程雷达概览

图 8：Aptiv R3TR 76-GHz 短程雷达电子板

激光雷达技术
奥迪 A8 的关键元素是激光雷达。这是汽车制造商首次使用激光扫描仪。它是一种基于机械系统的激光雷达，采用旋转镜技术和 905 纳米波长的边缘发射技术。该设备提供 150 m 的范围，具有 145° 水平和 3.2° 垂直的 FOV。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 霍尔效应传感器组成。霍尔效应传感器响应磁场而改变其输出电压。这是一个持久的解决方案，因为没有机械部件会随着时间的推移而磨损。集成包减小了系统的大小和实现的相对复杂性（图9、10和11）。

LiDAR 系统基于飞行时间 (ToF)，可测量精确的定时事件（图 12）。最新的发展已经看到了几个多光束 LiDAR 系统，它们可以生成车辆周围环境的准确 3D 图像。该信息用于选择最合适的驾驶 *** 作。

图 9：激光扫描仪（图片：System Plus）

图 10：奥迪 A8 中实施的激光扫描仪的内部部件

图 11：激光扫描仪框图

图 12：飞行时间功能图（图片：Maxim Integrated）

边发射激光器是半导体激光器的原始形式，至今仍广泛使用。它们的谐振长度允许实现高增益。在该结构内，激光束在典型的双异质结构波导中被引导。根据波导的物理特性，可以实现具有高光束质量但输出功率有限或高输出功率但低光束质量的输出（图 13）。

图 13：边发射激光二极管

LiDAR 解决方案中使用的激光器采用三引脚 TO 型封装，裸片面积为 0.27 mm 2，如图 13所示。激光器的功率为 75 W，直径为 5.6 mm。“可能由 Sheaumann Laser 在 100 毫米晶圆上制造，”Fraux 说。调节单元使用雪崩光电二极管 (APD) 获取激光束通过两个透镜，一个发射和一个接收后。“APD 可能由 First Sensor 在 150 毫米晶圆上制造，采用 8 引脚 FR4 LLC 封装，芯片面积为 5.2 毫米2 [见图 14 ]，”Fraux 说。

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实现了比PIN光电二极管更高的信噪比，可用于高精度测距仪和微光检测等广泛应用。从电子学的角度来看，APD 需要更高的反向电压，并更详细地考虑其与温度相关的增益特性。

图 14：雪崩光电二极管

除了激光和运动控制两个单元外，控制硬件还包括主板，由 Xilinx XA7Z010 SoC 双核 Arm Cortex-A9、32 位 STMicroelectronics SPC56EL60L3 微控制器和电源管理系统组成ADI 的同步降压稳压器、英飞凌的双通道智能高侧电源开关、ADI 的带 LDO 的三重单片降压 IC 以及 Allegro 的三相无传感器风扇驱动器 IC。FlexRay 协议支持数据通信。FlexRay 系统由多个电子控制单元组成，每个电子控制单元都有一个控制器，用于管理对一个或两个通信通道的访问。

此类 LiDAR 技术每超过 10 万台/年的成本估计可能达到 150 美元，其中很大一部分与主机板和激光器有关（图 15）。

图 15：拆卸后的激光扫描仪硬件
 

审核编辑 黄昊宇