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聯網汽車

時間:2020-11-18|作者:Admin


在 130 年后,計算能力將取代驅動馬力

在本文中,泰克公司的 Sudipto Bose 和 Joern Hoepfner 概述了推動汽車革命的趨勢。

在長達 130 的悠久歷史中,汽車業從未經歷過目前發生的革命。 在電氣化、自動化、連接性和移動性的推動下,制造商不得不重新評估迄今為止毋庸置疑的實踐和技術:實際上,隨著電子產品的快速發展,汽車正從機械設備轉變成車輪上的迷你數據中心。

但是,汽車對電子控制系統的依賴時間遠超大多數人的預期:批量生產的第一款電子燃油噴射系統為 Chrysler 電子噴射器,共有 35 輛汽車在 1958 年裝備該電子噴射器。 有趣的是,在這些早期先驅產品中,大多數均采用 4 腔化油器進行現場改裝,這主要因為早期電子系統非常慢,難以滿足“快速”燃油計量的需求。

如今,復雜的電子發動機管理系統不僅能控制燃油噴射和點火,還能在 Otto、Miller 和 Atkinson 間切換工作循環,最近,它們甚至使制造商實現對均質充量壓縮點火發動機的極精確控制的商業化。


ADAS 正在催生網絡要求

但是,汽車業正面臨電子系統的新挑戰,此項挑戰是由電氣化的穩定發展和高級駕駛輔助系統 (ADAS) 帶來的,該系統正向全自動 5 級操作快速邁進。

“5 級自動化”一詞由 SAE J3016 標準定義,其中介紹了如下六個自動化級別:
零級: 人類完全控制汽車,包括轉彎、剎車和油門?;颈3竹{駛路線。

一級: 汽車可以自動完成微小駕駛操作,例如剎車。

二級: 汽車至少自動實現兩種功能,例如車道保持和巡航控制。在此階段,駕駛員的雙手不必放在方向盤上,雙腳不必放在踏板上,但是,他們必須始終準備控制汽車。
三級: 盡管此級仍然需要駕駛員,但是,他們不需像之前幾級一樣監測所處環境。
四級: 根據交通部 (DOT) 的規定,符合此級的汽車“能夠執行所有安全關鍵駕駛功能并監測整個旅途的路況?!贝瞬僮鲀H限于特定區域(圍有地理圍欄)和特定環境,例如堵車或公路巡航。如果不在這些區域或環境中,汽車必須能夠安全結束旅途,例如,停車(如果駕駛員無法重新控制汽車)。
五級: 此階段僅僅意味著,汽車完全自動,人類無需控制方向盤或一般控件。
泰克的應用工程經理 Joern Hoepfner 表示,“我們已經實現 3 級系統的商業化”(指 2018 款 Audi A8 等汽車),“L4 汽車正在全球公用道路上快速創造試驗里程的記錄?!?

汽車的未來依賴于數據傳輸

國際測試、檢查、審核和認證服務提供商 TüV SüD 的首席技術官 Dirk Schlesinger 曾說過:“未來的汽車將是車輪上的 PC,但是,卻極具挑戰性?!?

例如,Ford GT 具有 1 億行代碼,相比之下,Windows 10 具有 2700 至 5000 萬行可執行代碼,再算上主板、顯卡和 Office 等應用程序時,代碼行數增至 1 億行。

但是,計算能力不僅使人們反思電子系統:自動化汽車可能配備 15 個傳感器組(50 個不同傳感器),它們每天生成大約 4,000 GB 或 4 TB 數據:

  • 攝像機生成 20-60 MB/s
  • 雷達需要 10 kB/s 以上的速率
  • Sonar 需要 10-100 kB/s 速率
  • GPS 在 50 kB/s 速率下運行
  • LIDAR 速率范圍為 10-70 MB/s

這些數據均需要通過網絡傳達,自 1986 年起,該網絡變為控制器局域網絡 (CAN)。 最初,CAN 總線用于在大約 1 Mbps 的最高總線速率和最高 8 字節的數據包有效載荷下在汽車內的 ECU 間傳輸控制流量。

為了應對大幅的數據增長, CAN 已經完成協議更改,成為最高位速率升至 15 Mbps 且有效載荷升至大約 64 字節的 CAN FD(靈活數據速率) 。

在這些速率下,CAN 仍然無法應付 LIDAR 和攝像機等成像系統。 此外,控制單元必須在 ECU 間傳輸更多數據,以便協調子系統。 這將迫使汽車網絡設計師不僅重新評估速度,還重新評估架構。

為了支持這些數據密集型系統,汽車業已經開發出幾款替代品,例如:

  • 總部位于德國卡爾斯魯厄的面向媒體的系統傳輸 (MOST) 聯盟(最初針對多媒體)已經創建傳輸速度達到 150 Mbps 的 MOST150。 此額外帶寬也使 MOST150 非常適合駕駛輔助技術,例如車道偏離警告、攝像機系統和自適應巡航控制。
  • 另一系統為低壓差分信號 (LVDS),它并非專門針對汽車應用開發。 它提供帶寬高達 655 Mbps 且使用銅雙絞線的高速信號標準。 此較高速度使 LVDS 成為非常吸引汽車攝像機制造商的方案。
  • 最近,制造商已經采用以太網作為兼具高性能帶寬和低成本單芯“雙絞線”的汽車解決方案。此技術專門用于滿足汽車業的嚴苛車內要求,可以針對多種車內應用進行優化。 這種適合汽車的技術可提供 100Mbps 的高性能帶寬。

大多數汽車設計包括這些總線標準中的多個標準,具體取決于特定子系統。 FlexRay 具有嚴格的延遲和時間特性,因此,它非常適合確定性能至關重要的“線控操縱”應用。 SENT 可以用于與傳感器通信。 此外,我們可以預計 CAN 和 LIN 繼續用于久經驗證的可靠性超出速度需求的應用中。 許多 ECU 不僅用作控制器,還用作網關。

由于高度自動化的聯網汽車將依賴多種網絡架構, 因此設計師將面臨同時測試和排除多種網絡技術故障的挑戰 。在 IT 數據中心,許多技術更像在本地一樣,但在汽車中,它們必須在許多溫度和濕度范圍內完美運行,承受沖擊和振動并在最大程度上保持與其他模塊和所處環境的電磁兼容性。



電能管理強化了智能汽車

有牽引系統電氣化的文章較多,這很容易理解。 但是,電力分配系統通常不被承認。 在此情況下,12V 網絡將處理傳統工作量:照明、點火、娛樂、音頻系統和電子模塊,較高電壓系統將支持主動底盤系統、空調壓縮機以及反饋制動和扭矩輔助。

隨著制造商希望提高性能、降低成本和優化動力電子產品的包裝,氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率半導體的開發已經開辟新途徑。 例如,在 DC/DC 轉換器中,這些寬禁帶技術實現較高開關速度,從而減少電感器、變壓器和電容器的尺寸,通常還減輕重量并減少尺寸。 它們實現上述所有目標并在上世紀 90 年代達到轉換效率。

一旦這些系統更符合計算機技術產業(與傳統汽車制造商相比),新標準和測試程序將逐漸出現來確保其安全性和使用性能。

然而,2030 年的汽車廣告可能不會推銷馬力,更可能宣揚名為 Xeon、Snapdragon 和 Drive PX 的處理器的計算能力,為此,仍然需要做出很多準備工作。 不僅在開發和提煉技術方面,還在制定標準和確保系統經過全面測試的方面。

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