智能汽车综合控制系统基础软件架构分析

张晓谦，李岩，孙忠刚，刘超，姜珊

(中国第一汽车股份有限公司技术中心汽车电子部，吉林长春 130011)

智能汽车综合控制系统基础软件架构分析

张晓谦，李岩，孙忠刚，刘超，姜珊

(中国第一汽车股份有限公司技术中心汽车电子部，吉林长春 130011)

目前，各整车厂针对智能汽车的开发进行得如火如荼，但大多还停留在原型开发级别，智汽能车的核心计算和控制大多在工控机上实现，采用何种基础软件架构支撑智能汽车综合控制产品控制器的开发是亟须解决的问题之一。根据自动驾驶汽车不同级别的需求，分析了几种嵌入式基础软件在智能车综合控制中的特点及优势，重点说明了不同级别智能汽车综合控制所采用基础软件的类型、架构，为分步骤实现智能汽车无人驾驶控制器提供了基础软件方案及思路。

智能汽车；软件架构；嵌入式；基础软件；操作系统

0 引言

2015年10月，智能交通世界大会在法国波尔多举行，智能车自动驾驶技术在全球范围内得到了越来越多的关注。为了将自动驾驶技术快速推向市场，奔驰、奥迪公司早在2014年9月便获得了在美国加利福尼亚州进行实车测试的许可，着手开展针对美国特有路况的研发[1]。美国的谷歌公司也获得了美国国家高速公路交通安全管理局的上路许可，无人驾驶汽车的司机被认定为自驾系统，而非车主本人。目前智能车综合控制已取得了阶段性成果，但这些成果主要基于工控机实现，需要分阶段、有步骤地将智能控制从原型开发过渡到产品开发，实现嵌入式产品控制器。智能驾驶综合控制的目的是对包括环境感知等各种信息进行综合计算、判断和处理，并完成对整车上各个控制系统的智能化控制，从而实现各种智能化功能。智能车综合控制系统相当于“汽车”的大脑，随着汽车自动化程度的提高，对控制器硬件及基础软件的要求也会逐渐增加，建立一种满足汽车控制要求、可扩展的基础软件架构，支撑未来日益增长的自动驾驶用户需求，是目前需要解决的重要问题。

1 智能汽车的分级

美国高速公路安全管理局(NHTSA)将自动驾驶分为Level 0到Level 4共5个级别，其中Level 0代表车辆完全由人工控制；Level 1代表车辆拥有单个或多个独立功能的电子控制系统，比如辅助自动刹车系统；Level 2和Level 3分别代表车辆具有组合控制功能和有限度的自动驾驶，但主控权仍然在驾驶者身上；Level 4代表实现完全的自动驾驶功能。

德国汽车工业协会(VDA)与德国联邦公路研究所则将自动驾驶划归为3个级别：部分自动化驾驶、高度自动化驾驶和全自动驾驶。部分自动化驾驶需要以驾驶员为主导，系统提供部分自动化功能；高度自动化驾驶则允许车辆在一定条件下进行自动控制，而全自动驾驶中，无须人工参与，系统负责在车辆行驶过程对各种情况做出处理。

作者以德国的划分形式为基础，主要讨论部分自动驾驶及高度自动驾驶级别的基础软件架构。

2 智能汽车基础软件架构分析

2.1 当前主流基础软件(操作系统)

当前，汽车电子领域基础软件主要应用在两个方面：车辆控制及车载信息娱乐。

在车辆控制方面，基础软件架构主要有AUTOSAR(Automotive Open System Architecture)。AUTOSAR是由全球汽车制造商、部件供应商及其他电子、半导体和软件系统公司于2003年联合推出的一个开放的、标准化的软件架构，专门应用于汽车电子领域。该架构可以实现应用程序和基础模块之间的分离，从而优化整个软件的开发流程，有利于车辆电子系统软件的交换与升级[2]。满足AUTOSAR架构的基础软件，具有可移植、可扩展、高实时、高可靠、满足功能安全要求的特点。

在车载信息娱乐方面，GENIVI提供了基于LINUX的车载信息娱乐系统规范，GENIVI联盟的宗旨是共享一个标准的车载信息娱乐系统开发的开源平台，该平台有助于缩短产品开发周期，从而减少汽车生产商的成本[3]。同时，Android操作系统因具有开放性的优势,也在信息娱乐领域被广泛应用。

此外，QNX作为一种分布式、嵌入式和可扩展的硬实时操作系统，已在全球多家整车厂的信息娱乐系统中得到应用；VXWORKS以其良好的可靠性和实时性被广泛地应用在通信、军事、航空航天等对实时性要求极高的领域中，近些年也进入了汽车电子领域；这两个系统都是网络操作系统并具有文件系统。

2.2 部分自动驾驶级别的基础软件

部分自动驾驶实现特定场景下的自动驾驶，如全自动泊车、紧急制动、超级巡航，自动变道等功能，主要运用前视摄像头、超声波雷达、环视摄像头等传感器，这些传感器具有信息处理能力，能够完成对周围环境的感知和识别，将识别后的数据通过网络传输至智能控制系统；智能车综合控制系统通过对传感器信息的有限融合，完成对动力总成控制系统、底盘控制系统、车身控制系统的协调控制，实现特定场景下的自动驾驶功能。系统架构如图1所示。

图1 部分自动驾驶级别系统架构

智能车综合控制系统实现自动驾驶功能，有如下需求：

(1)在自动驾驶过程中需要对整车进行控制，人只进行有限的干预，自动驾驶过程中为了避免对人的伤害，要求较高的功能安全等级；

(2)智能车综合控制系统需要较高的实时性，以满足对车内各控制系统的实时控制；

(3)传感器的数量并不多，且感知信息的处理和目标识别无须智能车综合系统参与，对数据融合的计算要求有限，对处理器要求并不高。

汽车电子控制领域的AUTOSAR基础软件框架能够满足该系统的这些要求。AUTOSAR 4.0以上版本对功能安全有相关支持，能够实现较高的功能安全要求[4]；AUTOSAR基于多核MCU的实时操作系统能够满足对整车的实时控制要求；目前多核高端车控MCU能够支撑这个级别的感知信息融合的计算量。AUTOSAR架构对车控有着完整的支持，具有完备的CAN总线，有完整的协议栈。通过CAN总线可以将传感器目标信息传入智能车综合控制器，由AUTOSAR通信服务组件完成对不同类型传感器信息的解释，形成传感器解释层[5]，支撑应用程序对目标的判断及融合，如图2所示。

图2 部分自动驾驶级别基础软件方案

这种方案对原有EE架构的影响较小，与整车控制器的开发类似，能够迅速实现这个级别的自动驾驶功能要求。但是由于车控MCU的性能毕竟有限，无法处理更大的计算量以及管理大存储器，导致无法实现更复杂的处理及应用。

2.3 高度自动驾驶级别的基础软件

高度自动驾驶级别应用场景会更加复杂，除了部分自动驾驶级别已实现的功能，自动化更高的功能将被实现，如高速公路长时托管、运行轨迹规划等。这就要求智能车综合管理系统能够处理更多的输入信息，保证对整车智能化控制的需要。在环境感知方面，除了要采用前视摄像头、超声波雷达、环视摄像头等传感器外，毫米波雷达、激光雷达等传感器的数据将会被处理。同时，网联信息会被同时考虑，GPS以及V2X等数据信息也将参与数据融合。高度自动驾驶级别对输入信息的各种计算处理以及数据融合任务量会变得非常大，部分驾驶级别的系统架构无法满足对数据处理的需要。为应对这样的需求，高度自动驾驶级别的智能车综合控制系统架构如图3所示。

图3 高度自动驾驶级别系统架构

整车控制仍然要求基础软件的高实时性及高级别的功能安全，这与上个级别没有区别。数据处理及融合，由于其结果作为整车控制的输入，直接影响自动驾驶决策，所以，数据处理模块也要求实时性，并达到一定的功能安全级别；更精细的实时地图构建、历史数据存储等要求基础软件管理更大的内存，基础软件中必须有文件系统的支持。

根据以上分析，对于车辆的控制仍采用车控基础软件AUTOSAR框架，可满足对于车辆控制的高实时性和安全性；对于数据处理应采用VXWORKS、QNX等具有文件系统的实时操作系统框架进行开发，以满足系统对实时计算及存储的要求。基础软件方案如图4所示。

图4 高度自动驾驶级别基础软件方案

2.4 未来趋势展望

随着汽车智能化、信息程度的不断提高，智能、网联、信息娱乐的深度交互是必然的趋势，由于各种应用的特点不同，系统中存在不同基础软件的协同工作也是必然。文中给出两种可能的架构方向：

(1)分布式的多操作系统软件架构

基于高速数据总线建立一体化的基础软件平台，同时满足控制、功能安全、数据处理、信息娱乐的要求。在高速总线通信技术的支撑之下，各控制器功能在空间上相对独立，信息通过高速总线交互。通过中间件技术向应用层提供统一的数据接口，不同类型特点的系统处理后的数据可以被整个系统访问，形成更为复杂的嵌入式软件架构。

(2)基于虚拟化的多操作系统软件架构

虚拟化技术能够使基础软件各种不同类型的操作系统共存于一个芯片之中，通过虚拟机完成数据在不同操作系统间传递，AUTOSAR组织也在积极探索这种架构[6]。采用虚拟机的软件架构有利于基础软件的平台化开发，同时由于控制器数量减少，可以大大降低电子电气的开发成本。由于不同类型的应用要求的安全等级并不相同，虚拟机应保证各系统的充分隔离，同时也要解决虚拟机的效率问题。多操作系统软件架构如图5所示。

图5 多操作系统软件架构

3 结束语

根据智能汽车自动驾驶汽车发展各级别的需求，重点说明了智能车基础软件在各个级别所采用的类型、架构，分析了各种嵌入式基础软件在智能车综合控制中的作用及优势，并对智能汽车未来基础软件架构的趋势进行了展望，为分级别解决实现智能汽车无人驾驶产品控制器的问题提供了基础软件的方案及思路。

【1】德国.各汽车制造商加速推广高度自动驾驶[N].世界汽车调查月报,2014，11(75).

【2】PELZ G,OEHLER P,FOURGEAU E,et al.Automotive System Design and Autosar[M]// Advances in Design and Specification Languages for SoCs.Springer US,2004:293-305.

【3】BRITTA W.BMW and Partners Found GENIVI Open Source Platform[C].CeBIT 2009,2009.

【4】AUTOSAR:Specification of Watchdog Manager[DK],2013.

【5】KWAKKERNAAT M,BIJLSMA T,OPHELDERS F.Layer-Based Multi-Sensor Fusion Architecture for Cooperative and Automated Driving Application Development[M]//Advanced Microsystems for Automotive Applications 2014.Springer International Publishing,2014:29-38.

【6】REINHARDT D,KUCERA M,KAULE D.Achieving a Scalable E/E-Architecture Using AUTOSAR and Virtualization[J].SAE International Journal of Passenger Cars-Electronic and Electrical Systems,2013,6(2):489-497.

Basic Software Architecture Analysis of Intelligent Vehicles Integrated Control System

ZHANG Xiaoqian, LI Yan, SUN Zhonggang, LIU Chao, JIANG Shan

(China Faw Group Corporation R & D Center,Changchun Jilin 130011,China)

Recently, the development of intelligent vehicles is grown vigorously in all OEMs, but most of the intelligent vehicles development is still in prototype stage. The core control algorithm is mostly operated in industrial personal computer. Which kind of basic software architecture can support embedded control software of intelligent vehicles, is a key to industrializing intelligent vehicle control system. Depending on the different levels of intelligent vehicles demand, the characteristics and advantages of some embedded basic software in intelligent vehicles controller were analyzed, focusing on the type and structure for the intelligent vehicles in different levels.The research provides basic software solutions to realize the intelligent vehicles control system in phases.

Intelligent vehicles; Software architecture; Embedded; Basic software; Operating system

2016-08-29

张晓谦，男，硕士，从事基础软件专业技术开发及管理工作。E-mail：zhangxiaoqian@rdc.faw.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.019

U461.4

A

1674-1986(2016)12-074-03