高度集成化的汽车智能座舱工程应用

陈思宇，黄菊花，刘引引，弓骞

（1.330008 江西省 南昌市 南昌大学 先进制造学院；2.100000 北京市 北京旷视科技有限公司）

0 引言

随着汽车技术日益发展，汽车越来越智能化及自动化，更多智能化功能被应用于汽车技术，智能座舱和智能驾驶功能已普及到新车型[1]。传统汽车实现了出行方便，解决用户通勤目的，车辆智能化的应用功能还未在传统汽车上大规模落地应用[2]。

2022 年3 月，第十三届全国人大五次会议政府报告在“坚定实施扩大内需战略”中提出“继续支持新能源汽车消费”，新能源汽车就是汽车新四化的典型代表[3]。中国汽车蓝皮书论坛组委会主席在第七届中国汽车蓝皮书论坛上率先提出汽车新四化概念：智能化、电动化、网联化和共享化[4]。陈婉[5]认为电动化是代表能源革命，网联化是代表互联革命，智能化是目标，共享化则带来了消费的变更。

1 汽车座舱

汽车的智能座舱相比传统座舱功能在显示和设置等方面有较大提升，座舱功能对比如表1 所示。

表1 座舱功能Tab.1 Cockpit function

1.1 汽车座舱现状

汽车从机械时代跨越到电子时代初期，也仅仅是在人机交互中提升驾乘人员体感，并未发生质的变化，而且信息来源渠道增多，在处理方面给驾乘人员增加困难。

汽车人机交互设计（Human Vehicle Interaction，HVI）是人机交互在汽车领域中的应用，而汽车座舱在汽车人机交互设计中最重要，汽车上很大部分车辆信息显示和设置都在汽车座舱中实现[6]。

现阶段汽车座舱研究成果多集中在人机交互领域，如Castellano 等[7]提出数据结构可视化优化基于有限屏幕空间显示；Peer 等[8]将二次分配模型理论用于汽车界面信息层级设计；闫云豪等[9]针对智能驾驶工况下汽车座舱中的人机交互界面进行优化布局；谭浩等[10]研究汽车人机交互的相关因素对驾驶影响指标量化，提出多通道人机交互模式，而未阐述汽车座舱相关的工程应用方法。

1.2 汽车座舱趋势

人类的两大空间分别是生活空间和办公空间，各大汽车厂商和科技公司都致力于将汽车的座舱打造为人类的第三空间，将原本汽车的传统座舱赋予更多科技、娱乐、人文等内涵，如表2 座舱趋势中的代表车型[11]。

表2 座舱趋势Tab.2 Cockpit trends

理想L9 车型智能座舱是行业首个五屏联动高科技技术应用落地，图1 中的五屏联动实现了中控显示屏、副驾显示屏、后排娱乐显示屏、抬头显示屏、方向盘安全显示屏联动功能[12]。

目前国内外少有公开的针对汽车座舱高度集成化工程应用的研究成果，也未形成可参考借鉴的理论知识体系。虽然国内学者付朝辉等[13]针对汽车功能架构提出应该在系统层建立以功能架构为基础的建模方法，但也未曾涉及汽车智能座舱方面相关的功能架构研究。

本文在汽车电子电气架构的演进和汽车座舱芯片平台的发展基础上，提出一种高度集成化的汽车智能座舱工程应用设计方法，对相关科研和工程人员提供可行性方案借鉴参考。

2 架构演进

传统汽车的电子电气架构基于分布式方法研发，需要集成较多数量的汽车控制器用于实现特定功能[14]。汽车座舱通过仪表显示屏控制器、中控显示屏控制器、后排显示屏控制器、驾驶员状态监测控制器和乘客状态监测控制器等零部件实现座舱功能。随着汽车控制器计算能力提升，未来智能汽车的电子电气架构将采用域集中式架构。智能汽车的域集中式电子电气架构按汽车功能域进行划分，各个功能域由强大的车载计算控制器构成[15]。按智能汽车应用功能划分域的方法，汽车娱乐（座舱）域控制器能实现传统汽车的电子电气架构中多个控制器的功能，不仅能实现汽车座舱中的基础功能显示和设置，而且为智能座舱第三空间实现提供更多的可能性。

汽车电子电气架构演进如图2 所示，高度集成化的汽车智能座舱基于域集中式电子电气架构进行研发，娱乐（座舱）域控制器可实现智能座舱中的人脸认证、驾驶员状态监测、乘客状态监测及全景影像功能等智能化应用。

图2 电气架构演进Fig.2 Electrical architecture evolution

3 芯片性能

高度集成化汽车智能座舱的实现离不开汽车芯片的高计算能力支撑，美国高通公司的智能座舱芯片在汽车领域占据90%以上的市场份额。各厂商汽车座舱芯片的主要性能指标如表3 所示，其中高通公司的汽车座舱芯片在制程工艺、CPU 和GPU 算力等指标都有明显的优势[16]。

表3 汽车座舱芯片性能指标Tab.3 Cockpit SoC performance

4 工程架构

工程架构是实现高度集成化汽车智能座舱的核心，贯穿于整个汽车智能座舱工程应用开发中，是实现传统汽车座舱之外智能化应用功能的基础。高度集成化的汽车智能座舱工程架构由系统架构、架构框架和算法架构3 部分组成。

全景影像AVM 通过4 个环视摄像头拼接完成车辆周围360°影像显示，倒车影像RVC 通过1 个后视摄像头将车辆后视环境呈现。全景影像AVM 包括倒车影像RVC 功能，通常汽车的高配车型装配AVM 功能，低配车型装配RVC 功能[17]。

人脸认证Face.ID、驾驶员状态监测DMS、乘客状态监测OMS 功能通过汽车座舱车内的视觉监测摄像头对人脸和人体进行检测，再结合相关人工智能算法实现汽车座舱内监测等功能[18]。

4.1 座舱系统架构

系统是完成一个或者一组特定功能所需零件的集合，零件是系统的组成部分，包括零件的软件和硬件[19]。汽车传统座舱通过全景影像AVM 控制器、驾驶员状态监测DMS 控制器、乘客状态监测OMS 控制器实现座舱的智能化功能。高度集成化的汽车智能座舱的系统构成如图3 所示，全景影像AVM 摄像头、驾驶员状态监测Face.ID 和DMS 摄像头、乘客状态监测OMS 摄像头，摄像头感知传感器将图像信息直接传输到座舱主机控制器，实现座舱的智能化功能，可节省3 个传统汽车控制器（全景影像AVM 控制器、驾驶员状态监测DMS 控制器、乘客状态监测OMS 控制器），降低整车零部件成本。

图3 座舱系统构成Fig.3 Cockpit system composition

4.2 座舱架构框架

本文设计的高度集成化汽车智能座舱主机硬件采用高通公司的SA8155 第3 代座舱芯片实现，QNX 操作系统环境负责功能软件运行，保证软件运行实时的安全性，Android 操作系统环境负责汽车座舱中的人机交互显示与设置。

如图4 功能框架，实现高度集成化的汽车智能座舱功能中的全景影像（AVM）、倒车影像（RVC）、人脸认证（Face.ID）、驾驶员状态监测（DMS）和乘客状态监测（OMS）功能以软件开发工具包SDK（Software Development Kit）软件形式集成在QNX Host Domain 操作系统环境中运行。

图4 功能框架Fig.4 Function architecture

4.3 座舱算法架构

算法架构是工程架构的重要组成部分之一，由算法模型原子组成并通过业务逻辑和业务服务软件，实现某些特定的功能作用。汽车智能座舱的舱外智能化应用功能全景影像AVM 如图5 的AVM算法架构构成实现，核心算法是由全景视图拼接、视频图像处理和环视摄像头标定模块构成，业务逻辑实现系统功能，业务服务实现开关控制设置项功能，从而通过核心算法、业务逻辑和业务服务的算法架构模块组成实现AVM 功能。

图5 AVM 算法架构Fig.5 AVM algorithm architecture

汽车智能座舱的舱内智能化功能实现如图6—图8 的Face.ID 人脸认证、DMS 驾驶员状态监测和乘客状态监测OMS 功能的算法架构，由人脸检测三件套（Face-Det）算法、人脸姿态（Face-PB）算法、遮挡眼睛（OCC-EyeOC）算法、嘴巴（MouthOC）算法、视线（Gaze）算法、危险行为（RC）算法和情绪（Emotion）算法等构成，再通过工程端的业务逻辑和业务服务软件模块共同实现人脸认证、驾驶员状态监测和乘客状态监测功能。

图6 Face.ID 算法架构Fig.6 Face.ID algorithm architecture

图7 DMS 算法架构Fig.7 DMS algorithm architecture

5 验证实现

本文通过搭建高通的SA8155 芯片开发板硬件开发环境，验证本文设计的工程架构能实现汽车智能座舱的高度集成化方法。

5.1 高通开发板

汽车控制器在量产开发前都会将功能软件和算法先在选型好的控制器开发板中进行验证，用于评估工程架构设计的可行性。图9 是高通SA8155开发板的硬件接口，1 号端口连接驾驶员状态检测摄像头和乘客状态检测摄像头，2 号端口连接全景影像环视摄像头，3 号端口连接可视化显示屏，4号端口电源供电，5 号端口USB 用于软件程序离线升级，6 号端口连接网线用于软件程序在线升级，7 号端口连接GPS 天线。

图9 硬件接口Fig.9 Hardware interface

5.2 功能实现验证

全景影像AVM 功能通过在车上安装的前、后、左、右的4 颗环视摄像头拼接成一张车辆周围360°全景图像视频，实现车辆周围360°区域影像监测功能，实现AVM 功能如图10 所示。

图10 AVM 功能Fig.10 AVM function

人脸认证Face.ID 功能通过视觉摄像头对人脸的关键特征点进行识别检测，如图11 Face.ID 功能示意，对拍照的人脸进行关键特征点进行识别检测后与底库中的注册人脸结果比对后，输出人脸查询认证的结果。

图11 Face.ID 功能Fig.11 Face.ID function

驾驶员DMS 和乘客OMS 功能通过视觉摄像头对人的双眼开合度持续监测，当人的闭眼持续一段时间后会发出疲劳报警，从而实现对驾驶员和乘客的疲劳状态监测功能，DMS 和OMS 功能如图12所示。

图12 DMS 和OMS 功能Fig.12 DMS&OMS function

6 结语

智能座舱是汽车行业的智能化趋势，高度集成化的座舱架构加速了汽车向智能化阶段的进一步发展，也是未来软件定义汽车的发展方向。

基于汽车电子电气架构的演进和座舱芯片性能提升，本文提出的汽车智能座舱工程应用的架构设计方法，从系统架构、架构框架和算法架构等方面阐述高度集成化的汽车智能座舱设计方法，最后通过工程开发板的软硬件验证，实现全景影像AVM、人脸认证Face.ID、驾驶员和乘客状态检测DMS/OMS 功能。本文设计的高度集成化汽车智能座舱工程方法有积极的现实意义，为后续汽车智能座舱的工程量产打下坚实的理论基础。