Pony.ai 硬件系統(tǒng)架構(gòu)介紹

駕駛哥

2021年5月12日 14:16

自動(dòng)駕駛是軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)工程，本文將為您解讀Pony.ai 自動(dòng)駕駛車輛的硬件架構(gòu)、自研的計(jì)算系統(tǒng)，以及深度講解自動(dòng)駕駛行業(yè)所需的硬件技術(shù)。

產(chǎn)汽車電子電氣架構(gòu)回顧

傳統(tǒng)汽車由Electronic Control Unit（電子控制單元，ECU）和低速主干網(wǎng)構(gòu)成整車的電子電氣架構(gòu)，每一個(gè)ECU可以認(rèn)為都有自己的處理器、數(shù)據(jù)通路、供電、通信、線束等等，使得傳統(tǒng)汽車極其復(fù)雜和昂貴。傳統(tǒng)汽車電子電氣架構(gòu)的局限性業(yè)界已經(jīng)有很多分析，例如（引用1）：

計(jì)算資源受限
ECU間通信代價(jià)大
線束復(fù)雜
部署和維護(hù)成本高
難以支持更復(fù)雜的跨域應(yīng)用

傳統(tǒng)架構(gòu)無法支持未來“新四化”比如無人駕駛這樣復(fù)雜度的應(yīng)用和系統(tǒng)，因此汽車行業(yè)在積極推動(dòng)例如向中央集中式的新電子電氣架構(gòu)演進(jìn)（圖1），以及“軟件定義汽車”的概念（引用2）。

Bosch提出的電子電氣架構(gòu)演進(jìn)方向

Pony最新一代無人駕駛軟硬件系統(tǒng)作為L4量產(chǎn)方案，與整車電子電氣架構(gòu)共同演進(jìn)，提出了自己的無人駕駛硬件架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高性能、安全、高效的設(shè)計(jì)理念。

Pony.ai 無人駕駛硬件架構(gòu)

如之前提到，汽車工業(yè)界提出了中央集中式的電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)路線，我們先來分析中央集中式是否適合現(xiàn)階段無人駕駛開發(fā)和部署的需求，之后介紹Pony.ai無人駕駛硬件架構(gòu)的理念、實(shí)行和對未來硬件架構(gòu)的展望。

2.1 中央集中式架構(gòu)的分析

Pony.ai無人車硬件架構(gòu)從第一版開始，便一步到位基于中央集中式架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將傳感器原始數(shù)據(jù)全部交由高性能車載電腦進(jìn)行融合和運(yùn)算，最終將輸出交由執(zhí)行器操縱汽車。隨著系統(tǒng)迭代，我們發(fā)現(xiàn)單一的中央集中架構(gòu)并不是完美的，主要原因如下：

2.1.1 計(jì)算效率

將所有計(jì)算任務(wù)交由中央車載電腦并不是最高效的方式，業(yè)界有多種通用和專用處理器，通過合理的異構(gòu)計(jì)算和預(yù)處理，對無人車海量數(shù)據(jù)和計(jì)算任務(wù)合理分流，可以達(dá)到更高的計(jì)算效率，從而降低中央車載電腦算力需求、降低整體功耗、提高可靠性。

2.1.2 帶寬和線束

相比于傳統(tǒng)ECU掛載在低速總線上，中央集中式架構(gòu)傾向于將傳感器直連車載電腦統(tǒng)一進(jìn)行運(yùn)算，這對系統(tǒng)通信帶寬要求很高。雖然汽車界已經(jīng)有千兆車規(guī)以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，但對于無人駕駛大量高分辨率傳感器而言，仍然壓力很大。同時(shí)，無人駕駛的傳感器遍布車身多個(gè)位置，將數(shù)據(jù)甚至電源接回中央車載電腦并沒有達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化線束的目的。

2.1.3 靈活性

無人駕駛硬件設(shè)備仍處在快速迭代的階段，為了評估不同種類和數(shù)量的硬件設(shè)備，特別是傳感器，中央車載電腦必須預(yù)留大量的接口和算力才能適應(yīng)目前無人駕駛開發(fā)的靈活性，但這可能使得中央車載電腦過度設(shè)計(jì)和臃腫。

2.2 Pony.ai 無人駕駛硬件架構(gòu)理念

2.2.1 硬件與軟件開發(fā)解耦

硬件開發(fā)速度天然慢于軟件，Pony.ai無人駕駛硬件架構(gòu)希望通過解耦軟件和硬件的開發(fā)，一方面可以釋放軟件的迭代速度，通過遠(yuǎn)程部署快速提供功能服務(wù)的更新，并由軟件收集數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程管理整體硬件的生命周期；另一方面硬件模塊可升級，不斷支持軟件新的需求。

我們把硬件系統(tǒng)抽象模塊化為三部分:

1）傳感器和車輛接口，作為系統(tǒng)的外圍設(shè)備；

2）電源分配和通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)提供必要的預(yù)處理；

3）中央車載電腦。

整體硬件系統(tǒng)作為一種服務(wù)，向上與軟件架構(gòu)交互。

Pony.ai硬件系統(tǒng)抽象化 (軟件架構(gòu)已省略)

2.2.2 高性能且高效

Pony.ai無人駕駛硬件將提供整套異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)，進(jìn)行高效pre-processing和offloading，最終將軟件算法定義的數(shù)據(jù)模式以低延時(shí)、高帶寬地傳遞到高性能的中央車載計(jì)算平臺(tái)。

2.2.3 安全和可靠

我們的硬件架構(gòu)足夠的簡單和可靠，以支持車規(guī)的應(yīng)用。更重要的是，這樣的架構(gòu)可以支持先進(jìn)的安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，例如實(shí)時(shí)系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)控、冗余系統(tǒng)部署、失效安全等。

2.2.4 可拓展和升級

通過硬件系統(tǒng)的可拓展和模塊可升級，Pony.ai硬件方案可以在其產(chǎn)品生命周期里不斷迭代更新。

2.2.5 易部署和維護(hù)

我們目標(biāo)是提供可量產(chǎn)和可運(yùn)營的方案，硬件架構(gòu)會(huì)非常低成本和便捷的進(jìn)行部署安裝后后期維護(hù)。

2.3 PonyAlpha X 硬件架構(gòu)實(shí)施

基于汽車行業(yè)電子電氣架構(gòu)的背景，以及Pony.ai無人駕駛硬件架構(gòu)理念，我們提出了中央車載電腦配合遠(yuǎn)端Zone controller的混合模式。在PonyAlpha X開發(fā)中，我們從系統(tǒng)需求和設(shè)計(jì)入手，搭建硬件系統(tǒng)框架，并遵循V模型進(jìn)行開發(fā)和驗(yàn)證。

PonyAlpha X 硬件系統(tǒng)抽象圖

PonyAlpha X 硬件系統(tǒng)實(shí)物圖

（橙色為ZCU_roof，綠色為ZCU_trunk，藍(lán)色為PDU，紅色為中央車載電腦）

PonyAlpha X具體實(shí)現(xiàn) （已隱藏圖例）

2.3.1 車頂位置的Zone Controller

車頂?shù)牡谝粋€(gè)Zone Controller，集成了定位所需的GNSS和IMU數(shù)據(jù)，以及Lidar高帶寬數(shù)據(jù)，并提供對外通信服務(wù)。除了作為Gateway數(shù)據(jù)介入，車頂?shù)腪one Controller還承擔(dān)了時(shí)間同步、硬件監(jiān)控和部分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)處理。車頂Zone Controller的存在，極大簡化線束，使得車頂和后備箱完全獨(dú)立，大幅加快車輛改裝和部署速度。

2.3.2 后備箱位置的Zone Controller

后備箱的第二個(gè)Zone Controller，集成了高吞吐量的高清相機(jī)數(shù)據(jù)，毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)以及提供可靠的車輛控制接口。類似的，后備箱的Zone Controller也承擔(dān)了時(shí)間同步、數(shù)據(jù)預(yù)處理、硬件監(jiān)控，與此同時(shí)作為距離中央車載電腦最近的ZCU，還承擔(dān)了必要的計(jì)算預(yù)處理和分流，使得整體計(jì)算硬件更加高效。