特斯拉自動(dòng)駕駛硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析

◆文/安徽 程增木

本文主要為讀者解析特斯拉自動(dòng)駕駛硬件相關(guān)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成，我將從系統(tǒng)發(fā)展歷程、系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)工作原理、攝像頭方案解析等方面進(jìn)行說明。

一、特斯拉自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的發(fā)展

在特斯拉發(fā)展的早期，特斯拉通過采購mobileye EyeQ3芯片+攝像頭的半集成方案來實(shí)現(xiàn)輔助駕駛功能，主要是為了滿足特斯拉的快速量產(chǎn)需求，并且受限于研發(fā)資金不足，該階段無法自研。

在特斯拉發(fā)展的中期，特斯拉采用高算力NVIDIA芯片平臺(tái)+其他攝像頭供應(yīng)商的方案，在該階段由于mobileye的產(chǎn)品更新迭代速度較慢，無法滿足特斯拉的使用需求，特斯拉開始甩開mobileye。

當(dāng)前特斯拉采用自研NPU（網(wǎng)絡(luò)處理器）為核心的芯片+ Aptina攝像頭的核心自研方案，可滿足特斯拉高度定制化的要求，并且后期時(shí)間和資金較為充足，公司的自研實(shí)力和開發(fā)自由度較高。

2014-2016年，特斯拉配備的是基于Mobileye EyeQ3芯片的AutoPilot HW1.0計(jì)算平臺(tái)，車上包含1個(gè)前攝像頭、1個(gè)毫米波雷達(dá)、12個(gè)超聲波雷達(dá)。2016-2019年，特斯拉采用基于英偉達(dá)的DRIVE PX 2 AI計(jì)算平臺(tái)的AutoPilot HW2.0和后續(xù)的AutoPilot HW2.5，包含8個(gè)攝像頭、1個(gè)毫米波雷達(dá)、12超聲波雷達(dá)。

2017年開始特斯拉開始啟動(dòng)自研主控芯片，尤其是主控芯片中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和AI處理單元全部自己完成。2019年4月，AutoPilot HW3.0平臺(tái)搭載了Tesla FSD自研版本的主控芯片，這款自動(dòng)駕駛主控芯片擁有高達(dá)60億的晶體管，每秒可完成144萬億次的計(jì)算，能同時(shí)處理每秒2 300幀的圖像，硬件實(shí)拍圖如圖1所示。

圖1 AutoPilot HW3.0硬件實(shí)拍圖

二、特斯拉FSD HW3.0介紹

特斯拉Model 3自研“中央-區(qū)的EEA”架構(gòu)：中央計(jì)算機(jī)是自動(dòng)駕駛及娛樂控制模塊，由兩塊FSD芯片構(gòu)成并進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，主要服務(wù)于自動(dòng)駕駛功能。兩個(gè)區(qū)控制器分別是右車身控制器（BCM RH）和左車身控制器（BCM LH），主要服務(wù)于熱管理、扭矩控制、燈光等功能（圖2）。

圖2 特斯拉HW3.0系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

FSD的HW3.0由兩個(gè)相同的計(jì)算單元構(gòu)成，每個(gè)計(jì)算單元上面有特斯拉自研的2塊FSD計(jì)算芯片，每塊計(jì)算芯片的算力為36 Tops（處理器運(yùn)算能力單位，1TOPS代表處理器每秒鐘可進(jìn)行一萬億次（1012）操作），總算力為4x36Tops=144Tops。但是由于采用的是雙機(jī)冗余的運(yùn)行方式，實(shí)際可用的算力為72Top。

特斯拉板子的右側(cè)接口從上到下依次是FOV攝像頭、環(huán)視攝像頭、A柱左右攝像頭、B柱左右攝像頭、前視主攝像頭、車內(nèi)DMS攝像頭、后攝像頭、GPS同軸天線。左側(cè)從上到下依次是第二供電和I/O接口（車身LIN網(wǎng)絡(luò)等），以太網(wǎng)診斷進(jìn)/出、調(diào)試USB、燒錄、主供電和I/O（底盤CAN網(wǎng)絡(luò)等）。其系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖3所示。

圖3 特斯拉HW3.0系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

而通過特斯拉在售車型的介紹和實(shí)際配置來看，主張以攝像頭視覺為核心的特斯拉安裝了一個(gè)三目攝像頭、四個(gè)環(huán)視攝像頭、一個(gè)后置攝像頭、車內(nèi)DMS攝像頭、前置毫米波雷達(dá)、以及12顆超聲波雷達(dá)。

三、特斯拉攝像頭硬件解析

特斯拉的Autopilot系統(tǒng)搭載了8個(gè)攝像頭，其中前方攝像頭模組共由3個(gè)攝像頭組成，這3個(gè)攝像頭都是基于2015年安森美半導(dǎo)體公司發(fā)布的120萬像素圖像傳感器開發(fā)的，其配備了3個(gè)AR0136A上的CMOS圖像傳感器，像素大小為3.75um，分辨率為1 280×960（1.2MP）。

主視野攝像頭：視野能覆蓋大部分交通場(chǎng)景。

魚眼鏡頭：視野達(dá)120°的魚眼鏡頭能夠拍攝到交通信號(hào)燈、行駛路線上的障礙物和距離較近的物體，非常適用于城市街道、低速緩行的交通場(chǎng)景。

長焦距鏡頭：視野相對(duì)較窄，適用于高速行駛的交通場(chǎng)景，并可以清晰拍攝遠(yuǎn)達(dá)250m的物體，其前方攝像頭模組如圖4所示。

圖4 特斯拉前方攝像頭模組

前方側(cè)視攝像頭：視場(chǎng)角為90°，前方側(cè)視攝像頭分別位于特斯拉兩側(cè)的B柱上，最大探測(cè)距離為80m。其能夠探測(cè)到高速公路上突然并入當(dāng)前車道的車輛，以及在進(jìn)入視野受限的交叉路口時(shí)進(jìn)行探測(cè)。前方側(cè)視攝像頭如圖5所示。

圖5 特斯拉前方側(cè)視攝像頭

四、特斯拉FSD信號(hào)傳輸?shù)牧鞒?/h2>

側(cè)方后視攝像頭：最大探測(cè)距離為100m，能監(jiān)測(cè)車輛兩側(cè)的后方盲區(qū)，在變道和匯入高速公路時(shí)起著重要作用，側(cè)方后視攝像頭如圖6所示。

圖6 特斯拉側(cè)方后視攝像頭

后視攝像頭：探測(cè)距離為 50m，主要進(jìn)行泊車輔助（圖7）。

圖7 特斯拉后視攝像頭

特斯拉FSD信號(hào)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D8所示。

圖8 特斯拉信號(hào)傳輸?shù)牧鞒?/p>

首先，數(shù)據(jù)以每秒25億像素的最大速度采集輸入，這大致相當(dāng)于以每秒60幀的速度輸入21塊全高清1080P屏幕的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)然后進(jìn)入FSD的DRAM，這是SoC的第一個(gè)也是主要瓶頸之一，因?yàn)檫@是處理速度最慢的組件。然后通過圖像信號(hào)處理器ISP進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理，每秒可以處理10億像素（大約8個(gè)全高清1 080P屏幕，每秒60幀）。這一階段芯片將來自攝像頭傳感器的原始RGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成除了增強(qiáng)色調(diào)和消除噪音之外實(shí)際上有用的數(shù)據(jù)。隨后數(shù)據(jù)進(jìn)入LPDDR中進(jìn)行存儲(chǔ)，影響此階段的關(guān)鍵要素就是內(nèi)存帶寬，F(xiàn)SD除了要處理攝像頭的內(nèi)存數(shù)據(jù)，還需要處理毫米波雷達(dá)及其它傳感器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)隨后存儲(chǔ)與SRAM中，最終通過特斯拉的NPU/GPU/CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

五、總結(jié)與展望

特斯拉后續(xù)會(huì)持續(xù)升級(jí)其FSD硬件系統(tǒng)，包括更新CPU、升級(jí)LPDDR，更新DRAM，更新更高分辨率的攝像頭以及ISP，并有可能使用新一代毫米波雷達(dá)或者使用4D毫米波雷達(dá)。特斯拉的自研硬件架構(gòu)為自動(dòng)駕駛開辟了新的道路，現(xiàn)在各大主機(jī)廠、各大供應(yīng)商開始設(shè)計(jì)新一代的電子電氣架構(gòu)平臺(tái)以及芯片計(jì)算平臺(tái)，相信這會(huì)讓未來自動(dòng)駕駛功能更加完善，可靠性更高。