高度集成化的汽車智能座艙工程應用

陳思宇，黃菊花，劉引引，弓騫

（1.330008 江西省 南昌市 南昌大學 先進制造學院；2.100000 北京市 北京曠視科技有限公司）

0 引言

隨著汽車技術日益發展，汽車越來越智能化及自動化，更多智能化功能被應用于汽車技術，智能座艙和智能駕駛功能已普及到新車型[1]。傳統汽車實現了出行方便，解決用戶通勤目的，車輛智能化的應用功能還未在傳統汽車上大規模落地應用[2]。

2022 年3 月，第十三屆全國人大五次會議政府報告在“堅定實施擴大內需戰略”中提出“繼續支持新能源汽車消費”，新能源汽車就是汽車新四化的典型代表[3]。中國汽車藍皮書論壇組委會主席在第七屆中國汽車藍皮書論壇上率先提出汽車新四化概念：智能化、電動化、網聯化和共享化[4]。陳婉[5]認為電動化是代表能源革命，網聯化是代表互聯革命，智能化是目標，共享化則帶來了消費的變更。

1 汽車座艙

汽車的智能座艙相比傳統座艙功能在顯示和設置等方面有較大提升，座艙功能對比如表1 所示。

表1 座艙功能Tab.1 Cockpit function

1.1 汽車座艙現狀

汽車從機械時代跨越到電子時代初期，也僅僅是在人機交互中提升駕乘人員體感，并未發生質的變化，而且信息來源渠道增多，在處理方面給駕乘人員增加困難。

汽車人機交互設計（Human Vehicle Interaction，HVI）是人機交互在汽車領域中的應用，而汽車座艙在汽車人機交互設計中最重要，汽車上很大部分車輛信息顯示和設置都在汽車座艙中實現[6]。

現階段汽車座艙研究成果多集中在人機交互領域，如Castellano 等[7]提出數據結構可視化優化基于有限屏幕空間顯示；Peer 等[8]將二次分配模型理論用于汽車界面信息層級設計；閆云豪等[9]針對智能駕駛工況下汽車座艙中的人機交互界面進行優化布局；譚浩等[10]研究汽車人機交互的相關因素對駕駛影響指標量化，提出多通道人機交互模式，而未闡述汽車座艙相關的工程應用方法。

1.2 汽車座艙趨勢

人類的兩大空間分別是生活空間和辦公空間，各大汽車廠商和科技公司都致力于將汽車的座艙打造為人類的第三空間，將原本汽車的傳統座艙賦予更多科技、娛樂、人文等內涵，如表2 座艙趨勢中的代表車型[11]。

表2 座艙趨勢Tab.2 Cockpit trends

理想L9 車型智能座艙是行業首個五屏聯動高科技技術應用落地，圖1 中的五屏聯動實現了中控顯示屏、副駕顯示屏、后排娛樂顯示屏、抬頭顯示屏、方向盤安全顯示屏聯動功能[12]。

目前國內外少有公開的針對汽車座艙高度集成化工程應用的研究成果，也未形成可參考借鑒的理論知識體系。雖然國內學者付朝輝等[13]針對汽車功能架構提出應該在系統層建立以功能架構為基礎的建模方法，但也未曾涉及汽車智能座艙方面相關的功能架構研究。

本文在汽車電子電氣架構的演進和汽車座艙芯片平臺的發展基礎上，提出一種高度集成化的汽車智能座艙工程應用設計方法，對相關科研和工程人員提供可行性方案借鑒參考。

2 架構演進

傳統汽車的電子電氣架構基于分布式方法研發，需要集成較多數量的汽車控制器用于實現特定功能[14]。汽車座艙通過儀表顯示屏控制器、中控顯示屏控制器、后排顯示屏控制器、駕駛員狀態監測控制器和乘客狀態監測控制器等零部件實現座艙功能。隨著汽車控制器計算能力提升，未來智能汽車的電子電氣架構將采用域集中式架構。智能汽車的域集中式電子電氣架構按汽車功能域進行劃分，各個功能域由強大的車載計算控制器構成[15]。按智能汽車應用功能劃分域的方法，汽車娛樂（座艙）域控制器能實現傳統汽車的電子電氣架構中多個控制器的功能，不僅能實現汽車座艙中的基礎功能顯示和設置，而且為智能座艙第三空間實現提供更多的可能性。

汽車電子電氣架構演進如圖2 所示，高度集成化的汽車智能座艙基于域集中式電子電氣架構進行研發，娛樂（座艙）域控制器可實現智能座艙中的人臉認證、駕駛員狀態監測、乘客狀態監測及全景影像功能等智能化應用。

圖2 電氣架構演進Fig.2 Electrical architecture evolution

3 芯片性能

高度集成化汽車智能座艙的實現離不開汽車芯片的高計算能力支撐，美國高通公司的智能座艙芯片在汽車領域占據90%以上的市場份額。各廠商汽車座艙芯片的主要性能指標如表3 所示，其中高通公司的汽車座艙芯片在制程工藝、CPU 和GPU 算力等指標都有明顯的優勢[16]。

表3 汽車座艙芯片性能指標Tab.3 Cockpit SoC performance

4 工程架構

工程架構是實現高度集成化汽車智能座艙的核心，貫穿于整個汽車智能座艙工程應用開發中，是實現傳統汽車座艙之外智能化應用功能的基礎。高度集成化的汽車智能座艙工程架構由系統架構、架構框架和算法架構3 部分組成。

全景影像AVM 通過4 個環視攝像頭拼接完成車輛周圍360°影像顯示，倒車影像RVC 通過1 個后視攝像頭將車輛后視環境呈現。全景影像AVM 包括倒車影像RVC 功能，通常汽車的高配車型裝配AVM 功能，低配車型裝配RVC 功能[17]。

人臉認證Face.ID、駕駛員狀態監測DMS、乘客狀態監測OMS 功能通過汽車座艙車內的視覺監測攝像頭對人臉和人體進行檢測，再結合相關人工智能算法實現汽車座艙內監測等功能[18]。

4.1 座艙系統架構

系統是完成一個或者一組特定功能所需零件的集合，零件是系統的組成部分，包括零件的軟件和硬件[19]。汽車傳統座艙通過全景影像AVM 控制器、駕駛員狀態監測DMS 控制器、乘客狀態監測OMS 控制器實現座艙的智能化功能。高度集成化的汽車智能座艙的系統構成如圖3 所示，全景影像AVM 攝像頭、駕駛員狀態監測Face.ID 和DMS 攝像頭、乘客狀態監測OMS 攝像頭，攝像頭感知傳感器將圖像信息直接傳輸到座艙主機控制器，實現座艙的智能化功能，可節省3 個傳統汽車控制器（全景影像AVM 控制器、駕駛員狀態監測DMS 控制器、乘客狀態監測OMS 控制器），降低整車零部件成本。

圖3 座艙系統構成Fig.3 Cockpit system composition

4.2 座艙架構框架

本文設計的高度集成化汽車智能座艙主機硬件采用高通公司的SA8155 第3 代座艙芯片實現，QNX 操作系統環境負責功能軟件運行，保證軟件運行實時的安全性，Android 操作系統環境負責汽車座艙中的人機交互顯示與設置。

如圖4 功能框架，實現高度集成化的汽車智能座艙功能中的全景影像（AVM）、倒車影像（RVC）、人臉認證（Face.ID）、駕駛員狀態監測（DMS）和乘客狀態監測（OMS）功能以軟件開發工具包SDK（Software Development Kit）軟件形式集成在QNX Host Domain 操作系統環境中運行。

圖4 功能框架Fig.4 Function architecture

4.3 座艙算法架構

算法架構是工程架構的重要組成部分之一，由算法模型原子組成并通過業務邏輯和業務服務軟件，實現某些特定的功能作用。汽車智能座艙的艙外智能化應用功能全景影像AVM 如圖5 的AVM算法架構構成實現，核心算法是由全景視圖拼接、視頻圖像處理和環視攝像頭標定模塊構成，業務邏輯實現系統功能，業務服務實現開關控制設置項功能，從而通過核心算法、業務邏輯和業務服務的算法架構模塊組成實現AVM 功能。

圖5 AVM 算法架構Fig.5 AVM algorithm architecture

汽車智能座艙的艙內智能化功能實現如圖6—圖8 的Face.ID 人臉認證、DMS 駕駛員狀態監測和乘客狀態監測OMS 功能的算法架構，由人臉檢測三件套（Face-Det）算法、人臉姿態（Face-PB）算法、遮擋眼睛（OCC-EyeOC）算法、嘴巴（MouthOC）算法、視線（Gaze）算法、危險行為（RC）算法和情緒（Emotion）算法等構成，再通過工程端的業務邏輯和業務服務軟件模塊共同實現人臉認證、駕駛員狀態監測和乘客狀態監測功能。

圖6 Face.ID 算法架構Fig.6 Face.ID algorithm architecture

圖7 DMS 算法架構Fig.7 DMS algorithm architecture

5 驗證實現

本文通過搭建高通的SA8155 芯片開發板硬件開發環境，驗證本文設計的工程架構能實現汽車智能座艙的高度集成化方法。

5.1 高通開發板

汽車控制器在量產開發前都會將功能軟件和算法先在選型好的控制器開發板中進行驗證，用于評估工程架構設計的可行性。圖9 是高通SA8155開發板的硬件接口，1 號端口連接駕駛員狀態檢測攝像頭和乘客狀態檢測攝像頭，2 號端口連接全景影像環視攝像頭，3 號端口連接可視化顯示屏，4號端口電源供電，5 號端口USB 用于軟件程序離線升級，6 號端口連接網線用于軟件程序在線升級，7 號端口連接GPS 天線。

圖9 硬件接口Fig.9 Hardware interface

5.2 功能實現驗證

全景影像AVM 功能通過在車上安裝的前、后、左、右的4 顆環視攝像頭拼接成一張車輛周圍360°全景圖像視頻，實現車輛周圍360°區域影像監測功能，實現AVM 功能如圖10 所示。

圖10 AVM 功能Fig.10 AVM function

人臉認證Face.ID 功能通過視覺攝像頭對人臉的關鍵特征點進行識別檢測，如圖11 Face.ID 功能示意，對拍照的人臉進行關鍵特征點進行識別檢測后與底庫中的注冊人臉結果比對后，輸出人臉查詢認證的結果。

圖11 Face.ID 功能Fig.11 Face.ID function

駕駛員DMS 和乘客OMS 功能通過視覺攝像頭對人的雙眼開合度持續監測，當人的閉眼持續一段時間后會發出疲勞報警，從而實現對駕駛員和乘客的疲勞狀態監測功能，DMS 和OMS 功能如圖12所示。

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

6 結語

智能座艙是汽車行業的智能化趨勢，高度集成化的座艙架構加速了汽車向智能化階段的進一步發展，也是未來軟件定義汽車的發展方向。

基于汽車電子電氣架構的演進和座艙芯片性能提升，本文提出的汽車智能座艙工程應用的架構設計方法，從系統架構、架構框架和算法架構等方面闡述高度集成化的汽車智能座艙設計方法，最后通過工程開發板的軟硬件驗證，實現全景影像AVM、人臉認證Face.ID、駕駛員和乘客狀態檢測DMS/OMS 功能。本文設計的高度集成化汽車智能座艙工程方法有積極的現實意義，為后續汽車智能座艙的工程量產打下堅實的理論基礎。