伴随着电动化的发展,叠加特斯拉的明星示范效应,当前智能网联已经成为重塑汽 车行业的关键因素之一,意味着软件定义汽车时代的到来,汽车已经从广义上的“硬”汽车 转变为“软”汽车,其所承载的含义已经有了新的解释,即在原先满足消费者驾乘体验功能 的基础上,赋予了新的人机交互、解放双手的作用。
智能网联汽车发展,即为智能化和网联化协同发展,目前来看网联化发展的较早较 快,车辆本身、车-云之间已经有广泛的商用化案例;而作为网联关键的车-车之间,也只 是局限于主机厂内部同软件平台之间的简单模式。而智能化的发展,则是要在网联化基 础上,将智能车辆和智能交通融合在一起最终形成完全自动化的驾驶阶段,即智能网联 汽车。
从功能块上看,智能化可以分为座舱智能化和驾驶智能化,这两者之间相互融合、 相互作用。座舱智能化,即智能座舱,主要体现在仪表板区域,具体细分为仪表盘、中 控显示屏、HUD、空调控制系统、流媒体后视镜、行车记录仪、后排液晶显示屏等区域, 而且目前有朝着一体化发展的方向,其中作为网联化重要载体的中控系统尤为突出。
对于 L3 以下不同阶段的智能化配置,目前没有明显的定义,从各大主机厂及智能化 方案供应商的解决方案看,中高端车辆普遍采用的 ADAS 系统可以定义为 L2+或者 L3- 水平。假如一台车辆标配 ADAS 系统,以 90~120Kph 行驶在高速道路上,激活 ADAS 系统,LKA 使其保持在某一固定车道,当前车减速,根据本车雷达识别前车车速和车距, AEB 介入,做出速度调整,当前车加速时,同样本车加速行驶,此时驾驶员即可不干预 驾驶,只需双手置于方向盘上;当车辆进入路况比较复杂的城市道路或者国道,速度在 80Kph 及以下,车辆的前置摄像头识别限速标识,做出速度调整,当行至路口,前车减 速至停止时,本车即跟随停止;不过对于路口信号灯的识别,特斯拉在最新的软件版本 中已经释放;停车起步时,驾驶员参与。当车辆驶入低速路时,面对转向和人行道等错 综复杂的路况,则需要驾驶员来干预驾驶,待进入停车库,自动泊车激活,最终停车入 库。这一系列驾驶操作,即为当前定义的主流 ADAS 系统,难点在于低速路况的不确定 性带来的挑战,也是 L3 阶段的重点。
ADAS 相当长时间内仍旧是智能驾驶的主力。高级辅助驾驶系统,即 ADAS 系统 (Advanced Driving Assistance System),是利用车上的各类传感器,如毫米波雷达、激光雷达、单目摄像头、双目摄像头以及卫星导航等模块,实时感知车辆周边的环境, 进行数据采集,并作动、静态辨识、侦测与追踪,根据高精度地图数据,进行快速运算 与分析,从而让车辆和驾驶员预先感知周边环境带来的影响,并迅速做出反应,满足车 内驾乘人员对整车性能,特别是安全性的要求。 近几年 ADAS 的渗透率增长迅速,从 原先局限于配置高端车品牌,到现在的中端车的高配车型,以及部分辅助驾驶的模块也 逐步渗透到低端车辆的高配车型。
根据中汽协统计的数据,2019 年搭载 ADAS 系统的车辆渗透率不足 10%;我们以 新能源车为例,拆分不同系统来分析。2020 年 Q1 新能源乘用车销量 10 万辆,TOP31 品牌在售车型共计 131 款,总销量为 9.4 万辆,占比 94%,我们选取 TOP31 的车型配 置分析,配置车联网功能的车型数量占比最高,为 71%,而自动泊车(APS)占比较少, 大约为 8%;除并线辅助外,其他功能相比 2019 年渗透率均明显提高。
智能驾驶,需要利用安装在车辆上的雷达、毫米波雷达、激光雷达、摄像头、 定位系统等各种传感器协同工作,收集车内外环境信息,尽可能早地察觉到危险,并采 取相对应的措施,避免或者降低事故的发生概率。一般来说,L3 级别以上对于自动泊车、 拥堵路况和高速自动行驶要求高,需要配置激光雷达,并且单车配套摄像头和毫米波雷 达数量众多;而 L3 级别及以下,则需要配置合适数量的摄像头、毫米波雷达和雷 达即可。
雷达价格相对较低,应用范围较广,在短距离低速检测中具有非常大的优势。 该种传感器主要是通过发射装置发射,再通过接收器接收反射回来的超声 波的时间差来测算距离。常用的工作频率有 40KHz、48KHz 和 58KHz 三种,频率越高, 灵敏度越高,水平与垂直方向探测角度越小;并且防水防尘,有少量泥沙遮挡也不影响; 探测距离一般再 0.1~3 米之间,精度较高,适用于倒车辅助和自动泊车等低速工况。超 声波雷达通常安装在汽车前后保和侧面,前者称为 UPA,用于检测前后障碍物;后者称 为 APA,用于检测侧方障碍物。
毫米波雷达国外垄断,国内企业逐渐突破。毫米波雷达通过天线发射毫米波信号, 目标反射信号后,车辆从而获取了自身周围的物理环境信息,ECU 对该信息进行处理, 追踪和识别目标;同时根据软件设定,以声音、视觉提醒或者触觉提醒等方式告知驾驶 员,或者对车辆运行进行干预,保证驾驶的安全可靠。目前常用的毫米波雷达有 24GHz和 77GHz 两类,24GHz 主要检测中短距离(=100m 左右),77GHz 主要是长距离检 测(=200m)。目前来看,国内 24GHz 已经量产使用,装机规模较大,但是 77GHz 因 国外的长期禁运管制,起步较晚,规模较小且集中度较低,近 8 成市场规模仍被外企占 据,大规模国产化替代需要持续推进。
激光雷达(Lidar,Light Detection and Ranging),主要基于波长在 900nm~1500nm 左右的激光探测和扫视,可以探测到空间三维信息,且可以显示出精确的三维图像,便 于驾驶员快速做出相应的反应。激光雷达的车规级应用即为车载激光雷达,通过发射和 接收激光束,分析激光到目标体及折返时间,计算目标与车的距离,同时利用收集的目 标对象表面大量密集点的三维坐标、反射率等信息,迅速建立目标的三维模型和三维点 云图等数据,绘制出周边环境地图,达到环境感知目的。目前来看,以 Velodyne 的技术 最成熟,产品最丰富,精度和可靠性最高;但是国内品牌如速腾巨创和禾赛科技等也在 加紧布局,在性价比上有所突破。
与其他传感器不同的是,激光雷达的优势明显:有极高的分辨率,探测精度高,范 围广;抗干扰能力强;能获取比如距离、角度、反射强度和速度等丰富信息,从而生成 含有数据的图像;并且可以全天候工作。但由于价格和天气等方面制约其快速发展。 一方面,线束越多,价格越高;另一方面,在雨雪雾等恶劣天气下,会发生无法识别车 道,从而不能有效绘制周边环境信息。
一般来说,激光雷达分为机械式和固态激光雷达。机械式雷达需要旋转测量周边环 境,激光发射路径上不能有阻挡,目前只能安装在车顶,对于量产销售的车辆来说,不 是一个很好的选择;而采用固态激光雷达,由于其体积小,成本低,可以集中在车辆内 部,比如 A 柱、前后保等部位,通过雷达内部微动部件来偏转扫描,目前是最接近量产 的配置,也是各大厂商重点推动的方案。
车载摄像头的工作原理是,目标物体通过镜头(LENS)生成光学图像投射到图像传 感器上,将光信号转变为电信号,再经过模数转换(A/D)后变为数字图像信号,最后由 数字信号处理芯片(DSP)进行加工,处理成特定格式的图像输出到下游需求方。从车载摄像头的组成来看,主要子系统为镜头、CMOS 传感器、模组组件、独立 ISP 芯片以 及算法等。根据 Yole 的预计,2024 年全球摄像头模组产业链市场达到 450 亿美元左右, 其中汽车摄像头市场有望超过 50 亿美元。
按照其配置区域不同,可以分为前置、侧视、后视和内视、环视摄像头等,每种主 要负责功能不同,目前应用比较多的功能主要是后视、360°环视功能。一般来讲,典型 的辅助智能驾驶系统由 4 个环视、1 个前视和 1 个后视等至少 6 个视像头组成。比如特 斯拉 model3 就采用了八颗摄像头,外加一颗备用内视摄像头,从而实现自动驾驶的大 部分功能。
根据我们的统计,360°环视系统在新能源车的渗透率在三成以上,逐渐成为中高端 车型以及中高配车型的主流标配,渗透率逐渐提升。从整个市场角度看,车载摄像头市 场竞争格局较为充分,但主要集中在外资企业,合计占比在 96%左右。
而在分件中,已经有国内自主品牌开始突围,甚至占据了细分市场相当大的比重。 比如车载镜头方面,在手机镜头及手机镜头模组处于优势地位的舜宇光学,扩展到车载 镜头领域,2018 年公司车载镜头出货量为 3995 万颗,同比增长 25.3%,已连续 9 年保 持全球第一,优势明显。联创电子一方面供货特斯拉;另外,已与 Mobileye、NVIDIA、 Aurora 等公司达成战略合作;其中有十几款镜头产品获得 Mobileye 认证;也得到 Valeo、 Continental 等认可,已量产出货。
在汽车 CIS 领域,韦尔股份控股的豪威科技主要客户是欧美汽车品牌,在 BBA 中的 渗透率位居行业首位,其在 2018 年市占率 20%,2019 年市占率达到 30%,仅次于 ON Semi,位居第二;而在手机市场市占率 12.4%,位居全球第三。公司作为全球第三大 CIS 企业,有望继续受益于汽车智能化发展。
在 ISP 芯片领域,华为自 2013 年收购 TI OMAP 芯片在法国的业务后,基于此成立 图像研究中心。从麒麟 950 开始在海思的 SoC 芯片中集成了自研的 ISP 芯片模块,从 底层硬件开始自研优化照片处理,并从 P9 开始跻身全球手机拍照第一阵营;2020 年在 荣耀 30S 上搭载的全新麒麟 820 SoC 上配备 ISP5.0,实现数据吞吐率提升 15%、能效 提升 15%的效果。根据 CINNO Research 发布的最新数据,2020 年 Q1,华为海思首次 登顶国内智能手机处理器市场,成为份额最大的移动 SoC 厂商,占比达 43.9%,高 于高通的 32.8%和联发科的 13.1%。
我们认为,智能驾驶的发展,要达到车辆自主控制、自主学习,分析和判断有利的 环境和路线,一定离不开多传感器之间的互相融合,方能有效地支持冗余设计、扬长避 短,达到提升驾驶安全可靠的目的。通常,每种传感器都有自己独特的特征,而汽车需 要面对复杂的行驶环境,有来自天气、周边路况、驾驶员等各个方面、全天候全场景的 环境影响,这就需要多种传感器搭配融合才能满足将来 L5 级别自动驾驶需求。
相对于常规内燃机车,决策端是新能源车智能化的优势之一,主要由两大方面组成, 一方面是硬件层面的域(DCU)和多域(MDC);另一方面是软件层面的 运算平台和操作系统等。
汽车控制单元由传统的分布式向集中发展,域成为智能汽车架构的关键之一。传统的汽车控制单元,比如内燃机车,其布置依赖于硬件,采用分布式架构,通常每个 子系统都需要配置 ECU,全车最多配置 100 多个模块,如此大量的 ECU 和线束,增加 了开发成本和物料成本,降低了数据处理效率,不能适应智能网联汽车发展的需要;此 外,随着智能网联化的发展,对数据运算处理的要求越来越高,而传统的分布式架构控 制单元难以满足这些要求。因此,满足这些对运算和数据处理高效快速的控制单元应运 而生,即为域,实现统一指挥。随着软件定义汽车时代的到来,采用集中式控制 单元的全新 EE 架构,叠加 OTA 等云端服务,是促进智能网联汽车快速量产、软件快速 迭代升级的基础。
以宝马七系为例,2009 款 ADAS 系统配置有 14 个 ECU,半导体平均 BOM 成本为 618 美元;在 2015 款上采用了新的 E/E 架。
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