未来汽车的差异化竞争，究竟看什么？

来源：贸泽电子

汽车行业正在因客户需求的不断变化而发生重大变革。受智能手机以及其他智能设备使用习惯的影响，消费者对汽车的要求不再仅仅是一个交通工具，而是开始在汽车中寻找一种可随时与其数字生活相链接的智能驾乘体验。传统的驾驶舱正在演变成一种类似于智能设备的数字产品，数字座舱也因此应运而生。

数字座舱市场展望

数字座舱是车辆中一系列显示技术的集成，主要包括信息娱乐系统、驾驶舱仪表板（仪表盘）、抬头显示器（HUD）和其他数据输出（如时钟或温度）显示器等。

在数字座舱出现之前，车辆内不同的数据读数在本质上是相互独立的且功能固定。而数字座舱则可以将多个显示器连接在一起——比如卫星导航和娱乐系统信息可以投射到仪表板或HUD，行程或汽车状态信息可以显示在信息娱乐屏幕上。由于每个显示器都可以访问来自中央源的数据，同步问题也得到了解决。实际上，数字座舱的一个非常关键的好处是可重新配置，这意味着驾驶员可以根据需要选择显示哪些信息以及在哪个显示器上显示。以电动汽车（EV）为例，可以选择将剩余里程显示在中央信息娱乐屏的导航显示旁边，以利于驾驶员选择适合的停车位置充电。

无论汽车的价位如何，消费者都希望在车内获得更多的数字体验。随着汽车制造和销售量的不断上升，对集成数字座舱电子设备的需求也在增加。

早些时候，制造驾驶舱的成本约为车辆总成本的2%至3%。为了获得豪华、舒适、安全和先进的信息娱乐体验，HUD、手势控制、语音控制、中央控制器、远程信息处理和转向控制等技术被大规模用于乘用车的数字驾驶舱中。据估算，数字座舱的成本约占到车辆总成本的11%至12%。

目前，驾驶舱仪表板（仪表盘）和信息娱乐系统这两个产品类别需求非常旺盛，约占数字座舱市场的三分之二。根据Grand View Research的分析和预测，2020年，全球汽车数字座舱市场规模为198亿美元，预计2021年至2028年将以8.8%的复合年增长率实现增长。

驾驶监控系统是一种信息娱乐系统，可提供一系列互动功能，如娱乐、导航、座舱气候控制以及许多安全和安保功能，如高级驾驶员辅助系统（ADAS）。在2020年，驾驶监控系统细分市场主导了整个汽车数字座舱市场，占据了48.3%的份额。

随着技术的进步，苹果CarPlay和谷歌Android Auto标准的使用和市场接受度不断提高，这一趋势预计将持续下去。全球主要的汽车制造商也正积极推出功能更强大、技术更复杂的数字座舱解决方案。大众汽车集团和奥迪为奥迪TT、奥迪A6、RS 6 Avant、RS Q8和兰博基尼Huracan等车型提供虚拟驾驶舱，宝马为其客户提供了数字直播系统。另有一些汽车制造商的目标则是在经济型和中端车型中提供先进的驾驶监控系统解决方案。

哪些关键技术在支撑着数字座舱？

汽车仪表盘和显示器在过去十年中经历了重大变革，新的数字座舱可以在一块大屏上显示所有信息，并配有人性化的HMI（人机界面），用户更容易控制车辆。

数字座舱操作的核心是汽车系统之间的集成，实现方法因车辆制造商的不同而有所差异。有些采用了一个强大的中央计算系统，作为集线器驱动不同的显示器和控制单元，同时这台中央计算机还需负责协调外围嵌入式系统。其他制造商可能配有更强大的外围系统，因而较少强调中央计算系统。

无论哪种方式，各种类型的车辆网络，如CAN、LIN、FlexRay和以太网，最终都会将来自车辆中不同ECU和传感器的数据引入到数字座舱。为了获得更舒适的用户体验，车辆制造商还可以将第三方提供的异构系统集成到数字座舱中，这些系统可在虚拟化后通过汽车管理程序运行。目前，市场上主流的数字座舱大多包含下述关键技术和组件：

01 抬头显示

抬头显示（HUD）最初在战斗机中使用，现在也开始用于汽车行业。HUD是一种透明显示器，它可以将车速、导航数据、障碍物数据等信息直接投射到驾驶员的视线中，而不会对驾驶造成任何干扰。当然，出于成本的考虑，HUD目前主要用于豪华汽车。随着客户需求的增加，一级供应商（Tier1）已经计划在商用车和乘用车上部署HUD。

汽车中目前主要使用了三种技术类型的HUD，即：C-HUD（Combiner HUD）、W-HUD（Windshield HUD）和增强现实（AR）HUD。长远来看，HUD的未来将朝着3D HUD、声控HUD和激光HUD方向发展。图3描述了AR HUD如何利用投影透镜使得驾驶员能够自然、快速、方便地使用驾驶员辅助数据。由于这些创新，汽车制造商可以直接在驾驶员的视线中定位相关和重要的信息，并扩大他们的视野。


图3：AR HUD大幅扩展了驾驶员的视野，缩减了驾驶盲区范围（图源：Texas Instruments）

02 信息娱乐系统

顾名思义，信息娱乐系统是信息和娱乐的结合。基本上，信息娱乐系统是车辆中提供音频和视频娱乐/信息的一组硬件和软件。信息娱乐系统在使驾驶旅途愉快和安全方面发挥着重要作用。汽车行业的持续发展使得老式的信息娱乐系统逐渐被具有高清屏幕和采用新型连接（如Wi-Fi、蓝牙和USB）的先进系统所取代。高清触摸屏通常内置在汽车仪表板上，供驾驶员使用或安装在乘客可以使用的后座上。数字座舱中的信息娱乐系统允许驾驶员根据其重要性和实用性重新配置各种类型的信息。

03 导航系统

汽车导航系统使用导航卫星或通过手机确定特定地点/人员的位置。这些系统不限于指示一个地方或个人的位置，它们还能提供附近酒店、餐馆、医院、加油站、交通拥堵、优先路线等类似信息，并使用各种机器学习（ML）算法进行分析和优化。在数字座舱中，导航信息可以显示在HUD或车辆其他显示音/视频信息的屏幕上。无论何种方案，这些信息都应非常靠近驾驶员的视线，以便在车辆驾驶时轻松获取。

04 智能暖通空调（HVAC）控制器

如今，每辆车都预装了暖气、通风和空调系统。以前，温度的调节大多通过旋钮来完成。现在，这一功能被安装在车内的由热传感器组成的自动温度控制器所取代。热传感器在检测到车外温度后，将数据发送到可编程控制器，然后由可编程控制器根据算法调整车内温度。数字座舱集成了HVAC的控制功能，驾乘人员可通过语音控制轻松实现驾驶舱的温度调节。

05 智能语言助手

从控制音频/视频信息到管理汽车的多项功能，智能语音助手允许驾驶员和乘客免提执行多项控制任务。在美国，汽车语音辅助的使用比智能手机更受欢迎。嵌入式语音辅助系统的使用将把车辆的驾乘体验提升到一个全新的水平。

借助深度学习算法，汽车驾驶舱的自然语音处理和指挥控制已不再是虚构的，基于人工智能（AI）的智能语音识别技术有了实质性的应用。比如，苹果和谷歌等公司开发的联网汽车操作系统扩展/应用程序，可以通过USB或蓝牙/WiFi连接到仪表板显示屏。其中，苹果的CarPlay和谷歌的Android Auto是专门为操作汽车互联系统而开发的两款应用程序。据悉，超过70家汽车制造商正在使用Android Auto，超过50家汽车制造商使用CarPlay作为智能语音助手系统。

06 数字仪表盘

数字仪表盘为驾驶员提供各种动态驾驶信息，包括传统的转速表显示、功能显示、路线规划图或显示后视摄像头的视频等，以便驾驶员能够实时监视汽车的多项性能指标，降低事故风险。在数字座舱中，驾驶员可以根据自己的喜好自定义数字仪表盘中每个显示器显示的信息。

数字座舱旨在将联网汽车中的整个驾驶舱数字化，下一代汽车显示器将以触摸屏为主。人工智能技术的进步极大地拓展了数字座舱的控制方式，手势和语音控制就是首选。这些技术的集成实现了驾驶员和汽车之间的无缝互动，驾驶员的眼睛可一直集中在道路上，在获得全新的用户体验的同时，大幅提高了车辆驾驶的安全性。

数字座舱发展的“芯”动力

上述数字座舱关键技术的发展和商用，离不开底层半导体技术的赋能，这一领域也成了各大汽车电子芯片厂商角逐的主赛场。

Texas Instruments（TI）公司的AWR1443器件可将手势识别轻松集成到数字座舱中。

AWR1443是一款件能够在76至81GHz频带中运行的集成式单芯片FMCW 雷达传感器，集成了PLL、发送器、接收器、基带和ADC，具有4GHz的可用带宽，四个接收通道以及三个发送通道（可以同时使用两个通道）。

AWR1443拥有一个集成式  Arm Cortex-R4F 处理器和一个硬件加速器，用于进行雷达数据处理。基于Arm Cortex-R4F的无线电控制系统还可针对工艺和温度进行自校准。

为了提供更高的准确度，TI的3D ToF（飞行时间）技术还对手势识别方案进行了补充，可根据实际需要实现基于精细至粗糙的多种手势识别，如地图缩放、温度控制、音频控制等。TI的OPT8320 3D ToF传感器是TI 3D ToF图像传感器系列的一部分，是一种用于阵列深度传感的高性能、高度集成、完整的片上系统（SoC）。


图5：可用于手势识别、泊车辅助等汽车应用的自主雷达传感器AWR1443应用框图（图源：Texas Instruments）

为了支持包括数字座舱在内的功能丰富的输出通道，车载数据消耗和数据流大幅增加。从理论上讲，应该需要安装更多的处理器和数据传输链路，这会导致系统架构更加昂贵和复杂，并有失败的风险。为了避免这些问题的出现，OEM常常选择改造硬件基础设施，以支持集中的车载信息娱乐平台，极大限度地降低与系统设计相关的成本和复杂性。平台的集中化更是大大减少了连接每个输入源和每个输出通道所需的中间组件的数量，其中就需要提高每个链路和处理器的数据处理能力，从而形成新的车载信息娱乐网络架构和拓扑结构。先进的半导体芯片在这一过程中发挥了重要作用。其中，TI公司提供Jacinto处理器就属于这一类产品。

TI Jacinto处理器是专为汽车、工业和物联网设备提供高效边缘计算性能的基于Arm架构的应用处理器组合，采用片上系统（SoC）架构。以其中的AM62Ax为例，它属于TI Sitara汽车级异构Arm处理器家族，具有嵌入式深度学习（DL）、视频和视觉处理加速、显示接口以及广泛的汽车外围设备和网络选项，适用于一系列成本敏感的汽车应用，包括驾驶员和车内监控系统、下一代eMirror系统等。

AM62Ax包含四个64位Arm Cortex-A53内核、一个带图像信号处理器（ISP）和多个视觉辅助加速器的视觉处理加速器（VPAC）、深度学习和视频加速器、一个Cortex-R5F MCU通道内核和一个Cortex-R5F设备管理内核。Cortex-A53提供了Linux应用程序所需的强大计算能力以及基于视觉计算的传统算法（如驾驶员监控）的实现。成本优化的AM62Ax以领先的功率/性能比为传统和深度学习算法提供高性能计算，为支持独立电子控制单元（ECU）中的多传感器模式的先进汽车平台提供可扩展性和更低的成本。


图6：AM62Ax Sitara处理器内部系统框图（图源：Texas Instruments）

汽车行业的未来将由具有可扩展和完全集成的数字驾驶舱系统的自动化和互联汽车组成。SBD Automotive的分析师预计，到2025年，欧洲和美国90%的汽车将实现嵌入式连接。一方面，OEM正在努力满足客户对车辆的安全性、便利性和成本效益的要求。另一方面，OEM完全自主开发整个系统并不容易，他们需要专门从事特定技术的不同汽车服务提供商的帮助。

TomTom数字座舱是业界首个为汽车制造商设计的开放式数字驾驶舱软件平台，它将用户的数字生活和汽车功能融入行车体验。该平台统一了乘客和驾驶员的显示器，通过语音和触摸提供对气候控制、音频系统、车辆系统设置以及新的应用程序和服务的访问。

在CES 2024上展示的Twine4Car汽车信息娱乐（IVI）平台及其以汽车为中心的应用商店是ACCESS和TomTom多年合作的成果。Twine4Car使汽车OEM和Tier1能够提供灵活的娱乐服务，包括车载主机、后排娱乐（RSE）以及视频、音频和游戏等。


图7：在CES 2024上展示的Twine4Car汽车信息娱乐平台（图源：Access）

结语

今天的汽车与20年、10年甚至5年前的汽车大不相同。驾驶员们希望上车后，在他们的信息娱乐屏幕上弹出手机音乐应用程序上播放的内容，他们还希望这些屏幕是高清的，并且有一个漂亮的界面。现在，驾驶员更希望他们的数字生活也能够无缝地融入到车辆中。10年前，也许这是一个梦想。很快，这些功能将成为每个汽车制造商展现产品竞争力的重要体现。

数字座舱的目标是将联网汽车的驾驶舱数字化，未来的数字座舱将更加直观、易用和美观，并提供与移动应用程序的无缝集成。对于汽车制造商和OEM来说，数字座舱的未来将实现更多的定制，并将ADAS和电动汽车功能与导航深度集成。数字座舱进一步推动了车内显示的数字化和多样化，以及嵌入其中的个性化和互动性，使驾驶员专注于道路。同时，数字座舱也改变了我们对汽车的感知方式，未来的驾驶舱将在汽车迈向智能化、个性化的车内体验方面发挥关键作用。