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摘 要：本文档是无人驾驶试验样车硬件改装方案，是基于无人驾驶软硬件系统需求进行开发的，包括关键传感器选型、硬件系统构成、及对设备布局和安装提出的要求。本方案为无人驾驶试验样车的传感器和相关硬件设备的物料采购提供参考，以及对设备电气安装提供指导，从而为系统软件开发提供硬件平台支撑。
关键词：硬件方案;系统改装
1 无人驾驶试验样车硬件方案
1.1硬件模块分类
根据无人驾驶软件系统架构采用模块化设计的特点（包括感知模块、定位模块、预测模块、规划模块、控制模块等），硬件系统中需要选用实现不同功能的硬件产品、组件或设备，来分别对应各个软件模块的应用。
1.2硬件组件和设备选型
1.2.1计算平台
高性能的工业级PC（IPC）负责在无人驾驶开发平台上实现传感器数据融合、车辆控制和网络访问。系统性能和接口数量是首要考虑因素，包括较高的系统主频、丰富的I/O接口类型;其次，为了满足潜在的硬件资源开销的持续增长，必须具备接口可扩展性;此外，显卡规格、存储、电源、软件支持、尺寸、重量和使用环境等方面也被充分考量在内。
1.2.2激光雷达
相较于摄像头等传感器，激光雷达不但能够生成三维位置模型，而且它的探测距离更远、测量精度更高，同时响应速度也更灵敏，不受环境光的影响。其最大的特点即在于可以生成三维的位置信息，能快速确定物体的位置、大小、外部形貌，同时获得数据并生成精确的数字模型。
1.2.3毫米波雷达
性能良好的77GHz雷达的最大检测距离可以达到200米以上，可被安装在前保险杠上，正对汽车的行驶方向。其能够用于实现紧急制动、高速公路跟车等功能;同时也能满足自动驾驶领域，对障碍物距离、速度和角度的测量需求。
1.2.4摄像头
本硬件改装方案配备3组共5个摄像头，其中前视摄像头由1个短焦和1个中焦摄像头组成其主要功能如下：
（1）车道线：可识别道线种类，如虚线、实线、反光点，双线，马路牙等。车道保持/偏离警告及辅助;
（2）车辆：可识别前方车辆、摩托车、自行车等，同时识别出车辆的距离、相对速度等关键参数;
（3）行人：可识别前方多个行人目标，包括迎面、侧面、背面、四季不同衣着、举着雨伞等，并给出行人目标距离以及预计碰撞时间盲点监测;
（4）会车灯光：可以识别会车前大灯，并给出目标运动参数，以及智能前大灯应避免的晃眼区域;
（5）交通标志：可以识别多种交通标志，包括主标志和主标志下方的辅助标识。可以給出交通标志的位置以及含义信息。
1.3硬件网关/交换机
本试验样车硬件改装方案采用了禾多科技公司的三款硬件网关产品，产品外观如图2-9。硬件网关除了以嵌入式系统的形式在计算平台与传感器或外设之间建立物理链接外，也将接收到的传感器或外设的数据进行重新打包（或称为协议转换），以适应无人驾驶软硬件系统的需求。该系统同样使用GNSS接收器的秒脉冲（PPS）和GPRMC信号实现摄像机和激光雷达的数据收集同步。
本试验样车硬件改装方案采用了KeepLINK公司的工业级千兆以太网交换机。千兆以太网交换机为数据帧从一个端口到另一个任意端口的转发提供了低时延、低开销的通路。
1.3.1 车身线控及硬线接口
CAN卡和IPC的通讯通过PCI Express接口。IPC通过CAN卡发送车辆控制指令，该指令基于区域网络控制协议（CAN协议），
横向控制：方向盘可按发出的目标角速度达到目标角度，踩下刹车及方向盘受外力干预时可退出控制。
纵向控制：在加速度控制模式下，车辆可按发出的目标加速度实现加、减速功能;在速度控制模式下，车辆可根据目标速度进行加、减速并最终稳定在目标速度（ 0-60km/h），速度误差小于2km/h。在踩下刹车、油门踏板以及横向控制激活时干预方向盘会退出纵向控制。
档位控制：当车速为0，刹车踏板踩下，可实现档位之间的切换，切挡后会自动拉起EPB。
1.4硬件系统改装说明
1.4.1硬件拓扑结构
感知模块5个摄像头的算力布局在工控机A上;
线控模块通过工控机A上的CAN卡与车端通讯;
激光雷达和毫米波雷达通过千兆以太网交换机将UDP数据包传输给工控机A或工控机B;
1.4.2电源分发控制和整体功耗估算
电源分发控制设备其具有如下特点;
1）每组设备单独供电;
2）每路电源的通断是单独可控的;
3）支持一键开启和关闭;
4）电压支持车载12V，单路电流输出能力为不超过20A。
1.4.3数据源
NovAtel 接收机通过 GPS 天线得到当前最新时间戳，然后通过每秒钟触发一次的PPS信号和时间戳GPRMC Tx信号将同步信息发送给其他设备。
1.4.4 VLP激光雷达同步
VLP 自带的 Interface Box 中有 PPS 和 GPRMC Rx 输入端口，直接将 Novatel的PPS和GPRMC Tx通过线束连接至相应引脚即完成VLP激光雷达的同步。
1.4.5 毫米波雷达同步
禾多 GWB 接收 Novatel PPS 和 GPRMC 信息并作处理，生成时间戳数据。同时通过 CAN 总线接收毫米波雷达信息，将时间戳信息赋值给每一帧收到的毫米波雷达检测结果，再通过 ETH 将带有时间戳的检测结果上传给工控机，即完成毫米波雷达的同步。
2 总结
无人驾驶产业的发展目前仍处于探索阶段，离普及应用还有一定的距离，众多问题亟待解决，但随着科技的发展和网络安全性能的提高，无人驾驶在不久的将来，即便不会完全取代人的主导地位，也至少会使日常出行变得更加方便智能。无人驾驶试验样车硬件改装只是完成了整个无人驾驶系统开发工作的其中一步，前期基于现有的平台化方案，开发机器学习算法;中期根据试验车的调测数据和传感器需求重新评估，利用硬件平台模块化设计所有的算力和传感器可扩展能力，优化算法并确定算力需求;后期随着处理器设计门槛的降低和对无人驾驶算法协同进化要求的提高，采用SoC芯片来完成最终可量产的高级别无人驾驶硬件系统。
（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江 宁波 315336）
关键词：硬件方案;系统改装
1 无人驾驶试验样车硬件方案
1.1硬件模块分类
根据无人驾驶软件系统架构采用模块化设计的特点（包括感知模块、定位模块、预测模块、规划模块、控制模块等），硬件系统中需要选用实现不同功能的硬件产品、组件或设备，来分别对应各个软件模块的应用。
1.2硬件组件和设备选型
1.2.1计算平台
高性能的工业级PC（IPC）负责在无人驾驶开发平台上实现传感器数据融合、车辆控制和网络访问。系统性能和接口数量是首要考虑因素，包括较高的系统主频、丰富的I/O接口类型;其次，为了满足潜在的硬件资源开销的持续增长，必须具备接口可扩展性;此外，显卡规格、存储、电源、软件支持、尺寸、重量和使用环境等方面也被充分考量在内。
1.2.2激光雷达
相较于摄像头等传感器，激光雷达不但能够生成三维位置模型，而且它的探测距离更远、测量精度更高，同时响应速度也更灵敏，不受环境光的影响。其最大的特点即在于可以生成三维的位置信息，能快速确定物体的位置、大小、外部形貌，同时获得数据并生成精确的数字模型。
1.2.3毫米波雷达
性能良好的77GHz雷达的最大检测距离可以达到200米以上，可被安装在前保险杠上，正对汽车的行驶方向。其能够用于实现紧急制动、高速公路跟车等功能;同时也能满足自动驾驶领域，对障碍物距离、速度和角度的测量需求。
1.2.4摄像头
本硬件改装方案配备3组共5个摄像头，其中前视摄像头由1个短焦和1个中焦摄像头组成其主要功能如下：
（1）车道线：可识别道线种类，如虚线、实线、反光点，双线，马路牙等。车道保持/偏离警告及辅助;
（2）车辆：可识别前方车辆、摩托车、自行车等，同时识别出车辆的距离、相对速度等关键参数;
（3）行人：可识别前方多个行人目标，包括迎面、侧面、背面、四季不同衣着、举着雨伞等，并给出行人目标距离以及预计碰撞时间盲点监测;
（4）会车灯光：可以识别会车前大灯，并给出目标运动参数，以及智能前大灯应避免的晃眼区域;
（5）交通标志：可以识别多种交通标志，包括主标志和主标志下方的辅助标识。可以給出交通标志的位置以及含义信息。
1.3硬件网关/交换机
本试验样车硬件改装方案采用了禾多科技公司的三款硬件网关产品，产品外观如图2-9。硬件网关除了以嵌入式系统的形式在计算平台与传感器或外设之间建立物理链接外，也将接收到的传感器或外设的数据进行重新打包（或称为协议转换），以适应无人驾驶软硬件系统的需求。该系统同样使用GNSS接收器的秒脉冲（PPS）和GPRMC信号实现摄像机和激光雷达的数据收集同步。
本试验样车硬件改装方案采用了KeepLINK公司的工业级千兆以太网交换机。千兆以太网交换机为数据帧从一个端口到另一个任意端口的转发提供了低时延、低开销的通路。
1.3.1 车身线控及硬线接口
CAN卡和IPC的通讯通过PCI Express接口。IPC通过CAN卡发送车辆控制指令，该指令基于区域网络控制协议（CAN协议），
横向控制：方向盘可按发出的目标角速度达到目标角度，踩下刹车及方向盘受外力干预时可退出控制。
纵向控制：在加速度控制模式下，车辆可按发出的目标加速度实现加、减速功能;在速度控制模式下，车辆可根据目标速度进行加、减速并最终稳定在目标速度（ 0-60km/h），速度误差小于2km/h。在踩下刹车、油门踏板以及横向控制激活时干预方向盘会退出纵向控制。
档位控制：当车速为0，刹车踏板踩下，可实现档位之间的切换，切挡后会自动拉起EPB。
1.4硬件系统改装说明
1.4.1硬件拓扑结构
感知模块5个摄像头的算力布局在工控机A上;
线控模块通过工控机A上的CAN卡与车端通讯;
激光雷达和毫米波雷达通过千兆以太网交换机将UDP数据包传输给工控机A或工控机B;
1.4.2电源分发控制和整体功耗估算
电源分发控制设备其具有如下特点;
1）每组设备单独供电;
2）每路电源的通断是单独可控的;
3）支持一键开启和关闭;
4）电压支持车载12V，单路电流输出能力为不超过20A。
1.4.3数据源
NovAtel 接收机通过 GPS 天线得到当前最新时间戳，然后通过每秒钟触发一次的PPS信号和时间戳GPRMC Tx信号将同步信息发送给其他设备。
1.4.4 VLP激光雷达同步
VLP 自带的 Interface Box 中有 PPS 和 GPRMC Rx 输入端口，直接将 Novatel的PPS和GPRMC Tx通过线束连接至相应引脚即完成VLP激光雷达的同步。
1.4.5 毫米波雷达同步
禾多 GWB 接收 Novatel PPS 和 GPRMC 信息并作处理，生成时间戳数据。同时通过 CAN 总线接收毫米波雷达信息，将时间戳信息赋值给每一帧收到的毫米波雷达检测结果，再通过 ETH 将带有时间戳的检测结果上传给工控机，即完成毫米波雷达的同步。
2 总结
无人驾驶产业的发展目前仍处于探索阶段，离普及应用还有一定的距离，众多问题亟待解决，但随着科技的发展和网络安全性能的提高，无人驾驶在不久的将来，即便不会完全取代人的主导地位，也至少会使日常出行变得更加方便智能。无人驾驶试验样车硬件改装只是完成了整个无人驾驶系统开发工作的其中一步，前期基于现有的平台化方案，开发机器学习算法;中期根据试验车的调测数据和传感器需求重新评估，利用硬件平台模块化设计所有的算力和传感器可扩展能力，优化算法并确定算力需求;后期随着处理器设计门槛的降低和对无人驾驶算法协同进化要求的提高，采用SoC芯片来完成最终可量产的高级别无人驾驶硬件系统。
（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江 宁波 315336）