【導讀】汽車行業正在因客戶需求的不斷變化而發生重大變革。受智能手機以及其他智能設備使用習慣的影響，消費者對汽車的要求不再僅僅是一個交通工具，而是開始在汽車中尋找一種可隨時與其數字生活相鏈接的智能駕乘體驗。傳統的駕駛艙正在演變成一種類似于智能設備的數字產品，數字座艙也因此應運而生。
汽車行業正在因客戶需求的不斷變化而發生重大變革。受智能手機以及其他智能設備使用習慣的影響，消費者對汽車的要求不再僅僅是一個交通工具，而是開始在汽車中尋找一種可隨時與其數字生活相鏈接的智能駕乘體驗。傳統的駕駛艙正在演變成一種類似于智能設備的數字產品，數字座艙也因此應運而生。
數字座艙市場展望
數字座艙是車輛中一系列顯示技術的集成，主要包括信息娛樂系統、駕駛艙儀表板（儀表盤）、抬頭顯示器（HUD）和其他數據輸出（如時鐘或溫度）顯示器等。
在數字座艙出現之前，車輛內不同的數據讀數在本質上是相互獨立的且功能固定。而數字座艙則可以將多個顯示器連接在一起——比如衛星導航和娛樂系統信息可以投射到儀表板或HUD，行程或汽車狀態信息可以顯示在信息娛樂屏幕上。由于每個顯示器都可以訪問來自中央源的數據，同步問題也得到了解決。實際上，數字座艙的一個非常關鍵的好處是可重新配置，這意味著駕駛員可以根據需要選擇顯示哪些信息以及在哪個顯示器上顯示。以電動汽車（EV）為例，可以選擇將剩余里程顯示在中央信息娛樂屏的導航顯示旁邊，以利于駕駛員選擇適合的停車位置充電。
無論汽車的價位如何，消費者都希望在車內獲得更多的數字體驗。隨著汽車制造和銷售量的不斷上升，對集成數字座艙電子設備的需求也在增加。
早些時候，制造駕駛艙的成本約為車輛總成本的2%至3%。為了獲得豪華、舒適、安全和先進的信息娛樂體驗，HUD、手勢控制、語音控制、中央控制器、遠程信息處理和轉向控制等技術被大規模用于乘用車的數字駕駛艙中。據估算，數字座艙的成本約占到車輛總成本的11%至12%。
目前，駕駛艙儀表板（儀表盤）和信息娛樂系統這兩個產品類別需求非常旺盛，約占數字座艙市場的三分之二。根據Grand View Research的分析和預測，2020年，全球汽車數字座艙市場規模為198億美元，預計2021年至2028年將以8.8%的復合年增長率實現增長。
駕駛監控系統是一種信息娛樂系統，可提供一系列互動功能，如娛樂、導航、座艙氣候控制以及許多安全和安保功能，如高級駕駛員輔助系統（ADAS）。在2020年，駕駛監控系統細分市場主導了整個汽車數字座艙市場，占據了48.3%的份額。
隨著技術的進步，蘋果CarPlay和谷歌Android Auto標準的使用和市場接受度不斷提高，這一趨勢預計將持續下去。全球主要的汽車制造商也正積極推出功能更強大、技術更復雜的數字座艙解決方案。大眾汽車集團和奧迪為奧迪TT、奧迪A6、RS 6 Avant、RS Q8和蘭博基尼Huracan等車型提供虛擬駕駛艙，寶馬為其客戶提供了數字直播系統。另有一些汽車制造商的目標則是在經濟型和中端車型中提供先進的駕駛監控系統解決方案。
哪些關鍵技術在支撐著數字座艙？
汽車儀表盤和顯示器在過去十年中經歷了重大變革，新的數字座艙可以在一塊大屏上顯示所有信息，并配有人性化的HMI（人機界面），用戶更容易控制車輛。
數字座艙操作的核心是汽車系統之間的集成，實現方法因車輛制造商的不同而有所差異。有些采用了一個強大的中央計算系統，作為集線器驅動不同的顯示器和控制單元，同時這臺中央計算機還需負責協調外圍嵌入式系統。其他制造商可能配有更強大的外圍系統，因而較少強調中央計算系統。
無論哪種方式，各種類型的車輛網絡，如CAN、LIN、FlexRay和以太網，最終都會將來自車輛中不同ECU和傳感器的數據引入到數字座艙。為了獲得更舒適的用戶體驗，車輛制造商還可以將第三方提供的異構系統集成到數字座艙中，這些系統可在虛擬化后通過汽車管理程序運行。目前，市場上主流的數字座艙大多包含下述關鍵技術和組件：
抬頭顯示
抬頭顯示（HUD）最初在戰斗機中使用，現在也開始用于汽車行業。HUD是一種透明顯示器，它可以將車速、導航數據、障礙物數據等信息直接投射到駕駛員的視線中，而不會對駕駛造成任何干擾。當然，出于成本的考慮，HUD目前主要用于豪華汽車。隨著客戶需求的增加，一級供應商（Tier1）已經計劃在商用車和乘用車上部署HUD。
汽車中目前主要使用了三種技術類型的HUD，即：C-HUD（Combiner HUD）、W-HUD（Windshield HUD）和增強現實（AR）HUD。長遠來看，HUD的未來將朝著3D HUD、聲控HUD和激光HUD方向發展。圖3描述了AR HUD如何利用投影透鏡使得駕駛員能夠自然、快速、方便地使用駕駛員輔助數據。由于這些創新，汽車制造商可以直接在駕駛員的視線中定位相關和重要的信息，并擴大他們的視野。
圖3：AR HUD大幅擴展了駕駛員的視野，縮減了駕駛盲區范圍（圖源：Texas Instruments）
信息娛樂系統
顧名思義，信息娛樂系統是信息和娛樂的結合。基本上，信息娛樂系統是車輛中提供音頻和視頻娛樂/信息的一組硬件和軟件。信息娛樂系統在使駕駛旅途愉快和安全方面發揮著重要作用。汽車行業的持續發展使得老式的信息娛樂系統逐漸被具有高清屏幕和采用新型連接（如Wi-Fi、藍牙和USB）的先進系統所取代。高清觸摸屏通常內置在汽車儀表板上，供駕駛員使用或安裝在乘客可以使用的后座上。數字座艙中的信息娛樂系統允許駕駛員根據其重要性和實用性重新配置各種類型的信息。
導航系統
汽車導航系統使用導航衛星或通過手機確定特定地點/人員的位置。這些系統不限于指示一個地方或個人的位置，它們還能提供附近酒店、餐館、醫院、加油站、交通擁堵、優先路線等類似信息，并使用各種機器學習（ML）算法進行分析和優化。在數字座艙中，導航信息可以顯示在HUD或車輛其他顯示音/視頻信息的屏幕上。無論何種方案，這些信息都應非常靠近駕駛員的視線，以便在車輛駕駛時輕松獲取。
智能暖通空調（HVAC）控制器
如今，每輛車都預裝了暖氣、通風和空調系統。以前，溫度的調節大多通過旋鈕來完成。現在，這一功能被安裝在車內的由熱傳感器組成的自動溫度控制器所取代。熱傳感器在檢測到車外溫度后，將數據發送到可編程控制器，然后由可編程控制器根據算法調整車內溫度。數字座艙集成了HVAC的控制功能，駕乘人員可通過語音控制輕松實現駕駛艙的溫度調節。
智能語音助手
從控制音頻/視頻信息到管理汽車的多項功能，智能語音助手允許駕駛員和乘客免提執行多項控制任務。在美國，汽車語音輔助的使用比智能手機更受歡迎。嵌入式語音輔助系統的使用將把車輛的駕乘體驗提升到一個全新的水平。
借助深度學習算法，汽車駕駛艙的自然語音處理和指揮控制已不再是虛構的，基于人工智能（AI）的智能語音識別技術有了實質性的應用。比如，蘋果和谷歌等公司開發的聯網汽車操作系統擴展/應用程序，可以通過USB或藍牙/WiFi連接到儀表板顯示屏。其中，蘋果的CarPlay和谷歌的Android Auto是專門為操作汽車互聯系統而開發的兩款應用程序。據悉，超過70家汽車制造商正在使用Android Auto，超過50家汽車制造商使用CarPlay作為智能語音助手系統。
數字儀表盤
數字儀表盤為駕駛員提供各種動態駕駛信息，包括傳統的轉速表顯示、功能顯示、路線規劃圖或顯示后視攝像頭的視頻等，以便駕駛員能夠實時監視汽車的多項性能指標，降低事故風險。在數字座艙中，駕駛員可以根據自己的喜好自定義數字儀表盤中每個顯示器顯示的信息。
數字座艙旨在將聯網汽車中的整個駕駛艙數字化，下一代汽車顯示器將以觸摸屏為主。人工智能技術的進步極大地拓展了數字座艙的控制方式，手勢和語音控制就是首選。這些技術的集成實現了駕駛員和汽車之間的無縫互動，駕駛員的眼睛可一直集中在道路上，在獲得全新的用戶體驗的同時，大幅提高了車輛駕駛的安全性。
數字座艙發展的“芯”動力
上述數字座艙關鍵技術的發展和商用，離不開底層半導體技術的賦能，這一領域也成了各大汽車電子芯片廠商角逐的主賽場。
Texas Instruments（TI）公司的AWR1443器件可將手勢識別輕松集成到數字座艙中。
AWR1443是一款件能夠在76至81GHz頻帶中運行的集成式單芯片FMCW 雷達傳感器，集成了PLL、發送器、接收器、基帶和ADC，具有4GHz的可用帶寬，四個接收通道以及三個發送通道（可以同時使用兩個通道）。
AWR1443擁有一個集成式 Arm Cortex-R4F 處理器和一個硬件加速器，用于進行雷達數據處理。基于Arm Cortex-R4F的無線電控制系統還可針對工藝和溫度進行自校準。
為了提供更高的準確度，TI的3D ToF（飛行時間）技術還對手勢識別方案進行了補充，可根據實際需要實現基于精細至粗糙的多種手勢識別，如地圖縮放、溫度控制、音頻控制等。TI的OPT8320 3D ToF傳感器是TI 3D ToF圖像傳感器系列的一部分，是一種用于陣列深度傳感的高性能、高度集成、完整的片上系統（SoC）。
圖5：可用于手勢識別、泊車輔助等汽車應用的自主雷達傳感器AWR1443應用框圖（圖源：Texas Instruments）
為了支持包括數字座艙在內的功能豐富的輸出通道，車載數據消耗和數據流大幅增加。從理論上講，應該需要安裝更多的處理器和數據傳輸鏈路，這會導致系統架構更加昂貴和復雜，并有失敗的風險。為了避免這些問題的出現，OEM常常選擇改造硬件基礎設施，以支持集中的車載信息娛樂平臺，極大限度地降低與系統設計相關的成本和復雜性。平臺的集中化更是大大減少了連接每個輸入源和每個輸出通道所需的中間組件的數量，其中就需要提高每個鏈路和處理器的數據處理能力，從而形成新的車載信息娛樂網絡架構和拓撲結構。先進的半導體芯片在這一過程中發揮了重要作用。其中，TI公司提供Jacinto處理器就屬于這一類產品。
TI Jacinto處理器是專為汽車、工業和物聯網設備提供高效邊緣計算性能的基于Arm架構的應用處理器組合，采用片上系統（SoC）架構。以其中的AM62Ax為例，它屬于TI Sitara汽車級異構Arm處理器家族，具有嵌入式深度學習（DL）、視頻和視覺處理加速、顯示接口以及廣泛的汽車外圍設備和網絡選項，適用于一系列成本敏感的汽車應用，包括駕駛員和車內監控系統、下一代eMirror系統等。
AM62Ax包含四個64位Arm Cortex-A53內核、一個帶圖像信號處理器（ISP）和多個視覺輔助加速器的視覺處理加速器（VPAC）、深度學習和視頻加速器、一個Cortex-R5F MCU通道內核和一個Cortex-R5F設備管理內核。Cortex-A53提供了Linux應用程序所需的強大計算能力以及基于視覺計算的傳統算法（如駕駛員監控）的實現。成本優化的AM62Ax以領先的功率/性能比為傳統和深度學習算法提供高性能計算，為支持獨立電子控制單元（ECU）中的多傳感器模式的先進汽車平臺提供可擴展性和更低的成本。
圖6：AM62Ax Sitara處理器內部系統框圖（圖源：Texas Instruments）
汽車行業的未來將由具有可擴展和完全集成的數字駕駛艙系統的自動化和互聯汽車組成。SBD Automotive的分析師預計，到2025年，歐洲和美國90%的汽車將實現嵌入式連接。一方面，OEM正在努力滿足客戶對車輛的安全性、便利性和成本效益的要求。另一方面，OEM完全自主開發整個系統并不容易，他們需要專門從事特定技術的不同汽車服務提供商的幫助。
TomTom數字座艙是業界首個為汽車制造商設計的開放式數字駕駛艙軟件平臺，它將用戶的數字生活和汽車功能融入行車體驗。該平臺統一了乘客和駕駛員的顯示器，通過語音和觸摸提供對氣候控制、音頻系統、車輛系統設置以及新的應用程序和服務的訪問。
在CES 2024上展示的Twine4Car汽車信息娛樂（IVI）平臺及其以汽車為中心的應用商店是ACCESS和TomTom多年合作的成果。Twine4Car使汽車OEM和Tier1能夠提供靈活的娛樂服務，包括車載主機、后排娛樂（RSE）以及視頻、音頻和游戲等。
圖7：在CES 2024上展示的Twine4Car汽車信息娛樂平臺（圖源：Access）
結語
今天的汽車與20年、10年甚至5年前的汽車大不相同。駕駛員們希望上車后，在他們的信息娛樂屏幕上彈出手機音樂應用程序上播放的內容，他們還希望這些屏幕是高清的，并且有一個漂亮的界面。現在，駕駛員更希望他們的數字生活也能夠無縫地融入到車輛中。10年前，也許這是一個夢想。很快，這些功能將成為每個汽車制造商展現產品競爭力的重要體現。
數字座艙的目標是將聯網汽車的駕駛艙數字化，未來的數字座艙將更加直觀、易用和美觀，并提供與移動應用程序的無縫集成。對于汽車制造商和OEM來說，數字座艙的未來將實現更多的定制，并將ADAS和電動汽車功能與導航深度集成。數字座艙進一步推動了車內顯示的數字化和多樣化，以及嵌入其中的個性化和互動性，使駕駛員專注于道路。同時，數字座艙也改變了我們對汽車的感知方式，未來的駕駛艙將在汽車邁向智能化、個性化的車內體驗方面發揮關鍵作用。
（文章來源：貿澤電子）
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