问题

未来的自动驾驶汽车与传统汽车相比,哪些结构、环节和零部件需要(或最好)改造、增减、乃至重新设计等等?

回答
告别油门刹车,拥抱“智慧大脑”:自动驾驶汽车的结构革新之路

想象一下,你坐在车里,手里捧着书,或者和家人朋友谈天说地,而汽车则像一位训练有素的老司机,平稳、安全地将你送达目的地。这不再是科幻电影里的场景,而是我们触手可及的未来。自动驾驶汽车的到来,不仅仅是换了一种驾驶方式,它更是一场深刻的结构性变革,触及了汽车的每一个“毛孔”。

一、 核心“大脑”与“感官”:从机械指令到信息融合

传统汽车的驾驶系统,你可以理解为一个相对独立的“机械执行机构”:驾驶员通过转向盘、油门、刹车等输入指令,机械结构将这些指令传递给车轮。而自动驾驶汽车,则是一台精密的“信息处理中心”。

“大脑”的进化:计算平台取代ECU集群
传统汽车: 拥有多个独立的电子控制单元(ECU),负责发动机、变速箱、制动、转向等不同功能。它们各自为政,信息传递效率相对有限。
自动驾驶汽车: 需要一个强大的中央计算平台,集成高性能处理器(CPU、GPU、NPU)、内存和存储。这个“大脑”需要处理海量的传感器数据,运行复杂的算法,做出实时的驾驶决策。这就像是把过去分散在各部门的职员,整合进了一个高效的中央指挥部。
重新设计: 传统的ECU架构将难以满足自动驾驶的需求。需要设计一个高度集成、模块化、可扩展的计算平台,能够应对不断升级的算法和功能。散热、供电、冗余备份等都需要重新考量。

“感官”的升级:传感器集成与融合
传统汽车: 主要依赖驾驶员的视觉、听觉和触觉。车辆本身也有一些传感器,但主要用于辅助驾驶(如倒车雷达)。
自动驾驶汽车: 需要一套全方位的“眼睛”和“耳朵”,以及对环境的“感知能力”。
激光雷达(LiDAR): 传统汽车几乎没有。它通过发射激光束来构建周围环境的3D点云地图,提供精确的距离和形状信息,无论白天黑夜,雨雾天气都能有效工作。
摄像头: 数量和种类远超传统汽车。不仅有用于识别交通标志、车道线的普通摄像头,还需要高分辨率、广角、甚至热成像摄像头,以应对各种光照和天气条件。
毫米波雷达: 相比传统汽车(可能配备前碰撞预警雷达),自动驾驶汽车会搭载更多数量、更大范围的毫米波雷达,用于探测障碍物、识别车速和距离。
超声波雷达: 依然需要,但可能数量和分布位置会优化,以应对近距离障碍物的探测。
高精度地图与定位系统: 自动驾驶汽车依赖于比传统导航更精细的地图数据,以及能够实现厘米级定位的GNSS(全球导航卫星系统)和IMU(惯性测量单元)融合系统。
改造/增减/重新设计:
增减: 激光雷达、更多摄像头、更高精度雷达是新增的。
改造: 摄像头和雷达的安装位置、角度、集成方式需要重新设计,以实现无死角、最优的感知范围。需要专门的传感器清洁系统(如高压水枪、加热模块)来保证在恶劣天气下的可靠性。
重新设计: 整个传感器的布局和集成方案需要重新设计,使其既能满足性能需求,又能兼顾美观和空气动力学。

二、 车辆控制:从“人”到“机器”的无缝对接

驾驶员的双手和双脚是传统汽车的“执行器”,而自动驾驶汽车则需要“电子执行器”来完成指令。

线控转向(Steerbywire):
传统汽车: 转向盘通过转向柱直接连接到转向机。
自动驾驶汽车: 转向盘可能只剩下“显示”和“反馈”功能,转向指令通过电子信号传递给独立的转向电机。这使得转向更加精准、快速,并且可以实现不同程度的转向助力,甚至可以在极端情况下通过冗余系统控制。
改造/重新设计: 需要移除或优化传统的转向柱,设计全新的转向执行机构和控制系统。

线控制动(Brakebywire):
传统汽车: 刹车踏板通过液压系统驱动制动卡钳。
自动驾驶汽车: 刹车踏板可能只作为一种“备用”或“人工干预”的接口,制动指令直接由计算平台发送给电子制动执行器(如电动助力刹车系统)。这能实现更快速、更精密的制动控制,并能更好地与能量回收系统(如再生制动)结合。
改造/重新设计: 需要引入电子制动执行器,并重新设计制动管路和控制逻辑。

线控驱动(Drivebywire):
传统汽车: 油门踏板控制发动机的节气门开度。
自动驾驶汽车: 驱动系统的控制更加直接,无论是燃油车的电子油门,还是电动车的电机控制器,都需要更精密的电信号控制。
改造/重新设计: 尤其是对于电动车,电机控制器的优化对平顺性和能耗至关重要。

三、 交互与信息:从“驾驶员”到“乘客”的体验转变

随着驾驶任务的解放,车内空间的功能和乘客的体验也需要重新定义。

信息娱乐系统与人机交互(HMI):
传统汽车: HMI主要服务于驾驶员,提供导航、音响、车辆信息等。
自动驾驶汽车: HMI将成为乘客信息的中心,提供更丰富的娱乐、工作、社交功能。屏幕尺寸、显示方式、语音交互、手势控制等都需要升级。
改造/重新设计: 传统的仪表盘可能被大尺寸的、可定制化的信息显示屏取代,集成车内外环境信息、娱乐内容、甚至办公应用。方向盘上的物理按键可能会大幅减少,更多地依赖触摸屏和语音。

车内座椅与空间布局:
传统汽车: 座椅设计以驾驶为中心。
自动驾驶汽车: 乘客可以将更多精力放在娱乐、工作或休息上,座椅可以设计成更舒适、可旋转、甚至躺卧的模式。车内空间布局可以更加灵活,甚至可以出现“客厅化”的设计。
改造/重新设计: 需要重新设计座椅的结构、固定方式以及安全带的集成方式,以适应不同的乘坐姿态。

通信与网络:
传统汽车: 主要用于导航、诊断等。
自动驾驶汽车: 需要强大的V2X(VehicletoEverything)通信能力,与道路基础设施、其他车辆、行人、云端进行实时信息交互,以提高安全性、效率和交通流量。
增减/重新设计: 需要集成5G、WiFi等通信模块,以及专门的V2X硬件。车内的网络架构也需要升级,以支持大量数据的传输。

四、 安全与可靠性:为“信任”筑基

自动驾驶的核心是安全,因此车辆的安全冗余和可靠性设计至关重要。

冗余设计:
传统汽车: 某些关键部件(如刹车、转向)有一定程度的冗余。
自动驾驶汽车: 需要在计算平台、传感器、执行器、电源等关键环节引入更高等级的冗余设计,确保在某个部件失效时,系统仍能安全运行或进入安全模式。
重新设计: 需要为每个关键系统设计备份单元和切换机制。

网络安全:
传统汽车: 网络安全问题相对较少。
自动驾驶汽车: 作为一个高度互联的智能终端,面临着被黑客攻击的风险。需要从硬件到软件,构建多层次的网络安全防护体系。
重新设计: 需要在设计之初就考虑网络安全,包括安全的通信协议、数据加密、入侵检测等。

故障诊断与远程升级:
传统汽车: 故障诊断主要依赖维修技师。
自动驾驶汽车: 能够进行更精密的自我诊断,并将故障信息上传至云端。软件的远程OTA(OvertheAir)升级将成为常态,不断优化算法和修复漏洞。
改造/重新设计: 需要强大的车载诊断系统和支持OTA的软硬件架构。

五、 能源管理:为“智慧”注入“活力”

自动驾驶系统本身需要消耗大量电力,尤其对于电动汽车,能源管理变得更加复杂。

电力系统:
传统汽车: 12V铅酸电池为主,发电机负责充电。
自动驾驶汽车: 需要更高的电力输出能力来驱动计算平台、大量的传感器和执行器。可能需要更高电压的电气架构(如48V甚至更高),以及更强大、更可靠的电池管理系统(BMS)。
改造/增减/重新设计: 需要升级电源分配系统,增加备用电源,并对电池容量和充电管理进行优化。

总结

从结构上看,自动驾驶汽车不再是简单地在传统汽车上加装一些电子设备,而是一次彻头彻尾的“二次创业”。它需要对汽车的“神经系统”、“感知系统”、“运动系统”以及“人机交互系统”进行全面的革新。零部件方面,激光雷达、高性能计算芯片、先进的传感器、线控执行器等成为了核心。环节方面,从信息采集、处理、决策到执行,每一个环节都经过了重新设计和优化。

这场变革,带来的不仅是便利和效率的提升,更是对汽车行业未来发展方向的深刻重塑。理解这些结构、环节和零部件的改造,也就能更好地理解自动驾驶汽车的未来之路。

网友意见

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比如车轮角度的反馈,比如如何检测车轮的打滑,乃至主动减震座椅(参考:clearmotion.com/)。


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