域控制器来了，但为什么P-Box目前仍是首选？

智能驾驶域控制器正在加速席卷汽车行业，乘用车前装标配搭载智能驾驶新车域控制器也是趋势之一，正在快速上量。

相比起传统的分布式电子电气架构，域控架构尽可能地把各类电子器件集成、封装在一块 PCB 板上，具有较大的降本潜力，也更具开发性，是适应软件定义汽车要求的大势所趋。

为此，汽车供应链开始将各种零部件进行集成简化。但凡事无绝对，是否所有零部件都适宜集中部署在域控制器中？这个问题需要综合考虑器件性能、稳定性、寿命、工况、工程量、性价比等多个因素才能得到最优解。

例如，IMU（惯性测量单元）是否适合以模组形态贴片进入域控，还是以 P-Box 的形式独立存在更好，就是个仍需要更多验证和思考的问题，不宜操之过急。

一、IMU 要的稳定，贴片方案还给不了

在高级别智能驾驶中，由 GNSS（卫星导航定位）+RTK（RTK 载波相位差分技术）+INS（惯性导航系统）组成的高精度组合定位是主流方案。IMU 是 INS 中的核心硬件。

IMU 通常由一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪组成，它们分别用于测量载体（汽车可看作一个载体）的加速度和角速度，并由此解算出载体的姿态、速度和位置。

其中，加速度计的结构模型可以等效为下面的模型，由质量块、弹簧和电位器共同构成。在质量块感受到加速度时，会在相应方向产生位移，从而使得固定电极板构成的两个平行版电容器 C1、C2 的电容大小发生改变，检测其电容值大小即可换算成相应的加速度。

MEMS 加速度计的工作原理

图片出处：https://howtomechatronics.com/how-it-works/electrical-engineering/mems-accelerometer-gyrocope-magnetometer-arduino/

陀螺仪的原理与加速计类似。它以科里奥利力作为测量原理，质量块受外力时，在相应方向上会产生位移，由此引起平行板电容器电容值的改变，检测电容值即可换算得到输入的角速度。

MEMS 陀螺仪的工作原理

图片出处：https://howtomechatronics.com/how-it-works/electrical-engineering/mems-accelerometer-gyrocope-magnetometer-arduino/

简而言之，不论是加速度计或者陀螺仪，其工作原理都是内部质量块受到了力的作用而产生位移，进而改变电容器电容大小，以此计算出加速度和角速度。而 IMU 精度越高，对力、温度等的变化越敏感，越需要一个相对稳定的环境来保证其正常工作。就像一把刻度极细的尺子，既不应弯折，也不能被火烤，否则刻度就会失准。

IMU 采用贴片式模组的方案集成到域控制器中还很难规避掉这些不利影响。

首先，贴片式模组的方案很难规避 PCB 板形变应力、装配误差等因素的影响。

曾有将 IMU 进行二次安装、直接集成到域控中的试验分析，结果发现其对陀螺仪的输出结果影响显著：此次试验中零偏变化最大接近 0.4°/s（如下图绿色柱所示）。而 INS 系统的精度主要取决于 IMU 中陀螺仪的精度。陀螺仪性能发挥不稳定，会给行驶的智能汽车造成较大的定位误差，一定程度上影响行车安全。

其次，温度变化过大也会影响 IMU 的表现。环境温度变化会使 IMU 内部产生热应力，系统无法对其进行实时补偿，从而引起 IMU 的输出误差。此外，长期高温的环境也不利于产品的使用寿命。

如今，域控制器为了满足高算力需求，通常搭载高性能、高功耗芯片，比如一枚 Orin 的峰值功率会达到 70W，加上其他器件域控制器总功率可以轻松达到 100W 甚至数百瓦。IMU 集成到这样的环境中，将经历较大的温度波动，进而影响 IMU 性能，干扰定位精度。

相较之下，反而是分立的 P-Box（即将包括 IMU 在内的定位器件打包在一个盒子中）更加成熟。P-Box 提供了更加稳定的环境，不仅降低了非预期的应力影响，盒子内器件的功率也更低（通常不超过 7W），温度更稳定——有厂家的实测数据显示，P-Box 的温变比贴片式方案更小（如下图所示），更有利于 IMU 性能发挥。

参考《GB/T 34986-2017 产品加速试验方法》的测试结果，可以看出 IMU 在不同工作温度下的性能差异。

假设试验条件为 85℃，时常 1000 小时，根据阿伦尼斯公式计算平均无故障时间（MTBF）：如果常态下工作温度为 25℃（P-Box 环境），加速因子是 18.8，对应 IMU 的 MTBF 是 18800 小时；而如果常态下工作温度为 60℃（域控制器环境），加速因子是 2.99，对应的 MTBF 是 2990 小时，骤减至 P-Box 环境的约 1/6。

再次，IMU 安装载体的加工精度同样会对其定位精度产生直接影响。

通常汽车上结构件采用的是铸造或者钣金工艺，对加工精度要求不高，但当它要承载精密的 IMU 时，其低加工精度就会成为整个系统的短板。

贴片式模组方案是将模组采用回流焊工艺直接贴在域控制器电路板上，过程中会经历从高温冷却固化的变化，造成电路板受到额外的应力。外部应力会对 IMU 造成影响，有可能导致其精度变差。

因此，把 IMU 集成到域控制器内现阶段不得不面临两种选择：第一种是提高域控机械件加工精度，导致成本上升；第二种是不提高加工精度，结果是高精度 IMU 无法充分体现其高精度的优势。

事实上，将 IMU 集成到模组后，再到域控制器再到整车集成，增加了装配层级。域控通常都比 P-Box 体积大，也增加了域控设计、域控在车身布局安装以及整车布局的难度。

所以，尽管域控化看起来符合时代趋势，但在工程实践中，域控与 IMU 却很难兼容，一不小心还会导致 1+1＜2 的结果。

就目前而言，智能驾驶定位采用贴片式模组直接集成到域控的方案不得不面临复杂的硬件布置难题。但问题远不仅限于此，即便克服了硬件层面的固有难题，也还有一些软件开发方面的挑战。

二、贴片式集成进域控，还面临软件挑战

1、数据实时性问题

L3 及以上级别智能驾驶车辆，对定位数据的实时性与精度有刚性需求。同时，定位的实时性不好，也会降低定位的精度。

打个比方，一辆汽车以 120km/h 的速度行驶，其每 1ms（即 0.001s）行驶的距离是 3.3cm。那么，当系统的时间同步误差为 10ms 时，仅仅是时间误差带来的定位误差就会达到 0.33m。

以时间同步这个环节为例。时间同步是让智能驾驶不同的硬件或软件能在一个「频道」里对话，是智能驾驶量产落地面临的一个关键问题。

现阶段，P-Box 在处理时间同步时采用的方式是（如下图）：GNSS 模组输出精确的 PPS 及 UTC 时间信息到 MCU，对本地晶振进行校准后，输出同步脉冲到 IMU。IMU 使用 MCU 发过来的同步脉冲进行数据同步，并输出准确 200Hz 的加速度和角速度数据到 MCU，MCU 接收到 IMU 数据，可以实现的授时精度达到μs 级。

域控方案的时间同步原理通常是（如下图）：域控 SoC 接收来自 GNSS 模组的 UTC 时间信息，进行时间同步后，输出同步信息到 IMU。IMU 结合域控 SoC 的同步信息，实现 IMU 数据时间同步，并输出 200Hz 的 IMU 数据到 SoC，用于后端算法融合。由于域控集成了众多功能，系统复杂，在数据调度及处理实时性较差，当前使用域控 SoC 做时间同步方案，基本处于 ms（1ms 等于 1000μs）级别精度水平。

这要求定位供应商对定位软硬件均有深入的理解，丰富的量产项目经验或许将成为突破「瓶颈」的关键。

2、功能安全问题

在 L2 以上智能驾驶功能系统中，作为车辆精确定位和车辆控制的数据输入源，RTK&INS 组合定位算法通常需要满足 ASIL B 等级的相应安全要求。

这意味着，一方面对于算法本身以及输入输出数据的安全校验需要有足够的算力支持，另一方面需要有安全的运行环境（包括基础软件和安全芯片硬件）。

如前文所述，智能驾驶域控制器由于集成了众多功能块，系统较为复杂，而且通常为多核多进程的运行环境以及复杂的应用数据流，导致实现功能安全的难度大增。同时，域控中无论是通过的 SoC 内置安全岛还是外挂 MCU 方式，通常只有部分模块是支持功能安全设计的，实现安全的资源是有限的。

在这种情况下，将 RTK&INS 组合定位算法，与同样有安全要求的感知、融合、决策、控制等算法，以及系统状态监控与故障管理、最小安全风险策略、安全停车等模块一起部署在域控，最后所分配到的算力以及底层安全环境的支持，往往难以满足功能安全的完整性（通俗点说，就是大家都能保证安全）。

如下所示，几种 RTK&INS 组合算法部署在域控制器上的方案，可能都存在算力和安全性的两难：

1）如果部署在域控的外挂 MCU，问题是外挂的 MCU 本身已经形成了明确的分工，增加部署后算力及 RAM/ROM 能否支持？而用于融合定位的前端数据的交互也会变得更复杂。

2）如果部署在域控 SoC 的控制单元，则算力以及 RAM/ROM 是否满足？

3）如果部署在域控 SoC 的通用计算单元上，则基础软件的安全性是否满足？

面对这些问题，贴片式模组目前不是「准确答案」，供应商还需进一步探索。

三、域控方案如何实现最高性价比仍是问题

从汽车电子电气架构来看，域控方案便于后期开发和降低硬件成本。但具体到「IMU 如何集成到域控制器中」这一问题，贴片式模组方案是否是符合性价比的「最优解」仍需验证。

将 IMU 从组合定位中拆分模组化贴片后集成到域控制器中，需要对整个系统环境进行重新调试，由于其复杂程度较高、环境适应力差等系列问题，会大幅增加研发成本、延长研发时间。

其次，在标定环节也可能面临「增本降效」的问题。

众所周知，谈到 IMU 的性能离不开标定校准，而高精度 IMU 需要从芯片、模组、总成这三个环节上进行标定测试。

芯片标定测试无可厚非，但在之后还需要进行模组标定，最终进行总成标定时，这意味着标定的次数在增加，成本和难度都随之而来。域控的总成标定就已经困难，需要根据域控的尺寸来定制夹具、工装。同时，会需要把整个控制器都放在温箱、转台等专业设备里进行标定测试。随着产品规模的扩大，时间和金钱成本还会进一步增长。

因标定设备内部固定空间有限，整体体积较大的域控制器相比于 P-Box 盒子，可能会导致批次标定能力大幅度降低，从而极大的增加均摊设备的成本。目前行业中域控制器的尺寸一般是 IMU 尺寸的 200 倍左右，意味着标定效率降低可达 200 倍。如果单次标定的处理能力（数量）低，效率便会进一步降低，带来产能和成本提升的双重压力。

统筹来看，和 P-Box 相比，贴片式模组方案集成在域控在产品形态上仅仅是省去了壳体和部分接插件，成本占比小。但集成后为保证性能需要单独采买更高精度的 IMU，反而可能带来成本的上升。

事实上，贴片式模组方案作为刚刚兴起的趋势，目前市场上没有过多的成功经验可以参考，组装工艺粗糙、不成熟，造成额外的应力，产品都是以委外加工为主，缺少核心的设计开发能力、可把控的生产能力以及后期成熟的算法能力，对产品良率和品质都有影响。

反观 P-box 产品，产品在出厂前已完成标定，效率高、工艺成熟、成本低，产品本身也已进入量产交付的时代，一致性、稳定性相对来说会更有保证。

目前，国内多家高精度组合定位企业都推出了 P-Box，一些供应商已实现了数十万套前装量产。

对于希望能够快速部署并量产智能驾驶的车企来说，P-Box 仍是当下的最优性价比之选。即便贴片式模组方案已渐成趋势，具备丰富量产经验的供应商也更能在产品性价比、稳定性方面提供更多保证。

汽车智能化发展迅速，各种新型零部件、方案纷至沓来，车企和供应商们既要以合理成本推动智能驾驶加速普及，又必须守卫系统与零部件的安全底线。