车载HMI OS和应用发展和趋势

1、前言

之前一直在做Android开发，从近几年行业表现可以看出来，移动设备开发这两年进入了平稳期。这主要是因为移动设备软件和硬件都没有革命性创新。在新的革命性替代产品之前，移动开发仍会平稳走下去，但再也不会像曾经那么火爆。

今年有机会开始做IoT相关的工作，也开始关注车载中控，这篇算是一个科普性质的知识整理。

这些年包括5G、大数据、云计算、AI等基础技术的发展，给汽车这个领域的发展也提供了更多可能。除了比硬件外，最近车厂开始把车载软件作为宣传点。软件方面大概两个方向，驾驶辅助和中控。驾驶辅助这类功能，技术投入大产出慢，属于高端功能。借助移动设备的发展，中控软硬件成本相对较低，投入产出高，已经是汽车标配。

2、主流OS

中控的软件，OS是核心。了解OS首先得了解OS的硬件环境：

传统汽车电子产品大概分两类：一类是车载电子设备，如仪表，音响、导航和空调等等，这类不直接参与汽车行驶的控制，不会影响车辆行驶性能和安全的，统称为车载娱乐信息系统（In-Vehicle Infotainment, IVI）。

另一类是电子控制装置，控制车辆运动，还有安全防护，控制发动机，变速箱，电池等这些车辆部件协同工作，这类统称为电子控制单元（ElectronicControl Unit, ECU）。常见的ECU包括EMS发动机电控系统，ABS制动防抱死系统，新能源汽车电池管理系统BMS等。

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一个比较典型的车载系统的架构大概是这样的，大概分三部分：娱乐信息系统、网关和电子控制系统。

网关系统：TelematicsBOX，网关作为车载OS的中转系统，负责两部分系统的通信，以及车机与外部的通信，比如车联网的平台服务，以及移动端的车主APP指令和信息转发。

车载娱乐信息系统，最早的收音机/CD播放器通过专用的音频解码芯片就能实现，后来触摸屏代替播放器开关、调节按钮，后来又有了蓝牙电话功能、地图导航、倒车雷达/影像，相应要用的主CPU数据处理能力也逐步增强。

相比IVI，电控系统需要响应更多的输入输出信号，任务调度更加复杂；另外电控系统直接参与车辆行驶的管理，系统可靠性和实时性要求更高，因此应用于ECU的嵌入式操作系统比IVI操作系统有更严苛的技术指标。

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目前在车载OS的领域里，主要的参与者大概分两类：车厂和技术公司，车厂肯定是主导。老牌的车厂（更谨慎一点，安全大于技术，成本和时间压力）、新近的电动车厂（更积极一点，可能为了吸引注意力）、科技公司（软件为主：以数据和内容见长，打造平台/生态，没有控制权、量产）、方案公司（供应链优势，与芯片、设备制造商等上下游公司联系更紧密）。图上的内容随时间肯定会有变化，仅供参考。

车载IVI系统目前应用比较广泛的有QNX、Linux （私有Linux和开源Linux）和Android，稍后细说。ECU一般使用的嵌入式设备常用的实时操作系统RTOS，这类比较多，比如QNX就是常用的一种。下面介绍一下目前主流的系统：

1. QNX

黑莓全资子公司，全世界第一个实时操作系统公司。为汽车、通信、网络、医疗、国防、航空航天、工业自动化等细分市场提供操作系统和软件解决方案。
QNX以其安全性和实时性著称，突破口是汽车的仪表（Cluster）。QNX在车载底层操作系统（ECU OS）的市场份额超过60%。全球90%以上的车厂都和QNX合作，包括国内新晋的电动车厂。

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这是QNX汽车平台的架构，大家可以了解到相关的技术。底层是他的RTOS，本身框架支持Qt、JS，QNX是可以跑Android APP的，大家应该听说过黑莓曾经推出过支持Android APP的手机。

2. Linux

大多数老牌车厂是基于Linux Kernel裁剪和配置，然后加上自己设计的UI，作为车载操作系统 ，比如宝马的MBUX。开源的比如Automotive Grade Linux。因为Linux的稳定性更好，成熟度高。但普及范围小和开发难度大，限制了它在车载导航和车载娱乐上的发展。随着车联网、ADAS的发展，对可靠性以及网络设计的需求，也许会给Linux更多机会。

3. Android

2014年4.4发布，因为RAM优化，实时性和稳定性大幅提升后，才开始用到车机上。开始各种定制，前装和后装都有，比如吉利子公司亿客通定制的GKUI，感觉就是Android平板的样子。特别要强调一下的是Android Automotive OS，这是2019年Google IO上发布的，搭载在沃尔沃PoleStar2的系统，目前AOSP主线已经开源。

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这个Android的架构图，Android生态之所以这么繁荣，主要原因是开源免费，给制造商更多的自由。这应该也是Android更容易放到车机的原因。

QNX因为电控系统的优势，所以仍然保持很高的市场占用率，但是商用要授权。Linux更多是车厂订制，一般是有实力的大厂，比如Tesla，Android比Linux的优势在UI和生态，比QNX的优势是免费开源随便改。劣势是可靠性不足，所以多数只放在中控上。

3、 应用发展

车载OS的应用和技术现状，1996年通用发布OnStar，大概是车联网第一次发布。

1. 过去这20多年，随着互联网的发展，虽然车载上的应用功能越来越丰富了，但FM、音乐、导航这些仍然是其中最重要最基础的功能。有人说如果不是汽车，广播可能早就没了，现在汽车以外的人还有谁会听FM。个人主要用导航和蓝牙播放音乐。感受下历史：

1. 1930第一个车载广播(摩托罗拉)
2. 1966年出现盒式磁带播放器(福特)，1983丰田和富士通制作了第一个车载CD播放器。
3. 卫星导航：80年代早期出现了车载导航，GPS在2000年前后开放民用。

2. 2007年iPhone问世，过去这10多年，智能手机蓬勃发展，为了扩展手机应用场景，充分利用中控屏幕，出现了手机和中控互联的各种方法。Android Auto与Android手机互联、Apple Car Play，百度的Car Life同时支持iOS和Android手机，全是在(2014年)，通过这种连接和共享技术，用户可以在手机和车机两端进行操作。还有一类技术，单纯用来投影，比如多数Android手机内置的Miracast基于WifiDirect。而且从实际情况来看，手机连接也变成了车机的一项必备功能。这类功能一般是需要通过数据线和车机相连，然后就可以在车机上看到应用专为车机设计的UI。

3. 车载的场景里，交互方式相对手机发生了很大变化，传统的车辆，通过按键旋钮来控制FM和音乐，近几年出现了触摸屏和语音指令这些输入方式。

   1. 按键功能是机械的，确定的，不需思考，语音可以减少手部动作，降低行驶中操作的危险性，复杂指令支持不太好，多轮对话也会分散注意力，所以只适用于简单指令。
   2. 触摸屏的出现允许车机通过OTA获得新功能，比如Tesla把所有功能都放到屏幕，用屏幕控制”一切“，另一方面马自达CEO说基于安全的考虑，要去掉触摸屏，最新的车上也证实了这一点。
   3. 输出设备除了传统的扬声器和常规的屏幕，最近又出现各种各样的车内屏幕组合，比如是国内厂商理想的车内设计，有多个屏幕在驾驶位、副驾驶、中控等，而且有专门的输入屏，还有国内拜腾的48寸超大屏。多个屏幕的设计看起来是种趋势。
   4. 下面这个是HUD，把导航或其他信息投影到前挡风玻璃。
   5. 总结下来各种设计都是在功能和安全之间做平衡

4、趋势

从移动开发出发，看一下有什么机会，毕竟类似的技术栈更容易迁移。

1. 对移动开发最简单的切入方式，就是通过手机和车机互联，扩展手机APP的应用场景，也就是手机APP的车载模式，比如Android Auto和Car Play或者CarLife的支持，另外就是考虑投影情况下APP的UI适配。看一下SDK和文档就可以搞了，毕竟另外开发一个车机版的APP代价还是比较大的。
2. 虽然都是Android，但是因为使用场景的变化（由手机到车载），比如从手机的竖屏到横屏显示，屏幕变大，还有超大分区显示的屏幕。所以为车机写APP，不是简单地照搬手机，要考虑到新的交互方式：语音、投影这些。
   1. 在做中控设计的时候发现，手机的APP很多不支持横屏，也没有专门为车载设计新应用，不过最近微信已经发布车载版，看来也是趋势了。
   2. 目前机会主要是在Android APP开发，(跨平台开发是不是可以派上用场了)，比如GKUI、DiLink这些开放平台大家可以了解一下，另一个就是Android Automotive OS可能会在国外称为主流，国内受到政策等原因，应用还是类似手机版Android的命运。
   3. 中控应用想要繁荣，安全的交互方式是一个大前提，不然仍然只是一个显示设备。智能驾驶成熟的时候，在中控玩游戏也可以，但是在此之前肯定还是有一个时间段，需要不断提升驾驶时使用中控的安全性。
3. 2019年4月发布的高德智能车机版天猫精灵，是一个外设，搭配一个行车记录仪，连到中控屏就可以直接使用了，这种独立外设，生态发展很重要。汽车厂设计的多屏互动和输入输出分离这样的交互，都需要系统级的定制才能实现。
4. Tesla和蔚来发生的车辆自燃，大家应该听说了，主要问题都在电池(据说汽油车自燃概率更高，只是没人关注)，Tesla通过OTA升级修复BMS的bug，蔚来说是碰撞导致的电池硬件发生问题，但是电池问题为什么没有提醒用户。车载软件复杂了以后，最重要是安全，可以说安全到达就是绝大多数汽车用户的目标，车辆对于驾驶者或者乘客的安全至关重要。手机死机了多数情况影响不大，但是汽车故障可能直接危及生命，所以这方面需要车载OS本身内建的安全（入侵检测、防火墙等）和稳定性。最终肯定是车厂和上下游的参与者（内容提供商、数据提供商、技术提供商、芯片提供商）共同合作，形成行业标准。