L4 級自動駕駛（根據 SAE 標準，屬于 “高度自動化”）的核心是系統在特定場景下（如城市道路、高速路）可完全自主完成駕駛任務，無需駕駛員干預，且在系統失效時能自動實現安全降級。其硬件架構需滿足 “全場景感知、高可靠決策、冗余執行、零單點故障” 四大核心要求，與 L2 級相比，在傳感器配置、算力規模、冗余設計等維度有質的躍升。以下從核心模塊展開詳細說明：
一、感知層：全場景無死角的 “超視距感知”
L4 需應對復雜動態環境（如行人橫穿、突發加塞、施工路段），感知層需通過 “多模態、高冗余、高精度” 傳感器組合，實現 360° 無死角環境建模，同時覆蓋 “短距精細感知 + 中長距預判”。
1. 核心傳感器配置及作用
- 激光雷達（LiDAR）：核心感知源
L4 級依賴激光雷達提供高精度三維點云（測距精度 ±2cm），是 “厘米級環境建模” 的核心。
- 數量與布局：通常 5-12 顆，形成 “分層覆蓋”：
- 車頂主激光雷達（1-2 顆）：長距（200-300 米）、大視場（FOV 120°-150°），如 128 線或更高線數，負責遠距離障礙物（如對向車輛、遠處行人）和道路結構（如護欄、隔離帶）的探測；
- 車身四周激光雷達（4-8 顆）：中短距（50-100 米）、窄視場（FOV 60°-90°），補盲覆蓋車輛側方、后方，避免視覺盲區（如車輛 A 柱遮擋區域）；
- 艙內激光雷達（可選）：用于監測駕駛員狀態（如是否脫離監控，但 L4 無需駕駛員接管，更多用于冗余校驗）。
- 優勢：不受光照 / 天氣影響（雨雪霧天性能衰減＜20%），可直接輸出三維坐標，支持靜態 / 動態物體的精確區分。
- 成本：單顆車規級激光雷達（如速騰 RoboSense、禾賽 Hesai）成本約 1000-3000 美元，多顆配置使感知層成本占比達 30%-40%。
- 數量與布局：通常 5-12 顆，形成 “分層覆蓋”：
- 攝像頭：語義理解增強
需與激光雷達形成 “點云 + 圖像” 融合，彌補激光雷達語義識別能力的不足（如無法直接識別交通信號燈顏色、文字標識）。
- 數量與參數：8-12 顆，覆蓋前向、側前、側后、后視：
- 前向主攝像頭：400 萬 - 800 萬像素，FOV 90°-120°，幀率 30-60fps，支持 HDR（高動態范圍），應對逆光、強光場景；
- 側視 / 后視攝像頭：200 萬 - 400 萬像素，FOV 100°-140°，重點識別側方來車、車道線、路邊行人。
- 作用：通過深度學習模型識別交通信號燈（紅 / 黃 / 綠）、交通標識（限速、禁止左轉）、車道線類型（實線 / 虛線）、物體類別（行人 / 自行車 / 貨車）等語義信息，與激光雷達點云匹配后生成 “帶語義標簽的三維環境模型”。
- 數量與參數：8-12 顆，覆蓋前向、側前、側后、后視：
- 4D 毫米波雷達：惡劣環境冗余
相比 L2 級的傳統毫米波雷達，L4 采用4D 雷達（新增 “高度” 維度），作為激光雷達和攝像頭的冗余補充。
- 數量與性能：4-6 顆（前向 1 顆 + 四角各 1 顆），測距 150-200 米，角分辨率＜1°（傳統雷達為 3°-5°），可區分相鄰車輛、護欄與行人。
- 優勢：在暴雨、大霧、沙塵暴等極端天氣下（激光雷達點云可能被遮擋），仍能穩定輸出障礙物的距離、速度、方位角和高度，確保感知不中斷。
- 超聲波雷達：低速場景兜底
數量 12-16 顆，分布于車身前后保險杠及側裙，測距 0.1-8 米（比 L2 級更遠），用于泊車、低速跟車（如擁堵路況）時的近距離障礙物探測（如路沿石、低矮物體），作為激光雷達的近距補盲。
- 高精定位模塊：厘米級自身定位
L4 需結合 “衛星定位 + 慣性導航 + 輪速里程計” 實現自身位置的厘米級定位（誤差＜50cm），是與高精地圖匹配的前提。
- 核心組件：
- 多模 GNSS 接收機（支持 GPS、北斗、GLONASS、Galileo），搭配 RTK（實時動態差分）和 PPK（后處理差分），消除衛星信號誤差；
- IMU（慣性測量單元）：6 軸（3 軸加速度 + 3 軸角速度），在隧道、高樓遮擋等 GNSS 失效場景下，通過慣性推算維持定位（持續時間＜30 秒）；
- 輪速傳感器 + 轉向角傳感器：提供車輛運動狀態（車速、轉向角度），輔助修正定位漂移。
- 核心組件：
2. 感知層硬件融合設計
- 時間同步：所有傳感器需通過 PTP（精確時間協議）或硬件觸發同步，時間誤差＜1ms（確保點云、圖像、雷達數據對應同一時刻的環境）；
- 空間標定：通過出廠校準 + 在線動態校準，確保不同傳感器的坐標系統一（誤差＜5cm），避免融合時出現位置偏移；
- 接口帶寬：激光雷達點云（單顆 128 線雷達每秒產生 200 萬點，數據量約 100Mbps）、高清攝像頭視頻流（單路 400 萬像素 30fps 約 50Mbps）需通過車載以太網（10Gbps）并行傳輸，避免帶寬瓶頸。
二、計算平臺：高冗余、高算力的 “雙腦決策”
L4 的決策需處理海量傳感器數據（單輛車每秒數據量達 1-2GB），同時運行復雜算法（如實時路徑規劃、多智能體交互預測、高精地圖匹配），且需應對單點故障（如芯片宕機），因此計算平臺采用 “主備雙冗余” 架構。
1. 核心硬件組成
- 主計算單元（Primary ECU）
- 算力需求：500-2000 TOPS（萬億次 / 秒），需支持并行處理激光雷達點云分割、攝像頭圖像識別、多傳感器融合、路徑規劃等任務。
- 芯片方案：多顆車規級高算力 SoC 協同，如：
- 英偉達 Orin-X（單顆 254 TOPS，多顆級聯可達 1000+ TOPS）；
- 特斯拉 HW4.0（雙芯片合計約 500 TOPS，搭配自研神經網絡加速器）；
- 華為 MDC 610（500 TOPS）、Mobileye EyeQ6（500+ TOPS）。
- 架構：異構計算（CPU 負責邏輯控制、GPU/NPU 負責深度學習、FPGA 負責實時信號處理），支持算法動態加載（如場景化模型切換）。
- 備計算單元（Secondary ECU）
與主計算單元硬件同源（同型號芯片、同配置），獨立供電、獨立通信，實時接收相同的傳感器數據并同步運行決策算法。
- 作用：當主計算單元失效（如芯片過熱、軟件崩潰）時，備計算單元在 50ms 內接管控制權限，確保系統不中斷；
- 校驗機制：主備單元實時對比決策結果（如目標列表、控制指令），若偏差超過閾值（如轉向角度差＞1°），觸發故障診斷并切換至安全模式。
- 存儲模塊
- DRAM：LPDDR5，容量 32-128GB（緩存實時傳感器數據、算法中間結果）；
- 高速 SSD：容量 1-4TB，存儲高精地圖片段（本地緩存 5-10 公里范圍）、傳感器原始數據（用于事后復盤）、算法模型（支持 OTA 升級）；
- 非易失性存儲（NVM）：存儲關鍵配置參數（如傳感器標定數據），確保斷電后不丟失。
2. 車規級與安全性設計
- 環境適應性：需通過 - 40℃~105℃寬溫測試（比 L2 級更嚴苛）、振動（20-2000Hz，加速度 20G）、沖擊（5000G）測試，適應復雜路況；
- 電磁兼容（EMC）：滿足 ISO 11452-2 標準，抗干擾能力提升 10 倍（避免被其他車載電子或外界射頻信號干擾）；
- 功能安全：符合 ISO 26262 ASIL D 級（最高安全等級），硬件層面集成安全島（Safety Island），確保關鍵控制指令不被惡意篡改。
三、執行層：線控冗余的 “零故障執行”
L4 需將決策指令（如轉向角度、制動壓力、加速扭矩）精確轉化為車輛動作，且在單一執行器失效時仍能安全控制車輛，因此執行層必須采用全冗余線控系統（無機械備份，依賴電子冗余）。
1. 核心執行器及冗余設計
- 線控轉向（SBW）
- 架構：雙電機、雙 ECU（電子控制單元）、雙傳感器（角度傳感器），獨立供電回路；
- 性能：轉向角度控制精度 ±0.1°，響應延遲＜100ms，支持 0-100km/h 全車速范圍的連續轉向（如緊急避讓時的快速變道）；
- 冗余機制：單電機失效時，另一電機可輸出 70% 以上扭矩，確保轉向功能不丟失；雙 ECU 實時對比指令，偏差超閾值時觸發安全模式（如減速至停車）。
- 線控制動（BBW）
- 架構：雙液壓泵、雙壓力傳感器、雙 ECU，無機械備份（徹底取消真空助力器）；
- 性能：制動壓力調節精度 ±1bar，支持 0.1-10m/s2 的連續加速度控制（從緩剎到急剎無縫切換）；
- 冗余機制：單泵失效時，另一泵可提供 80% 制動效能；壓力傳感器交叉校驗，避免誤判。
- 線控驅動（DBW）
- 針對電動車：雙電機（前后軸獨立驅動）、雙電機控制器，支持扭矩獨立分配；
- 針對燃油車：電子節氣門 + 雙執行器（冗余電機控制節氣門開度）；
- 性能：扭矩控制精度 ±5N?m，響應延遲＜50ms，支持蠕行、巡航、急加速等場景；
- 冗余機制：單電機 / 執行器失效時，另一套系統可維持 60% 以上動力輸出（確保車輛能行駛至安全區域）。
四、通信與電源：高可靠的 “神經與血管”
L4 的通信與電源系統需支撐 “高帶寬、低延遲、零中斷” 的硬件協同，是冗余架構的基礎。
1. 通信網絡
- 主干網：車載以太網（10Gbps TSN）
采用時間敏感網絡（TSN），支持：
- 帶寬：10Gbps，滿足多激光雷達、高清攝像頭的并行數據傳輸；
- 延遲：傳感器數據傳輸延遲＜20ms，控制指令傳輸延遲＜10ms；
- 確定性：通過時間分片調度，確保關鍵信號（如制動指令）不被非關鍵數據（如娛樂系統信息）阻塞。
- 輔助網絡：CAN FD 與 LIN
- CAN FD（速率 8-64Mbps）：連接執行器與計算平臺，傳輸控制指令和狀態反饋（如轉向角度、制動壓力）；
- LIN（速率 20kbps）：連接低速率設備（如燈光、雨刮），用于非安全相關的輔助控制。
- V2X 通信模塊（可選）
部分 L4 系統配備 C-V2X（蜂窩車聯網）或 DSRC（專用短程通信）模塊，與其他車輛（V2V）、基礎設施（V2I）交互，獲取超視距信息（如前方 2 公里處的事故預警），作為感知層的補充。
2. 電源管理
- 冗余供電架構
- 雙蓄電池（12V+48V）：主蓄電池為計算平臺、傳感器供電，備蓄電池獨立為執行器供電；
- 雙 DC-DC 轉換器：將高壓電池（如電動車的 400V/800V）轉換為 12V/5V，確保低壓供電不中斷；
- 電源監控：實時監測電壓、電流，單路電源異常時 0.5 秒內切換至備用回路。
- 熱管理
計算平臺（功耗 50-100W）和激光雷達（單顆功耗 10-20W）發熱量大，需液冷散熱系統（流量 2-5L/min），確保核心部件溫度＜85℃（避免性能降頻）。
五、核心設計原則：冗余與安全的 “終極目標”
L4 硬件架構的所有設計均圍繞 “零單點故障” 展開，總結為三大原則：
- 傳感器冗余：關鍵視角（如前向、側方）至少 2 種不同類型傳感器覆蓋（如激光雷達 + 攝像頭 + 4D 雷達），避免單一傳感器失效導致感知盲區；
- 計算冗余：主備雙計算單元獨立運行、實時校驗，確保決策不中斷；
- 執行冗余：線控轉向 / 制動 / 驅動均采用雙回路設計，單一組件失效時仍能維持核心功能。
總結：L4 與 L2 硬件架構的核心差異
| 維度 | L2 級架構 | L4 級架構 |
|---|---|---|
| 感知核心 | 攝像頭 + 毫米波雷達（低成本融合） | 激光雷達 + 4D 雷達 + 高清攝像頭（高冗余） |
| 算力需求 | 20-50 TOPS | 500-2000 TOPS（雙冗余） |
| 執行系統 | 半線控（機械備份為主） | 全冗余線控（無機械備份） |
| 安全等級 | ISO 26262 ASIL B/C | ISO 26262 ASIL D（最高） |
| 成本占比 | 整車成本 5%-10% | 整車成本 30%-50%（高端方案） |
L4 級硬件架構是自動駕駛從 “輔助” 走向 “替代人類” 的核心支撐，其復雜性和成本均遠高于 L2，但通過冗余設計和高性能硬件，為 “全場景自主駕駛” 提供了物理基礎。
