汽車智能座艙內(nèi)部的“傳感之道”

上面描述的兩句話，是一般消費(fèi)者對(duì)于汽車智能化這一趨勢(shì)最為直觀的感受，這也解釋了汽車智能座艙技術(shù)市場(chǎng)近幾年火爆的真實(shí)原因。從單純的駕駛工具，到人們生活的“第三空間”，汽車在定位上的轉(zhuǎn)變也催生了智能座艙這一概念的誕生與快速發(fā)展。在全新的智能化汽車中，座艙這一空間已經(jīng)初步具備了思考學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、情緒感知等擬人化功能，能夠?yàn)轳{駛者與乘客提供更加多元化的用車體驗(yàn)。

那么，什么才是真正的“智能座艙”呢？關(guān)于這一概念，其實(shí)業(yè)界也沒有一個(gè)明確的定論，可以說，智能座艙的形態(tài)是伴隨著消費(fèi)者需求的變化不斷發(fā)生改變的。從硬件上來說，智能座艙系統(tǒng)是以座艙域控制器為核心，以顯示屏、HMI（人機(jī)交互）、座艙聲學(xué)、視覺追蹤等多個(gè)部件共同組成的，其中包含大量感知與AI 技術(shù)的集中運(yùn)用。

“感知、理解與表達(dá)”將是未來智能座艙系統(tǒng)重要的三大發(fā)展方向。在近日艾邁斯半導(dǎo)體（ams）與歐司朗（OSRAM）舉辦的《汽車智能駕艙傳感》在線技術(shù)研討會(huì)上，光電半導(dǎo)體傳感事業(yè)部市場(chǎng)經(jīng)理涂少碧詳細(xì)闡述了汽車智能座艙中感知系統(tǒng)的原理及應(yīng)用。

圖1 人眼與CMOS攝像頭感光波長(zhǎng)對(duì)比

1   感知即安全——車載駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）

有研究表明，超過六成的交通事故是由于駕駛員注意力分散或疲勞駕駛所導(dǎo)致，其中追尾事故的占比更為恐怖，高達(dá)94%。為了確保行駛安全，智能座艙中的一大重要系統(tǒng)——駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（driver monitoring system）應(yīng)運(yùn)而生。

DMS 系統(tǒng)是一種汽車安全系統(tǒng)，是豐田于2006年首次為其雷克薩斯（Lexus）新車型推出的。該系統(tǒng)包括一個(gè)攝像頭，位于轉(zhuǎn)向柱上，可以通過紅外攝像機(jī)進(jìn)行眼球跟蹤或面部識(shí)別。如果駕駛員沒有注意前方道路且檢測(cè)到危險(xiǎn)情況，系統(tǒng)將通過閃光燈和警告聲警告駕駛員。如果不采取任何措施，車輛將制動(dòng)（警報(bào)響起，然后短暫自動(dòng)制動(dòng)）。

DMS 系統(tǒng)內(nèi)部集成了多種技術(shù)，包括頭部追蹤、眼動(dòng)追蹤、駕駛員識(shí)別、疲勞駕駛檢測(cè)、視線追蹤/分神提醒等。從工作原理上講，DMS 系統(tǒng)是通過攝像頭獲取圖像，采用圖像識(shí)別技術(shù)與算法分析能力對(duì)駕駛員的駕駛行為及生理狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。常見的紅外攝像頭光源波長(zhǎng)為850 nm 和940 nm，目前的智能汽車DMS系統(tǒng)主要采用940 nm 波長(zhǎng)的紅外攝像頭光源（如圖1）。

采用940 nm 波長(zhǎng)的主要原因在于：

●   陽光直射會(huì)干擾采用紅外光線的DMS 相機(jī)操作；

●   940 nm 紅外光源可吸收H2O，從而更好地抑制周圍的陽光（如圖2）；

圖2 940 nm紅外光源可吸收H2O更好地抑制周圍陽光

●   （900~1 000）nm 之間的太陽總輻照度在60 W/m2的范圍內(nèi)（如果陽光直射駕駛員的臉）；

●   相機(jī)前面的附加帶通濾光片可以進(jìn)一步改善對(duì)陽光的抑制。

艾邁斯半導(dǎo)體與歐司朗在DMS 應(yīng)用中的有IRLED 和VCSEL 兩種發(fā)射器供客戶選擇（如圖3），這兩種方案各有優(yōu)勢(shì)?？蛻艨梢愿鶕?jù)研發(fā)需求進(jìn)行選擇。

IRLED產(chǎn)品

VCSEL產(chǎn)品

圖3 IRLED和VCSEL的外觀

作為940 nm 紅外組件中非常具有代表性的一款產(chǎn)品，SFH 4180S A01 IRED組件的尺寸為1.6 mm×1.6 mm，封裝高度為0.81 mm，非常適用于內(nèi)部空間狹小的交互式汽車應(yīng)用。該組件在電流為1 A 時(shí)，直流功率為1.15 W 條件下，開關(guān)非?？?，只需10 ns，既適用于攝像頭應(yīng)用的恒定光源，也適用于調(diào)制或快速脈沖光的3D 圖像采集功能。艾邁斯半導(dǎo)體與歐司朗還針對(duì)性地推出SFH 4181S A01 的透鏡版本SFH4181S A01，將在未來全面量產(chǎn)。

艾邁斯半導(dǎo)體與歐司朗的VCSEL 940 nm 紅外激光器TARA2000 在性能方面也有優(yōu)勢(shì)：超窄的波長(zhǎng)輸出可在DMS 接收端使用窄帶濾波，效率更高，抗陽光干擾更強(qiáng)，散熱性能更好。其瞬態(tài)功率可達(dá)4 W，且保證高照度和良好的均勻度。在模塊層面，只需要使用一顆器件，具有小型化優(yōu)勢(shì)，可植入汽車A 柱等對(duì)模塊體積較敏感的位置。應(yīng)用方面，可以使DMS 同時(shí)擁有狀態(tài)監(jiān)測(cè)和人臉識(shí)別多種功能。

人眼安全也是個(gè)重要的課題，尤其是在夜視場(chǎng)景下，過于靠近人眼的紅外光源監(jiān)測(cè)容易造成傷害。在某些場(chǎng)景中，DMS系統(tǒng)攝像頭光源可能會(huì)被雜物遮擋，通過距離檢測(cè)、1D TOF 以及接近傳感器等產(chǎn)品與解決方案，可以有效保證DMS 系統(tǒng)良好運(yùn)行。

2   感知即控制——手勢(shì)識(shí)別

一直以來，人機(jī)交互都是智能駕艙技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，從實(shí)體按鍵發(fā)展到觸屏控制，再到如今的語音控制等方式。雖然車內(nèi)人機(jī)交互方式一直在更迭，但其遵從的邏輯卻是亙古不變的，那就是如何讓駕駛員的操作更加方便和安全。手勢(shì)控制這一全新技術(shù)正在迅速崛起，成為一種讓大眾期待的車內(nèi)人機(jī)交互方式。

在研討會(huì)中， 涂少碧列舉了德國(guó)艾爾默斯半導(dǎo)體公司（ELMOS）推出的手勢(shì)控制解決方案LCE909.06（如圖4）。該方案能實(shí)現(xiàn)非接觸式手勢(shì)識(shí)別與控制，方案采用多款ams OSRAM 的產(chǎn)品，如外部IR-LED SFH4258、補(bǔ)償發(fā)射器SFH4254 及PD 檢測(cè)器SFH2400FA。

圖4 ELMOS推出的手勢(shì)控制解決方案

3   感知即收集——雨水與環(huán)境光傳感器

在雨水與環(huán)境光傳感器領(lǐng)域，艾邁斯半導(dǎo)體與歐司朗擁有強(qiáng)大的市場(chǎng)占有率和產(chǎn)品實(shí)力（如圖5）。該公司是lR-LED 和雨量傳感器用檢測(cè)器的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，市場(chǎng)份額超過60％，同時(shí)，公司還與大多數(shù)Tier1 有著非常良好的合作關(guān)系。隨著汽車小型化趨勢(shì)愈演愈烈，其應(yīng)用于消費(fèi)電子的超小型高精度屏下傳感器也將在車載領(lǐng)域呈現(xiàn)非常光明的未來。

圖5 OSRAM雨水與環(huán)境光傳感器主要產(chǎn)品一覽

4   感知即體驗(yàn)——環(huán)境光傳感器（ALS）呈現(xiàn)最佳視覺

未來的汽車駕駛艙中，智能助手、多屏互動(dòng)、座艙監(jiān)控、生物識(shí)別等新功能正在改變下一代新車的座艙布局。艾邁斯半導(dǎo)體與歐司朗可以全面提供未來汽車內(nèi)部所需的關(guān)鍵技術(shù)，如用于手勢(shì)控制、駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)和車內(nèi)監(jiān)控的IRED、VCSEL 發(fā)射器和傳感器元器件；用于內(nèi)部智能照明的LED；用于動(dòng)態(tài)顯示屏亮度調(diào)整的環(huán)境光傳感器；用于下一代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型平視顯示器的EEL。所有這些都旨在改善駕駛員和乘客的體驗(yàn)。

例如，中控多媒體顯示屏采用環(huán)境光傳感器（ALS）能夠更好地還原真實(shí)色彩，給與用戶最佳的視覺感受。

艾邁斯半導(dǎo)體與歐司朗的環(huán)境光傳感器AS7350 可以通過光譜重建識(shí)別光源，準(zhǔn)確識(shí)別環(huán)境光條件，在各種光照條件下都能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)出色、精準(zhǔn)的白平衡，即使在色彩反差極大的環(huán)境下，也能提供準(zhǔn)確的光源信息，保證出色的圖像質(zhì)量。

此外，艾邁斯半導(dǎo)體與歐司朗的顏色傳感器內(nèi)置濾波器，可以阻擋可見光譜范圍內(nèi)的無用紅外光，從而實(shí)現(xiàn)高度精確的顏色測(cè)量。高靈敏度結(jié)合寬動(dòng)態(tài)范圍，使其非常適合顯示管理系統(tǒng)中環(huán)境光的連續(xù)色溫測(cè)量，以及攝像頭應(yīng)用中的自動(dòng)白平衡輔助。

5   結(jié)束語

智始于知，汽車的智慧開啟于感知，而后才會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)乃至自主操作和控制。“傳感即生活”，在汽車智能化的道路上，艾邁斯半導(dǎo)體與歐司朗將利用領(lǐng)先的技術(shù)闡釋智能座艙的“傳感之道”。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年6月期）