揭秘ADAS系統(tǒng)中核心傳感器技術(shù)深度解析

交通安全是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)--每年有 110 多萬(wàn)人因道路交通事故喪生1，另有約2000萬(wàn)到5000萬(wàn)人受傷。

造成這些事故的一個(gè)主要原因是駕駛員失誤2。汽車制造商和政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)一直在尋找提高安全性的方法，近年來(lái)，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）在幫助減少道路傷亡方面取得了巨大進(jìn)步。

在本文中，我們將探討 ADAS 在提高道路安全方面的作用，以及各種對(duì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)至關(guān)重要的傳感器技術(shù)。

ADAS 的演變和重要性

自上世紀(jì) 70 年代首次引入防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）以來(lái)，ADAS 技術(shù)在乘用車中的應(yīng)用穩(wěn)步增加，安全性也相應(yīng)提高。據(jù)美國(guó)國(guó)家安全委員會(huì)（NSC）估計(jì)，僅在美國(guó)，ADAS就有可能避免約62%的交通死亡事故，每年可挽救超過(guò)20,000人的生命3。近年來(lái)，自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）和前撞預(yù)警（FCW）等ADAS功能已變得越來(lái)越普及，超過(guò)四分之一的車輛都配備了這些功能，以幫助駕駛員預(yù)防事故并最終挽救生命。

ADAS 需要多種技術(shù)協(xié)同工作。一套感知套件充當(dāng)系統(tǒng)的“眼睛”，檢測(cè)車輛周圍環(huán)境并為系統(tǒng)的 “大腦 ”提供數(shù)據(jù)，后者利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算出車輛的執(zhí)行決策，以輔助駕駛員——例如，當(dāng)檢測(cè)到前方有車輛且駕駛員未踩下剎車時(shí)，AEB會(huì)自動(dòng)剎車，使車輛及時(shí)停下，避免追尾碰撞。

ADAS 感知套件由一個(gè)視覺系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)包括一個(gè)車規(guī)級(jí)攝像頭，其核心是一個(gè)高性能圖像傳感器，可捕捉車輛周圍環(huán)境的視頻流，用于檢測(cè)車輛、行人、交通標(biāo)志等，在低速行駛和停車情況下顯示這些圖像以輔助駕駛員。

攝像頭通常與毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)（LiDAR）或超聲波傳感器等深度感知系統(tǒng)匹配應(yīng)用，這些傳感器提供深度信息以增強(qiáng)攝像頭的二維圖像，增加冗余度并消除物體距離測(cè)量的模糊性。

對(duì)于汽車制造商及其一級(jí)系統(tǒng)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，實(shí)施 ADAS 系統(tǒng)可能是一個(gè)挑戰(zhàn)：處理多個(gè)傳感器產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)的處理能力有限，而且傳感器本身也有性能限制。汽車行業(yè)的要求決定了每個(gè)組件都必須具有極高的可靠性，不僅包括硬件，還包括相關(guān)的軟件算法，因此需要進(jìn)行大量測(cè)試以確保安全。系統(tǒng)還必須在最惡劣的照明和天氣條件下保持穩(wěn)定的性能，能夠應(yīng)對(duì)極端溫度，并在整個(gè)車輛生命周期內(nèi)可靠運(yùn)行。

ADAS 系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳感器技術(shù)

現(xiàn)在讓我們來(lái)詳細(xì)了解一下 ADAS 中使用的一些關(guān)鍵傳感器技術(shù)，包括圖像傳感器、激光雷達(dá)（LiDAR）和超聲波傳感器。每種傳感器都會(huì)提供特定類型的數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將這些數(shù)據(jù)相互結(jié)合，從而生成對(duì)環(huán)境的準(zhǔn)確而全面的了解。

這一過(guò)程被稱為傳感器融合，它可以通過(guò)多種傳感器模式的冗余來(lái)提高軟件感知算法的準(zhǔn)確性和可靠性，從而通過(guò)更高的置信度決策實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的安全。這些多傳感器套件的復(fù)雜性可能會(huì)迅速上升，算法需要越來(lái)越強(qiáng)大的處理能力。與此同時(shí)，傳感器本身也在變得越來(lái)越先進(jìn)，從而可以在傳感器級(jí)而不是在中央 ADAS 處理器上進(jìn)行本地處理。

汽車圖像傳感器

圖像傳感器是車輛的 “眼睛”--可以說(shuō)是任何配備 ADAS 的車輛中最重要的傳感器類型。從自動(dòng)緊急制動(dòng)、前方碰撞預(yù)警和車道偏離警告等 “機(jī)器視覺 ”駕駛輔助功能，到用于泊車輔助的 360 度環(huán)視攝像頭和用于電子后視鏡的攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)等 “人類視角 ”功能，再到可檢測(cè)到分心或疲勞的駕駛員并發(fā)出警報(bào)以防止事故發(fā)生的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，圖像傳感器提供的圖像數(shù)據(jù)可用于實(shí)現(xiàn)各種 ADAS 功能。

安森美提供包括 Hyperlux 系列在內(nèi)的各種圖像傳感器，這些傳感器以低功耗提供出色的圖像質(zhì)量。Hyperlux 傳感器像素架構(gòu)包括創(chuàng)新的超級(jí)曝光成像方案，可通過(guò) LED 閃爍緩解 (LFM) 捕獲高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR) 幀，克服了 LED 前后車燈或 LED 交通標(biāo)志因?yàn)槊}沖頻閃造成的誤讀問(wèn)題。

Hyperlux圖像傳感器設(shè)計(jì)用于應(yīng)對(duì)具有挑戰(zhàn)性的汽車場(chǎng)景條件，例如在高架橋上方的直射陽(yáng)光下，能夠捕捉高達(dá)150分貝（dB）的動(dòng)態(tài)范圍。配備Hyperlux圖像傳感器的攝像頭在處理極端情況時(shí)的表現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于人眼，在遠(yuǎn)低于1 lux的光照水平下也能正常工作。

安森美的 Hyperlux 圖像傳感器包括 800 萬(wàn)像素的 AR0823AT 和 300 萬(wàn)像素的 AR0341AT。這些數(shù)字 CMOS 圖像傳感器采用 Hyperlux 2.1 μm 超曝光單光電二極管像素技術(shù)，具有出色的低照度性能，同時(shí)還能在同一幀圖像中捕捉高照度和低照度場(chǎng)景中的寬動(dòng)態(tài)范圍。超級(jí)曝光像素可在一幀圖像中實(shí)現(xiàn)足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，從而實(shí)現(xiàn) “無(wú)憂設(shè)置”的曝光方案，有效消除了在光線條件發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光的需要，例如在晴天駛出隧道或停車場(chǎng)時(shí)。

深度傳感器（激光雷達(dá)）

精確測(cè)量物體與傳感器之間的距離被稱為深度感知。深度信息可以消除場(chǎng)景中的模糊性，對(duì)于各種 ADAS 功能以及實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的 ADAS 和全自動(dòng)駕駛至關(guān)重要。

有多種技術(shù)可用于深度感知。如果要考慮深度性能，光探測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)，LiDAR）是最佳選擇。LiDAR 能夠以高深度和角度分辨率進(jìn)行深度感知，并且由于系統(tǒng)通過(guò)近紅外（NIR）激光與傳感器的配合實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)照明，因此可以在所有環(huán)境光條件下工作。它既適用于近距應(yīng)用，也適用于遠(yuǎn)距應(yīng)用。雖然低成本的毫米波雷達(dá)傳感器在當(dāng)今的汽車應(yīng)用中更為普遍，但它們?nèi)狈iDAR 的角度分辨率，無(wú)法提供超出基本ADAS需求的更高級(jí)別自動(dòng)駕駛所需的那種高分辨率三維點(diǎn)云環(huán)境信息。

最常見的LiDAR架構(gòu)是直接飛行時(shí)間（ToF）法，它通過(guò)發(fā)射一個(gè)短紅外光脈沖，并測(cè)量信號(hào)從物體反射回到傳感器所需的時(shí)間，從而能夠直接計(jì)算出距離。LiDAR傳感器通過(guò)在其視野范圍內(nèi)掃描光線來(lái)復(fù)制這一測(cè)量過(guò)程，以捕捉整個(gè)場(chǎng)景。

安森美的ARRAYRDM-0112A20硅光電倍增管（SiPM）陣列是一種單光子敏感傳感器，在單片陣列中具有 12 個(gè)通道，在近紅外波長(zhǎng)如905nm處具有高光子探測(cè)效率（PDE），用于檢測(cè)返回的脈沖。此SiPM陣列已被集成到一款LiDAR中4，該LiDAR裝備在世界上首批提供真正“視線離開”的自動(dòng)駕駛功能的乘用車上，使車輛具備了超越基礎(chǔ)駕駛輔助的自動(dòng)駕駛能力，即駕駛員可以不再關(guān)注路面情況。這種水平的自動(dòng)駕駛功能，沒(méi)有LiDAR深度感知的支持，至今尚未能在消費(fèi)級(jí)車輛上可靠地實(shí)現(xiàn)。

超聲波傳感器

另一種用于距離測(cè)量的技術(shù)是超聲波檢測(cè)，即通過(guò)傳感器發(fā)射頻率超出人類聽覺范圍的聲波，然后檢測(cè)反彈回來(lái)的聲音，從而通過(guò)飛行時(shí)間測(cè)量距離。

超聲波傳感器可用于泊車輔助等近距離障礙物探測(cè)和低速操控應(yīng)用。超聲波傳感器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是聲音比光慢得多，因此反射聲波返回傳感器的時(shí)間通常為幾微秒，而光的時(shí)間為納秒，這意味著超聲波傳感器所需的處理性能要低得多，從而降低了系統(tǒng)成本。

超聲波傳感器的一個(gè)例子是安森美 NCV75215 泊車距離測(cè)量 ASSP。在車輛停放過(guò)程中，該元件通過(guò)壓電超聲波變換器對(duì)障礙物的距離進(jìn)行飛行時(shí)間測(cè)量。它可檢測(cè)距離為 0.25 米至 4.5 米的物體，并具有高靈敏度和低噪聲特點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

安森美在開發(fā)ADAS所需的傳感器技術(shù)方面發(fā)揮了重要作用。安森美發(fā)明了雙轉(zhuǎn)換增益像素技術(shù)和HDR（高動(dòng)態(tài)范圍）模式，這些技術(shù)現(xiàn)在被業(yè)界許多傳感器采用，并開創(chuàng)了創(chuàng)新的超級(jí)曝光設(shè)計(jì)，使傳感器既能提供出色的低照度性能，又能通過(guò)單個(gè)光電二極管捕捉 HDR 場(chǎng)景而不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

由于這種市場(chǎng)和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位，因此目前道路上大多數(shù)ADAS圖像傳感器都是由安森美開發(fā)的5。這些創(chuàng)新使安森美能夠在過(guò)去的二十年里為汽車應(yīng)用提供高性能的傳感器，進(jìn)而使ADAS在提高車輛安全方面產(chǎn)生了顯著的影響。

汽車行業(yè)正持續(xù)大力投資于 ADAS，并追求車輛全自動(dòng)駕駛的目標(biāo)--超越由SAE定義的基本駕駛輔助功能（即L1級(jí)和L2級(jí)）6，邁向真正的自動(dòng)駕駛能力（即SAE定義的L3級(jí)、L4級(jí)和L5級(jí)）。減少道路傷亡是這一趨勢(shì)背后的主要?jiǎng)恿χ唬采赖膫鞲衅骷夹g(shù)將在這一汽車安全變革中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

點(diǎn)擊了解更多關(guān)于安森美傳感器產(chǎn)品及其在ADAS系統(tǒng)解決方案指南中的特性。

[1]https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/road-traffic-injuries 

[2]https://journals.open.tudelft.nl/ejtir/article/view/3667/3784 

[3]https://injuryfacts.nsc.org/motor-vehicle/occupant-protection/advanced-driver-assistance-systems/data-details/ 

[4] https://www.onsemi.com/company/news-media/blog/automotive/en-us/behind-onsemi-and-innoviz-s-collaboration-on-lidar-to-enable-autonomy-on-the-road 

[5] https://www.onsemi.com/company/news-media/blog/automotive/en-us/a-journey-through-advancements-in-automotive-image-sensors 

[6] https://www.zf.com/master/media/magazine/2022/22_04/2022_04_29_6_levels_of_automated_driving_/sae-j3016-visual-chart_5.3.21.pdf 

（文章來(lái)源：安森美，作者：Bahman Hadji，安森美（onsemi）汽車感知事業(yè)部產(chǎn)品營(yíng)銷高級(jí)經(jīng)理）