汽車多種傳感器技術(shù)融合催生自主型汽車

汽車工業(yè)正在尋找保護(hù)駕駛員和乘客安全的創(chuàng)新方法，從一些小幅度地增強(qiáng)安全性能開始，最終目標(biāo)是創(chuàng)建完全的自主型汽車。汽車工業(yè)在防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、電子穩(wěn)定性控制、多個(gè)安全氣囊以及最近出現(xiàn)的后視攝像頭系統(tǒng)等安全功能應(yīng)用方面出現(xiàn)了高速增長。

同時(shí)，汽車工業(yè)也持續(xù)承受著來自各種政府團(tuán)體和消費(fèi)者本身的壓力，要求生產(chǎn)出具備更有效的安全特性的車輛。例如，美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)已經(jīng)提出在每輛車的后面定義一個(gè)具體的區(qū)域，當(dāng)車輛倒車時(shí)，駕駛員必須能夠看到這個(gè)區(qū)域，其解決方案就是后視攝像頭系統(tǒng)。同樣，歐洲各國的新車評(píng)價(jià)程序(NCAP)正在推動(dòng)安全特性的發(fā)展，比如碰撞預(yù)警、車道偏離預(yù)警、自動(dòng)遠(yuǎn)光燈控制和其它安全特性等等。

安全推動(dòng)項(xiàng)目

安全標(biāo)準(zhǔn)通常由政府機(jī)構(gòu)規(guī)定或由保險(xiǎn)行業(yè)推動(dòng)，這些標(biāo)準(zhǔn)日益重視能夠提高安全性，同時(shí)有機(jī)會(huì)改善用戶體驗(yàn)的新技術(shù)。這使得相關(guān)技術(shù)供應(yīng)商不僅能夠脫穎而出，還可獲得較高的投資回報(bào)。

自主型汽車的駕駛員輔助系統(tǒng)介紹和演進(jìn)

自上世紀(jì)90年代初以來，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的開發(fā)人員一直努力提供更安全、更便利的駕駛體驗(yàn)。在過去二十多年里，超聲波輔助停車、自適應(yīng)巡航控制和車道偏離預(yù)警系統(tǒng)等特性已經(jīng)部署在高檔車輛中。最近，汽車制造商已經(jīng)增加了后視攝像頭、盲點(diǎn)檢測(cè)和環(huán)景顯示系統(tǒng)作為選件。除超聲波輔助停車之外，ADAS系統(tǒng)的部署量一直有限，但是，預(yù)計(jì)在未來十年內(nèi)ADAS系統(tǒng)的部署量將會(huì)顯著上升。

目前，政府可能制定的法規(guī)、消費(fèi)者對(duì)安全特性的強(qiáng)烈興趣、以及遠(yuǎn)程傳感器和相關(guān)算法的創(chuàng)新正在推動(dòng)ADAS部署量增長，這些算法往往用來提取和解釋關(guān)鍵的安全信息。隨著時(shí)間的推移，這些ADAS系統(tǒng)將變得更先進(jìn)，并且將從高檔車輛轉(zhuǎn)向主流車輛，其中，基于攝像頭系統(tǒng)的處理將起到非常重要的作用。

利用這些技術(shù)開發(fā)提供的動(dòng)力，汽車工業(yè)已經(jīng)開始認(rèn)真地考慮開發(fā)最大程度減少人為干涉、自動(dòng)駕駛的自主型汽車。

目前車輛中已有的某些特性實(shí)例可以作為自主型汽車的早期基礎(chǔ)，下面將對(duì)這些特性進(jìn)行討論。

自適應(yīng)巡航控制(ACC)

自適應(yīng)巡航控制(ACC)是高檔車輛的可選特性，利用雷達(dá)或激光裝置，當(dāng)車輛接近另一輛車時(shí)，使車輛減速，當(dāng)交通條件允許時(shí)，則重新加速到預(yù)定速度。這種系統(tǒng)將成為未來智能車輛的基礎(chǔ)，進(jìn)一步增加車輛的安全特性。

車道偏離警告(LDW)

美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)于2003年開展的一項(xiàng)研究表明，55%的死亡事故是由于車輛偏離車道，撞上其它車輛或路邊障礙物所致。以上數(shù)據(jù)為LDW系統(tǒng)提供了支持，當(dāng)車輛偏離其指定車道時(shí)，LDW系統(tǒng)可以向駕駛員報(bào)警，。

基于攝像頭的LDW系統(tǒng)利用安裝在后視鏡后面的小攝像頭檢測(cè)公路上的車道標(biāo)線。攝像頭檢測(cè)公路邊緣標(biāo)線，如果駕駛員無意間跨過車道（未使用轉(zhuǎn)向信號(hào)），則會(huì)發(fā)出預(yù)警 — 如方向盤振動(dòng) — 提醒駕駛員回到車道。

在組合使用雷達(dá)和攝像頭技術(shù)的系統(tǒng)中，攝像頭的圖像及車輛速度被發(fā)送到系統(tǒng)的微處理器中，這些信息用于計(jì)算汽車和車道標(biāo)線之間的距離及相對(duì)于車道標(biāo)線的橫向速度變化率。然后，該微處理器將其與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷車輛是否偏離車道。如果根據(jù)距離和橫向速度，判斷車輛偏離了車道，則會(huì)通過儀表盤上的指示燈或通過類似蜂鳴器報(bào)警向駕駛員發(fā)出警告。

碰撞緩解或碰撞預(yù)警

這些系統(tǒng)一般利用配備輔助系統(tǒng)如激光雷達(dá)的單一前視攝像頭，或者利用兩個(gè)攝像頭立體系統(tǒng)，其中立體成像用于確定距離及檢測(cè)車前的車輛和物體。利用這種系統(tǒng)的信息并結(jié)合車輛狀態(tài)來確定是否存在需要向駕駛員報(bào)警的狀況，或者在一些更高級(jí)的實(shí)施方案中，該系統(tǒng)干預(yù)并執(zhí)行制動(dòng)，以避免發(fā)生碰撞。

目前，這些系統(tǒng)對(duì)于減少典型通勤交通堵塞狀況下出現(xiàn)的“輕微碰撞”有較大的作用，并且有可能避免更高車速下發(fā)生的更嚴(yán)重事故。

到2015年市場(chǎng)將可以提供具備部分自主駕駛功能的車輛，到2020年將出現(xiàn)具有更先進(jìn)的自主型汽車。

基于攝像頭系統(tǒng)(即防撞)、可嵌入到汽車或移動(dòng)設(shè)備中的先進(jìn)車輛對(duì)車輛或者車輛對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施通信系統(tǒng)、以及其它許多正在開發(fā)的技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)成了一個(gè)通過融合各種傳感器和通信技術(shù)而實(shí)現(xiàn)自主型汽車的未來前景。

傳感器技術(shù)融合:在一個(gè)系統(tǒng)中集成多種感測(cè)技術(shù)

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)應(yīng)用，如車道偏離預(yù)警、碰撞預(yù)警和遠(yuǎn)光燈控制正被人們快速接受。預(yù)期新車評(píng)價(jià)程序(NCAP)、美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)五星安全評(píng)級(jí)將會(huì)提高這些應(yīng)用的配售率。分析人士預(yù)測(cè)，到2017年，車道偏離預(yù)警配售率的增長將超過10%。在這種系統(tǒng)中采用雷達(dá)、攝像頭和超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的安全特性，它們包括:

? 后向自動(dòng)剎車

? 自適應(yīng)巡航控制

? 智能輔助制動(dòng)

? 前向碰撞預(yù)警和緩解

? 安全警示座椅

? 車道偏離預(yù)警

? 盲區(qū)檢測(cè)

? 后方路過交通警示

? 遠(yuǎn)光燈控制

? 后視攝像頭

? 平視顯示器

圖1 各種汽車傳感器需求隨時(shí)間的變化狀況

在自適應(yīng)巡航控制、車道偏離預(yù)警、前向碰撞預(yù)警、低速碰撞緩解及遇到行人時(shí)自主剎車等主動(dòng)安全特性實(shí)施中整合攝像頭技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)，可以減少事故、傷害和昂貴的財(cái)產(chǎn)損失。

隨著更多的主動(dòng)安全特性從可選項(xiàng)目轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)配置，傳感器融合系統(tǒng)將有助于降低成本，并在市場(chǎng)上變得更為普遍。

集成雷達(dá)和攝像頭系統(tǒng)可在單一模塊中實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)、視覺傳感和數(shù)據(jù)融合。這種技術(shù)集成有助于為汽車制造商提供最好的價(jià)值。

特別需要指出的是，傳感器融合將使未來的主動(dòng)安全特性系統(tǒng)能夠處理更多的輸入信號(hào)，以便提供360度碰撞風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)和增強(qiáng)的駕駛輔助特性。如上圖1所示，如果系統(tǒng)綜合了幾種傳感技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，并且有效管理這些輸入信息，可以提供建議、預(yù)警和控制干預(yù)，幫助駕駛員避免碰撞和拯救生命。

傳感器融合也是開發(fā)半自主和全自主型汽車的構(gòu)建模塊，設(shè)計(jì)用于保持車輛在車道中的位置，并適應(yīng)周圍交通環(huán)境?？梢栽O(shè)想，到2020年，將可以提供更多先進(jìn)的自駕技術(shù)，實(shí)現(xiàn)半自主和全自主駕駛。

通過將GPS與車輛對(duì)車輛通信、距離傳感和物體檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，傳感器融合技術(shù)開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)自主型汽車所需要的特性，可根據(jù)實(shí)時(shí)交通信息自動(dòng)選擇最快的路徑。

沒有任何單一的傳感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這些解決方案，因此，采用多種技術(shù)的多傳感器能夠以部署這些系統(tǒng)必需的價(jià)位提供最佳的解決方案。

最終實(shí)現(xiàn)自主型汽車安全系統(tǒng)的各種系統(tǒng)中使用的某些傳感器技術(shù)包括：

視覺——基于圖像傳感器的攝像頭系統(tǒng)，用于自適應(yīng)視覺處理的高速并行處理系統(tǒng)。

雷達(dá)——毫米波長雷達(dá)掃描可用于防撞，尤其在因煙霧、灰塵導(dǎo)致天氣模糊的環(huán)境下。

雷達(dá)/激光雷達(dá)——激光檢測(cè)和測(cè)距或光檢測(cè)和測(cè)距利用激光來檢測(cè)與物體的距離，類似于雷達(dá)系統(tǒng)。

車輛傳感器——車輛配備的其它傳感器還用于提供關(guān)于車輛狀況或性能好壞的反饋情況。一般說來，這些傳感器與駕駛員控制臺(tái)或儀表盤上的相同，如里程表、引擎溫度、油壓、電池電量和燃料液位等監(jiān)控信息。

Aptina認(rèn)為，圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步是本文中所描述的自主型汽車應(yīng)用的基礎(chǔ)，圖像傳感器技術(shù)與上文所述的其它技術(shù)的融合將在邁向自主型汽車的進(jìn)程中起到重要的作用。

自2004年以來，Aptina一直是汽車領(lǐng)域圖像傳感器的領(lǐng)先供應(yīng)商，可提供一系列從VGA到百萬像素分辨率的傳感器產(chǎn)品。Aptina圖像傳感器具有業(yè)界最佳的低光照性能、高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)性能和廣泛的產(chǎn)品組合，已經(jīng)獲得業(yè)界廣泛的認(rèn)可。

結(jié)論

汽車工業(yè)正持續(xù)承受著生產(chǎn)駕駛更安全車輛的壓力。目前，基于攝像頭的觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)于更先進(jìn)安全系統(tǒng)的開發(fā)非常關(guān)鍵。下一代安全系統(tǒng)將在每輛車中使用多種傳感器和多種傳感器技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)安全性能非常出色的自主型汽車。