現在路面上的很多汽車(chē)，甚至是展廳內的很多新車(chē)，內部都配備有基于攝像頭、雷達、超聲波或LIDAR等不同傳感器的先進(jìn)駕駛員輔助系統（ADAS）。

 

這些系統的數量將會(huì )隨著(zhù)新法案的通過(guò)而不斷增加，例如在美國，就有強制要求安裝后視攝像頭的法案。此外，諸如車(chē)險打折優(yōu)惠和美國公路交通安全管理局（NHTSA）、歐洲新車(chē)安全評鑒協(xié)會(huì )（Euro-NCAP）等機構做出的汽車(chē)安全評級正在使某些系統成為汽車(chē)的強制功能；另一方面，這也助長(cháng)了消費者對它們的需求。

 

諸如自動(dòng)泊車(chē)、公路巡航控制和自動(dòng)緊急制動(dòng)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)功能也在很大程度上依靠傳感器來(lái)實(shí)現。重要的不僅僅是傳感器的數量或種類(lèi)，它們的使用方式也同樣重要。目前，大多數路面上行駛車(chē)輛內的ADAS都是獨立工作的，這意味著(zhù)它們彼此之間幾乎不交換信息。（沒(méi)錯，某些高端車(chē)輛具有非常先進(jìn)的自動(dòng)駕駛功能，不過(guò)這些功能還未普及）。后視攝像頭、環(huán)視系統、雷達和前方攝像頭都有它們各自的用途。通過(guò)將這些獨立的系統添加到車(chē)輛當中，可以為駕駛員提供更多信息，并且實(shí)現自動(dòng)駕駛功能。不過(guò)，你還可以突破限制，實(shí)現更多功能——參見(jiàn)圖1。

 

圖1：ADAS以汽車(chē)內單個(gè)、獨立的功能存在。

 

 

僅僅通過(guò)多次使用相同種類(lèi)的傳感器無(wú)法克服每種傳感器的缺點(diǎn)。反之，我們需要將來(lái)自不同種類(lèi)傳感器的信息組合在一起。工作在可見(jiàn)光譜范圍內的攝像頭CMOS芯片在濃霧、下雨、刺眼陽(yáng)光和光照不足的情況下會(huì )遇到麻煩。而雷達缺少目前成像傳感器所具有的高分辨率。我們可以在每種傳感器中找到諸如此類(lèi)的優(yōu)缺點(diǎn)。

 

傳感器融合這一想法的偉大之處在于獲得不同傳感器和傳感器種類(lèi)的輸入內容，并且使用組合在一起的信息來(lái)更加準確地感知周?chē)沫h(huán)境。相對于獨立系統，這樣可以做出更好、更安全的決策。雷達也許不具有光傳感器所具有的分辨率，不過(guò)它在測距和穿透雨、雪和濃霧方面具有很大優(yōu)勢。這些天氣條件或光照不足的惡劣情況不利于攝像頭發(fā)揮作用，不過(guò)攝像頭能夠分辨顏色（可以想一想街道指示牌和路標），并且具有很高的分辨率。目前路面上圖像傳感器的分辨率已經(jīng)達到1百萬(wàn)像素。在未來(lái)幾年內，圖像傳感器的發(fā)展趨勢將是2百萬(wàn)，甚至4百萬(wàn)像素。

 

雷達和攝像頭是兩項傳感器技術(shù)完美融合、互為補充的典范。采用這種方法的融合系統所實(shí)現的功能要遠超這些獨立系統能夠實(shí)現的功能總和。使用不同的傳感器種類(lèi)可以在某一種傳感器全都出現故障的環(huán)境條件下，額外提供一定冗余度。這種錯誤或故障可能是由自然原因（諸如一團濃霧）或是人為現象（例如對攝像頭或雷達的電子干擾或人為干擾）導致。即使是在一個(gè)傳感器失效的情況下，這樣的傳感器融合系統也可以保持某些基本或緊急的功能。完全借助報警功能，或者讓駕駛員時(shí)刻做好準備，從而接管對車(chē)輛的控制，系統故障也許就不那么嚴重了。然而，高度和完全自動(dòng)駕駛功能必須提供充足的時(shí)間讓駕駛員重新獲得對車(chē)輛的控制。在這段駕駛員接管車(chē)輛控制之前的時(shí)間范圍內，控制系統需要保持對車(chē)輛最低限度的控制。

 

 

傳感器融合的復雜程度有所不同，并且數據的類(lèi)型也不一樣。兩個(gè)基本的傳感器融合示例是：a）后視攝像頭加上超聲波測距；b）前方攝像頭加上多模式前置雷達——參見(jiàn)圖2?，F在，我們可以通過(guò)對現有系統進(jìn)行輕微更改和/或通過(guò)增加一個(gè)單獨的傳感器融合控制單元來(lái)對其進(jìn)行實(shí)現。

 

圖2：將前方雷達與前方攝像頭融合在一起，以實(shí)現自適應巡航控制加車(chē)道保持輔助，或者將后視攝像頭與超聲波測距報警組合在一起來(lái)實(shí)現自動(dòng)泊車(chē)。

 

• 后視攝像頭+超聲波測距

 

超聲波泊車(chē)輔助技術(shù)在汽車(chē)市場(chǎng)內被廣泛接受，并且已十分成熟；這項技術(shù)在泊車(chē)時(shí)能對鄰近物體給出聽(tīng)得見(jiàn)或看得見(jiàn)的報警。正如之前提到的那樣，到2018年，美國所有新出廠(chǎng)的車(chē)輛都必須安裝后視攝像頭。將來(lái)自二者的信息結合在一起，才能實(shí)現先進(jìn)的泊車(chē)輔助功能，而其靠單一系統是無(wú)法實(shí)現的。后視攝像頭使駕駛員能很清楚地看到車(chē)輛后方的情況，而機器視覺(jué)算法可以探測物體，以及路肩石和街道上的標記。通過(guò)超聲波提供的補充功能，可以準確確定識別物體的距離，并且在低光照或完全黑暗的情況下，也能確?；镜慕咏鼒缶?。

 

• 前視攝像頭+多模前置雷達

 

另一種強大的組合是將前視攝像頭的功能與前置雷達組合在一起。前置雷達能夠在任何天氣條件下測量高達150米的物體的速度和距離。攝像頭在探測和區分物體方面（包括讀取街道指示牌和路標）十分出色。通過(guò)使用具有不同視場(chǎng)角（FoV）和不同光學(xué)元件的多個(gè)攝像頭傳感器，系統可以識別車(chē)前通過(guò)的行人和自行車(chē)，以及150米甚至更遠范圍內的物體，同時(shí)，其還可以可靠實(shí)現自動(dòng)緊急制動(dòng)和城市啟停巡航控制等功能。

 

許多情況下，在特定的已知外部條件下，僅通過(guò)一種傳感器或單個(gè)系統，就能夠執行ADAS功能。然而，考慮到路面上有很多不可預計的情況，這還不足實(shí)現可靠運行。傳感器融合除了能實(shí)現更復雜和自主的功能外，還可以在現有功能中實(shí)現更少的誤報和漏報。說(shuō)服消費者和立法者，使他們相信汽車(chē)可以由“一臺機器”自主駕駛，將會(huì )十分關(guān)鍵。

傳感器融合系統分割

 

與汽車(chē)內每個(gè)系統單獨執行各自的報警或控制功能不同，在一個(gè)融合系統中，最終采取哪種操作是由單個(gè)器件集中決定的?，F在的關(guān)鍵問(wèn)題就是在哪里完成數據處理，以及如何將傳感器的數據發(fā)送到中央電子控制單元（ECU）。當對不是集中在一起而是遍布車(chē)身的多個(gè)傳感器進(jìn)行融合時(shí)，我們就需要專(zhuān)門(mén)考慮傳感器和中央融合ECU之間的連接和電纜。對于數據處理的位置也是如此，因為它也會(huì )影響整個(gè)系統的實(shí)現。讓我們來(lái)看一看可能的系統分割中的兩種極端情況。

 

 

集中式處理的極端情況是，所有的數據處理和決策制定都是在同一個(gè)位置完成，數據是來(lái)自不同傳感器的“原始數據”——請見(jiàn)圖3。

 

圖3：具有“傳統”衛星式傳感器模塊的集中處理。

 

優(yōu)點(diǎn)：

 

傳感器模塊——傳感器模塊體積小巧，成本低，功耗也低，這是因為其只需要執行檢測和數據傳輸任務(wù)。傳感器的安裝位置也很靈活，并且所需安裝空間很小。替換成本低。通常情況下，由于無(wú)需處理或做決策，傳感器模塊具有較低的功能安全要求。

 

處理ECU——中央處理ECU可以獲取全部數據，這是因為數據不會(huì )因為傳感器模塊內的預處理或壓縮而丟失。由于傳感器成本較低，并且外形尺寸較小，因此可以部署更多的傳感器。

 

缺點(diǎn)：

 

傳感器模塊——實(shí)時(shí)處理傳感器數據需要提供寬帶通信（高達數Gb/s），因此可能出現較高電磁干擾（EMI）。

 

處理ECU——中央ECU需要有高處理能力和速度來(lái)處理所有輸入數據。對于很多高帶寬I/O和高端應用處理器來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)更高的電能需求和更大的散熱量。傳感器數量增加將大幅增加對中央ECU性能的需要。通過(guò)使用FPD-Link III等接口，在一根同軸電纜上傳送傳感器及功耗、控制和配置等多種數據（雙向反向通道），有些缺點(diǎn)可以被克服。這樣便可極大降低系統的接線(xiàn)要求。

 

 

另一種截然不同的極端情況是全分布式系統。這種情況是由本地傳感器模塊進(jìn)行高級數據處理，并在一定程度上進(jìn)行決策制定的。全分布式系統只將對象數據或元數據（描述對象特征和/或識別對象的數據）發(fā)回到中央融合ECU。ECU將數據組合在一起，并最終決定如何執行或做出反應——請見(jiàn)圖4。

 

圖4：傳感器數據由傳感器模塊處理、決策由中央ECU制定的分布式系統。

 

全分布式系統既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)。

 

優(yōu)點(diǎn)：

 

傳感器模塊——傳感器模塊與中央ECU之間可以使用更低帶寬、更加簡(jiǎn)單且更加便宜的接口。在很多情況下，小于1Mb/s的CAN總線(xiàn)就足夠用了。

 

處理ECU——中央ECU只將對象數據融合在一起，因此其所需處理能力更低。對于某些系統來(lái)說(shuō)，用一個(gè)高級的安全微控制器就足夠了。模塊更小，所需功耗也就更低。由于很多處理都是在傳感器內部完成的，傳感器數量增加不會(huì )大幅增加對中央ECU的性能需求。

 

缺點(diǎn)：

 

傳感器模塊——傳感器模塊需要有應用處理器，這樣的話(huà)就會(huì )變得體積更大、價(jià)格更高且功耗更大。由于本地處理和決策制定，傳感器模塊的功能安全要求也就更高。當然，增加更多的傳感器，成本也會(huì )大幅上升。

 

處理ECU——中央決策制定ECU只能獲取對象數據，而無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)實(shí)際的傳感器數據。因此，想要“放大”感興趣的區域很難實(shí)現。

 

 

根據系統中所使用傳感器的數量與種類(lèi)，以及針對不同車(chē)型和升級選項的可擴展性要求，將兩個(gè)拓撲混合在一起就可獲得一個(gè)優(yōu)化解決方案。目前很多融合系統使用帶本地處理的傳感器用于雷達和激光雷達（LIDAR），使用前置攝像頭用于機器視覺(jué)。一個(gè)全分布式系統可以使用現有的傳感器模塊與對象數據融合ECU組合在一起。諸如環(huán)視和后視攝像頭的系統中的“傳統”傳感器模塊可以讓駕駛員看到周?chē)沫h(huán)境情況——請見(jiàn)圖5?？梢詫⒏嗟腁DAS功能集成進(jìn)駕駛員監測或攝像頭監控系統等融合系統中，但是傳感器融合的原理還是一樣。

 

圖5：尋找分布式和集中式處理的完美結合。

 

平臺管理、目標汽車(chē)細分、靈活性和可擴展性是重要的經(jīng)濟因素；這些因素也在分割和設計融合系統時(shí)發(fā)揮著(zhù)重要作用。對于任一特定情況，所得系統也許不是最佳設計方案，但是從平臺和車(chē)隊的角度看，它卻可能是最佳方案。
 

 

關(guān)于A(yíng)DAS，我們還有兩個(gè)方面沒(méi)有討論到：信息ADAS對功能ADAS。前者就是當駕駛員仍然對汽車(chē)完全掌控時(shí)，擴大和延伸駕駛員的感官范圍（例如環(huán)視和夜視）。第二個(gè)是機器視覺(jué)，它使汽車(chē)能夠感知周?chē)h(huán)境，并做出自我決策以及執行（自動(dòng)緊急制動(dòng)、車(chē)道保持輔助）。傳感器融合自然而然地將這兩個(gè)世界合而為一。

 

正因如此，我們才有可能將同一傳感器應用于不同用途，不過(guò)這么做的代價(jià)就是在選擇最佳模塊間通信和處理位置方面受到了限制。以環(huán)視為例，這項功能最初的設計目的是，通過(guò)將視頻傳入到中央顯示屏上，為駕駛員提供360度視場(chǎng)角。為什么不使用同樣的攝像頭，并將機器視覺(jué)應用到其上呢？后視攝像頭可用于實(shí)現倒車(chē)保護或自動(dòng)停車(chē)，而側視攝像頭可用于實(shí)現盲點(diǎn)檢測/報警，也包括自動(dòng)泊車(chē)。

 

單獨使用的機器視覺(jué)在傳感器模塊內進(jìn)行本地處理，然后通過(guò)CAN總線(xiàn)等簡(jiǎn)單的低帶寬連接將對象數據甚至是命令傳送出去。然而，這種連接不足以傳送完整的視頻流。視頻壓縮當然可以降低所需帶寬，但是還不足以將所需帶寬降到百兆位范圍內，并且它本身也存在一些問(wèn)題。隨著(zhù)高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）分辨率、幀速率和曝光數增加，這變得更加困難。高帶寬連接和攝像頭模塊不參與數據處理解決了視頻的問(wèn)題，但是現在需要將處理添加到中央ECU，以便在其中運行機器視覺(jué)。缺少中央處理能力或散熱控制會(huì )成為這種解決方案的瓶頸。

 

雖然在傳感器模塊中進(jìn)行處理并同時(shí)使用高帶寬通信在技術(shù)上并不是不可實(shí)現，但從總體系統成本、功耗和安裝空間角度來(lái)講并不十分有利。

 

 

由于很多融合系統能夠在沒(méi)有駕駛員的情況下執行特定汽車(chē)功能（例如轉向、制動(dòng)和加速）的自主控制，我們需要對功能安全進(jìn)行認真考慮，以確保在不同條件下和汽車(chē)的使用壽命內系統能夠安全和可靠運行。一旦做出決策，并隨后采取自主操作，那么對于功能安全的要求將會(huì )大幅提升。

 

若采用分布式的方法，每個(gè)處理關(guān)鍵數據或制定決策的模塊必須符合那些增加的標準。與只搜集和發(fā)送傳感器信息的模塊相比，這會(huì )增加物料清單（BOM）成本、尺寸、功耗和軟件。在安裝空間不足的環(huán)境中，器件很難冷卻，并且其損壞的風(fēng)險和所需的更換也很高（一次簡(jiǎn)單的小事故有可能需要更換保險杠和所有相連的傳感器），這可能抵消具有多個(gè)傳感器模塊的分布式系統的優(yōu)勢。

 

如果采用“傳統”傳感器模塊，則需進(jìn)行自檢和故障報告，以實(shí)現整個(gè)系統的安全運轉，但是其還未達到智能傳感器模塊的程度。

 

 

雖然純粹的駕駛員信息系統可以在它們的功能受到損害時(shí)關(guān)閉并將其通報給駕駛員，但是高度自主駕駛功能就沒(méi)有那么自由了。想象一下一輛汽車(chē)正在執行緊急制動(dòng)操作，然后又突然解除并松開(kāi)制動(dòng)器的情況?；蛘哒f(shuō)，汽車(chē)在公路上行駛時(shí)，整個(gè)系統關(guān)閉，而此時(shí)駕駛員正在汽車(chē)“全自動(dòng)駕駛”狀態(tài)下呼呼大睡（未來(lái)可能的一個(gè)場(chǎng)景）。在駕駛員能夠安全控制車(chē)輛之前，系統需要繼續保持工作一段時(shí)間，而這至少需要有幾秒到半分鐘。系統必須運行到何種程度，以及如何確保在故障情況下運轉，這些問(wèn)題在業(yè)內似乎還未達成明確共識。具有自動(dòng)駕駛功能的飛機通常情況下使用冗余系統。雖然我們一般情況下認為它們是安全的，不過(guò)它們造價(jià)昂貴并且占用大量空間。

 

傳感器融合將會(huì )是邁向自動(dòng)駕駛及享受旅途時(shí)光和駕駛樂(lè )趣的關(guān)鍵一步。

 

（作者簡(jiǎn)介：Hannes Estl，德州儀器（TI）汽車(chē)ADAS部門(mén)的總經(jīng)理）

 

 本文來(lái)源于電子技術(shù)設計。