如何實(shí)現(xiàn)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)？有哪些解決方案？

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driving Assistance System)是利用安裝在車上的各式各樣傳感器(毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、單\雙目攝像頭以及衛(wèi)星導(dǎo)航)，在汽車行駛過程中隨時(shí)來感應(yīng)周圍的環(huán)境，收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)物體的辨識(shí)、偵測(cè)與追蹤，并結(jié)合導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)算與分析，從而預(yù)先讓駕駛者察覺到可能發(fā)生的危險(xiǎn)，有效增加汽車駕駛的舒適性和安全性。 近年來ADAS市場(chǎng)增長迅速，原來這類系統(tǒng)局限于高端市場(chǎng)，而現(xiàn)在正在進(jìn)入中端市場(chǎng)，與此同時(shí)，許多低技術(shù)應(yīng)用在入門級(jí)乘用車領(lǐng)域更加常見，經(jīng)過改進(jìn)的新型傳感器技術(shù)也在為系統(tǒng)布署創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)與策略。

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assistance System)，簡稱ADAS，是利用安裝于車上的各式各樣的傳感器， 在第一時(shí)間收集車內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)， 進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)物體的辨識(shí)、偵測(cè)與追蹤等技術(shù)上的處理， 從而能夠讓駕駛者在最快的時(shí)間察覺可能發(fā)生的危險(xiǎn)， 以引起注意和提高安全性的主動(dòng)安全技術(shù)。ADAS 采用的傳感器主要有攝像頭、雷達(dá)、激光和超聲波等，可以探測(cè)光、熱、壓力或其它用于監(jiān)測(cè)汽車狀態(tài)的變量， 通常位于車輛的前后保險(xiǎn)杠、側(cè)視鏡、駕駛桿內(nèi)部或者擋風(fēng)玻璃上。早期的ADAS 技術(shù)主要以被動(dòng)式報(bào)警為主，當(dāng)車輛檢測(cè)到潛在危險(xiǎn)時(shí)， 會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒駕車者注意異常的車輛或道路情況。對(duì)于最新的ADAS 技術(shù)來說，主動(dòng)式干預(yù)也很常見。

一直以來，汽車的剎車燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、倒車燈以及車尾霧燈都采用21W到27W、亮度為280至570流明的鎢絲燈泡作為光源。車尾燈、泊車燈、車側(cè)顯示燈以及轉(zhuǎn)向信號(hào)閃燈采用4W至10W、亮度為40至130流明的鎢絲燈泡，汽車頭燈則采用高亮度的氙氣熒光管(HID)。但在汽車照明中，越來越多地采用LED作為光源。尾部中央高位剎車燈是最早采用LED的汽車燈。另外，在車燈市場(chǎng)上，其他車外照明和指示燈如剎車燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈以及車內(nèi)照明燈都已改用LED燈泡。近年來，車外照明燈，如白天行車燈(DRL)，以及車頭近光燈都開始改用LED燈泡。預(yù)計(jì)汽車大燈也會(huì)很快改用高亮度LED燈。此外，在車身內(nèi)部，一些車內(nèi)顯示器的背光也開始采用LED作為光源，如儀表盤以及TFT顯示器。

汽車LED照明系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

白光LED的色溫約為6000K，視覺上幾乎等同于自然光。由于人眼區(qū)分顏色的能力在自然背景條件下是最好的。在晚上，人眼只有在自然的色彩情況下，對(duì)景物或馬路邊沿才有很好的區(qū)分能力。

LED燈的平均壽命比鎢絲燈以及高亮度熒光燈管長，而且更加穩(wěn)定可靠。如可以減少出故障的幾率，同時(shí)無需頻繁地更換燈泡，省卻了很多麻煩。而且采用LED可以節(jié)省更多的能源。LED燈外形更小，更容易裝入燈座內(nèi)，在占用更少空間的同時(shí)，更容易配合時(shí)尚的燈飾設(shè)計(jì)。更為重要的是，LED剎車燈的啟動(dòng)速度更快。LED剎車燈的點(diǎn)亮?xí)r間僅為50ms左右，比鎢絲燈泡的啟動(dòng)時(shí)間快大約250ms，從而降低了被尾隨車輛碰撞的危險(xiǎn)。另外，LED是固態(tài)光源，可以承受更大的震動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)LED燈的技術(shù)要求

由于LED的亮度與流過的電流成正比，所以需要恒定的電流源來驅(qū)動(dòng)LED。在任何情況下，流過LED的電流要保持恒定，才能確保LED亮度的一致性。另外還需要在任何情況下都能將紋波電流控制在可接受的水平。所以說LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)屬于電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是恒流輸出而非恒壓輸出。

在LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，必須增加阻塞電路，為防止電源反向操作提供保護(hù)。我們會(huì)遇到的另外一個(gè)挑戰(zhàn)是要在汽車?yán)鋯?dòng)或負(fù)載斷電的情況下確保LED能夠正常工作。在正常操作的情況下，小轎車的電池供電電壓介于9V與16V之間(例如12V系統(tǒng)總線)，而大貨車的電池供電電壓則介于18V與32V之間(例如24V系統(tǒng)總線)。在出現(xiàn)負(fù)載斷電或冷啟動(dòng)的情況時(shí)，電池的輸入電壓范圍會(huì)與正常的范圍有很大的出入。

在發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間，如果電池的供電被突然截?cái)啵藭r(shí)發(fā)電機(jī)會(huì)繼續(xù)發(fā)電，使用發(fā)電機(jī)供電的電容等用電部分就會(huì)出現(xiàn)電壓突然增高的現(xiàn)象，如果不采取保護(hù)措施，將會(huì)損壞用電器。如果LED的驅(qū)動(dòng)不是恒流驅(qū)動(dòng)，LED的電流就會(huì)有所變化，造成LED的亮度變化，這就是為什么目前的汽車燈會(huì)存在閃爍現(xiàn)象。下面是一個(gè)負(fù)載斷電測(cè)試的一個(gè)定義，用來模仿負(fù)載突斷的一些情形。不同的汽車廠商采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，因此負(fù)載斷電測(cè)試的定義也各不相同，圖1只是其中一個(gè)案例。

圖1 負(fù)載斷電測(cè)試的定義

盡管負(fù)載突降會(huì)造成負(fù)載電壓升高，但大部分先進(jìn)的交流發(fā)電機(jī)都配備了中央控制式負(fù)載斷電箝位電路。12V總線系統(tǒng)的參考電平會(huì)被限制在35V到42V之間，而24V總線系統(tǒng)的參考電平會(huì)被鉗定在50V到60V之間。

在天氣寒冷的時(shí)候，啟動(dòng)裝置會(huì)令電池供電電壓大幅下跌，圖2顯示“冷啟動(dòng)”測(cè)試的典型波形。

圖2 “冷啟動(dòng)”測(cè)試的典型波形

由于LED驅(qū)動(dòng)器的輸入供電端連接電池的輸入端，因此像剎車燈這類涉及駕駛安全的汽車燈必須不受負(fù)載斷電及冷啟動(dòng)的影響，甚至必須能夠在這種情況下繼續(xù)正常運(yùn)行。在典型的情況下，12V總線系統(tǒng)的輸入范圍為6V到42V，24V總線系統(tǒng)的輸入電壓范圍為12V到60V。

LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電阻限流是LED驅(qū)動(dòng)方法之一，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低、設(shè)計(jì)簡單;缺點(diǎn)是電流會(huì)隨著正向電壓和驅(qū)動(dòng)電壓的不同而改變，所以LED發(fā)出的亮度會(huì)改變。當(dāng)電池電壓比較高時(shí)，驅(qū)動(dòng)的效率很差，因?yàn)榇藭r(shí)大部分的功率會(huì)消耗在電阻上。此外，限流電阻會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，導(dǎo)致散熱的問題。所以這是一個(gè)簡單、但并不是一個(gè)最高效的方法。

第二種方法是線性穩(wěn)流器，也叫恒流源。它的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、電流恒定;缺點(diǎn)是效率很低，而且隨著輸入電壓的升高，線性芯片承載的壓降也就越大，所以線性芯片也會(huì)產(chǎn)生很大的熱量。但它改善了電阻限流方法中電流波動(dòng)的缺點(diǎn)。

除了以上兩種方法，還有一種開關(guān)電源式的驅(qū)動(dòng)方法。表1是三種不同方法的比較，用開關(guān)電源作為LED驅(qū)動(dòng)的方法具有很高的效率，而且電流恒定。由于開光電源轉(zhuǎn)換器的效率較高，因此被越來越多的車燈生產(chǎn)商使用。其最大的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)線路要復(fù)雜些，而且成本相對(duì)較高。

表1 三種LED驅(qū)動(dòng)方法比較

用于高亮度汽車燈的升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器

汽車照明中為什么要用到升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器呢?這是因?yàn)殡姵仉妷菏遣▌?dòng)的，在電壓波動(dòng)時(shí)，我們需要保持流過LED的電流恒定，升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器可以確保無論輸入電壓高于還是低于輸出電壓，電流都能保持恒定。這保證了在負(fù)載斷電和冷啟動(dòng)的時(shí)候，和安全有關(guān)的照明燈可以保持恒定的亮度。另外，多樣化的LED汽車照明應(yīng)用也需要不同的LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。部分汽車燈生產(chǎn)商希望能夠有一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)平臺(tái)可以適用于不同燈光系統(tǒng)的不同LED配置。升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器是大部分高亮度汽車燈光系統(tǒng)的理想驅(qū)動(dòng)器解決方案。

LM3423(圖3)是NS公司一款升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器芯片，它不僅可以提供快速的調(diào)光控制、可靠的保護(hù)和故障顯示等功能，還可以配置升壓、浮動(dòng)降壓及浮動(dòng)的升壓/降壓LED驅(qū)動(dòng)器，滿足不同的LED車載驅(qū)動(dòng)的要求。

大家的傳統(tǒng)印象中，自動(dòng)駕駛產(chǎn)品難有美感可言。

2004 年，第一屆 DARPA 挑戰(zhàn)賽現(xiàn)場(chǎng)，選手是一輛輛頭頂攝像頭、天線的改裝車，外型粗獷、怪異。

近二十年過去，后來的 L4 無人車，也大多頂著碩大的機(jī)械式激光雷達(dá)，同樣少了渾然天成的感覺。

不過，要說 L4 公司是一群埋頭技術(shù)的理科生，常年只懂得堆砌傳感器，就小瞧了這個(gè)賽道的進(jìn)化速度。

創(chuàng)立于 1953 年德國 IF 設(shè)計(jì)獎(jiǎng)，由德國歷史悠久的工業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)漢挪威工業(yè)設(shè)計(jì)論壇發(fā)起，素以「獨(dú)立、嚴(yán)謹(jǐn)、可靠」的評(píng)獎(jiǎng)理念聞名于世，有著設(shè)計(jì)界的「奧斯卡」之稱。

在最新的 IF 2023 年度獲獎(jiǎng)名單中，輕舟智航送審的 Driven-by-QCraft multi-sensor fusion suite(Gen 4)第 4 代多傳感器套件方案，從來自 56 個(gè)國家的參賽作品 11000 件殺出重圍，成為唯一一件自動(dòng)駕駛公司打造的獲獎(jiǎng)作品。

往年獲獎(jiǎng)的汽車行業(yè)公司，是保時(shí)捷、法拉利等有著悠久設(shè)計(jì)歷史的品牌。

尤其是，輕舟這次獲獎(jiǎng)的多傳感器套件是在 2021 年末至 2022 年初期間設(shè)計(jì)完成、搭載上車的作品，當(dāng)時(shí)的輕舟是一家 L4 為主的自動(dòng)駕駛解決方案公司。能夠獲得 2023 年度獎(jiǎng)項(xiàng)，一方面說明其硬件方案本身具有「美感」，另一方面也說明硬件方案設(shè)計(jì)具有一定的超前性。

當(dāng)自動(dòng)駕駛這一科技功能與「美感」掛鉤，距離向消費(fèi)者就會(huì)更近一步。

01

無感，L4 公司的科技美學(xué)

今天我們談到的「科技美學(xué)」，其實(shí)是美學(xué)的一個(gè)分支。

十八世紀(jì)六十年代，第一次工業(yè)革命從英國起源，極大地提升了生產(chǎn)效率，同時(shí)也讓人們看到了產(chǎn)品粗糙的問題。

十九世紀(jì)下半頁，一場(chǎng)同樣起源于英國的設(shè)計(jì)改良運(yùn)動(dòng)展開，又稱為工藝美術(shù)運(yùn)動(dòng)，針對(duì)設(shè)計(jì)水準(zhǔn)下降的室內(nèi)產(chǎn)品建筑、家具、平面設(shè)計(jì)進(jìn)行了廣泛改進(jìn)。

那場(chǎng)運(yùn)動(dòng)讓科技進(jìn)入人們的審美世界，催生了后來的科技美學(xué)。

又過了一個(gè)世紀(jì)，開始出現(xiàn)專為設(shè)計(jì)而立的大獎(jiǎng)，其中，德國的 IF、紅點(diǎn)獎(jiǎng)，以及美國的 IDEA，并稱世界三大設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。

早期，這些獎(jiǎng)均擁有向汽車行業(yè)頒獎(jiǎng)的歷史，不過以整車為主。直到幾年，獎(jiǎng)項(xiàng)才開始授予自動(dòng)駕駛公司。

拿下這屆德國 IF 獎(jiǎng)的輕舟作品，其背后的團(tuán)隊(duì)告訴筆者，最初在進(jìn)行第 4 代多傳感器套件方案的概念設(shè)計(jì)時(shí)，便想到了「科技美學(xué)」。

設(shè)計(jì)基于兩大需求：高集成度、小型化。

高集成是為了方便適配不同車型，小型化是為了給用戶更多的天窗面積。

基于上述需求，團(tuán)隊(duì)將整個(gè)造型的設(shè)計(jì)采用機(jī)翼式的設(shè)計(jì)，通過對(duì)稱的方式，將傳感器排布在「機(jī)翼」上，這種流線型的外觀，讓硬件方案與整車的外觀可以做到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

為了讓傳感器的尺寸從視覺上顯得不那么突兀，輕舟的團(tuán)隊(duì)還采用了色彩分層的設(shè)計(jì)，從而減輕了方案本身的重量感。

成本上，這套方案也做了控制，將整個(gè)硬件方案盡可能一體化，面積相較上一代減少了 3/4，并且將每個(gè)小部件做了分割設(shè)計(jì)，可以方便拆卸。

這種設(shè)計(jì)是有著獨(dú)特性的。

要知道，輕舟設(shè)計(jì)這套作品的 2021 年，是 L4 公司剛剛開始推出前裝量產(chǎn)無人車的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。彼時(shí)的無人車成本仍有著近五十萬元，頭上的激光雷達(dá)仍然鼓起一個(gè)大包。

到了 2022 年，一些車企比如蔚來的單顆激光雷達(dá)、小鵬的兩顆激光雷達(dá)，極狐阿爾法 S HI 的三顆激光雷達(dá)等出現(xiàn)，大家對(duì)激光雷達(dá)的安裝位置、方案仍然沒有形成共識(shí)。

這說明，行業(yè)當(dāng)時(shí)并沒有一套成體系的自動(dòng)駕駛硬件方案。

在輕舟擔(dān)任 L4 業(yè)務(wù)&用戶體驗(yàn)產(chǎn)品經(jīng)理的洪小如認(rèn)為，與汽車從一開始只有功能性，到后來慢慢發(fā)展為具有美觀性相似，自動(dòng)駕駛也有著同樣的歷程。

「很多新能源車型都在自己的車上安裝了那一個(gè)突出來的激光雷達(dá)。其實(shí)上從美學(xué)上來講的話，還是會(huì)比較突兀的，相當(dāng)于就是一個(gè)妥協(xié)的產(chǎn)品狀態(tài)，未來最好的一個(gè)狀態(tài)是什么?我認(rèn)為它還是更多是隱藏式的，例如說像禾賽前段時(shí)間發(fā)布的，可以裝在車窗里面。」洪小如說。

很多時(shí)候，消費(fèi)者完全不關(guān)心用的是什么雷達(dá)，安裝在什么位置，他們希望看到的就是一個(gè)美的產(chǎn)品，同時(shí)功能也是好用的。

基于此，自動(dòng)駕駛要做到讓用戶無感才是好的設(shè)計(jì)。

02

不唯上，唯用戶

國內(nèi)有許多非常優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師，無論是前瞻性還是技術(shù)能力、審美水平都非常強(qiáng)，而且國內(nèi)的原型設(shè)計(jì)也不比國外差。

問題是，過去很長時(shí)間里，這群有才華的人是被壓抑著的。

一些主機(jī)廠或科技公司，并沒有按照科學(xué)的路徑去行事，大家缺少目標(biāo)一致，而是以老板的意志為轉(zhuǎn)移，最終導(dǎo)致所有動(dòng)作發(fā)生變形。

幸運(yùn)的是，從輕舟的 CTO，到負(fù)責(zé)傳感器套件的硬件總監(jiān)，再到整個(gè)設(shè)計(jì)、研發(fā)團(tuán)隊(duì)，大家對(duì)美的追求是一致的。

而且，輕舟有一支擁有工匠精神的團(tuán)隊(duì)。這種工匠精神，指的是較真的做事態(tài)度，將專業(yè)性發(fā)揮到極致，將產(chǎn)品打磨到極致。

洪小如透露，在這次獲獎(jiǎng)作品的背后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同事「?jìng)涫苷勰ァ埂?

舉個(gè)例子，在做攝像頭的集成設(shè)計(jì)時(shí)，由于要將五個(gè)攝像頭形成一個(gè)圈，導(dǎo)致內(nèi)徑非常小，基本上沒有了壓縮空間，甚至?xí)斐珊罄m(xù)的安裝問題，團(tuán)隊(duì)盡可能地和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同事溝通，尋找不同的辦法。

最終通過將攝像頭的接頭在另一個(gè)地方接線的方式，解決了內(nèi)徑問題。

據(jù)了解，輕舟的 HMI 產(chǎn)品 QView，就是由少而精的設(shè)計(jì)人才完成的。