ADAS：市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)和新興技術(shù)

從上世紀(jì)50年代早期的電動(dòng)車窗到當(dāng)今最新的汽車駕駛系統(tǒng)，豪華汽車所具有的高端特性隨著時(shí)間的推移最終都應(yīng)用到中端和經(jīng)濟(jì)型汽車上，成為必備的電子和電氣系統(tǒng)。最近新出現(xiàn)的高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)技術(shù)也不例外。作為一個(gè)例子，歐洲的福特?？怂蛊嚞F(xiàn)在具備了自適應(yīng)巡航控制(ACC)、自動(dòng)剎車和主動(dòng)式車道保持等功能——所有這些特性以前都專屬于豪華汽車。即使是經(jīng)濟(jì)型起亞汽車也安裝了后視攝像機(jī)。但是，隨著ADAS技術(shù)應(yīng)用到價(jià)格相對(duì)便宜的車輛上，這帶來(lái)了一個(gè)兩難的問(wèn)題：需要以非常低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)大量的計(jì)算資源。

ADAS技術(shù)能夠不僅僅應(yīng)用在豪華汽車上，部分原因是出于競(jìng)爭(zhēng)的考慮，但并不是唯一因素。政府規(guī)章制度也是一個(gè)重要因素。例如，在美國(guó)，國(guó)家高速運(yùn)輸安全管理局正在制定強(qiáng)制安裝后視攝像機(jī)的政策，據(jù)此，預(yù)計(jì)2018年車載攝像機(jī)將達(dá)到6千萬(wàn)臺(tái)。EC將于2015年強(qiáng)制實(shí)施高級(jí)緊急剎車系統(tǒng)和車道偏離報(bào)警(LDW)系統(tǒng)。

安裝了ADAS的車輛在保險(xiǎn)上有折扣也是推動(dòng)ADAS廣泛應(yīng)用的另一因素。這類優(yōu)惠有一定的統(tǒng)計(jì)意義。當(dāng)駕駛員駕駛車輛開(kāi)始偏離車道時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出告警，在夜間，系統(tǒng)也能夠增強(qiáng)駕駛員的能見(jiàn)度，從而避免了事故的發(fā)生，挽救了生命。

ADAS得到廣泛應(yīng)用的決定性因素還是成本。雖然ADAS技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜，但是，傳感器和處理器技術(shù)的進(jìn)步——在很少的元器件中集成多種功能，現(xiàn)在可以支持工程師以中端甚至是經(jīng)濟(jì)型汽車能夠承受的價(jià)格來(lái)設(shè)計(jì)ADAS應(yīng)用。成本的降低以及通過(guò)功能集成來(lái)降低復(fù)雜度是推動(dòng)ADAS技術(shù)在各類車輛中得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

功能的多樣性

在其所有預(yù)期中，ADAS技術(shù)也給汽車行業(yè)帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)。正如很多技術(shù)處于其早期階段一樣，ADAS應(yīng)用曾涉及到很多發(fā)展方向，并不能明確哪一方向最終會(huì)推動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展。撰寫本文時(shí)，日立公司關(guān)注于采用兩臺(tái)前向攝像機(jī)多路傳感器方法來(lái)探測(cè)距離100米以外的物體。這一技術(shù)被稱為“眼睛視覺(jué)”，在2013款力獅和傲虎車型上得到了應(yīng)用。Denso公司最近演示了困倦探測(cè)系統(tǒng)，使用紅外(IR)攝像機(jī)來(lái)觀察駕駛員的面部，確定駕駛員的眼睛是否張開(kāi)，如果眼睛閉上，表明駕駛員可能進(jìn)入了睡眠狀態(tài)。最后，Aisin正在推出使用后視攝像機(jī)的車道探測(cè)系統(tǒng)——這是一種監(jiān)視車輛相對(duì)于車道標(biāo)志線位置的高性價(jià)比方法，它結(jié)合GPS和道路地圖數(shù)據(jù)，確定車輛相對(duì)于前方路況的當(dāng)前位置。

本文會(huì)更詳細(xì)的介紹ADAS技術(shù)迅速在更廣闊的市場(chǎng)上得以應(yīng)用。

系統(tǒng)：車道偏離報(bào)警

傳感器：攝像機(jī)

當(dāng)車輛離開(kāi)其車道，或者接近道路邊緣時(shí)，LDW系統(tǒng)發(fā)出聲音報(bào)警或者動(dòng)作報(bào)警(通過(guò)輕微的振動(dòng)方向盤或者座椅來(lái)實(shí)現(xiàn))。當(dāng)車輛速度超過(guò)一定閾值(例如，大于55英里)，車輛沒(méi)有打開(kāi)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈時(shí)，這些系統(tǒng)會(huì)開(kāi)始發(fā)揮作用。當(dāng)車輛行駛，其相對(duì)于車道標(biāo)志線的位置表明車輛有可能偏離車道時(shí)，需要通過(guò)攝像機(jī)系統(tǒng)來(lái)觀察車道標(biāo)志。雖然對(duì)于所有車輛制造商而言這些應(yīng)用需求是相似的，但是每一廠商都采用了不同的方法，使用一臺(tái)前視攝像機(jī)，一臺(tái)后視攝像機(jī)，或者雙路/立體前視攝像機(jī)。出于這一原因，很難采用一種硬件體系結(jié)構(gòu)來(lái)滿足各種不同類型的攝像機(jī)要求。需要采用靈活的硬件體系結(jié)構(gòu)來(lái)提供不同的實(shí)現(xiàn)選擇。

系統(tǒng)：自適應(yīng)巡航控制

傳感器：雷達(dá)

過(guò)去十年中，豪華汽車采用了ACC技術(shù)，這一技術(shù)目前也在更廣泛的市場(chǎng)上得到了應(yīng)用。傳統(tǒng)的巡航控制技術(shù)設(shè)計(jì)用于保持車輛以恒定的車速行駛，與此不同，ACC技術(shù)使車速與交通狀況相適應(yīng)，如果與前車距離太近，則會(huì)降速，在路況允許時(shí)，會(huì)加速到上限。這些系統(tǒng)通過(guò)使用安裝在車輛前部的雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，由于雷達(dá)系統(tǒng)不能識(shí)別某一目標(biāo)的大小和形狀，而且其視場(chǎng)也相對(duì)較窄，因此，應(yīng)用時(shí)要結(jié)合攝像機(jī)。難點(diǎn)在于，目前所使用的攝像機(jī)和雷達(dá)傳感器還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)配置。因此，還是需要靈活的硬件平臺(tái)。

系統(tǒng)：交通標(biāo)志識(shí)別

傳感器：攝像機(jī)

正如其名稱所示，交通標(biāo)志識(shí)別(TSR)功能使用前向攝像機(jī)結(jié)合模式識(shí)別軟件，可以識(shí)別常見(jiàn)的交通標(biāo)志(限速、停車、掉頭等)。這一功能會(huì)提醒駕駛員注意前面的交通標(biāo)志，以便駕駛員遵守這些標(biāo)志。TSR功能降低了駕駛員不遵守停車標(biāo)志等交通法規(guī)的可能，避免了違法左轉(zhuǎn)或者無(wú)意的其他交通違法行為，從而提高了安全性。這些系統(tǒng)需要靈活的軟件平臺(tái)來(lái)增強(qiáng)探測(cè)算法，根據(jù)不同地區(qū)的交通標(biāo)志來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

系統(tǒng)：夜視

傳感器：IR或者熱成像攝像機(jī)

夜視(NV)系統(tǒng)幫助駕駛員在很暗的條件下識(shí)別物體。這些物體一般超出了車輛大燈的視場(chǎng)范圍，因此，NV系統(tǒng)針對(duì)在前方道路上行駛的車輛提前發(fā)出報(bào)警，幫助駕駛員避免撞車事件的發(fā)生。

NV系統(tǒng)使用各種攝像機(jī)傳感器和顯示器，具體與生產(chǎn)商有關(guān)，但一般都屬于兩種基本類型：主動(dòng)式和被動(dòng)式。

· 主動(dòng)系統(tǒng)，也稱為近IR系統(tǒng)，帶電耦合器件(CCD)攝像機(jī)和IR燈源相結(jié)合，在顯示器上呈現(xiàn)黑白圖像。這些系統(tǒng)的分辨率很高，圖像質(zhì)量也非常好。其典型的可視范圍是150米。這些系統(tǒng)能夠看清楚攝像機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)的所有物體(包括沒(méi)有熱輻射的物體)，但是，在雨雪環(huán)境下，效率要大打折扣。

· 被動(dòng)系統(tǒng)不使用外部光源，而是依靠熱成像攝像機(jī)，利用物體自然熱輻射來(lái)采集圖像。這些系統(tǒng)不會(huì)受到對(duì)面來(lái)車大燈的影響，也不會(huì)受到惡劣天氣狀況的影響，其探測(cè)范圍達(dá)到300米至1000米。這些系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于圖像是顆粒狀的，功能受限于較溫暖的氣候狀況。而且，被動(dòng)式系統(tǒng)只能探測(cè)有熱輻射的物體。被動(dòng)式系統(tǒng)結(jié)合視頻分析技術(shù)，可以清楚的顯示車輛前方道路上的物體，例如，行人等。

在NV系統(tǒng)中，有多種體系結(jié)構(gòu)選擇，每一種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。為提高競(jìng)爭(zhēng)力，汽車生產(chǎn)商應(yīng)支持多種攝像機(jī)傳感器，在通用、靈活的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這些傳感器。

系統(tǒng)：自適應(yīng)遠(yuǎn)光控制

傳感器：攝像機(jī)

自適應(yīng)遠(yuǎn)光控制(AHBC)是一種智能大燈控制系統(tǒng)，使用了攝像機(jī)來(lái)探測(cè)交通狀況(對(duì)面來(lái)車以及同向交通狀況)，根據(jù)這些狀況，調(diào)亮或者調(diào)暗遠(yuǎn)光燈。AHBC系統(tǒng)支持駕駛員盡可能在最大照亮距離上使用遠(yuǎn)光，而不必在其他車輛出現(xiàn)時(shí)手動(dòng)調(diào)暗大燈，不會(huì)分散駕駛員注意力，從而提高了車輛的安全性。在某些系統(tǒng)中，甚至可以分別控制大燈，調(diào)暗一個(gè)大燈，而同時(shí)另一個(gè)大燈正常點(diǎn)亮。AHBC與LDW和TSR等前視攝像機(jī)系統(tǒng)是相輔相成的。這些系統(tǒng)不需要高分辨率攝像機(jī)，某一款車輛如果已經(jīng)在ADAS應(yīng)用中采用了前視攝像機(jī)，那么這一特性的性價(jià)比會(huì)非常高。

系統(tǒng)：行人/障礙物/車輛探測(cè)(PD)

傳感器：攝像機(jī)、雷達(dá)、IR

行人(以及障礙物和車輛)探測(cè)(PD)系統(tǒng)完全依靠攝像機(jī)傳感器來(lái)深入感知周圍環(huán)境，例如，采用一臺(tái)攝像機(jī)，或者在更復(fù)雜的系統(tǒng)中采用立體攝像機(jī)。“類別變量”(衣著、燈光、大小和距離)的差異會(huì)很大，背景復(fù)雜而且不斷變化，以及傳感器置于移動(dòng)平臺(tái)(車輛)上等因素，導(dǎo)致很難確定移動(dòng)中行人的視覺(jué)特征，因此，采用IR傳感器能夠增強(qiáng)PD系統(tǒng)。雷達(dá)也可以增強(qiáng)車輛探測(cè)系統(tǒng)，它提供很好的距離測(cè)量功能，在惡劣的天氣條件下，性能表現(xiàn)出眾，能夠測(cè)量車輛的行駛速度。這一復(fù)雜的系統(tǒng)需要使用同時(shí)來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。(后面會(huì)詳細(xì)討論這一被稱為傳感器融合的過(guò)程。)

系統(tǒng)：駕駛員困倦報(bào)警

傳感器：車內(nèi)IR攝像機(jī)

困倦報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)視駕駛員的面部，測(cè)量其頭部位置、眼睛(張開(kāi)/閉上)以及其他類似的報(bào)警指示。如果確定駕駛員有進(jìn)入睡眠的跡象，或者看起來(lái)意識(shí)不清，該系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警。有些系統(tǒng)還監(jiān)視心率和呼吸。設(shè)想但是還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的功能包括使車輛靠近路邊行駛，最終靠邊停下來(lái)。

需求：靈活的高性能技術(shù)平臺(tái)

雖然很難詳細(xì)預(yù)測(cè)這些功能的未來(lái)發(fā)展，以后會(huì)應(yīng)用到什么程度，但是，從技術(shù)角度看，有幾點(diǎn)是明確的：

· 沒(méi)有一種單一的體系結(jié)構(gòu)能夠滿足新出現(xiàn)的各類應(yīng)用需求。

· 需要采用靈活的平臺(tái)適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)最新的功能，同時(shí)滿足成本、規(guī)劃和性能目標(biāo)。

· 要滿足ADAS應(yīng)用的高性能需求，應(yīng)在軟件和硬件上達(dá)到均衡。

· 系統(tǒng)使用多個(gè)不同類型的傳感器來(lái)完成安全相關(guān)任務(wù)，這類系統(tǒng)今后的發(fā)展會(huì)比較強(qiáng)勁。

信號(hào)融合

需要特別注意的是，大部分ADAS應(yīng)用需要對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的多路信號(hào)進(jìn)行處理和分析，包括，視頻攝像機(jī)、雷達(dá)、紅外傳感器，以及今后可能出現(xiàn)的激光等其他傳感器信號(hào)。例如，危險(xiǎn)探測(cè)不僅僅需要對(duì)來(lái)自多個(gè)攝像機(jī)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行集成和分析，而且，如果要用在全天候各種天氣條件下，還必須采用雷達(dá)數(shù)據(jù)。傳感器融合這一術(shù)語(yǔ)用于描述ADAS應(yīng)用中不同信號(hào)的集成。

處理信號(hào)融合這一難題的一種算法解決方案是Kalman濾波，它集合了很多種算法。這是說(shuō)明ADAS任務(wù)有多復(fù)雜的一個(gè)很好的例子。例如，Kalman濾波能夠集成視頻和雷達(dá)輸入信號(hào)，使用這些數(shù)據(jù)來(lái)生成當(dāng)前環(huán)境的快照。然后，它在這些快照上應(yīng)用名為“航位推測(cè)”的過(guò)程，根據(jù)物理?xiàng)l件，計(jì)算周圍環(huán)境“可能”會(huì)出現(xiàn)什么狀況。例如，它估算周圍車輛的新位置，確定路邊的樹(shù)木沒(méi)有移動(dòng)等。然后，Kalman濾波功能對(duì)比這兩類快照，在可信度基礎(chǔ)上，估算出應(yīng)采取哪些措施。例如，如果汽車使用了ACC，車頭距離太近，那么，可以減速，或者剎車。

ECU的角色

控制這些過(guò)程的電子設(shè)備集成到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)中。這些系統(tǒng)最初應(yīng)用到汽車中是為了通過(guò)控制燃油噴射、點(diǎn)火時(shí)間、怠速等功能，滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求，而現(xiàn)在這些系統(tǒng)的功能越來(lái)越多了。一般而言，分別開(kāi)發(fā)這些功能(例如，雷達(dá)和攝像機(jī))，逐個(gè)集成到車輛中，導(dǎo)致由多個(gè)ECU完成多種功能。從成本的角度看，這并不是理想的方法。更好的方法是，將很多傳感器的輸出連接至一個(gè)處理單元，進(jìn)行傳感器融合，更可靠的理解車輛的狀況，在軟件中開(kāi)發(fā)相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略。但是，這一集成方法所需要的計(jì)算能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了中端車輛的成本預(yù)算。為能夠同時(shí)滿足性能、成本需求，象軟件一樣靈活，很多體系結(jié)構(gòu)采用了現(xiàn)場(chǎng)編程陣列(FPGA)技術(shù)。

FPGA和傳統(tǒng)集成電路的不同在于，F(xiàn)PGA離開(kāi)工廠后是可編程的。這意味著，可以對(duì)其進(jìn)行修改，在設(shè)計(jì)/產(chǎn)品周期后期，滿足最新傳感器獨(dú)特的輸出格式要求，以及最新的計(jì)算算法或者規(guī)范要求，因此，非常適合應(yīng)用于各種體系結(jié)構(gòu)，在最后一刻應(yīng)用新特性。

Altera低成本Cyclone®系列FPGA完全能夠適用于汽車領(lǐng)域，支持工程師將傳感器接口、圖像處理、通信接口和分析等多種功能集成到單片硅片器件中，減少了典型ECU體系結(jié)構(gòu)的元器件數(shù)量，降低了復(fù)雜度。Altera FPGA采用了硬件加速功能來(lái)處理高清晰視頻的720p30 (720掃描線，每秒30幀)數(shù)據(jù)流，以及下一代傳感器的77-GHz輸入。與完全將這些算法集成到硬件中不同，Altera® FPGA的高性能硬件和軟件可編程特性確保了能夠滿足ADAS應(yīng)用嚴(yán)格的25至30-ms延時(shí)要求。

Altera FPGA不但在技術(shù)上非常出眾，而且縮短了設(shè)計(jì)周期，支持OEM和Tier 1生產(chǎn)商盡快將ADAS應(yīng)用推向市場(chǎng)，不需要大幅度改動(dòng)硬件就能夠突出產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了商業(yè)價(jià)值。此外，Altera還提供簡(jiǎn)單方便的專用集成電路(ASIC)引腳兼容移植途徑，降低了整個(gè)產(chǎn)品生命周期的成本。

總結(jié)

當(dāng)今全球汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)和法規(guī)壓力促使生產(chǎn)商在其車輛中靈活的采用ADAS技術(shù)。Altera FPGA靈活的結(jié)合了技術(shù)和性能指標(biāo)，是滿足這些目標(biāo)要求的理想器件。