【導(dǎo)讀】在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中，傳感器融合是一項(xiàng)對(duì)車(chē)輛安全性和效率至關(guān)重要的技術(shù)，它將來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)相結(jié)合，并產(chǎn)生對(duì)車(chē)輛環(huán)境更準(zhǔn)確、更可靠和更全面的信息。例如，攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等傳感器協(xié)同工作，相互補(bǔ)償可提供車(chē)輛周?chē)?60°的全景視圖。與此同時(shí)，ADAS和自動(dòng)駕駛技術(shù)的應(yīng)用和普及進(jìn)一步刺激了對(duì)傳感器前所未有的需求。
自動(dòng)駕駛的出現(xiàn)不僅僅是汽車(chē)技術(shù)的飛躍，更是人們對(duì)汽車(chē)移動(dòng)性的感知和互動(dòng)方式的一場(chǎng)革命。這一轉(zhuǎn)變的核心就是傳感器融合。
在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中，傳感器融合是一項(xiàng)對(duì)車(chē)輛安全性和效率至關(guān)重要的技術(shù)，它將來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)相結(jié)合，并產(chǎn)生對(duì)車(chē)輛環(huán)境更準(zhǔn)確、更可靠和更全面的信息。例如，攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等傳感器協(xié)同工作，相互補(bǔ)償可提供車(chē)輛周?chē)?60°的全景視圖。與此同時(shí)，ADAS和自動(dòng)駕駛技術(shù)的應(yīng)用和普及進(jìn)一步刺激了對(duì)傳感器前所未有的需求。
來(lái)自TE Connectivity的數(shù)據(jù)顯示，采用最新ADAS/AV技術(shù)的車(chē)輛，即使是典型的非電動(dòng)汽車(chē)，均需要配備60到100個(gè)車(chē)載傳感器，其中的15到30個(gè)專(zhuān)門(mén)用于管理發(fā)動(dòng)機(jī)。商用卡車(chē)配備的傳感器更是多達(dá)400個(gè)，用于發(fā)動(dòng)機(jī)管理的傳感器約有70個(gè)。預(yù)計(jì)未來(lái)幾代電動(dòng)汽車(chē)，特別是那些配備了自動(dòng)或半自動(dòng)駕駛功能的電動(dòng)汽車(chē)，其傳感器數(shù)量很可能是其他車(chē)型的兩到三倍。
自動(dòng)駕駛技術(shù)的出現(xiàn)迅速改變了現(xiàn)有的交通格局，為車(chē)輛提供了前所未有的安全性和可靠性。在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的核心技術(shù)中，傳感器融合作為一種變革力量占據(jù)了重要地位。通過(guò)無(wú)縫集成來(lái)自多種先進(jìn)傳感器的數(shù)據(jù)，包括相機(jī)、雷達(dá)、激光雷達(dá)和超聲波傳感器，傳感器融合能夠從不同的位置感知環(huán)境，獲得了比任何單個(gè)來(lái)源更準(zhǔn)確、更可靠的車(chē)輛及周邊信息。
自動(dòng)駕駛中的傳感器
傳感器在汽車(chē)中的早期應(yīng)用主要以帶有后視攝像頭的基本高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）為主，隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)的升高，車(chē)輛智能化水平大幅提升，所需傳感器的種類(lèi)和數(shù)量也越來(lái)越多。目前，用于自動(dòng)駕駛技術(shù)的傳感器主要有以下幾種：
相機(jī)（攝像頭）
這是最接近人類(lèi)視覺(jué)的一種傳感器，可以用來(lái)檢測(cè)車(chē)輛周邊的視覺(jué)信息，如交通標(biāo)志、車(chē)道標(biāo)線(xiàn)、行人、騎自行車(chē)的人和其他車(chē)輛等。前置攝像頭能讓汽車(chē)“看到”它要去的地方，倒車(chē)攝像頭可以幫助停車(chē)和倒車(chē)。一些新車(chē)型還配有360°攝像頭，通過(guò)這些放置在車(chē)身周邊的微型攝像頭可以獲取周?chē)h(huán)境的俯視圖。
市場(chǎng)上此類(lèi)攝像頭品種很多，基本都能滿(mǎn)足車(chē)用需求。以安森美AR0820AT為例，這是一個(gè)1/2英寸CMOS數(shù)字圖像傳感器，具有3848 H x 2168 V有源像素陣列，這種先進(jìn)的車(chē)用傳感器可在線(xiàn)性或高動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)捕獲圖像，同時(shí)還擁有卷簾快門(mén)讀出功能。此外，AR0820AT還針對(duì)微光和嚴(yán)苛條件的高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景性能進(jìn)行了優(yōu)化，采用2.1 μm DR-Pix BSI像素和片上140dB HDR捕獲能力，非常有利于獲取車(chē)輛周邊的圖像信息。
雷達(dá)
為確保車(chē)輛的安全駕駛，能否及時(shí)獲取車(chē)輛周?chē)h(huán)境的高分辨率圖像甚至4D成像數(shù)據(jù)對(duì)智能駕駛而言是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。此時(shí)，在ADAS功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用的毫米波雷達(dá)走向前臺(tái)，因?yàn)樗认鄼C(jī)更能“看清”物品，具有更高的分辨率和性能，以及良好的指向性，同時(shí)不易受到環(huán)境干擾或天氣影響。需要注意的是，毫米波雷達(dá)不能用于識(shí)別非金屬物體。
由TI公司提供的適用于汽車(chē)4D成像雷達(dá)需求的TIDA-020047雙器件毫米波級(jí)聯(lián)雷達(dá)參考設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)合使用兩個(gè)76GHz 至81GHz 雷達(dá)收發(fā)器、一個(gè)雷達(dá)處理器、兩個(gè) CAN-FD PHY、一個(gè)以太網(wǎng) PHY 和一個(gè)低噪聲電源，完美地解決了ADAS功能中“看清”的問(wèn)題。
參考設(shè)計(jì)中的AWR2243 器件是一款能夠在 76GHz 至 81GHz 頻帶內(nèi)運(yùn)行的集成式單芯片 FMCW 收發(fā)器，以極小的封裝達(dá)到超高的集成度，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有內(nèi)置 PLL 和 ADC 轉(zhuǎn)換器的單片3TX、4RX 系統(tǒng)。
簡(jiǎn)單的編程模型更改即可支持各種傳感器部署，包括近距離、中距離和遠(yuǎn)距離，形成多模式傳感器方案。承擔(dān)雷達(dá)處理器任務(wù)的AM273x 是基于 Arm Cortex-R5F 和 C66x 浮點(diǎn) DSP 內(nèi)核的高度集成、高性能微控制器，內(nèi)部集成的硬件安全模塊 (HSM)確保了車(chē)輛的功能安全。
圖1：適用于汽車(chē) 4D 成像雷達(dá)的雙器件毫米波級(jí)聯(lián)參考設(shè)計(jì)TIDA-020047 （圖源：TI）
LiDAR
光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）激光雷達(dá)使用光脈沖來(lái)測(cè)量車(chē)輛與其他物體的距離，借助該信息車(chē)輛可創(chuàng)建基于環(huán)境的詳細(xì)3D地圖。LiDAR用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)傳感器有頗多優(yōu)點(diǎn)：首先，它具有卓越的距離、角度和速度分辨率，抗干擾能力強(qiáng)；其次，激光雷達(dá)可以獲取大量有益于自動(dòng)駕駛的數(shù)據(jù)和信息，包括距離、角度、速度和物體的反射強(qiáng)度，以生成物體的多維圖像。目前，高昂的價(jià)格在一定程度上影響了LiDAR在汽車(chē)行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。
OSRAM SPL SxL90A LiDAR是高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品，符合AEC-Q102標(biāo)準(zhǔn)，它可讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)“看”得更遠(yuǎn)，駕駛更安全更高效。產(chǎn)品有單通道和四通道兩大系列，均具有每通道40A的電流和125W的性能，效率高達(dá)33％，且熱阻非常低，即使在大電流下運(yùn)行也不容易發(fā)熱。單通道器件SPL S1L90A_3 A01的尺寸非常小巧，僅為2.0mm x 2.3mm x 0.65mm。四通道器件SPL S4L90A_3 A01有四個(gè)發(fā)射區(qū)，可在480W功率下提供出色的光功率，尺寸雖然略大于單通道器件，但能實(shí)現(xiàn)更大的檢測(cè)范圍。
圖2：四通道LiDAR SPL S4L90A_3 A01（圖源：AMS OSRAM）
3D ToF激光雷達(dá)
飛行時(shí)間（ToF）是一種適用于短距離汽車(chē)用例的激光雷達(dá)，無(wú)需掃描即可獲取更多細(xì)節(jié)。這是一種越來(lái)越受歡迎的激光雷達(dá)，在智能手機(jī)應(yīng)用中已有大量應(yīng)用。在汽車(chē)環(huán)境中，高分辨率ToF攝像頭使用3D感應(yīng)技術(shù)掃描汽車(chē)周?chē)偷孛鎱^(qū)域，無(wú)論光照條件如何，都能檢測(cè)到路緣石、墻壁或其他障礙物，支持手勢(shì)識(shí)別并在車(chē)外建立360°視圖以幫助自助泊車(chē)。
IRS2877A是英飛凌REAL3 ToF激光雷達(dá)系列中主要面向汽車(chē)應(yīng)用的一款產(chǎn)品，采用9 x 9 mm2塑料BGA封裝，利用4 mm的微型感光區(qū)，實(shí)現(xiàn)了640 x 480像素的VGA系統(tǒng)分辨率，僅需一個(gè)ToF攝像頭，即可打造出3D面部識(shí)別的駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；贗RS2877A生成的3D車(chē)身模型，還可以準(zhǔn)確估算出乘員的體型、體重，得出高度精確的乘員和座椅位置數(shù)據(jù)，為智能安全氣囊的展開(kāi)和約束系統(tǒng)提供關(guān)鍵信息。除安全應(yīng)用之外， 3D ToF傳感器還可用于車(chē)內(nèi)手勢(shì)控制等功能的實(shí)現(xiàn)。
圖3：IRS2877A 3D ToF激光雷達(dá)應(yīng)用框圖（圖源：Infineon）
感器融合的力量
傳感器融合是將來(lái)自多種傳感器的數(shù)據(jù)源合并，以創(chuàng)建比單獨(dú)從任何單個(gè)來(lái)源獲得的信息更準(zhǔn)確、更可靠的信息的過(guò)程。通常，單個(gè)傳感器不可能獨(dú)立工作并向自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供所有必要的信息供其做出決定或采取任何行動(dòng)。自動(dòng)駕駛汽車(chē)感知世界的第一步是通過(guò)其傳感器陣列，包括相機(jī)、LiDAR和雷達(dá)等捕捉周?chē)h(huán)境的廣泛數(shù)據(jù)，才能最終做出準(zhǔn)確的行動(dòng)指令。圖4以圖形方式展示了自動(dòng)駕駛汽車(chē)使用傳感器融合來(lái)感知環(huán)境的過(guò)程。
圖4：由相機(jī)、LiDAR和雷達(dá)等構(gòu)成的傳感器融合方案可360度感知車(chē)輛周邊環(huán)境（圖源：TE）
這些傳感器中的每一個(gè)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。激光雷達(dá)可提供精確的距離測(cè)量，在選擇過(guò)程中，距離是決定短距離、中距離或長(zhǎng)距離激光雷達(dá)架構(gòu)是否最佳的因素，其中不僅僅是指車(chē)外的自動(dòng)駕駛功能，也包括車(chē)內(nèi)的許多功能。雷達(dá)或毫米波雷達(dá)更擅長(zhǎng)在各種天氣條件下檢測(cè)物體的速度和位置。相機(jī)或攝像頭則可以捕捉到豐富的視覺(jué)圖像。這些傳感器輸入的融合信息創(chuàng)建了車(chē)內(nèi)和車(chē)外全面的和高分辨率的數(shù)據(jù)表達(dá)，為自動(dòng)駕駛汽車(chē)提供了無(wú)與倫比的態(tài)勢(shì)感知水平。
圖5：自動(dòng)駕駛汽車(chē)中所需的傳感器融合方案（圖源：Aptiv）
無(wú)論自動(dòng)駕駛處于何種等級(jí)，支持其更強(qiáng)大的“看”的能力的汽車(chē)傳感器技術(shù)是所有功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，傳感器融合已成為自動(dòng)駕駛安全可靠的重要支柱。隨著汽車(chē)駕駛艙越來(lái)越數(shù)字化，除了“看”周邊，攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)在車(chē)內(nèi)也開(kāi)始發(fā)揮它們的作用。比如短距離激光雷達(dá)可以監(jiān)測(cè)駕駛員和乘客的狀態(tài)，以支持更先進(jìn)的智能座艙功能，包括通過(guò)檢測(cè)頭部位置來(lái)調(diào)整安全氣囊展開(kāi)力度和優(yōu)化平視顯示器（HUD）、通過(guò)面部識(shí)別來(lái)識(shí)別特定的駕駛員和乘客以調(diào)整預(yù)定義的偏好等。
車(chē)傳感器融合的未來(lái)
根據(jù)Market Research的分析，汽車(chē)傳感器融合市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2023年的3億美元增長(zhǎng)到2030年的33億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為42.4%。在此過(guò)程中，對(duì)自動(dòng)駕駛和半自動(dòng)駕駛汽車(chē)的需求不斷增加，以及ADAS系統(tǒng)在各種汽車(chē)中的應(yīng)用，推動(dòng)了市場(chǎng)的發(fā)展。隨著純電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的增長(zhǎng)，進(jìn)一步推高了對(duì)ADAS或AD功能的需求。
來(lái)自Marklines的數(shù)據(jù)顯示，截至2022年，市場(chǎng)上有150多款L2 ADAS純電動(dòng)汽車(chē)，許多純電動(dòng)汽車(chē)配備了相應(yīng)的傳感器融合系統(tǒng)。比如福特的F-150 Lightning就配有福特的Blue Cruise ADAS/AD系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要提供傳感器融合功能。通用汽車(chē)在2023年3月推出的凱迪拉克Celestiq，配備了使用傳感器融合的超巡航ADAS/AD系統(tǒng)。
傳感器融合是未來(lái)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)，它們不僅能引導(dǎo)車(chē)輛自動(dòng)安全的行駛，還實(shí)現(xiàn)了一系列日益數(shù)字化的駕駛艙內(nèi)功能。傳感器融合的未來(lái)看起來(lái)非常有希望，然而車(chē)輛制造商的挑戰(zhàn)也將接踵而至。
首先，實(shí)時(shí)管理和解釋來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)所需的處理能力就是一個(gè)巨大的考驗(yàn)，它意味著未來(lái)的車(chē)輛需要有更強(qiáng)大的機(jī)載算力。找到一個(gè)既有合理的價(jià)格又能提供高算力的方案不是一件容易的事。其次，一輛車(chē)的智能化越高所需的傳感器數(shù)量越多，當(dāng)然，這些傳感器占用的空間越大，整車(chē)的成本也會(huì)越來(lái)越高。因此，小尺寸、高性能、高集成度、低價(jià)格的傳感器融合方案將贏得更多市場(chǎng)。再就是，傳感器融合技術(shù)的跨平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，還有很多互聯(lián)互通的工作要做。
自動(dòng)駕駛汽車(chē)傳感器融合技術(shù)的進(jìn)步標(biāo)志著人類(lèi)向更安全、更高效、更可靠的交通方式邁出了關(guān)鍵一步。多種傳感器的集成提供了一個(gè)遠(yuǎn)超人類(lèi)能力的多視角車(chē)輛環(huán)境，提高了障礙物實(shí)時(shí)檢測(cè)和決策的準(zhǔn)確性，有效緩解了單個(gè)傳感器技術(shù)在復(fù)雜車(chē)輛駕駛環(huán)境下固有的局限性。在向全自動(dòng)駕駛汽車(chē)邁進(jìn)的過(guò)程中，作為其中的技術(shù)支柱，傳感器融合的持續(xù)研發(fā)不僅能增強(qiáng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的能力，還將為智能出行領(lǐng)域的更多創(chuàng)新應(yīng)用鋪平道路。
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