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[导读]驾驶员最重要的任务之一是观察周围环境并做出相应的反应,随着汽车制造商实施先进驾驶员辅助系统(ADAS),视觉系统已引起人们对其作用的重视。

根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)的数据,每辆在路上运动中的车辆都包含一个危险部件,即位于车轮后方的人员。NHTSA对2,189,000起道路交通事故进行了详细调查,得出的结论是其中94%(2,046,000)是由于司机的过错。最常见的驾驶员出错(识别错误)是由于缺乏关注,或驾驶员以某种方式分心,这些因素共占驾驶员导致事故的41%。道路使用者的安全非常重要,考虑到这一点,世界领先的汽车品牌正在不断为他们的汽车增加新功能,以协助司机进行更安全的驾驶,或者开发更先进的系统。从长远来看,这些先进的系统将使驾驶不再完全依赖司机。

驾驶员最重要的任务之一是观察周围环境并做出相应的反应,通常是调整速度或方向。要做到这一点,驾驶员必须要知道很多事情,包括实际的障碍物、潜在的障碍物、速度限制、其他形式的道路标志和天气状况等等。如果车辆是为了帮助司机驾驶,并最终通过自动驾驶承担全部责任,那么它必须具有至少与人类相当的能够完成这些任务的能力。

随着汽车制造商实施先进驾驶员辅助系统(ADAS),各种类型的传感器现在都已经被整合到车辆设计,用以提供车辆所需的支持数据,其中基于视觉的传感技术发展最快,已经超越简单的倒车摄像头,能够提供强大而高效的成像解决方案。

 

重要的汽车摄像头应用

 

前向摄像头已经开始受到市场的广泛采用,这不仅体现在高端汽车,同样也出现在中档汽车车型。前向摄像头结合适当的图像处理软件,可以检测到前方障碍物,并且能够将其耦合到方向盘传感器,因而系统可以确定障碍物是否在车辆的轨迹之内。更先进的系统甚至可以绘制行人的轨迹,进而确定它是否可能与车辆的路径相交叉,并预先处理以避免事故的发生。之后,车辆ADAS可以做出许多响应,包括从简单的警告到采取规避动作,具体取决于其复杂程度。

然而,视觉系统远不仅限于前向摄像头。许多高端车型现在已经配备有多个摄像头,因此在机动时可以对车辆周围360度全方位观察。虽然这些摄像头可以防止发生轻微但仍然是代价昂贵的“碰撞”,但它们的真正价值在于能够识别在驾驶员注意不到的情况下靠近车辆的宠物或小孩等等。

如果没有遵守公布的速度限制,貌似最多可能导致巨额罚单。但是,这也可能会导致更严重的后果,例如造成人身伤害的重大事故,甚至更严重的情况造成生命死亡事故。当今的视觉系统使用现有的前向摄像头或者专用摄像头来识别和读取路边的速度标志,车辆对于限速标志的响应可能是在驾驶员的视线中再现这些标志,如果超过速度限制则发出声音警报;或者是限制车辆的速度以便始终遵守这些速度限制。

照明技术的发展已经促使从传统灯具转向LED灯照明,无论是街道照明还是车辆前大灯都是如此,闪烁已经成为视觉系统的挑战。由于人类视觉的持续性,闪烁对于驾驶员来说并不明显,但是它可以在周期性捕获的图像上则显示为暗带(dark bands),使得字符识别(例如限速标志上的数字)变得更加困难。先进的图像捕获算法几乎可以瞬时获取多个图像,并将这些图像合并,以提供可以准确读取的高质量合成图像。这种技术通常称为闪烁缓解(flicker mitigation),现在已被用于领先的汽车图像传感器。

摄像头不仅适用于车外,也可用于车内。由于驾驶员在车辆控制中发挥着重要作用(至少目前是这样),需要成像技术来监控驾驶员自身,这样可确保驾驶员准备好,并对即将发生的情况做出快速反应。如果驾驶员没有做好准备,ADAS可以进行干预。摄像头将持续监测驾驶员的面部和头部位置,并通过人工智能(AI),确认驾驶员检查反射镜的频率,来评估司机的困倦程度以及交通注意力。如果驾驶员变得不专心或明显疲倦,可以给出提醒或建议休息时间。这种监控还可用于测量前排乘客人员的高度和体型大小,以在发生可能的碰撞时实现适当的安全气囊展开。

用于监测驾驶员的摄像头也可以增加许多其他便利。简单的人脸识别软件可以识别驾驶员,并将驾驶室偏好(包括座椅位置、方向盘位置、后视镜和驾驶室温度)设置为预先配置的值,从而使驾驶环境更加舒适。另外,成像通常也可应用于监测车辆其他乘员,例如可以检查他们是否感到舒适,如果没有达到舒适程度则调整空调系统。

 

汽车视觉技术

 

在技术领域,几乎所有都在保持不断变化,而汽车行业中不断发展的视觉传感硬件(和附带的软件)尤其如此。随着车载通信技术从CAN总线迁移到汽车以太网,可以实现更高速度的帧率和更高分辨率视频,从而能够提高图像质量,并提供更高的安全性。

安森美半导体的AR140AT图像传感器

图1:安森美半导体的AR140AT图像传感器。

 目前最具吸引力的汽车图像传感器之一是安森美半导体(ON Semiconductor)的AR140AT,这是一款1/4英寸100万像素CMOS器件,有源像素阵列为1280x800。它专门针对光线不足的驾驶条件进行了优化,可提供高动态范围(HDR)模式,并具有滚动快门(rolling-shutter)读数。AR140AT在静止模式和视频模式(60fps)下都能产生非常清晰锐利的数字图像,它还集成有像素内合并(in-pixel binning)和窗口化等下一代摄像头功能,完全符合AEC-Q100标准(并且支持PPAP)。

由于当代汽车更加依赖于ADAS系统,该技术的安全性是设计人员的首要考虑因素。FS32V234包含一个带有16kB片上安全RAM和ROM的CSE,以及一个系统级JTAG控制器,可以支持ARM的安全TrustZone架构。该器件支持用于功能安全的ISO 26262汽车安全集成等级(ASIL),并可提供安全手册和完整的FMEDA报告。通过提供FD-CAN和FlexRay接口,可简化与当今车辆ADAS基础设施的集成。

 

用于车辆控制的视觉技术

 

车辆视觉系统正在不断扩展到其他创新应用。随着汽车制造商寻求在车内有限的空间内为更复杂的车辆系统提供直观的人机界面(HMI),以补充和改进现有控制系统,基于手势的HMI允许驾驶员提供输入命令,由于无需要求他们把目光从路上移开,因而不会在开车时产生分心。

Melexis的全新芯片组基于时间飞行(ToF)技术,可为3D视觉系统提供简单的模块化设计,适用于创建基于手势的HMI。该芯片组包括MLX75023 1/3英寸光学格式ToF传感器和MLX75123协同IC,其中包含开发3D视觉解决方案所需的许多外部组件,Melexis还提供评估模块。由于该芯片组具有高集成度,设计人员不再需要添加昂贵(且占用空间)的外部FPGA和ADC,从而能够减小尺寸,降低设计和产品单价,并缩短产品面市时间。

MLX75023 ToF评估板
图2:MLX75023 ToF评估板。

MLX75023 ToF传感器采用了Melexis先进的像素技术,可提供HDR功能,适用于具有挑战性的光线条件。 MLX75123协同芯片直接将传感器IC连接到主机MCU,并提供快速的数据读取。分离传感器和协同(处理)芯片的模块化设计意味着可以升级传感器单元,而无需改变整个系统架构。

 

总结

 

汽车行业正在将前所未有的大量技术添加到车辆,使其更经济,更方便,最重要的是更安全。先进的传感器技术已经通过ADAS等系统增强了驾驶员的驾驶能力,随着技术的进一步发展,自动化驾驶系统最终将取代驾驶员。传感器的种类也正在激增,通过传感器融合,能够确保这些传感器协同工作,从而最终使车辆安全运行。视觉技术是未来车辆的关键,许多中档车型现在已经集成有多个视觉传感器,可以更详尽地感知周围的世界,阅读路边标志,并监测驾驶员。图像传感器也具有很多的分辨率级别,以便识别细节,即使处在夜间驾驶或恶劣天气中经常遇到的低光照条件下,像素技术的进步也能使视觉系统保持准确的运行。

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