如何实现高级驾驶辅助系统的设计？有哪些解决方案？

高级驾驶辅助系统(Advanced Driving Assistance System)是利用安装在车上的各式各样传感器(毫米波雷达、激光雷达、单\双目摄像头以及卫星导航)，在汽车行驶过程中随时来感应周围的环境，收集数据，进行静态、动态物体的辨识、侦测与追踪，并结合导航地图数据，进行系统的运算与分析，从而预先让驾驶者察觉到可能发生的危险，有效增加汽车驾驶的舒适性和安全性。 近年来ADAS市场增长迅速，原来这类系统局限于高端市场，而现在正在进入中端市场，与此同时，许多低技术应用在入门级乘用车领域更加常见，经过改进的新型传感器技术也在为系统布署创造新的机会与策略。

先进驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance System)，简称ADAS，是利用安装于车上的各式各样的传感器， 在第一时间收集车内外的环境数据， 进行静、动态物体的辨识、侦测与追踪等技术上的处理， 从而能够让驾驶者在最快的时间察觉可能发生的危险， 以引起注意和提高安全性的主动安全技术。ADAS 采用的传感器主要有摄像头、雷达、激光和超声波等，可以探测光、热、压力或其它用于监测汽车状态的变量， 通常位于车辆的前后保险杠、侧视镜、驾驶杆内部或者挡风玻璃上。早期的ADAS 技术主要以被动式报警为主，当车辆检测到潜在危险时， 会发出警报提醒驾车者注意异常的车辆或道路情况。对于最新的ADAS 技术来说，主动式干预也很常见。

一直以来，汽车的刹车灯、转向信号灯、倒车灯以及车尾雾灯都采用21W到27W、亮度为280至570流明的钨丝灯泡作为光源。车尾灯、泊车灯、车侧显示灯以及转向信号闪灯采用4W至10W、亮度为40至130流明的钨丝灯泡，汽车头灯则采用高亮度的氙气荧光管(HID)。但在汽车照明中，越来越多地采用LED作为光源。尾部中央高位刹车灯是最早采用LED的汽车灯。另外，在车灯市场上，其他车外照明和指示灯如刹车灯、转向信号灯以及车内照明灯都已改用LED灯泡。近年来，车外照明灯，如白天行车灯(DRL)，以及车头近光灯都开始改用LED灯泡。预计汽车大灯也会很快改用高亮度LED灯。此外，在车身内部，一些车内显示器的背光也开始采用LED作为光源，如仪表盘以及TFT显示器。

汽车LED照明系统的优点

白光LED的色温约为6000K，视觉上几乎等同于自然光。由于人眼区分颜色的能力在自然背景条件下是最好的。在晚上，人眼只有在自然的色彩情况下，对景物或马路边沿才有很好的区分能力。

LED灯的平均寿命比钨丝灯以及高亮度荧光灯管长，而且更加稳定可靠。如可以减少出故障的几率，同时无需频繁地更换灯泡，省却了很多麻烦。而且采用LED可以节省更多的能源。LED灯外形更小，更容易装入灯座内，在占用更少空间的同时，更容易配合时尚的灯饰设计。更为重要的是，LED刹车灯的启动速度更快。LED刹车灯的点亮时间仅为50ms左右，比钨丝灯泡的启动时间快大约250ms，从而降低了被尾随车辆碰撞的危险。另外，LED是固态光源，可以承受更大的震动。

驱动LED灯的技术要求

由于LED的亮度与流过的电流成正比，所以需要恒定的电流源来驱动LED。在任何情况下，流过LED的电流要保持恒定，才能确保LED亮度的一致性。另外还需要在任何情况下都能将纹波电流控制在可接受的水平。所以说LED驱动器的设计属于电源转换电路设计，其特点是恒流输出而非恒压输出。

在LED驱动器设计中，必须增加阻塞电路，为防止电源反向操作提供保护。我们会遇到的另外一个挑战是要在汽车冷启动或负载断电的情况下确保LED能够正常工作。在正常操作的情况下，小轿车的电池供电电压介于9V与16V之间(例如12V系统总线)，而大货车的电池供电电压则介于18V与32V之间(例如24V系统总线)。在出现负载断电或冷启动的情况时，电池的输入电压范围会与正常的范围有很大的出入。

在发电机运行期间，如果电池的供电被突然截断，此时发电机会继续发电，使用发电机供电的电容等用电部分就会出现电压突然增高的现象，如果不采取保护措施，将会损坏用电器。如果LED的驱动不是恒流驱动，LED的电流就会有所变化，造成LED的亮度变化，这就是为什么目前的汽车灯会存在闪烁现象。下面是一个负载断电测试的一个定义，用来模仿负载突断的一些情形。不同的汽车厂商采用不同的标准，因此负载断电测试的定义也各不相同，图1只是其中一个案例。

图1 负载断电测试的定义

尽管负载突降会造成负载电压升高，但大部分先进的交流发电机都配备了中央控制式负载断电箝位电路。12V总线系统的参考电平会被限制在35V到42V之间，而24V总线系统的参考电平会被钳定在50V到60V之间。

在天气寒冷的时候，启动装置会令电池供电电压大幅下跌，图2显示“冷启动”测试的典型波形。

图2 “冷启动”测试的典型波形

由于LED驱动器的输入供电端连接电池的输入端，因此像刹车灯这类涉及驾驶安全的汽车灯必须不受负载断电及冷启动的影响，甚至必须能够在这种情况下继续正常运行。在典型的情况下，12V总线系统的输入范围为6V到42V，24V总线系统的输入电压范围为12V到60V。

LED驱动技术

电阻限流是LED驱动方法之一，其优点是成本较低、设计简单;缺点是电流会随着正向电压和驱动电压的不同而改变，所以LED发出的亮度会改变。当电池电压比较高时，驱动的效率很差，因为此时大部分的功率会消耗在电阻上。此外，限流电阻会产生很大的热量，导致散热的问题。所以这是一个简单、但并不是一个最高效的方法。

第二种方法是线性稳流器，也叫恒流源。它的优点是设计简单、电流恒定;缺点是效率很低，而且随着输入电压的升高，线性芯片承载的压降也就越大，所以线性芯片也会产生很大的热量。但它改善了电阻限流方法中电流波动的缺点。

除了以上两种方法，还有一种开关电源式的驱动方法。表1是三种不同方法的比较，用开关电源作为LED驱动的方法具有很高的效率，而且电流恒定。由于开光电源转换器的效率较高，因此被越来越多的车灯生产商使用。其最大的缺点是设计线路要复杂些，而且成本相对较高。

表1 三种LED驱动方法比较

用于高亮度汽车灯的升压/降压LED驱动器

汽车照明中为什么要用到升压/降压LED驱动器呢?这是因为电池电压是波动的，在电压波动时，我们需要保持流过LED的电流恒定，升压/降压LED驱动器可以确保无论输入电压高于还是低于输出电压，电流都能保持恒定。这保证了在负载断电和冷启动的时候，和安全有关的照明灯可以保持恒定的亮度。另外，多样化的LED汽车照明应用也需要不同的LED驱动器拓扑结构。部分汽车灯生产商希望能够有一个LED驱动平台可以适用于不同灯光系统的不同LED配置。升压/降压LED驱动器是大部分高亮度汽车灯光系统的理想驱动器解决方案。

LM3423(图3)是NS公司一款升压/降压LED驱动器芯片，它不仅可以提供快速的调光控制、可靠的保护和故障显示等功能，还可以配置升压、浮动降压及浮动的升压/降压LED驱动器，满足不同的LED车载驱动的要求。

大家的传统印象中，自动驾驶产品难有美感可言。

2004 年，第一届 DARPA 挑战赛现场，选手是一辆辆头顶摄像头、天线的改装车，外型粗犷、怪异。

近二十年过去，后来的 L4 无人车，也大多顶着硕大的机械式激光雷达，同样少了浑然天成的感觉。

不过，要说 L4 公司是一群埋头技术的理科生，常年只懂得堆砌传感器，就小瞧了这个赛道的进化速度。

创立于 1953 年德国 IF 设计奖，由德国历史悠久的工业设计机构汉挪威工业设计论坛发起，素以「独立、严谨、可靠」的评奖理念闻名于世，有着设计界的「奥斯卡」之称。

在最新的 IF 2023 年度获奖名单中，轻舟智航送审的 Driven-by-QCraft multi-sensor fusion suite(Gen 4)第 4 代多传感器套件方案，从来自 56 个国家的参赛作品 11000 件杀出重围，成为唯一一件自动驾驶公司打造的获奖作品。

往年获奖的汽车行业公司，是保时捷、法拉利等有着悠久设计历史的品牌。

尤其是，轻舟这次获奖的多传感器套件是在 2021 年末至 2022 年初期间设计完成、搭载上车的作品，当时的轻舟是一家 L4 为主的自动驾驶解决方案公司。能够获得 2023 年度奖项，一方面说明其硬件方案本身具有「美感」，另一方面也说明硬件方案设计具有一定的超前性。

当自动驾驶这一科技功能与「美感」挂钩，距离向消费者就会更近一步。

01

无感，L4 公司的科技美学

今天我们谈到的「科技美学」，其实是美学的一个分支。

十八世纪六十年代，第一次工业革命从英国起源，极大地提升了生产效率，同时也让人们看到了产品粗糙的问题。

十九世纪下半页，一场同样起源于英国的设计改良运动展开，又称为工艺美术运动，针对设计水准下降的室内产品建筑、家具、平面设计进行了广泛改进。

那场运动让科技进入人们的审美世界，催生了后来的科技美学。

又过了一个世纪，开始出现专为设计而立的大奖，其中，德国的 IF、红点奖，以及美国的 IDEA，并称世界三大设计奖。

早期，这些奖均拥有向汽车行业颁奖的历史，不过以整车为主。直到几年，奖项才开始授予自动驾驶公司。

拿下这届德国 IF 奖的轻舟作品，其背后的团队告诉笔者，最初在进行第 4 代多传感器套件方案的概念设计时，便想到了「科技美学」。

设计基于两大需求：高集成度、小型化。

高集成是为了方便适配不同车型，小型化是为了给用户更多的天窗面积。

基于上述需求，团队将整个造型的设计采用机翼式的设计，通过对称的方式，将传感器排布在「机翼」上，这种流线型的外观，让硬件方案与整车的外观可以做到协调统一。

为了让传感器的尺寸从视觉上显得不那么突兀，轻舟的团队还采用了色彩分层的设计，从而减轻了方案本身的重量感。

成本上，这套方案也做了控制，将整个硬件方案尽可能一体化，面积相较上一代减少了 3/4，并且将每个小部件做了分割设计，可以方便拆卸。

这种设计是有着独特性的。

要知道，轻舟设计这套作品的 2021 年，是 L4 公司刚刚开始推出前装量产无人车的时间节点。彼时的无人车成本仍有着近五十万元，头上的激光雷达仍然鼓起一个大包。

到了 2022 年，一些车企比如蔚来的单颗激光雷达、小鹏的两颗激光雷达，极狐阿尔法 S HI 的三颗激光雷达等出现，大家对激光雷达的安装位置、方案仍然没有形成共识。

这说明，行业当时并没有一套成体系的自动驾驶硬件方案。

在轻舟担任 L4 业务&用户体验产品经理的洪小如认为，与汽车从一开始只有功能性，到后来慢慢发展为具有美观性相似，自动驾驶也有着同样的历程。

「很多新能源车型都在自己的车上安装了那一个突出来的激光雷达。其实上从美学上来讲的话，还是会比较突兀的，相当于就是一个妥协的产品状态，未来最好的一个状态是什么?我认为它还是更多是隐藏式的，例如说像禾赛前段时间发布的，可以装在车窗里面。」洪小如说。

很多时候，消费者完全不关心用的是什么雷达，安装在什么位置，他们希望看到的就是一个美的产品，同时功能也是好用的。

基于此，自动驾驶要做到让用户无感才是好的设计。

02

不唯上，唯用户

国内有许多非常优秀的设计师，无论是前瞻性还是技术能力、审美水平都非常强，而且国内的原型设计也不比国外差。

问题是，过去很长时间里，这群有才华的人是被压抑着的。

一些主机厂或科技公司，并没有按照科学的路径去行事，大家缺少目标一致，而是以老板的意志为转移，最终导致所有动作发生变形。

幸运的是，从轻舟的 CTO，到负责传感器套件的硬件总监，再到整个设计、研发团队，大家对美的追求是一致的。

而且，轻舟有一支拥有工匠精神的团队。这种工匠精神，指的是较真的做事态度，将专业性发挥到极致，将产品打磨到极致。

洪小如透露，在这次获奖作品的背后，结构设计的同事「备受折磨」。

举个例子，在做摄像头的集成设计时，由于要将五个摄像头形成一个圈，导致内径非常小，基本上没有了压缩空间，甚至会造成后续的安装问题，团队尽可能地和结构设计的同事沟通，寻找不同的办法。

最终通过将摄像头的接头在另一个地方接线的方式，解决了内径问题。

据了解，轻舟的 HMI 产品 QView，就是由少而精的设计人才完成的。