车载混合电子后视镜双模冗余设计

0引言

在全球汽车行业加速向电动化、智能化迈进的大背景下,电子后视镜 (CameraMonitorSystem,CMS)技术逐渐成为提升驾驶安全性的关键。 法律法规方面,欧洲标准ECE—R46于2016年6月正式批准使用 CMS取代传统的物理视镜^[1]。随后,中国国家标准 GB15084—2022于2023年7月进行了更新并正式实施,为CMS技术在车辆上的应用提供了坚实的技术基础^[2]。

然而,CMS技术在实际应用过程中也暴露出诸多问题。2018年美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)的研究报告指出,尽管CMS具备缩小盲区和补偿黄昏条件下视野清晰度等优势,却存在使用体验不佳、夜间光晕、镜头眩光和雨水导致镜头模糊等问题^[3]。同时,国内学者宋佳等的CMS安全风险分析也揭示了一系列CMS的潜在风险,包含硬件安全、数据安全、系统安全和通信安全等多个维度^[4]。

回顾以往研究内容,研究方向普遍聚焦在图像处理^[1]、监视器布置^[5]、与智驾系统融合^[6]、空气动力学优化^[7]和对驾驶员影响^[8]等方面,而对于冗余设计的研究较为匮乏。 鉴于此,本研究以传统CMS方案为基础,紧密围绕双模视镜切换和主备摄像头切换这两个核心优化方向,深入硬件层面开展混合电子后视镜系统(HyBridCameraMonitorSystem,HCMS)的设 计重构和分析研究,对标国标GB15084—2022中6.2.2 节的要求^[9]。此外,在总体结构设计环节,依然维持与传统CMS相似的风阻特性,以求在技术创新的同时积极响应国家“双碳战略”政策导向。

1传统CMS不足分析

传统CMS由高清摄像头、系统控制器以及显示器三部分共同组成[1],在实际应用中存在以下3个关键不足:

1)CMS的安全隐患多于传统玻璃视镜。例如,未配置激光滤光片的图像传感器(ImageSensor,简称图传)在受到高功率激光照射时,可能引发局部像素烧毁或整体失效风险;高速视频信号链路存在环境可靠性风险。电子部件的此类异常均可能引发CMS功能性失效,分散驾驶员注意力,增加驾驶风险。

2)使用CMS会改变使用习惯,用户适应困难。Mazzae等学者的研究结果显示,CMS用户平均超车距离较传统后视镜增加20%,完成超车时间平均延长0.8 s^[10];此外,驾驶员从前视切换至扫视显示器时,眼球需要频繁调整焦距,会增加眼球疲劳;布置显示器的位置和传统玻璃后视镜的位置存在偏差,不同车辆制造商布置也存在差异,驾驶员需要更多时间来适应^[5]。

3)特殊驾驶场景中,如遇到镜头眩光、光晕或视频数据清晰度降低时,驾驶员无法准确判断侧后方路况。

上述不足可归纳为功能安全、用户适应性、环境适应性三个维度,本研究将针对性地提出HCMS解决方案,如表1所示。

2 HCMS总体方案设计

本文提出的HCMS采用“电子+光学”双模架构,在传统CMS的硬件架构上,增加传统后视镜作为CMS 的冗余备份,整体结构方案增加一个机械自由度实现双模视镜切换。在摄像头模组内采用两个图传和切换机构,实现电子硬件级别的视频链路冗余备份。

HCMS 的 总 体 硬 件 拓 扑由电子控制器单元(ElectronicControlUnit,ECU)控制器、LCD显示器模组、HCMS总成和按键面板4个核心部件构成。HCMS 总成内部集成摄像头模组、2个直流电机,其中摄像头模组另含有2个图传和1个直流电机。HCMS硬件方案框图如图1所示。

HCMS总成采用的双模视镜切换优化点是通过

以下结构实现的:部件1中安装有摄像头模组,下表面安装有玻璃视镜。部件1可被安装于支架1中的电机驱动,绕水平轴1旋转,可切换为玻璃后视镜模式或摄像头模式。支架1和部件1整体可绕垂直轴2旋转,实现后视镜折叠收纳功能,垂直轴2驱动电机安装于支架2中,支架2直接安装于汽车车门上。HCMS总成摄像头模式下结构图如图2所示,玻璃后视镜模式下结构图如图3所示。在玻璃后视镜模式下,部件1和支架1可被按键面板控制调整玻璃视镜的观察角度。

3 HCMS关键部件设计

3.1摄像头模组硬件方案设计

主备摄像头切换是HCMS的第二个优化点。图像数据通过串行器/解串器(Serializer/Deserializer, SerDes)芯片进行备份透传。由于不同芯片厂商的串行低压差分信号(Low—voltage Differential Signaling,LVDS)物理层通信标准生态独立,LVDS的接口拓扑也存在差异, 目前有两种常见的冗余设计硬件方案拓扑:

1)视频通道备份方案:原理是图传数据基于各自主备串行器通过两路独立的LVDS物理链路传输给解串器。系统级芯片(SystemonChip,SOC)通过 CSI接口从解串器获取视频数据,通过DPI显示接口发送至LCD显示模组。采用此拓扑的物理层LVDS通信标准有TI公司的FPD—LINK和MAXIM公司的GMSL等。视频通道备份方案硬件框图如图4所示。

2)视频通道菊花链方案:原理是备份图传的数据通过备份串行器发送到主串行器上,主串行器通过CSI接口接收到的主图传数据和通过GVIF接口接收到的备份图传数据聚合到LVDS链路上,通过一路 LVDS物理通道发送给解串器。采用此拓扑的物理层LVDS通信标准有SONY公司的GVIF。视频通道菊花链方案硬件框图如图5所示。

为配合硬件电路冗余方案,设计了以下两种机械结构方案。

1)遮光板方案:原理是常态下遮光板始终遮挡光路保护备份摄像头,避免大功率激光直射的风险,在需要启用备份摄像头时将遮光板收回。摄像头模组中备份摄像头A3较为扁平,为遮光板A4预留遮挡的位置。主摄像头A1和备份摄像头A3安装在PCBA

电路板A2上,视频数据通过射频线缆A8向ECU传送,电路板安装在支架A9上。切换电机A7安装在后视镜模组的结构壳体上,切换电机通过齿轮A6驱动固定在遮光板上的齿条A5,控制遮光板A4在水平方向上的移动。遮光板方案结构图如图6所示。

2)图传切换方案:原理是常态下主图传B8始终

通过镜头B2捕获外部图像信息,备份图传B1被壳体遮挡保护,当需要切换为备份图传时,主备图传交换位置,镜头B2保持不运动。在此机械结构中,备份图传B1和主图传B8所在的PCBA电路板B3固定在丝杆螺母B7上,视频数据通过射频线缆B6向ECU传送,切换电机B5安装在后视镜模组的结构壳体上,丝杆B4和切换电机B5同轴,电机旋转通过丝杆驱动丝杆螺母B7水平移动。图传切换方案结构图如图7所示。

3.2 ECU控制器方案设计

结合上述两个优化点的硬件设计,对ECU控制器进行了设计重构。ECU控制器的主电路由SOC域和微控制器单元(Microcontrollerunit,MCU)域两个主要部分构成,左右视频通道互相独立,两个域通过串口通信接口进行数据交换。

SOC域核心是两颗TI公司AM62Ax Sitara^TM系列处理器,其内部由多个Arm^®Cortex^®微处理器、图像信号处理器、多媒体显示子系统、4通道D—PHY摄像头串行接口接收器和视频编解码器等关键子系统构成,2个SOC分别搭配SerDes芯片、摄像头和显示模组等外设,构成左右两侧摄像头的视频链路。其中左右摄像头的数据通过同轴电缆传输,经由FAKRA连接器分别接入板载解串器1和解串器2。FPD—LINK/GMSL通信标准需要使用2个FAKRA连接器,GVIF通信标准只需1个,具体连接方式见图4和图5。

MCU域核心是TI公司MSPM0 Arm^®Cortex^®—M0+系列ARM控制器,内部集成4个UART、2个I2C和2个SPI通信接口、7个计时器、22个PWM通道等,适用于与SOC通信和外设控制,集成的CAN控制器适用于车辆网络CAN通信。外部控制面板的按钮和MCU 的低速GPIO接口相连,HCMS总成的电机均采用有刷直流电机。为实现电机正反转切换和PWM控制,选用带有精确H桥电流检测和诊断功能的车规级H桥电机驱动芯片DRV8243—Q1。MCU通过GPIO接口和SPI接口控制6个电机驱动芯片,从而实现左右共2个切换电机和4个支架电机的精确控制。ECU控制器硬件拓扑如图8所示。

4 系统软件设计

通过HCMS总成、LCD显示模组、按键面板和 ECU构架了HCMS的系统硬件基本结构。系统软件则部署于ECU控制器的SOC和MCU中,SOC主要负责实现图像解析、显示以及故障诊断,MCU域是HCMS 最小安全域,负责支架总成的运动控制、摄像头模组内切换和车辆局域CAN网络通信的任务等。根据主要功能的实现需要,整体的软件设计采用模块化设计,由主程序、中断服务子程序、初始化子程序、图像处理显示子程序、故障诊断子程序和支架运动控制子程序等组成。

实现双模视镜切换和主备摄像头切换的程序控制流程如下:1)由SOC执行故障诊断子程序,判断视野数据是否有效。2)若有效则执行图像显示子程序。

3)若无效,则需要判断视频数据是否来源于主摄像头。若主摄像头数据无效,需要执行摄像头或图传主备切换。4)当使用备份摄像头,图像数据依然无效时,则需将故障码列表发送给MCU,并在屏幕上进行“摄像头数据无效”的告警。5)当MCU判断SOC异常且重启无法恢复,或者SOC无异常但视频通道异常时,MCU控制电机从图2状态切换至图3状态。6)若 HCMS总成运动控制失败,也需上报故障,同时屏蔽切换命令。7)在根据状态码或故障码判断视频通道无异常时,两个支架电机均不动作,保持为图2状态。 SOC和MCU配合的主程序流程图如图9所示。

5 结果与讨论

HCMS整体方案经过理论分析,工程应用可行性高,分析如下:

1)已有类似课题的研究成果为HCMS总体方案的可行性提供了实证支持。CorinnaScidler等研究人员开发的全视镜 (FullDisplayMirror,FDM)系统的用户使用体验研究结果表明,通过折叠模式将显示器切换为车内普通后视镜后,可进一步增强用户使用FDM的信心。此设备是电子和玻璃视镜混合的内后视镜,其切换功能可弥补电子类故障缺陷^[11]。此外,罗通强等行业研究人员的智能汽车功能安全保障机制研究报告指出,冗余机制是提高车载设备汽车安全完整性等级 (AutomotiveSafety InteGrity Levels, ASIL)的一种方式^[12]。

2)HCMS的视频硬件解决方案、直流电机驱动均采用了成熟的方案,可行性强。

3)HCMS的摄像头模组采用视频通道备份方案 优于菊花链方案。视频通道备份方案优势如下:(1)在物理层实现了通道的独立冗余备份; (2)目前CMS中使用的主流车载图传分辨率已达到800万像素@30fps,12位RAW格式(RAW12),视频通道带宽需求约3Gb/s,当前最新采用GMSL3技术的IC单独通道的视频带宽最高可达12 Gb/s,可承载800万像素摄像头的视频传输带宽需求,在帧数提高和图像格式调整上更灵活,扩展性强;(3)GMSL或FPD-LINK为主流应用技术^[13],解决方案的可靠度已经过市场验证。劣势是物理层接口电路和线束会比菊花链方案多。菊花链方案的优势是在多源数据同步传递场景,可减少总体物理层视频线束长度和单板接口电路,成本相对较低。其劣势是目前的GVIF2技术仅支持最高带宽4.8 Gb/s,无法同时支持2个800万像素@30fps的摄像头数据传递。

4)HCMS的摄像头模组采用遮光板方案有较高工程可行性。遮光板方案是基于传统的双摄结构优化而来,其优势是结构简单,制造工艺成熟,遮光板的驱动齿轮齿条精度要求不高,机械结构相关成本较低;不过遮光板方案的两个摄像头位置存在差异,切换前后视野范围不一致。图传切换方案整体外观和传统HCMS相似,只需配备一个镜头,不过其有局限性:镜头光轴和传感器中心需要对齐,因此对丝杆和螺母有较高机械加工精度要求,制造难度大。

与传统CMS相比,HCMS的优势主要体现在以下两个方面:

1)电子设备的功能安全特性得到保障。例如图传失效场景,系统通过切换备份图传或玻璃视镜来恢复视野。

2)驾驶习惯适应过程更为平滑。在初期使用HCMS的CMS模式时,如果驾驶员感到不适应,依然可手动切换回传统玻璃后视镜模式替代。

HCMS方案尽管通过冗余备份设计提升了模组的功能安全特性,然而其成本相对较高,主要原因是视频硬件电路的备份增加了额外的成本,如额外的图传、视频串行器芯片电路、电机驱动和切换电机等组件。

6 结束语

本研究通过双模视镜切换和主备摄像头切换两个关键优化方向,重构了HCMS的硬件架构,旨在保障侧后视野连续,以提升CMS的功能安全特性,改善用户体验。研究发现,摄像头模组采用视频通道备份方案和遮光板方案来实现主备切换工程可行性高。

本研究首次提出的“电子十光学”双模架构冗余设计为CMS技术的演进提供了参考方案,对推动CMS 批量上车应用具有重要价值,填补了CMS冗余设计领域的技术空白。然而,该设计也存在一定的局限性, HCMS若实际应用时会增加额外的成本,则可能影响大规模推广,同时方案停留在设计研究阶段,还未做实验验证其性能和可靠性。

展望未来,研究可以着重从验证方案性能和可靠性入手,同时评估硬件成本的变化和冗余方案的 DFMEA分析,通过一系列改进降低主备切换延时,从而进一步提升HCMS系统实用性和性能。

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