淺談自動(dòng)駕駛當(dāng)中的關(guān)鍵傳感器

不久前，全球管理咨詢公司麥肯錫發(fā)布了一份研究報(bào)告，估算自動(dòng)駕駛技術(shù)如能實(shí)現(xiàn)，將提升個(gè)人安全系數(shù)，可減少90%以上的事故。不過，報(bào)告作者之一表示認(rèn)，自動(dòng)駕駛行業(yè)整體還處在“誕生期”，90%的數(shù)字僅是預(yù)測(cè)，有很大的不確定性，而且是在所有人都采取自動(dòng)駕駛的前提下得出的。

就安全系數(shù)而言，傳感和決策對(duì)其意義重大，所以解讀傳感器信息為當(dāng)前高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的核心，以及未來全自動(dòng)駕駛汽車所需要的基本要素，同時(shí)也是我們當(dāng)前面臨的一大挑戰(zhàn)。

擴(kuò)展感知能力，超越人眼所及

想象您在開車時(shí)一輛迎面而來的汽車不知不覺進(jìn)入了您的車道，與此同時(shí)有一個(gè)人在人行道上遛狗。您會(huì)剎車以期將碰撞降至最低程度？還是猛打方向盤，撞上行人和狗？抑或猛然轉(zhuǎn)向另一車道，撞上迎面而來的車流？無論如何選擇，也不大可能逃過一劫而不造成實(shí)質(zhì)性損害或傷害。即使有能力在一瞬間作出三項(xiàng)決策，對(duì)我們所有人來說，這仍會(huì)變成一個(gè)沒有贏家的困境，除非我們能避免其發(fā)生。這正是自動(dòng)駕駛的主要目標(biāo)之一：車輛中的傳感器、通信能力、執(zhí)行器和人工智能（AI）協(xié)同工作，收集并分析信息，從而比最好的人類司機(jī)更快、更及時(shí)地做出決策。

我們?cè)陂_車時(shí)獲得的大部分信息來自于眼睛。這會(huì)受到很多因素的限制和影響，例如天氣、距離和干擾。因此，我們?cè)陂_車時(shí)作出的很多決策都是反應(yīng)性的。自動(dòng)駕駛車輛有望實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性駕駛。為此，車輛必須具備遠(yuǎn)超我們?nèi)祟惖?a target="_blank">檢測(cè)感知能力，我們需要檢測(cè)自動(dòng)駕駛車輛外部環(huán)境的三種關(guān)鍵技術(shù)：雷達(dá)、激光雷達(dá)和高性能慣性MEMS IMU。

微波雷達(dá)

雷達(dá)目前大量用在高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)中，例如碰撞預(yù)警和緩沖剎車、盲點(diǎn)檢測(cè)、車道變換輔助等，然而高性能雷達(dá)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的微波信號(hào)鏈技術(shù)能力有極高的要求。有意思的是，根據(jù) ADI 官方數(shù)據(jù)，新近生產(chǎn)的全部雷達(dá)模塊中大約 50% 含有 ADI 公司技術(shù)。這家在四年前將微波射頻領(lǐng)頭羊公司訊泰（Hittite）成功納入囊中的模擬半導(dǎo)體技術(shù)巨頭，在汽車?yán)走_(dá)領(lǐng)域有 15 年的記錄，現(xiàn)正在開發(fā)打造創(chuàng)新的以“Drive360”命名的雷達(dá)技術(shù)平臺(tái)，以提供最高水平的性能和距離分辨率。除了成熟的 24GHz 微波雷達(dá)技術(shù)，還支持 76 GHz 至 81 GHz 的完整頻段，使其長(zhǎng)期可用。

Drive360 雷達(dá)圍繞 28nm CMOS技術(shù)構(gòu)建，這是目前 ADI 在業(yè)界率先強(qiáng)調(diào)的工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，據(jù)稱這使雷達(dá)平臺(tái)能提供最高程度的數(shù)字信號(hào)處理集成靈活性，同時(shí) ADI 豐富的RF IP支持實(shí)現(xiàn)高度差異化的波形和算法。按 ADI 公開的資料表示，采用 Drive360 雷達(dá)的產(chǎn)品將能可靠地檢測(cè)形狀更小、移動(dòng)速度更快、距離更遠(yuǎn)的物體（如摩托車、行人、動(dòng)物等），以在關(guān)鍵時(shí)刻避免傷亡。

雷達(dá)、激光雷達(dá)和慣性MEMS IMU組成未來自動(dòng)駕駛技術(shù)的“鐵三角”

激光雷達(dá)

雷達(dá)在未來的全天候自動(dòng)駕駛應(yīng)用中居于支配地位，但它只是瞬間決策解決方案的一部分。還需要其他傳感器，例如攝像頭和激光雷達(dá)（LiDAR，激光探測(cè)與測(cè)距）。與成熟的微波雷達(dá)技術(shù)相比，雷達(dá)所占成本只是激光雷達(dá)當(dāng)前的成本很小一部分。

業(yè)界公認(rèn)的最先成熟將激光雷達(dá)應(yīng)用在汽車上的是美國(guó)Velodyne公司，其第一臺(tái)激光雷達(dá)直徑達(dá)到 30 英寸、重量接近 100 磅。2007 年其開發(fā)的激光雷達(dá)系統(tǒng)收費(fèi)還高達(dá) 8 萬美元。2010 年谷歌推出無人駕駛汽車項(xiàng)目的“車頂花盆”據(jù)稱采用了 Velodyne 生產(chǎn)的 64 線激光雷達(dá)傳感器，成本約為 7.5 萬美元，其成本占到一輛谷歌無人車近一半。

作為傳統(tǒng)微波技術(shù)的領(lǐng)頭羊，ADI 也將激光雷達(dá)作為其整體 Drive360自主駕駛解決方案戰(zhàn)略的關(guān)鍵支柱。激光雷達(dá)利用光脈沖將物理世界以高的置信水平實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為 3D 數(shù)字圖像。傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)（現(xiàn)今主要用于測(cè)試車輛）非常昂貴。除此之外，它們外觀很難看，并且由機(jī)械組件構(gòu)成，可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。ADI 正在大量投資開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的真正純固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)以促進(jìn)汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)的主流采用，并讓汽車供應(yīng)商和 OEM 能夠在客運(yùn)車輛中部署基于激光雷達(dá)的 ADAS 和自主駕駛應(yīng)用。

激光雷達(dá)是一個(gè)飛速發(fā)展的領(lǐng)域，其探測(cè)范圍和精度對(duì)于解決一些最困難的 ADAS 挑戰(zhàn)至關(guān)重要。ADI 公司目前聚焦于固態(tài)激光雷達(dá)設(shè)計(jì)，據(jù)稱其材料與計(jì)算機(jī)顯示器中掃描光線所用的材料相同，將經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)計(jì)消除常規(guī)產(chǎn)品中的活動(dòng)部件，克服當(dāng)前激光雷達(dá)系統(tǒng)成本高昂的問題，并提高可靠性。在范圍、分辨率、幀速率和功耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)方面，它也將有改善。

慣性測(cè)量單元

全球主流的導(dǎo)航采用GPS或者中國(guó)發(fā)展北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，但這些衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)也有它本身劣勢(shì)，比如信號(hào)差、有誤差、更新頻率低等問題，所以僅靠GPS無法滿足自動(dòng)駕駛的定位需求，需要一種更好的設(shè)備來彌補(bǔ)GPS的不足。而MEMS慣性測(cè)量單元（IMU）擁有更高的更新頻率，而且不受信號(hào)影響，可以很好與GPS形成互補(bǔ)。

慣性測(cè)量單元，通常由陀螺儀、加速度計(jì)和算法處理單元組成，通過對(duì)加速度和旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量得出自體的運(yùn)動(dòng)軌跡，在導(dǎo)航中有著很重要的應(yīng)用價(jià)值。我們把傳統(tǒng)的IMU和與車身、GPS等信息融合的算法組合在一起的系統(tǒng)稱為廣義的、針對(duì)自動(dòng)駕駛的 IMU。

除了檢測(cè)周圍環(huán)境之外，自動(dòng)駕駛車輛還需要能在各種氣候條件下感受路況并做出響應(yīng)。ADI公司的慣性MEMS將多軸加速度計(jì)和陀螺儀與處理和校準(zhǔn)功能集成在單個(gè)封裝中。IMU連同板載ADAS和衛(wèi)星定位輸入，提供精確的車輛位置和航向畫面，同時(shí)抑制正常駕駛產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)。

目前的GPS有很多時(shí)候是精度不夠準(zhǔn)確或者無效的，例如在隧道中經(jīng)常因?yàn)樾盘?hào)不好無法使用，或者在市中心的高樓里GPS信號(hào)容易被折射反射。這個(gè)時(shí)候IMU就可以增強(qiáng)GPS的導(dǎo)航能力。例如，在車道線識(shí)別模塊失效時(shí)，利用失效之前感知到的道路信息和IMU對(duì)汽車航跡的推演，仍然能夠讓汽車?yán)^續(xù)在車道內(nèi)行駛。

此外，GPS更新頻率過低（僅有10Hz）不足以提供足夠?qū)崟r(shí)的位置更新，IMU的更新頻率可以達(dá)到100Hz或者更高完全能彌補(bǔ)GPS所欠缺的實(shí)時(shí)性，GPS/IMU組合系統(tǒng)通過高達(dá)100Hz頻率的全球定位和慣性更新數(shù)據(jù)，可以幫助自動(dòng)駕駛完成定位。通過整合GPS與IMU，汽車可以實(shí)現(xiàn)既準(zhǔn)確又足夠?qū)崟r(shí)的位置更新。

未來展望

就像雷達(dá)、激光雷達(dá)和高性能MEMS IMU可以擴(kuò)展自動(dòng)駕駛車輛的檢測(cè)能力，使其超越人眼所及一樣，全球汽車半導(dǎo)體技術(shù)廠商都在探索當(dāng)今所用這些技術(shù)的未來形態(tài)。想象一下手機(jī)發(fā)展的進(jìn)程您會(huì)對(duì)未來自主駕駛的技術(shù)進(jìn)步感到憧憬，1990 年代當(dāng)新型手機(jī)推出時(shí)它可能有更好的電池或更薄的外形，其后智能手機(jī)降臨徹底永久地變革并改善了人類的生活。雷達(dá)、激光雷達(dá)和高性能MEMS IMU的演進(jìn)，這些變革性技術(shù)將是未來高級(jí)安全與自動(dòng)駕駛應(yīng)用快速推進(jìn)的強(qiáng)大基礎(chǔ)。