自動駕駛的鐵三角是什么？

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

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

想象您在開車時一輛迎面而來的汽車不知不覺進入了您的車道，與此同時有一個人在人行道上遛狗。您會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質(zhì)性損害或傷害。即使有能力在一瞬間作出三項決策，對我們所有人來說，這仍會變成一個沒有贏家的困境，除非我們能避免其發(fā)生。這正是自動駕駛的主要目標之一：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更快、更及時地做出決策。

我們在開車時獲得的大部分信息來自于眼睛。這會受到很多因素的限制和影響，例如天氣、距離和干擾。因此，我們在開車時作出的很多決策都是反應性的。自動駕駛車輛有望實現(xiàn)預測性駕駛。為此，車輛必須具備遠超我們?nèi)祟惖?a target="_blank">檢測感知能力，我們需要檢測自動駕駛車輛外部環(huán)境的三種關(guān)鍵技術(shù)：雷達、激光雷達和高性能慣性MEMS IMU。

雷達目前大量用在高級駕駛員輔助系統(tǒng)中，例如碰撞預警和緩沖剎車、盲點檢測、車道變換輔助等，然而高性能雷達技術(shù)對傳統(tǒng)的微波信號鏈技術(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體技術(shù)巨頭，在汽車雷達領(lǐng)域有 15 年的記錄，現(xiàn)正在開發(fā)打造創(chuàng)新的以“Drive360”命名的雷達技術(shù)平臺，以提供最高水平的性能和距離分辨率。除了成熟的 24GHz 微波雷達技術(shù)，還支持 76 GHz 至 81 GHz 的完整頻段，使其長期可用。

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

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

雷達在未來的全天候自動駕駛應用中居于支配地位，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（LiDAR，激光探測與測距）。與成熟的微波雷達技術(shù)相比，雷達所占成本只是激光雷達當前的成本很小一部分。

業(yè)界公認的最先成熟將激光雷達應用在汽車上的是美國Velodyne公司，其第一臺激光雷達直徑達到 30 英寸、重量接近 100 磅。2007 年其開發(fā)的激光雷達系統(tǒng)收費還高達 8 萬美元。2010 年谷歌推出無人駕駛汽車項目的“車頂花盆”據(jù)稱采用了 Velodyne 生產(chǎn)的 64 線激光雷達傳感器，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。激光雷達利用光脈沖將物理世界以高的置信水平實時轉(zhuǎn)化為 3D 數(shù)字圖像。傳統(tǒng)激光雷達系統(tǒng)（現(xiàn)今主要用于測試車輛）非常昂貴。除此之外，它們外觀很難看，并且由機械組件構(gòu)成，可能導致系統(tǒng)停機。ADI 正在大量投資開發(fā)經(jīng)濟高效的真正純固態(tài)激光雷達技術(shù)以促進汽車激光雷達系統(tǒng)的主流采用，并讓汽車供應商和 OEM 能夠在客運車輛中部署基于激光雷達的 ADAS 和自主駕駛應用。

激光雷達是一個飛速發(fā)展的領(lǐng)域，其探測范圍和精度對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)激光雷達設(shè)計，據(jù)稱其材料與計算機顯示器中掃描光線所用的材料相同，將經(jīng)濟有效的設(shè)計消除常規(guī)產(chǎn)品中的活動部件，克服當前激光雷達系統(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)鍵性能指標方面，它也將有改善。

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

慣性測量單元，通常由陀螺儀、加速度計和算法處理單元組成，通過對加速度和旋轉(zhuǎn)角度的測量得出自體的運動軌跡，在導航中有著很重要的應用價值。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、針對自動駕駛的 IMU。

除了檢測周圍環(huán)境之外，自動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。ADI公司的慣性MEMS將多軸加速度計和陀螺儀與處理和校準功能集成在單個封裝中。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，同時抑制正常駕駛產(chǎn)生的沖擊和振動。

目前的GPS有很多時候是精度不夠準確或者無效的，例如在隧道中經(jīng)常因為信號不好無法使用，或者在市中心的高樓里GPS信號容易被折射反射。這個時候IMU就可以增強GPS的導航能力。例如，在車道線識別模塊失效時，利用失效之前感知到的道路信息和IMU對汽車航跡的推演，仍然能夠讓汽車繼續(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的位置更新，IMU的更新頻率可以達到100Hz或者更高完全能彌補GPS所欠缺的實時性，GPS/IMU組合系統(tǒng)通過高達100Hz頻率的全球定位和慣性更新數(shù)據(jù)，可以幫助自動駕駛完成定位。通過整合GPS與IMU，汽車可以實現(xiàn)既準確又足夠?qū)崟r的位置更新。

就像雷達、激光雷達和高性能MEMS IMU可以擴展自動駕駛車輛的檢測能力，使其超越人眼所及一樣，全球汽車半導體技術(shù)廠商都在探索當今所用這些技術(shù)的未來形態(tài)。想象一下手機發(fā)展的進程您會對未來自主駕駛的技術(shù)進步感到憧憬，1990 年代當新型手機推出時它可能有更好的電池或更薄的外形，其后智能手機降臨徹底永久地變革并改善了人類的生活。雷達、激光雷達和高性能MEMS IMU的演進，這些變革性技術(shù)將是未來高級安全與自動駕駛應用快速推進的強大基礎(chǔ)。