精密的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)聚焦于圖像傳感的功能性安全

作者：安森美半導(dǎo)體汽車成像方案架構(gòu)及技術(shù)營(yíng)銷Giri Venkat

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）正越來越精密，以至于全自動(dòng)駕駛的前景似乎不再遙不可及。ADAS的核心是圖像傳感器，由于它們的作用對(duì)被動(dòng)和主動(dòng)ADAS的整體效能都越來越重要，因此它們的功能性安全越來越重要和受到關(guān)注。

ISO 26262車輛安全標(biāo)準(zhǔn)和汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）概念的引入強(qiáng)調(diào)了對(duì)功能性安全的要求。

對(duì)于汽車設(shè)計(jì)人員來說，了解ASIL非常重要，它用于和與ADAS中的圖像傳感器有關(guān)。了解故障檢測(cè)技術(shù)、潛在故障的性質(zhì)及其對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的影響、故障的修正和累積對(duì)精密的ADAS整體功能性安全的影響也是至關(guān)重要的。

最新的ADAS系統(tǒng)包括多個(gè)圖像傳感器，能夠檢測(cè)和識(shí)別各類危險(xiǎn)，包括行人、靜態(tài)物體和車輛。傳感器能夠根據(jù)危險(xiǎn)軌跡識(shí)別和通信是否需要采取任何避免行動(dòng)。所有這些基于機(jī)器視覺的系統(tǒng)都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是傳感器的全部或部分故障可能會(huì)產(chǎn)生潛在的嚴(yán)重甚至危及生命的后果。

ASIL概覽

功能安全或ASIL是專為車輛制定的一種基于標(biāo)準(zhǔn)的安全制度/標(biāo)準(zhǔn)，它起源于ISO 61508，這是一種全面的工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，但目前正在作為一個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)（ISO 26262）發(fā)展，以跟上特定的汽車需求和迅速發(fā)展的汽車技術(shù)。

ISO 26262涵蓋安裝在“成批生產(chǎn)乘用車”中的電氣和電子系統(tǒng)，雖然許多標(biāo)準(zhǔn)只是對(duì)進(jìn)行認(rèn)證的產(chǎn)品必須滿足的一系列測(cè)試和條件強(qiáng)制要求，但I(xiàn)SO 26262是一個(gè)基于風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。這意味著它界定了一個(gè)流程，評(píng)估危險(xiǎn)情況風(fēng)險(xiǎn)和確定并實(shí)施安全措施以控制系統(tǒng)故障。該方法還希望檢測(cè)和控制隨機(jī)故障，或至少盡可能減輕其影響。

圖像傳感故障類型

典型的圖像傳感器是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的子系統(tǒng)，包含一系列光敏元件，將入射光轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。然后將這些信號(hào)數(shù)字化，使它們能夠被存儲(chǔ)、處理和傳送到ADAS系統(tǒng)，以便進(jìn)一步分析，例如障礙識(shí)別。

在功能性安全領(lǐng)域，“不安全的故障”是可能導(dǎo)致ADAS系統(tǒng)做出錯(cuò)誤決策的原因。這可能涉及從完整的傳感器故障到傳感器的單個(gè)像素、行或列故障，或模擬/數(shù)字電路中的問題。典型的故障可能包括“卡住”像素、電噪聲效應(yīng)、缺失行、缺失列、移位像素、傳輸錯(cuò)誤或色偏。

隨著目標(biāo)檢測(cè)算法越來越精密，常常檢測(cè)到小至10×10的像素，較小的故障能“誤導(dǎo)”ADAS系統(tǒng)。事實(shí)上，故障檢測(cè)是個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，部分原因是模擬和數(shù)字領(lǐng)域的故障性質(zhì)和類型不同，也是由于現(xiàn)代傳感器像素?cái)?shù)高。

故障檢測(cè)

檢測(cè)故障的方法幾乎和故障類型一樣多。例如，主機(jī)處理器可以相對(duì)容易地檢測(cè)出卡住的像素、行或列，但隨著傳感器像素?cái)?shù)的增加，將變得耗時(shí)和耗資源。通過使用內(nèi)置錯(cuò)誤檢查的發(fā)射器和接收器，可以檢測(cè)-甚至糾正-傳輸錯(cuò)誤。該方案不會(huì)對(duì)系統(tǒng)處理器施加負(fù)載，但會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的成本。

使用ADAS系統(tǒng)處理器檢測(cè)故障有很多缺點(diǎn)。首先，有大量的細(xì)微故障類型無法在系統(tǒng)級(jí)檢測(cè)到，包括色偏或基于噪聲的問題。另一個(gè)缺點(diǎn)是系統(tǒng)級(jí)故障檢測(cè)的成本；考慮到潛在故障類型的數(shù)量以及需要檢查的像素、行和列的數(shù)量之大，需要非常高性能的CPU、GPU和存儲(chǔ)器。即使費(fèi)用可以接受，增加的復(fù)雜性也會(huì)影響整個(gè)ADAS系統(tǒng)的有效性、響應(yīng)和能效。

這導(dǎo)致了系統(tǒng)級(jí)故障檢測(cè)中最令人關(guān)注的方面-運(yùn)行所有算法所需的時(shí)間。當(dāng)處理器正在計(jì)算數(shù)字時(shí)，車輛可能會(huì)迅速接近障礙物，或者行人，可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。

基于傳感器的故障檢測(cè)

現(xiàn)代圖像傳感器包括許多集成的測(cè)試功能，例如執(zhí)行循環(huán)冗余檢查（CRC）的能力以檢測(cè)傳輸中的故障，或在計(jì)數(shù)幀、行或像素時(shí)執(zhí)行更多計(jì)數(shù)的能力，從而確保發(fā)送了正確的幀。

當(dāng)功能性安全系統(tǒng)被內(nèi)置到傳感器中時(shí)，系統(tǒng)的作用被簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單地檢查狀態(tài)指示位或寄存器，這些狀態(tài)指示位或寄存器立即指示故障，而幾乎沒有消耗系統(tǒng)資源。這也意味著不再需要高性能的CPU、GPU和存儲(chǔ)器，從而降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

低延遲ADAS系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是故障檢測(cè)時(shí)間間隔（FTDI），它是ADAS系統(tǒng)檢測(cè)故障所需時(shí)間的度量，而容錯(cuò)時(shí)間間隔（FTTI）是系統(tǒng)響應(yīng)所需的時(shí)間，使系統(tǒng)恢復(fù)到安全狀態(tài)。

Fault：故障

Fault Detected：檢測(cè)到故障

Potential Hazardous Event：潛在的危險(xiǎn)事件

State：狀態(tài)

Normal Operation：正常運(yùn)行

Sensor Frame Time：傳感器幀時(shí)間

System Detection Time：系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間

Safe State：安全狀態(tài)

Time：時(shí)間

Normal Operation，Late Detection （System-based fault detection）：正常運(yùn)行，延遲檢測(cè)（基于系統(tǒng)的故障檢測(cè)）

Enhanced Operation，Early Detection（Sensor-based fault detection）：增強(qiáng)的運(yùn)行，早期檢測(cè)（基于傳感器的故障檢測(cè)）

圖3：系統(tǒng)檢測(cè)FDTI（頂）對(duì)比傳感器檢測(cè)FDTI（底）

如圖3所示，當(dāng)將故障檢測(cè)內(nèi)置到傳感器中時(shí)，檢測(cè)時(shí)間會(huì)大大縮短，從而使系統(tǒng)有更多的時(shí)間在危險(xiǎn)事件可能發(fā)生之前恢復(fù)到安全狀態(tài)。

一款現(xiàn)代圖像傳感器：AR0233AT

最新的圖像傳感器之一是安森美半導(dǎo)體的AR0233AT。該260萬像素1/2.5英寸的器件是專為包括ADAS系統(tǒng)在內(nèi)的許多汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

該背照式（BSI）技術(shù)采用3.0微米像素，提供出色的微光性能，單次曝光超過95分貝（dB）。片上高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）提高微光性能至超過140 dB，或抑制LED閃爍的120 dB。

安全性是該傳感器的核心，該器件符合ISO 26262 ASIL-B標(biāo)準(zhǔn)和AEC-Q100 Grade 2。具有超過8000個(gè)注入故障的一個(gè)完整的安全封裝，可供設(shè)計(jì)人員使用。

總結(jié)

隨著ADAS系統(tǒng)日益普及并在車輛設(shè)計(jì)中更多的影響決策和用以避免危險(xiǎn)，我們?cè)絹碓揭蕾囉谒鼈?。因此，它們現(xiàn)在歸入ISO 26262的范疇。ISO 26262是針對(duì)乘用車的功能性安全標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求采用“自始至終”的方法來識(shí)別危險(xiǎn)，盡可能減輕它們的影響。

鑒于圖像傳感器的復(fù)雜性，以及越來越多的像素需要檢查，加上大量可能的故障情況，將檢查工作交給ADAS系統(tǒng)不大可能取得成功，反而肯定增加成本。

因此，用于ADAS系統(tǒng)的最新圖像傳感器采用了自我檢測(cè)技術(shù)，這不僅加快了故障檢測(cè)流程，還意味著所有ADAS系統(tǒng)的處理能力都可用來做出避免危險(xiǎn)的正確決策，從而使我們的道路更加安全。