ADAS：汽車控制領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢 - 全文

　　　從上世紀(jì)50年代早期的電動車窗到當(dāng)今最新的汽車駕駛系統(tǒng)，豪華汽車所具有的高端特性隨著時間的推移最終都應(yīng)用到中端和經(jīng)濟(jì)型汽車上，成為必備的電子和電氣系統(tǒng)。最近新出現(xiàn)的高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）技術(shù)也不例外。作為一個例子，歐洲的福特福克斯汽車現(xiàn)在具備了自適應(yīng)巡航控制（ACC）、自動剎車和主動式車道保持等功能——所有這些特性以前都專屬于豪華汽車。即使是經(jīng)濟(jì)型起亞汽車也安裝了后視攝像機(jī)。但是，隨著ADAS技術(shù)應(yīng)用到價格相對便宜的車輛上，這帶來了一個兩難的問題：需要以非常低的價格實現(xiàn)大量的計算資源。

　　ADAS技術(shù)能夠不僅僅應(yīng)用在豪華汽車上，部分原因是出于競爭的考慮，但并不是唯一因素。政府規(guī)章制度也是一個重要因素。例如，在美國，國家高速運(yùn)輸安全管理局正在制定強(qiáng)制安裝后視攝像機(jī)的政策［來源：http://www.newsday.com/classifieds/cars/backup-cameras-likely-mandated-for-2014-1.3599178］，據(jù)此，預(yù)計2018年車載攝像機(jī)將達(dá)到6千萬臺。EC將于2015年強(qiáng)制實施高級緊急剎車系統(tǒng)和車道偏離報警（LDW）系統(tǒng)。［source： ［http://www.interregs.com/spotlight.php？id=84］

　　安裝了ADAS的車輛在保險上有折扣也是推動ADAS廣泛應(yīng)用的另一因素。這類優(yōu)惠有一定的統(tǒng)計意義。當(dāng)駕駛員駕駛車輛開始偏離車道時，系統(tǒng)會發(fā)出告警，在夜間，系統(tǒng)也能夠增強(qiáng)駕駛員的能見度，從而避免了事故的發(fā)生，挽救了生命。

　　ADAS得到廣泛應(yīng)用的決定性因素還是成本。雖然ADAS技術(shù)越來越復(fù)雜，但是，傳感器和處理器技術(shù)的進(jìn)步——在很少的元器件中集成多種功能，現(xiàn)在可以支持工程師以中端甚至是經(jīng)濟(jì)型汽車能夠承受的價格來設(shè)計ADAS應(yīng)用。成本的降低以及通過功能集成來降低復(fù)雜度是推動ADAS技術(shù)在各類車輛中得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

　　功能的多樣性

　　在其所有預(yù)期中，ADAS技術(shù)也給汽車行業(yè)帶來了很多挑戰(zhàn)。正如很多技術(shù)處于其早期階段一樣，ADAS應(yīng)用曾涉及到很多發(fā)展方向，并不能明確哪一方向最終會推動市場發(fā)展。撰寫本文時，日立公司關(guān)注于采用兩臺前向攝像機(jī)多路傳感器方法來探測距離100米以外的物體。這一技術(shù)被稱為“眼睛視覺”，在2013款力獅和傲虎車型上得到了應(yīng)用。Denso公司最近演示了困倦探測系統(tǒng)，使用紅外（IR）攝像機(jī)來觀察駕駛員的面部，確定駕駛員的眼睛是否張開，如果眼睛閉上，表明駕駛員可能進(jìn)入了睡眠狀態(tài)。最后，Aisin正在推出使用后視攝像機(jī)的車道探測系統(tǒng)——這是一種監(jiān)視車輛相對于車道標(biāo)志線位置的高性價比方法，它結(jié)合GPS和道路地圖數(shù)據(jù)，確定車輛相對于前方路況的當(dāng)前位置。

　　本文會更詳細(xì)的介紹ADAS技術(shù)迅速在更廣闊的市場上得以應(yīng)用。

　　系統(tǒng)：車道偏離報警

　　傳感器：攝像機(jī)

　　當(dāng)車輛離開其車道，或者接近道路邊緣時，LDW系統(tǒng)發(fā)出聲音報警或者動作報警（通過輕微的振動方向盤或者座椅來實現(xiàn)）。當(dāng)車輛速度超過一定閾值（例如，大于55英里），車輛沒有打開轉(zhuǎn)向信號燈時，這些系統(tǒng)會開始發(fā)揮作用。當(dāng)車輛行駛，其相對于車道標(biāo)志線的位置表明車輛有可能偏離車道時，需要通過攝像機(jī)系統(tǒng)來觀察車道標(biāo)志。雖然對于所有車輛制造商而言這些應(yīng)用需求是相似的，但是每一廠商都采用了不同的方法，使用一臺前視攝像機(jī)，一臺后視攝像機(jī)，或者雙路/立體前視攝像機(jī)。出于這一原因，很難采用一種硬件體系結(jié)構(gòu)來滿足各種不同類型的攝像機(jī)要求。需要采用靈活的硬件體系結(jié)構(gòu)來提供不同的實現(xiàn)選擇。

　　系統(tǒng)：自適應(yīng)巡航控制

　　傳感器：雷達(dá)

　　過去十年中，豪華汽車采用了ACC技術(shù)，這一技術(shù)目前也在更廣泛的市場上得到了應(yīng)用。傳統(tǒng)的巡航控制技術(shù)設(shè)計用于保持車輛以恒定的車速行駛，與此不同，ACC技術(shù)使車速與交通狀況相適應(yīng)，如果與前車距離太近，則會降速，在路況允許時，會加速到上限。這些系統(tǒng)通過使用安裝在車輛前部的雷達(dá)來實現(xiàn)。但是，由于雷達(dá)系統(tǒng)不能識別某一目標(biāo)的大小和形狀，而且其視場也相對較窄，因此，應(yīng)用時要結(jié)合攝像機(jī)。難點在于，目前所使用的攝像機(jī)和雷達(dá)傳感器還沒有標(biāo)準(zhǔn)配置。因此，還是需要靈活的硬件平臺。

　　系統(tǒng)：交通標(biāo)志識別

　　傳感器：攝像機(jī)

　　正如其名稱所示，交通標(biāo)志識別（TSR）功能使用前向攝像機(jī)結(jié)合模式識別軟件，可以識別常見的交通標(biāo)志（限速、停車、掉頭等）。這一功能會提醒駕駛員注意前面的交通標(biāo)志，以便駕駛員遵守這些標(biāo)志。TSR功能降低了駕駛員不遵守停車標(biāo)志等交通法規(guī)的可能，避免了違法左轉(zhuǎn)或者無意的其他交通違法行為，從而提高了安全性。這些系統(tǒng)需要靈活的軟件平臺來增強(qiáng)探測算法，根據(jù)不同地區(qū)的交通標(biāo)志來進(jìn)行調(diào)整。

　　系統(tǒng)：夜視

　　傳感器：IR或者熱成像攝像機(jī)

　　夜視（NV）系統(tǒng)幫助駕駛員在很暗的條件下識別物體。這些物體一般超出了車輛大燈的視場范圍，因此，NV系統(tǒng)針對在前方道路上行駛的車輛提前發(fā)出報警，幫助駕駛員避免撞車事件的發(fā)生。

　　NV系統(tǒng)使用各種攝像機(jī)傳感器和顯示器，具體與生產(chǎn)商有關(guān)，但一般都屬于兩種基本類型：主動式和被動式。

　　主動系統(tǒng)，也稱為近IR系統(tǒng)，帶電耦合器件（CCD）攝像機(jī)和IR燈源相結(jié)合，在顯示器上呈現(xiàn)黑白圖像。這些系統(tǒng)的分辨率很高，圖像質(zhì)量也非常好。其典型的可視范圍是150米。這些系統(tǒng)能夠看清楚攝像機(jī)視場范圍內(nèi)的所有物體（包括沒有熱輻射的物體），但是，在雨雪環(huán)境下，效率要大打折扣。

　　被動系統(tǒng)不使用外部光源，而是依靠熱成像攝像機(jī)，利用物體自然熱輻射來采集圖像。這些系統(tǒng)不會受到對面來車大燈的影響，也不會受到惡劣天氣狀況的影響，其探測范圍達(dá)到300米至1000米。這些系統(tǒng)的缺點在于圖像是顆粒狀的，功能受限于較溫暖的氣候狀況。而且，被動式系統(tǒng)只能探測有熱輻射的物體。被動式系統(tǒng)結(jié)合視頻分析技術(shù)，可以清楚的顯示車輛前方道路上的物體，例如，行人等。

　　在NV系統(tǒng)中，有多種體系結(jié)構(gòu)選擇，每一種方法都有其優(yōu)缺點。為提高競爭力，汽車生產(chǎn)商應(yīng)支持多種攝像機(jī)傳感器，在通用、靈活的硬件平臺上實現(xiàn)這些傳感器。

　　系統(tǒng)：自適應(yīng)遠(yuǎn)光控制

　　傳感器：攝像機(jī)

　　自適應(yīng)遠(yuǎn)光控制（AHBC）是一種智能大燈控制系統(tǒng)，使用了攝像機(jī)來探測交通狀況（對面來車以及同向交通狀況），根據(jù)這些狀況，調(diào)亮或者調(diào)暗遠(yuǎn)光燈。AHBC系統(tǒng)支持駕駛員盡可能在最大照亮距離上使用遠(yuǎn)光，而不必在其他車輛出現(xiàn)時手動調(diào)暗大燈，不會分散駕駛員注意力，從而提高了車輛的安全性。在某些系統(tǒng)中，甚至可以分別控制大燈，調(diào)暗一個大燈，而同時另一個大燈正常點亮。AHBC與LDW和TSR等前視攝像機(jī)系統(tǒng)是相輔相成的。這些系統(tǒng)不需要高分辨率攝像機(jī)，某一款車輛如果已經(jīng)在ADAS應(yīng)用中采用了前視攝像機(jī)，那么這一特性的性價比會非常高。

　　系統(tǒng)：行人/障礙物/車輛探測（PD）

　　傳感器：攝像機(jī)、雷達(dá)、IR

　　行人（以及障礙物和車輛）探測（PD）系統(tǒng)完全依靠攝像機(jī)傳感器來深入感知周圍環(huán)境，例如，采用一臺攝像機(jī)，或者在更復(fù)雜的系統(tǒng)中采用立體攝像機(jī)?！邦悇e變量”（衣著、燈光、大小和距離）的差異會很大，背景復(fù)雜而且不斷變化，以及傳感器置于移動平臺（車輛）上等因素，導(dǎo)致很難確定移動中行人的視覺特征，因此，采用IR傳感器能夠增強(qiáng)PD系統(tǒng)。雷達(dá)也可以增強(qiáng)車輛探測系統(tǒng)，它提供很好的距離測量功能，在惡劣的天氣條件下，性能表現(xiàn)出眾，能夠測量車輛的行駛速度。這一復(fù)雜的系統(tǒng)需要使用同時來自多個傳感器的數(shù)據(jù)。（后面會詳細(xì)討論這一被稱為傳感器融合的過程。）

　　系統(tǒng)：駕駛員困倦報警

　　傳感器：車內(nèi)IR攝像機(jī)

　　困倦報警系統(tǒng)監(jiān)視駕駛員的面部，測量其頭部位置、眼睛（張開/閉上）以及其他類似的報警指示。如果確定駕駛員有進(jìn)入睡眠的跡象，或者看起來意識不清，該系統(tǒng)會發(fā)出報警。有些系統(tǒng)還監(jiān)視心率和呼吸。設(shè)想但是還沒有實現(xiàn)的功能包括使車輛靠近路邊行駛，最終靠邊停下來。

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　　需求：靈活的高性能技術(shù)平臺

　　雖然很難詳細(xì)預(yù)測這些功能的未來發(fā)展，以后會應(yīng)用到什么程度，但是，從技術(shù)角度看，有幾點是明確的：

　　沒有一種單一的體系結(jié)構(gòu)能夠滿足新出現(xiàn)的各類應(yīng)用需求。

　　需要采用靈活的平臺適應(yīng)市場發(fā)展趨勢，實現(xiàn)最新的功能，同時滿足成本、規(guī)劃和性能目標(biāo)。

　　要滿足ADAS應(yīng)用的高性能需求，應(yīng)在軟件和硬件上達(dá)到均衡。

　　系統(tǒng)使用多個不同類型的傳感器來完成安全相關(guān)任務(wù)，這類系統(tǒng)今后的發(fā)展會比較強(qiáng)勁。

　　信號融合

　　需要特別注意的是，大部分ADAS應(yīng)用需要對來自多個傳感器的多路信號進(jìn)行處理和分析，包括，視頻攝像機(jī)、雷達(dá)、紅外傳感器，以及今后可能出現(xiàn)的激光等其他傳感器信號。例如，危險探測不僅僅需要對來自多個攝像機(jī)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行集成和分析，而且，如果要用在全天候各種天氣條件下，還必須采用雷達(dá)數(shù)據(jù)。傳感器融合這一術(shù)語用于描述ADAS應(yīng)用中不同信號的集成。

　　處理信號融合這一難題的一種算法解決方案是Kalman濾波，它集合了很多種算法。這是說明ADAS任務(wù)有多復(fù)雜的一個很好的例子。例如，Kalman濾波能夠集成視頻和雷達(dá)輸入信號，使用這些數(shù)據(jù)來生成當(dāng)前環(huán)境的快照。然后，它在這些快照上應(yīng)用名為“航位推測”的過程，根據(jù)物理條件，計算周圍環(huán)境“可能”會出現(xiàn)什么狀況。例如，它估算周圍車輛的新位置，確定路邊的樹木沒有移動等。然后，Kalman濾波功能對比這兩類快照，在可信度基礎(chǔ)上，估算出應(yīng)采取哪些措施。例如，如果汽車使用了ACC，車頭距離太近，那么，可以減速，或者剎車。

　　ECU的角色

　　控制這些過程的電子設(shè)備集成到發(fā)動機(jī)控制單元（ECU）中。這些系統(tǒng)最初應(yīng)用到汽車中是為了通過控制燃油噴射、點火時間、怠速等功能，滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求，而現(xiàn)在這些系統(tǒng)的功能越來越多了。一般而言，分別開發(fā)這些功能（例如，雷達(dá)和攝像機(jī)），逐個集成到車輛中，導(dǎo)致由多個ECU完成多種功能。從成本的角度看，這并不是理想的方法。更好的方法是，將很多傳感器的輸出連接至一個處理單元，進(jìn)行傳感器融合，更可靠的理解車輛的狀況，在軟件中開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)對策略。但是，這一集成方法所需要的計算能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了中端車輛的成本預(yù)算。為能夠同時滿足性能、成本需求，象軟件一樣靈活，很多體系結(jié)構(gòu)采用了現(xiàn)場編程陣列（FPGA）技術(shù)。

　　FPGA和傳統(tǒng)集成電路的不同在于，F(xiàn)PGA離開工廠后是可編程的。這意味著，可以對其進(jìn)行修改，在設(shè)計/產(chǎn)品周期后期，滿足最新傳感器獨(dú)特的輸出格式要求，以及最新的計算算法或者規(guī)范要求，因此，非常適合應(yīng)用于各種體系結(jié)構(gòu)，在最后一刻應(yīng)用新特性。

　　Altera低成本Cyclone系列FPGA完全能夠適用于汽車領(lǐng)域，支持工程師將傳感器接口、圖像處理、通信接口和分析等多種功能集成到單片硅片器件中，減少了典型ECU體系結(jié)構(gòu)的元器件數(shù)量，降低了復(fù)雜度。Altera FPGA采用了硬件加速功能來處理高清晰視頻的720p30 （720掃描線，每秒30幀）數(shù)據(jù)流，以及下一代傳感器的77-GHz輸入。與完全將這些算法集成到硬件中不同，Altera FPGA的高性能硬件和軟件可編程特性確保了能夠滿足ADAS應(yīng)用嚴(yán)格的25至30-ms延時要求。

　　Altera FPGA不但在技術(shù)上非常出眾，而且縮短了設(shè)計周期，支持OEM和Tier 1生產(chǎn)商盡快將ADAS應(yīng)用推向市場，不需要大幅度改動硬件就能夠突出產(chǎn)品優(yōu)勢，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了商業(yè)價值。此外，Altera還提供簡單方便的專用集成電路（ASIC）引腳兼容移植途徑，降低了整個產(chǎn)品生命周期的成本。

　　總結(jié)

　　當(dāng)今全球汽車市場的競爭和法規(guī)壓力促使生產(chǎn)商在其車輛中靈活的采用ADAS技術(shù)。Altera FPGA靈活的結(jié)合了技術(shù)和性能指標(biāo)，是滿足這些目標(biāo)要求的理想器件。