自動駕駛方案的安全風險及化解之道

時間：2023-01-09 20:20:03

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[導讀]總是拿來說事兒的一個案例：2018年，一輛“武裝到牙齒”的Uber自動駕駛測試車（AV）在自動駕駛模式（L4以上）撞倒一個橫穿馬路的行人Elaine Herzberg至死，給白熱化的自動駕駛競逐結(jié)結(jié)實實潑了一盆冷水，也確實打開了OEM、Tier1和Tier2的視野。人們不禁要問，自動駕駛（AD）技術(shù)是要改變世界，還是要拯救生命？整個行業(yè)開始意識到，實現(xiàn)AV將會比預(yù)期的復(fù)雜得多，且需要數(shù)十年才能達到真正的自動駕駛。

自動駕駛（AD）技術(shù)是要改變世界，還是要拯救生命？整個行業(yè)開始意識到，實現(xiàn)AV將會比預(yù)期的復(fù)雜得多，且需要數(shù)十年才能達到真正的自動駕駛。

總是拿來說事兒的一個案例：2018年，一輛“武裝到牙齒”的Uber自動駕駛測試車（AV）在自動駕駛模式（L4以上）撞倒一個橫穿馬路的行人Elaine Herzberg至死，給白熱化的自動駕駛競逐結(jié)結(jié)實實潑了一盆冷水，也確實打開了OEM、Tier1和Tier2的視野。人們不禁要問，自動駕駛（AD）技術(shù)是要改變世界，還是要拯救生命？整個行業(yè)開始意識到，實現(xiàn)AV將會比預(yù)期的復(fù)雜得多，且需要數(shù)十年才能達到真正的自動駕駛。

目標是安全而非自主

過去五年里，關(guān)于自動駕駛和移動性未來發(fā)展的種種炒作使我們一開始就沒有意識到自主性是以安全性為基礎(chǔ)。新冠的大流行為汽車行業(yè)創(chuàng)造了充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境，也幫助我們重新關(guān)注了最重要的問題。

Sense Media Group董事總經(jīng)理Rob Stead認為，自主本來是安全的副產(chǎn)品，目的是制造出最安全的汽車，而在默認情況下它將是完全自主的，因為計算機比人更擅長駕駛。

Rob Stead

他相信，安全性始終是一個巨大的挑戰(zhàn)，即使在預(yù)算似乎有限的繁榮時期也是如此。在工程界，最近人們越來越清楚，無人駕駛確實非常非常困難，今后解決最后5%的技術(shù)挑戰(zhàn)可能比以前想象的要慢。

的確，汽車OEM、監(jiān)管機構(gòu)和消費者都希望道路變得更安全，盡管在汽車制造業(yè)的某些領(lǐng)域存在壓力，但令人鼓舞的是，安全計劃仍然是重中之重。他一直在說，關(guān)鍵是要集中精力逐步改進高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），這與我前不久發(fā)表的文章不謀而合。

關(guān)于ADAS的話題

Robert Stead認為，安全性有很多方面，但是如果我們專注于ADAS，則主要涉及感知的三個方面：一是改善傳感器功能并優(yōu)化圖像質(zhì)量；二是實現(xiàn)穩(wěn)健性，建立系統(tǒng)冗余、SOTIF（預(yù)期功能安全性）和持續(xù)開發(fā)方法；三是監(jiān)控和實時評估系統(tǒng)性能，了解退化途徑和影響。

他現(xiàn)身說法地說，路上已經(jīng)有了一些驚人的技術(shù)，去年他的汽車進行了更新，有了自動緊急制動（AEB）的體驗，“可以自信地說它遠遠勝過人類可以避免的任何事故?！?/span>

有研究表明，系統(tǒng)有時可能無法達到預(yù)期性能，因此，ADAS顯然仍在開發(fā)中。而且，仍有許多ADAS元素仍處于研發(fā)階段，尚未部署在路上。

ADAS的作用是積極挽救生命，通過其性能，我們可以改善客戶就緒的ADAS，并在今天產(chǎn)生真正的影響，而這要早于各級別自動駕駛車輛的部署。

其實，即使ADAS也是計算機視覺的最前沿。高速、高風險、多種傳感器模式——需要考慮許多組件和許多外部因素。它非常復(fù)雜，因此開發(fā)強大的ADAS功能實際上是對資源的更有效利用。

但是，這是一個很大的目標，必須在未來需求和安全策略的背景下完成。無論是特斯拉這樣的老牌廠商還是Zoox（億歐）這樣的試商期品牌，傳統(tǒng)OEM與新型汽車OEM之間最大的分歧在于，新廠商不受傳統(tǒng)電子和軟件平臺的限制。隨著ADAS越來越多地連接在一起提供完整的安全畫面，越來越需要通過使用通用軟件平臺和持續(xù)開發(fā)方法來進行這項工作。這是特斯拉運作方式的核心，但對許多OEM而言，這是一種范式轉(zhuǎn)變。

好消息是，這種情況正在發(fā)生，主要OEM已在這方面進行投入。一旦這種方法成為主流，我們將看到安全功能以更高的速度發(fā)展。

無論是避免碰撞、確保交通順暢，還是Roborace（機器人賽車）之類的賽車運動環(huán)境中，都有許多有趣的研究正在優(yōu)化數(shù)字駕駛員的行為。也許不久這些進展就會集成到ADAS安全功能中。

Robert Stead指出，從市場角度看，推動這些技術(shù)需求的關(guān)鍵之一就是將安全性作為一項理想功能。如果市場需要，行業(yè)將緊隨其后。即使是美國的肌肉車（美制雙門大馬力高性能跑車）買家，正面的雷達面板也會給他們留下深刻的印象，這將有助于他們避免撞車，沃爾沃等品牌已經(jīng)在安全方面樹立了多年的聲譽。“我相信，進入L5的選手會有所作為，但現(xiàn)在一切都與ADAS有關(guān)?！?/span>

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減少人機界面認知負擔

你知道什么車致死事故最高發(fā)？是重型車輛。在倫敦，盡管重型車輛不到總交通量的4%，但卻造成了50%以上的弱勢道路使用者（行人和騎自行車的人）死亡。其主要原因有兩個：缺乏直接可見性和認知超負荷。

通過參與新興電動汽車OEM Volta Trucks的Volta Zero貨車設(shè)計，讓Astheimer Design意識到了提高駕駛員警覺性的重要性。該公司一直致力于汽車、船舶、家具和消費電子等多個領(lǐng)域的設(shè)計咨詢。

16噸全電動卡車Volta Zero

人機界面（HMI）不僅連接了駕駛員和汽車，而且將駕駛員與外界聯(lián)系起來。風險在于駕駛員會因功能而分散注意力，而錯過重要的駕駛信息。

Astheimer Design創(chuàng)始人和Volta Zero首席設(shè)計師Carsten Astheimer認為，“認知超載是一個大問題。我們需要確保ECU（電子控制單元）和CAN（控制器局域網(wǎng)）系統(tǒng)能夠以最清晰、最簡單的方式讀取正確的信號并顯示信息，無論是觸覺、音頻還是視覺?！?/span>

Carsten Astheimer

Volta Zero專為市區(qū)內(nèi)配送而設(shè)計，采用以駕駛員為中心（駕駛員在中央位置）的設(shè)計，降低的駕駛室可以優(yōu)化視線高度并最大化直接視野，使駕駛員、弱勢行人和騎自行車的人都能從該車輛的安全性獲益。

Carsten Astheimer說，還有另一個方面要考慮，即使用者需要了解自己汽車的智能水平，以保持對道路使用者及其周圍環(huán)境的警覺性。他說：“通過使產(chǎn)品越來越安全，可以使駕駛員遠離正在做的事情。在車輛上增加自主性，可以通過簡單的事情來幫助駕駛員，但是這可能使困難的事情變得更加困難。隨著車輛越來越多，駕駛員不再專心?！彼麖娬{(diào)：“至關(guān)重要的是，傳感器及其反饋信息能夠幫助駕駛員保持對正在發(fā)生事情的意識，而不是僅僅從外界吸引他?！?/span>

沃爾沃汽車公司技術(shù)主管Paul-Henri Matha說，“我們以安全為目的開展業(yè)務(wù)。我們的客戶需要安全，而我們只能使用傳感器來確保安全。因此，我們需要用傳感器制造出漂亮的汽車?！边@就是人們說的“使安全變酷”。

Paul-Henri Matha

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回到開頭的案例

雖然Elaine Herzberg之死不會阻擋世界繼續(xù)向自動駕駛未來進發(fā)，但它確實給了我們一個重要機會，讓我們能停下來想想這起悲劇為何會發(fā)生，又能從中學到什么以防止悲劇重演？

除了Uber軟件、不專心的安全駕駛員，不能不說夜間微弱的光線是使傳感器難以盡早發(fā)現(xiàn)行人并讓系統(tǒng)做出反應(yīng)的重要因素。所以，傳感器仍有待改進。

事故瞬間的畫面

盡管來自美國國家公路交通安全協(xié)會（NHTSA）的數(shù)據(jù)表明，在沒有路燈的黑暗條件下發(fā)生的行人死亡人數(shù)要多于白天，作為標準或可選功能，2018年前售出的大多數(shù)新車（56％）也裝備了有行人PAEB（行人自動緊急制動）和ADAS，但是，目前由安全組織和計劃實施的測試協(xié)議（如Euro NCAP、NCAP和IIHS等）在很大程度上都沒有評估在沒有路燈的黑暗條件下PAEB的性能。此外，由NHTSA和美國汽車協(xié)會（AAA）進行的獨立測試表明，在所考慮的每種情況下，PAEB系統(tǒng)通常都無法在黑暗條件下保護行人。不過，最新行人碰撞統(tǒng)計數(shù)據(jù)也表明，通過改善黑暗條件下的性能，PAEB系統(tǒng)有機會每年挽救數(shù)千人的生命。

改善PAEB黑暗條件下性能有機會每年挽救數(shù)千人生命

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增強黑暗測試保證人身安全

為了證明可以通過實施隨時可用的技術(shù)來提高夜間PAEB性能，強大的智能激光雷達解決方案提供商Velodyne Lidar將基于LiDAR的PAEB系統(tǒng)與圍繞攝像頭和雷達構(gòu)建的PAEB系統(tǒng)進行了測試。測試是在日落后一小時內(nèi)，在不到1 lx的環(huán)境光照下，以駕駛員控制的速度在直線軌道上以30 mph的速度進行的。在試驗過程中，兩輛測試車均打開近光大燈。測試中使用的固定兒童和成人行人虛擬目標與IIHS和Euro NCAP等組織規(guī)定的當前測試協(xié)議兼容。

在每種情況下都對這兩輛車進行了五次測試，或者直到車輛與目標相撞三次為止，以最大程度地減少對目標和車輛的損害。

其夜間測試的結(jié)果支持AAA和NHTSA的發(fā)現(xiàn)，即基于攝像頭和雷達的PAEB系統(tǒng)在黑暗條件下經(jīng)常發(fā)生事故。在涉及兒童、多于一個行人、車輛拐角處的成年人，或倒在車輛前方的成年人的情況下，事故率尤為明顯。相比之下，基于LiDAR的PAEB系統(tǒng)配備了一個Velarray LiDAR傳感器，能夠及時成功停止車輛運行，從而避免每種測試場景發(fā)生撞車事故。

Euro NCAP的VRU AEB測試協(xié)議的環(huán)境光條件光譜，框內(nèi)顯示了其當前的日光和路燈測試條件，以及Velodyne建議的1 lux以下夜間測試條件。

基于LiDAR的PAEB的車輛在成年人目標重疊50％之前停止（上方）；有攝像頭和雷達的PAEB車輛撞向成人目標（下）

在夜間測試中，Velodyne的PAEB系統(tǒng)使用Velarray傳感器和Vella?軟件，避免了在每種測試情況下的崩潰。

在黑暗條件下有路燈和近光頭燈時，汽車2D攝像頭和3D LiDAR產(chǎn)生圖像的比較。

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改善弱光性能提高駕駛安全性

現(xiàn)在的車輛包含大量電子內(nèi)容，已成為與外界連接的娛樂和信息中心。結(jié)果呢，ADAS成為主流，駕駛員的注意力卻越來越分散。視覺系統(tǒng)是ADAS的核心，CMOS圖像傳感器的重大技術(shù)進步為其提供了支持。其中包括的攝像頭系統(tǒng)可用于自動緊急制動、自動駕駛、視頻鏡、后視鏡、360°環(huán)視和駕駛員監(jiān)控。

對于每個終端市場來說，都有其特定于應(yīng)用的需求，而單一解決方案往往不能滿足所有需求。隨著豪華和主流車輛繼續(xù)添加更多的成像系統(tǒng)，如環(huán)繞視野系統(tǒng)（SVS）、攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)和電子鏡，圖像傳感器的需求不僅在增長，而且對其要求也在提升。其中包括更高的分辨率、更大的動態(tài)范圍（HDR）、減輕LED閃爍（LFM），在某些情況下還需要更好的弱光性能。

OmniVision Technologies產(chǎn)品營銷經(jīng)理Thilo Rausch說：“對客艙和乘客監(jiān)控的需求正在加速全球汽車圖像傳感器市場的增長。汽車OEM不僅需要在各種光照條件下都能達到高靈敏度，而且要滿足高性價比要求，才能讓主流車輛加載這些應(yīng)用。”這些要求包括：將HDR提升至140 dB；在整個溫度范圍內(nèi)運行的LFM，以及更好的弱光性能。不過，在分辨率和弱光性能以及成本和像素大小等要求之間總是要權(quán)衡取舍。

去年，OmniVision推出針對駕駛艙和乘客監(jiān)控的200萬像素RGB-IR汽車圖像傳感器OV2778。該傳感器適用于汽車艙內(nèi)監(jiān)控成像應(yīng)用，如監(jiān)控車內(nèi)包裹、無人看管的兒童及視頻會議等。OV2778采用6.5 x 5.7mm車內(nèi)隱蔽攝像頭的最小可行封裝，最大程度減少外觀視覺影響。此外，它還提供先進的ASIL功能安全性，可作為ADAS系統(tǒng)的一個重要部分。

OmniVision開發(fā)的諸如拆分像素LFM、Deep Well?雙轉(zhuǎn)換增益和Nyxel® 近紅外（NIR）等新技術(shù)，能夠解決這些挑戰(zhàn)中的一些問題，從而滿足汽車OEM不斷增長的需求。Nyxel® NIR技術(shù)可將光子吸收效率提高多達3倍，改善夜視能力，使圖像傳感器在弱光下看得更遠、更清晰，提供最佳的圖像數(shù)據(jù)，同時消耗更少的功率。這有助于在駕駛員監(jiān)視系統(tǒng)中檢測駕駛員注意力不集中或困倦。

夜視條件下檢測駕駛員注意力

今年5月，汽車行業(yè)首款搭載Nyxel® NIR技術(shù)的圖像傳感器OX03A2S面世。250萬像素的ASIL-B等級傳感器為外置近距機器視覺應(yīng)用——車身周圍2米內(nèi)的弱光甚至無光環(huán)境提供了優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量、小體積、最高的940nm近紅外靈敏度和更低的功耗。

Nyxel技術(shù)采用了全新的硅半導體架構(gòu)和工藝，在940nm NIR波長下的光子效率高達40%，位居全球汽車行業(yè)前列。因此，OX03A2S能夠在弱光環(huán)境下檢測和識別其它圖像傳感器無法捕捉的物體，從而提高安全系統(tǒng)的性能。

OX03A2S的夜視效果

OmniVision產(chǎn)品市場經(jīng)理Mathew Arcoleo表示：“集Nyxel技術(shù)和3.2微米像素于一體的OX03A2S提供了其他汽車圖像傳感器難以企及的業(yè)內(nèi)優(yōu)質(zhì)弱光性能。作為汽車成像應(yīng)用領(lǐng)域的新標桿，該傳感器為需要在弱光甚至無光環(huán)境下運行的外置近距攝像頭開啟了全新的可能。”

Nyxel技術(shù)還可通過提高靈敏度提高明亮環(huán)境下的RGB圖像捕捉性能。這為汽車設(shè)計師提供了很大的靈活性，使其得以在白天呈現(xiàn)高質(zhì)量的NIR增強RGB可視圖像，同時全天候提供高質(zhì)量的機器視覺圖像。

充滿挑戰(zhàn)的照明條件下Nyxel技術(shù)的弱光性能

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車載連接的四大障礙

汽車OEM在車載連接方面有四個主要障礙：帶寬受限、電纜過多、距離限制和惡劣的環(huán)境。

現(xiàn)在，車輛中連接的攝像頭、雷達、傳感器及模塊越來越多，連接顯示器和ECU需要更多電纜和線束。目前，典型線束組件重約60千克，是僅次于發(fā)動機和底盤的重量第三的部件。為了實現(xiàn)新的安全性和信息娛樂功能，汽車OEM正在尋求更安全、更具彈性的高速車載連接。

不過，由于帶寬有限，電纜太多，以及需要使用更重屏蔽的布線來滿足EMC要求，加上布線長度限制和惡劣的環(huán)境，實現(xiàn)上述目標并不容易。此外，不同用例（信息娛樂、計算和自動駕駛）更需要不同的連接技術(shù)。

以卓越PHY聞名，通過簡單和低成本基礎(chǔ)架構(gòu)實現(xiàn)彈性高速連接的半導體產(chǎn)品提供商Valens的技術(shù)預(yù)售總監(jiān)Daniel Shwartzberg表示，隨著越來越多的設(shè)備裝入車輛，提供更多安全功能和對自動駕駛的支持，將需要數(shù)千兆位的帶寬、長距離連接和安全而有彈性的數(shù)據(jù)鏈路。

Daniel Shwartzberg

他說：“當今解決方案的第一個挑戰(zhàn)是帶寬壁壘，不僅在傳輸數(shù)據(jù)量方面，在用于ADAS或自主應(yīng)用，也必須考慮時間極為敏感這一事實。這也意味著等待時間要低，因為信號延遲對于安全應(yīng)用至關(guān)重要。

“第二個挑戰(zhàn)在線束本身。今天進入汽車的電線、電纜太多了。我們正在嘗試從車輛周圍的各個點連接越來越多的ECU，這當然極其困難。

“第三個挑戰(zhàn)是現(xiàn)有解決方案在信號與車輛的傳播距離方面存在局限性，這直接影響了物理拓撲結(jié)構(gòu)——車內(nèi)ECU傳感器的物理布局。

“第四個挑戰(zhàn)是惡劣的汽車環(huán)境，包括EMI、EMC和溫度。車輛的溫度波動非常嚴重，電纜在制造過程中會經(jīng)老化和粗暴處理。在車輛的整個使用壽命中，電纜都會受到振動、熱循環(huán)等影響?！?/span>

9月，移動產(chǎn)業(yè)處理器接口（MIPI）聯(lián)盟發(fā)布了適用于汽車的MIPI A-PHY v1.0 SerDes規(guī)范，將有助于解決這些問題。

汽車的MIPI A-PHY v1.0 SerDes規(guī)范

MIPI市場和會員總監(jiān)Sharmion Kerley指出，汽車安全，自動化和連接性方面的創(chuàng)新，包括ADAS、全面的車載信息娛樂（IVI）和自動駕駛系統(tǒng)，正在改變車輛的設(shè)計。未來幾年內(nèi)將推出的新車型將配備更多高分辨率攝像頭、更先進的雷達和LiDAR及更多高清顯示器。所有這些將取決于傳感器和顯示器與車載計算機之間可靠的高性能連接，以保證內(nèi)置功能安全性。

Sharmion Kerley

MIPI A-PHY v1.0是長距離串行器-解串器（SerDes）物理層接口的第一個行業(yè)標準。MIPI成員可以使用新規(guī)范提供的點對點拓撲中的非對稱數(shù)據(jù)鏈路，通過單根電纜提供高速單向數(shù)據(jù)、嵌入式雙向控制數(shù)據(jù)和可選的功率傳輸。

MIPI給出的各種汽車系統(tǒng)中的對稱和非對稱數(shù)據(jù)流

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傳感器退化怎么辦？

傳感器性能下降與汽車設(shè)計領(lǐng)域最關(guān)鍵的問題——安全性——也有著內(nèi)在的聯(lián)系?，F(xiàn)在，將ADAS和自動駕駛汽車設(shè)計添加到方程式中，傳感器退化的重要性變得不言而喻。

這不過是個運行10年的倒車攝像頭，要是ADAS呢？

汽車環(huán)境中傳感器退化的主要原因是什么呢？根據(jù)Robert Stead的說法，傳感器系統(tǒng)性能下降的潛在原因有很多。首先，在擋風玻璃、照明裝置或其他保護層后面的傳感器外部安裝位置周圍會出現(xiàn)磨損。

其次，雖然傳感器是根據(jù)汽車規(guī)格設(shè)計的，但由于惡劣的工作環(huán)境，它們可能會隨時間推移出現(xiàn)一定程度的退化。除了ADAS和自動駕駛汽車中使用的傳感器和軟件外，其他性能下降的潛在原因還可能來自其他電子系統(tǒng)元件。

惡劣汽車環(huán)境中的溫度和振動會導致傳感器隨時間推移而退化

傳感器退化可能導致潛在的錯誤學習，并引起性能下降。因此，下一個邏輯問題是汽車工程師如何才能及時有效地測量傳感器的退化。但是迄今為止，還沒有大規(guī)模研究來確定系統(tǒng)退化的程度和速度。

人們普遍認為，退化會發(fā)生，不是突然而災(zāi)難性的，而更像是ADAS性能的緩慢下降。盡管如此，它確實需要量化。

雖然現(xiàn)代汽車配備了最先進的安全裝置，但帶有固有風險。一些功能在車輛的使用壽命期間并不穩(wěn)定。它們會變，會退化和變異。這會影響安全性能，并可能造成和擴大內(nèi)外人員的事故。AI和深度學習的破壞更嚴重，因為它們特別容易接受這些影響——人工智能的邪惡一面。風險是真實的，瘋狂的交通工具就在路上。

一些學術(shù)機構(gòu)正在將其作為研究計劃的一部分。以防患于未然發(fā)現(xiàn)弱傳感器車輛為使命的新興公司Obsurver已開始進行試驗，并正在尋求擴大汽車傳感器退化測量的范圍。該公司認為，所有傳感器系統(tǒng)都會受到影響，包括攝像頭、雷達、LiDAR、熱和超聲波傳感器，所有ADAS和AD系統(tǒng)都會受到影響，包括經(jīng)典主動安全系統(tǒng)、AI和基于深度學習的AD系統(tǒng)、L1至L5自主性等。