汽車(chē)制造商和政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)始終致力于探索提升交通安全的有效途徑。近年來(lái)，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)在減少道路傷亡方面取得了重大突破。本文將深入探討 ADAS 在增強(qiáng)道路安全方面的關(guān)鍵作用，以及各類(lèi)對(duì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)起著決定性作用的傳感器技術(shù)。

自 20 世紀(jì) 70 年代防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)首次問(wèn)世以來(lái)，ADAS 技術(shù)在乘用車(chē)中的應(yīng)用逐步增加，道路安全性也隨之顯著提高。美國(guó)國(guó)家安全委員會(huì)(NSC)估計(jì)，僅在美國(guó)，ADAS 就有潛力避免約 62% 的交通死亡事故，每年能夠挽救超過(guò) 20,000 人的生命。近年來(lái)，自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)和前撞預(yù)警(FCW)等 ADAS 功能日益普及，超過(guò)四分之一的車(chē)輛已配備這些功能，助力駕駛員預(yù)防事故，最終達(dá)到挽救生命的目的。

ADAS 系統(tǒng)的運(yùn)行依賴(lài)多種技術(shù)的協(xié)同合作。一套感知套件如同系統(tǒng)的 “眼睛”，負(fù)責(zé)檢測(cè)車(chē)輛周?chē)h(huán)境，并為系統(tǒng)的 “大腦” 提供數(shù)據(jù)。系統(tǒng) “大腦” 利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，從而做出車(chē)輛的執(zhí)行決策，輔助駕駛員操作。例如，當(dāng)檢測(cè)到前方有車(chē)輛且駕駛員未踩下剎車(chē)時(shí)，AEB 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)剎車(chē)，使車(chē)輛及時(shí)停下，避免追尾碰撞事故的發(fā)生。ADAS 感知套件由視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成，其中車(chē)規(guī)級(jí)攝像頭是核心部件，其內(nèi)部的高性能圖像傳感器能夠捕捉車(chē)輛周?chē)h(huán)境的視頻流，用于檢測(cè)車(chē)輛、行人、交通標(biāo)志等。在低速行駛和停車(chē)場(chǎng)景下，該攝像頭所捕捉的圖像還能顯示出來(lái)，輔助駕駛員進(jìn)行操作。攝像頭通常會(huì)與毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)(LiDAR)或超聲波傳感器等深度感知系統(tǒng)搭配使用，這些傳感器提供的深度信息可增強(qiáng)攝像頭獲取的二維圖像，增加數(shù)據(jù)冗余度，消除物體距離測(cè)量的模糊性。

對(duì)于汽車(chē)制造商及其一級(jí)系統(tǒng)供應(yīng)商而言，實(shí)施 ADAS 系統(tǒng)并非易事。一方面，處理多個(gè)傳感器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)面臨處理能力的限制;另一方面，傳感器本身也存在性能瓶頸。汽車(chē)行業(yè)的嚴(yán)苛要求決定了每個(gè)組件，包括硬件和相關(guān)軟件算法，都必須具備極高的可靠性，因此需要進(jìn)行大量測(cè)試以確保安全。此外，系統(tǒng)還必須在惡劣的照明和天氣條件下保持穩(wěn)定性能，能夠適應(yīng)極端溫度，并在車(chē)輛的整個(gè)生命周期內(nèi)可靠運(yùn)行。

下面，讓我們?cè)敿?xì)了解 ADAS 中運(yùn)用的一些關(guān)鍵傳感器技術(shù)，包括圖像傳感器、激光雷達(dá)(LiDAR)和超聲波傳感器。每種傳感器都能提供特定類(lèi)型的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)軟件算法進(jìn)行處理，并相互結(jié)合，從而生成對(duì)車(chē)輛周?chē)h(huán)境準(zhǔn)確而全面的認(rèn)知。這一過(guò)程被稱(chēng)為傳感器融合，它借助多種傳感器模式的冗余特性，提高軟件感知算法的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)而通過(guò)更高置信度的決策實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的安全保障。這些多傳感器套件的復(fù)雜性可能會(huì)迅速增加，相應(yīng)地，算法也需要越來(lái)越強(qiáng)大的處理能力。與此同時(shí)，傳感器本身也在不斷發(fā)展進(jìn)步，如今已能夠在傳感器級(jí)而非僅在中央 ADAS 處理器上進(jìn)行本地處理。

圖像傳感器：車(chē)輛的 “眼睛”

圖像傳感器堪稱(chēng)車(chē)輛的 “眼睛”，是任何配備 ADAS 的車(chē)輛中最為重要的傳感器類(lèi)型之一。從 “機(jī)器視覺(jué)” 駕駛輔助功能，如自動(dòng)緊急制動(dòng)、前方碰撞預(yù)警和車(chē)道偏離警告，到 “人類(lèi)視角” 功能，如用于泊車(chē)輔助的 360 度環(huán)視攝像頭和電子后視鏡的攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)，再到能夠檢測(cè)駕駛員分心或疲勞狀態(tài)并發(fā)出警報(bào)以防止事故的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，圖像傳感器提供的圖像數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各種 ADAS 功能。

安森美(onsemi)提供的包括 Hyperlux 系列在內(nèi)的多種圖像傳感器，以低功耗實(shí)現(xiàn)了出色的圖像質(zhì)量。Hyperlux 傳感器像素架構(gòu)采用了創(chuàng)新的超級(jí)曝光成像方案，可通過(guò) LED 閃爍緩解(LFM)捕獲高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)幀，有效克服了 LED 前后車(chē)燈或 LED 交通標(biāo)志因脈沖頻閃導(dǎo)致的誤讀問(wèn)題。

Hyperlux 圖像傳感器專(zhuān)為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的汽車(chē)場(chǎng)景條件而設(shè)計(jì)，例如在高架橋上方的直射陽(yáng)光下，它能夠捕捉高達(dá) 150 分貝(dB)的動(dòng)態(tài)范圍。配備 Hyperlux 圖像傳感器的攝像頭在處理極端情況時(shí)，表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人眼，并且在光照水平遠(yuǎn)低于 1 lux 的環(huán)境下仍能正常工作。

安森美的 Hyperlux 圖像傳感器包括 800 萬(wàn)像素的 AR0823AT 和 300 萬(wàn)像素的 AR0341AT。這些數(shù)字 CMOS 圖像傳感器采用 Hyperlux 2.1μm 超曝光單光電二極管像素技術(shù)，具備出色的低照度性能，同時(shí)還能在同一幀圖像中捕捉高照度和低照度場(chǎng)景中的寬動(dòng)態(tài)范圍。超級(jí)曝光像素可在一幀圖像中實(shí)現(xiàn)足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，從而采用 “無(wú)憂(yōu)設(shè)置” 的曝光方案，有效避免了在光線(xiàn)條件變化時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光的麻煩，比如在晴天駛出隧道或停車(chē)場(chǎng)時(shí)。

深度傳感器(激光雷達(dá))：精確感知距離

精確測(cè)量物體與傳感器之間的距離，即深度感知，對(duì)于各種 ADAS 功能以及實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的 ADAS 和全自動(dòng)駕駛至關(guān)重要，它能夠消除場(chǎng)景中的模糊性。

實(shí)現(xiàn)深度感知的技術(shù)有多種。若考慮深度性能，光探測(cè)和測(cè)距(激光雷達(dá)，LiDAR)是最佳選擇。LiDAR 能夠以高深度和角度分辨率進(jìn)行深度感知，并且由于系統(tǒng)通過(guò)近紅外(NIR)激光與傳感器的協(xié)同實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)照明，所以可在各種環(huán)境光條件下正常工作，既適用于近距離應(yīng)用，也適用于遠(yuǎn)距離應(yīng)用。雖然低成本的毫米波雷達(dá)傳感器在當(dāng)今汽車(chē)應(yīng)用中更為常見(jiàn)，但它們的角度分辨率不及 LiDAR，無(wú)法提供超出基本 ADAS 需求的更高級(jí)別自動(dòng)駕駛所需的高分辨率三維點(diǎn)云環(huán)境信息。

最常見(jiàn)的 LiDAR 架構(gòu)是直接飛行時(shí)間(ToF)法，它通過(guò)發(fā)射一個(gè)短紅外光脈沖，并測(cè)量信號(hào)從物體反射回到傳感器所需的時(shí)間，從而直接計(jì)算出距離。LiDAR 傳感器通過(guò)在其視野范圍內(nèi)掃描光線(xiàn)，重復(fù)這一測(cè)量過(guò)程，以捕捉整個(gè)場(chǎng)景信息。

安森美(onsemi)的 ARRAYRDM - 0112A20 硅光電倍增管(SiPM)陣列是一種單光子敏感傳感器，在單片陣列中設(shè)有 12 個(gè)通道，在近紅外波長(zhǎng)(如 905nm)處具有高光子探測(cè)效率(PDE)，用于檢測(cè)返回的脈沖。此 SiPM 陣列已被集成到一款 LiDAR 中，該 LiDAR 應(yīng)用于世界上首批具備真正 “視線(xiàn)離開(kāi)” 自動(dòng)駕駛功能的乘用車(chē)上，使車(chē)輛擁有了超越基礎(chǔ)駕駛輔助的自動(dòng)駕駛能力，即駕駛員無(wú)需時(shí)刻關(guān)注路面情況。倘若沒(méi)有 LiDAR 深度感知的支持，這種水平的自動(dòng)駕駛功能至今難以在消費(fèi)級(jí)車(chē)輛上可靠實(shí)現(xiàn)。

超聲波傳感器：近距離探測(cè)利器

另一種用于距離測(cè)量的技術(shù)是超聲波檢測(cè)，其原理是通過(guò)傳感器發(fā)射頻率超出人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)范圍的聲波，然后檢測(cè)反彈回來(lái)的聲音，依據(jù)飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。

超聲波傳感器常用于泊車(chē)輔助等近距離障礙物探測(cè)和低速操控應(yīng)用場(chǎng)景。它的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，聲音傳播速度比光慢得多，因此反射聲波返回傳感器的時(shí)間通常為幾微秒，而光的返回時(shí)間為納秒級(jí)。這意味著超聲波傳感器所需的處理性能要低得多，從而降低了系統(tǒng)成本。

以安森美的 NCV75215 泊車(chē)距離測(cè)量 ASSP 為例，在車(chē)輛停放過(guò)程中，該元件通過(guò)壓電超聲波變換器對(duì)障礙物的距離進(jìn)行飛行時(shí)間測(cè)量。它能夠檢測(cè)距離為 0.25 米至 4.5 米的物體，并具有高靈敏度和低噪聲的特點(diǎn)。

安森美在開(kāi)發(fā) ADAS 所需的傳感器技術(shù)方面發(fā)揮了重要作用。安森美發(fā)明了雙轉(zhuǎn)換增益像素技術(shù)和 HDR(高動(dòng)態(tài)范圍)模式，這些技術(shù)如今已被業(yè)界眾多傳感器所采用，并且開(kāi)創(chuàng)了創(chuàng)新的超級(jí)曝光設(shè)計(jì)，使傳感器既能在低照度環(huán)境下表現(xiàn)出色，又能通過(guò)單個(gè)光電二極管捕捉 HDR 場(chǎng)景而不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。憑借在市場(chǎng)和技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，目前道路上的大多數(shù) ADAS 圖像傳感器均由安森美開(kāi)發(fā)。在過(guò)去的二十年里，這些創(chuàng)新成果助力安森美為汽車(chē)應(yīng)用提供高性能的傳感器，進(jìn)而推動(dòng)了 ADAS 技術(shù)的發(fā)展，為挽救道路交通中的生命發(fā)揮了積極作用。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，ADAS 系統(tǒng)中的傳感器將更加智能、精準(zhǔn)和可靠，在未來(lái)的道路交通中，有望進(jìn)一步降低事故發(fā)生率，拯救更多寶貴的生命，為人們的出行安全提供更加堅(jiān)實(shí)的保障。