基于FPGA平臺的駕駛輔助應(yīng)用加速發(fā)展

例如，賽靈思公司的Zoratti認(rèn)為，將基本的車道偏離報警系統(tǒng)擴(kuò)展為可同時實(shí)現(xiàn)交通標(biāo)志識別和前方車燈識別的系統(tǒng)需要強(qiáng)大的計算能力以及高級算法開發(fā)。

Zoratti指出：“目前，DSP足以勝任基本系統(tǒng)的計算任務(wù)。但隨著系統(tǒng)的發(fā)展，特別是要利用同樣的傳感器完成多項功能并實(shí)現(xiàn)與其它系統(tǒng)的互連時，DSP的處理能力就不夠了。FPGA的并行處理資源可以提供一種具備成本效益、可擴(kuò)展性和靈活性的解決方案(見圖2)。”

根據(jù)分析師Barnden的說法，傳感器與前視攝像頭的結(jié)合需求更為迫切。前視攝像頭通常安裝在汽車后視鏡上，從前擋風(fēng)玻璃處探出。目前，OEM可利用前視攝像頭實(shí)現(xiàn)車道偏離報警功能。但他們希望在未來的汽車中能將這一攝像頭與雷達(dá)傳感器結(jié)合起來，同時完成自動巡航控制、交通標(biāo)志識別、夜視以及車道偏離功能，當(dāng)然，未來可能還包括車道保持功能。

利用一個攝像頭為多個駕駛輔助系統(tǒng)提供圖像則需要高級計算能力。在系統(tǒng)板上采用多個分立的DSP會令設(shè)計臃腫，需要更多連接線，并可能引發(fā)延遲和可靠性問題。Zoratti 表示，OEM廠商可以利用FPGA平臺的并行資源來完成需要幾片DSP來執(zhí)行的工作，從而獲得成本效益、可擴(kuò)展能力和靈活性都更高的基于FPGA的傳感器融合系統(tǒng)。

他還說：“目前的車道偏離報警系統(tǒng)可以采用分辨率為640×480的VGA攝像頭，但當(dāng)面對標(biāo)志識別等應(yīng)用時，系統(tǒng)很快將需要兩倍以上的分辨率。DSP器件無法滿足所需的數(shù)據(jù)處理能力。當(dāng)討論多種功能時，每種功能可能需要不同的處理算法，這也是FPGA能夠提供強(qiáng)大價值的地方。”

他繼續(xù)說道：“ASIC可能是一個選擇，但問題是，在大多數(shù)情況下，市場仍然處于孕育期，無法準(zhǔn)確預(yù)料最終哪種算法會勝出。FPGA提供了所需的計算能力、靈活性和可擴(kuò)展能力，因為您可以現(xiàn)在利用FPGA完成設(shè)計，并在未來根據(jù)特定車型的需求調(diào)整其需要的具體功能。這是一種基于平臺的設(shè)計，可以進(jìn)行修改以適用于不同的型號，甚至不同的系列。投資一個平臺，然后就可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，激活或禁止某些功能。”

在幫助設(shè)計人員快速實(shí)現(xiàn)駕駛輔助系統(tǒng)創(chuàng)新的過程中，開發(fā)工具和IP扮演著關(guān)鍵的角色。賽靈思公司及其合作伙伴為眾多基于FPGA的高級駕駛輔助應(yīng)用提供了先進(jìn)的IP模塊(見圖3)。

在將技術(shù)從DSP或基于其它IC的駕駛輔助系統(tǒng)轉(zhuǎn)向采用賽靈思汽車平臺FPGA的眾多企業(yè)中，TRW汽車集團(tuán)旗下的TRW Conekt公司以及Ibeo 汽車傳感器有限公司(Ibeo Automobile Sensor GmbH)是兩個很好的例子。

TRW Conekt公司基于攝像頭的車道偏離報警系統(tǒng)剛剛投入生產(chǎn)，目前正在開發(fā)整合了車道偏離報警和自動巡航控制的系統(tǒng)。當(dāng)前系統(tǒng)中的前視攝像頭位于后視鏡后。Conekt公司首席電子工程師Martin Thompson說：“當(dāng)遇到車道標(biāo)志時，如果汽車太靠近這些標(biāo)志，系統(tǒng)會觸發(fā)電子方向盤系統(tǒng)，方向盤會輕微振動來提醒司機(jī)，司機(jī)的感覺就像是汽車在輕擦路邊的石頭。系統(tǒng)可以幫助司機(jī)在疲勞或注意力不集中時避免車道偏離。”

TRW系統(tǒng)的核心是經(jīng)過Conekt編程的XA Spartan-3E250 FPGA，它負(fù)責(zé)執(zhí)行邊緣檢測和特征抽取等底層圖像處理。產(chǎn)品中還采用了一個外部微控制器，Thompson表示，這個微控制器未來可能會被集成到 FPGA中。

位于后視鏡后方的這一系統(tǒng)可以識別分隔車道的白線，并估算前方道路的幾何形狀以及汽車在車道內(nèi)的位置，即相對于車道的角度以及車道的彎曲情況。 Thompson說：“這為車道偏離報警系統(tǒng)提供了所需的信息。未來，這些信息可與來自自動巡航控制雷達(dá)的數(shù)據(jù)相結(jié)合，用于跟蹤本車道內(nèi)的其它車輛。”

此外，Conekt的工程師正在開發(fā)視頻障礙檢測功能。“雷達(dá)非常適合測量距離，但并不適合測量橫向位置，視頻則正相反。我們可以確定相對于車的寬度和角度，并將這些信息與雷達(dá)距離測量相融合。”Thompson說。

他又補(bǔ)充道：“利用視頻信息，我們還可以對目標(biāo)進(jìn)行分類，例如判斷車前的物體是行人還是自行車。同樣，視頻-雷達(dá)融合系統(tǒng)也可以動態(tài)地區(qū)分車輛是轎車還是卡車。跟蹤系統(tǒng)可利用這些評估信息來改進(jìn)自己的行為。”

Thompson指出，在一個系統(tǒng)中融合雷達(dá)和攝像頭傳感器還有很多其它優(yōu)點(diǎn)。雷達(dá)不會受到降雨、降雪和霧天的影響，而視頻則能更好地顯示出司機(jī)的實(shí)際可視范圍，從而幫助司機(jī)根據(jù)當(dāng)前的天氣和能見度情況來估算安全的行駛速度。

未來某個時候，融合產(chǎn)品還會使現(xiàn)有的碰撞緩和系統(tǒng)受益。如果事故看起來不可避免，系統(tǒng)會激活安全帶預(yù)緊器、灌注氣囊，并啟動剎車，以盡可能提前釋放碰撞能量。此外還可以起到防止碰撞的功能。當(dāng)司機(jī)無法采取行動時，汽車可以自動啟動一些措施(如方向控制和剎車等)以避免撞車。“然而，這可能還需要等些時候。”Thompson說。

Ibeo汽車傳感器有限公司也在其高級駕駛輔助系統(tǒng)中采用了賽靈思FPGA平臺。公司銷售總監(jiān)Mario Brumm說，已有十年歷史的Ibeo公司開發(fā)了一款激光掃描裝置，與相關(guān)軟件配合，就可以檢測車身周圍包括其它車輛、行人以及自行車在內(nèi)的環(huán)境，測量他們的位置和速度。Ibeo開發(fā)的這一系統(tǒng)可以在高速行駛時支持自動巡航控制并在交通阻塞時提供駕駛輔助。在關(guān)鍵時刻，比如有個孩子出現(xiàn)在車前時，傳感器會觸發(fā)剎車動作來避免事故。

Brumm說：“我們開發(fā)了硬件和軟件，但我們認(rèn)為未來幾年時間里，軟件會變得越來越重要。我們推向市場的一些傳感器已經(jīng)可以支持單一應(yīng)用，但我們從開始樹立的目標(biāo)就是利用一個傳感器支持多項應(yīng)用。FPGA在我們的設(shè)計中是非常重要的器件。”

在采用FPGA之前，Ibeo利用的是一款模擬芯片。Brumm說：“我們可以利用它來測量遠(yuǎn)達(dá)80米的距離。但對于自動巡航控制來說，這還不夠，尤其是在德國，在那里人們喜歡高速駕駛?？蛻粝Ｍ軌驕y量200米遠(yuǎn)的距離，這樣的話，利用原來的模擬系統(tǒng)是不可能的，因此我們想利用數(shù)字方法來完成核心測量。”