自動駕駛輔助系統(tǒng)聚焦于圖像傳感的功能性安全

作者 / Giri Venkat 安森美半導體汽車成像方案架構及技術營銷

摘要：圖像傳感器是自動駕駛輔助系統(tǒng)的重要組成部分，介紹了圖像傳感器技術及其故障檢測，并介紹了一款現(xiàn)代圖像傳感器：AR0233AT。

引言

　　先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)越來越精密，以至于全自動駕駛的前景似乎不再遙不可及。ADAS的核心是圖像傳感器，由于它們的作用對被動和主動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。

　　ISO 26262車輛安全標準和汽車安全完整性等級(ASIL)概念的引入強調了對功能性安全的要求。

　　對于汽車設計人員來說，了解ASIL非常重要，它與ADAS中的圖像傳感器有關。了解故障檢測技術、潛在故障的性質及其對數(shù)據(jù)可靠性的影響、故障的修正和累積對精密的ADAS整體功能性安全的影響也是至關重要的。

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

1 ASIL概覽

　　功能安全或ASIL是專為車輛制定的一種基于標準的安全制度/標準，它起源于ISO 61508，這是一種全面的工業(yè)安全標準，但目前正在作為一個獨立的標準(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。

　　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)，雖然許多標準只是對進行認證的產(chǎn)品必須滿足的一系列測試和條件有強制要求，但ISO 26262是一個基于風險的標準。這意味著它界定了一個流程，評估危險情況風險和確定并實施安全措施以控制系統(tǒng)故障。該方法還希望檢測和控制隨機故障，或至少盡可能減輕其影響。

2 圖像傳感故障類型

　　典型的圖像傳感器是一個相對復雜的子系統(tǒng)，包含一系列光敏元件，將入射光轉換成模擬電信號。然后將這些信號數(shù)字化，使它們能夠被存儲、處理和傳送到ADAS系統(tǒng)，以便進一步分析，例如障礙識別。

　　在功能性安全領域，“不安全的故障”是可能導致ADAS系統(tǒng)做出錯誤決策的原因。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、缺失行、缺失列、移位像素、傳輸錯誤或色偏。

　　隨著目標檢測算法越來越精密，常常檢測到小至10×10的像素，較小的故障能“誤導”ADAS系統(tǒng)。事實上，故障檢測是個相當大的挑戰(zhàn)，部分原因是模擬和數(shù)字領域的故障性質和類型不同，也是由于現(xiàn)代傳感器像素數(shù)高。

3 故障檢測

　　檢測故障的方法幾乎和故障類型一樣多。例如，主機處理器可以相對容易地檢測出卡住的像素、行或列，但隨著傳感器像素數(shù)的增加，將變得耗時和耗資源。通過使用內置錯誤檢查的發(fā)射器和接收器，可以檢測，甚至糾正、傳輸錯誤。該方案不會對系統(tǒng)處理器施加負載，但會增加整個系統(tǒng)的成本。

　　使用ADAS系統(tǒng)處理器檢測故障有很多缺點。首先，有大量的細微故障類型無法在系統(tǒng)級檢測到，包括色偏或基于噪聲的問題。另一個缺點是系統(tǒng)級故障檢測的成本;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和存儲器。即使費用可以接受，增加的復雜性也會影響整個ADAS系統(tǒng)的有效性、響應和能效。

　　這導致了系統(tǒng)級故障檢測中最令人關注的方面——運行所有算法所需的時間。當處理器正在計算數(shù)字時，車輛可能會迅速接近障礙物或行人可能會造成災難性的后果。

4 基于傳感器的故障檢測

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

　　當功能性安全系統(tǒng)被內置到傳感器中時，系統(tǒng)的作用被簡化為簡單地檢查狀態(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和存儲器，從而降低了系統(tǒng)成本和復雜性。

　　低延遲ADAS系統(tǒng)的一個關鍵指標是故障檢測時間間隔(FTDI)，它是ADAS系統(tǒng)檢測故障所需時間的度量，而容錯時間間隔(FTTI)是系統(tǒng)響應所需的時間，使系統(tǒng)恢復到安全狀態(tài)。

　　如圖3所示，當將故障檢測內置到傳感器中時，檢測時間會大大縮短，從而使系統(tǒng)有更多的時間在危險事件可能發(fā)生之前恢復到安全狀態(tài)。

5 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)在內的許多汽車應用而設計的。

　　該背照式(BSI)技術采用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標準和AEC-Q100 Grade 2。具有超過8000個注入故障的一個完整的安全封裝，可供設計人員使用。

6 結論

　　隨著ADAS系統(tǒng)日益普及并在車輛設計中更多的影響決策和用以避免危險，我們越來越依賴于它們。因此，它們現(xiàn)在歸入ISO 26262的范疇。ISO 26262是針對乘用車的功能性安全標準，該標準要求采用“自始至終”的方法來識別危險，盡可能減輕它們的影響。

　　鑒于圖像傳感器的復雜性，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技術，這不僅加快了故障檢測流程，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的正確決策，從而使我們的道路更加安全。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第21頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。