汽車(chē)ADAS進(jìn)化的百年歷史（三）

前兩篇文章探討了各種先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的發(fā)展史。該系列的最后一篇文章將介紹駕駛員監(jiān)控和嗜睡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這被認(rèn)為是全自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵要求之一。然后，我們將討論環(huán)視和后視鏡替代。最后我們將探討未來(lái)的技術(shù)趨勢(shì)，包括軟件定義的車(chē)輛以及虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

01 嗜睡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和駕駛員監(jiān)控

第一個(gè)嗜睡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與許多ADAS一樣，也是機(jī)械性質(zhì)的——安裝在車(chē)道之間和路邊的隆起帶。雖然不完美，但它是第一個(gè)顯著減少因疲勞駕駛發(fā)生車(chē)禍的系統(tǒng)(根據(jù)美國(guó)國(guó)家高速公路交通安全管理局NHTSA在1998年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))。

NHTSA在1998年發(fā)表的一份報(bào)告全面介紹了關(guān)于疲勞駕駛的報(bào)道。該報(bào)告記錄了實(shí)驗(yàn)室和車(chē)內(nèi)打瞌睡的測(cè)量工具——在當(dāng)時(shí)，通過(guò)測(cè)量生理信號(hào)來(lái)檢測(cè)打瞌睡是很常見(jiàn)的。但這只適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，因?yàn)檫€必須研究每個(gè)人的情況并個(gè)別校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。不過(guò)，該報(bào)告提到正在研究車(chē)載系統(tǒng)，如閉眼監(jiān)控、轉(zhuǎn)向傳感器和車(chē)道跟蹤裝置(NHTSA，1998)。由于技術(shù)上的限制，這些設(shè)備在當(dāng)時(shí)沒(méi)有商業(yè)化(Dinges, 1995)。

也許第一個(gè)著名的電子瞌睡檢測(cè)器是轉(zhuǎn)向角傳感器。第一個(gè)商業(yè)化的系統(tǒng)出現(xiàn)在21世紀(jì)初。一個(gè)方向盤(pán)傳感器追蹤方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離和速度。就其本身而言，這一信息并無(wú)幫助。但如果把這些數(shù)據(jù)結(jié)合速度、穩(wěn)定控制(偏航和顛簸)、甚至攝像頭信息，并與一個(gè)軟件算法相結(jié)合，就可構(gòu)建一個(gè)可靠的瞌睡估計(jì)系統(tǒng)。

通常情況下，這些系統(tǒng)只在高速公路上工作，并且只測(cè)量微轉(zhuǎn)向，因?yàn)樵诔鞘欣镒咦咄Ｍ?，有很多轉(zhuǎn)彎，會(huì)使算法混亂。這些系統(tǒng)用每次出行的初始階段來(lái)校準(zhǔn)駕駛員，作為一個(gè)基線。博世被許多人認(rèn)為是該領(lǐng)域的先鋒——關(guān)于其方案的更多詳情，請(qǐng)看他們的產(chǎn)品頁(yè)面。該方案運(yùn)作很好，但現(xiàn)代汽車(chē)正變得越來(lái)越自主，在這種情況下，駕駛員可能完全無(wú)需駕駛。如果汽車(chē)處于控制狀態(tài)，監(jiān)控自己是沒(méi)有意義的。

一個(gè)新的方案出現(xiàn)了，它可在兩種情況下工作，無(wú)論是人類(lèi)駕駛員還是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，都可解決這個(gè)問(wèn)題。這方案被稱(chēng)為駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)。人們?cè)?0年代末就開(kāi)始探索DMS，但直到2020年代才準(zhǔn)備好投入生產(chǎn)。DMS使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)、攝像頭和處理程序，尋找面部和眼睛的線索，以確保駕駛員的注意力和參與度。聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但要可靠地實(shí)施這些算法卻很復(fù)雜。EE Times article的這篇文章通過(guò)對(duì)DMS的迷思，詳細(xì)介紹了這些挑戰(zhàn)(Barnden, 2021)。

歐洲新車(chē)評(píng)估組織(NCAP)現(xiàn)在強(qiáng)制要求使用這些DMS系統(tǒng)；到2024年所有新車(chē)都必須有DMS系統(tǒng)，以獲得最高的碰撞和安全評(píng)級(jí)。有相當(dāng)多不同的專(zhuān)有方案，從低端到高端都有。但對(duì)汽車(chē)制造商不利的是，這個(gè)市場(chǎng)對(duì)成本高度敏感，客戶不愿意為這個(gè)功能支付額外的費(fèi)用。

另一個(gè)趨勢(shì)是將駕駛員監(jiān)控?cái)U(kuò)展到包括所有乘客，這種類(lèi)型的監(jiān)控被稱(chēng)為乘員監(jiān)控系統(tǒng)(OMS)。汽車(chē)制造商對(duì)這一方案更興奮，因?yàn)樗麄兛蓪⑵渥鳛槭孢m和便利功能來(lái)賺錢(qián)。駕駛員可使用手勢(shì)和面部識(shí)別來(lái)自定義車(chē)輛設(shè)置。在互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接的汽車(chē)中，視頻通話或社交媒體應(yīng)用程序可應(yīng)用OMS。安全功能可使用OMS，如檢測(cè)兒童是否被留在車(chē)內(nèi)無(wú)人看管，或自動(dòng)關(guān)閉空座安全氣囊或低于安全重量的人占用座位的安全氣囊。安全應(yīng)用可使用OMS進(jìn)行車(chē)內(nèi)視頻記錄。

傳統(tǒng)的DMS和OMS的硬件和光學(xué)器件是不同的。DMS通常使用帶有全局快門(mén)的近紅外成像，而OMS通常使用帶有可見(jiàn)光的卷簾快門(mén)。大多數(shù)汽車(chē)制造商希望將DMS和OMS合并為DOMS(駕駛員和乘員監(jiān)測(cè)系統(tǒng))，以降低成本，做出一個(gè)更小尺寸的方案。

圖1.  OMS方案，圖片來(lái)源：Business Wire

安森美(onsemi)的高性能圖像傳感器正在實(shí)施一種新穎的系統(tǒng)方案，一個(gè)卷簾快門(mén)圖像傳感器可同時(shí)用于DMS和OMS應(yīng)用，為DOMS提供了理想的、極具性價(jià)比的方案。

一個(gè)挑戰(zhàn)是，DMS通常安裝在轉(zhuǎn)向軸或儀表盤(pán)上，而OMS最好安裝在后視鏡上方或車(chē)門(mén)立柱上。盡管設(shè)計(jì)更復(fù)雜了，但越來(lái)越多的設(shè)計(jì)將兩者結(jié)合起來(lái)以節(jié)省成本。許多汽車(chē)制造商現(xiàn)在安裝了包含DOMS整體方案的頂置控制臺(tái)，而安裝在后視鏡中也很常見(jiàn)。

02 環(huán)視和車(chē)鏡替代

環(huán)視攝像機(jī)是安裝在車(chē)輛外部的可見(jiàn)光攝像機(jī)，以增加在倒車(chē)或停車(chē)時(shí)的駕駛能見(jiàn)度。通常有四個(gè)攝像頭：一個(gè)在前面，一個(gè)在后面，還有兩個(gè)側(cè)面的攝像頭。這些攝像頭都是廣角鏡頭，形成一個(gè)魚(yú)眼類(lèi)型的圖像。圖像處理和先進(jìn)的算法將這四幅圖像和汽車(chē)的照片合并。由此產(chǎn)生的鳥(niǎo)瞰圖顯示在儀表板顯示器的屏幕上，并模擬車(chē)輛上方的攝像頭，讓周?chē)那闆r直觀地呈現(xiàn)在駕駛員眼前。有時(shí)這些系統(tǒng)也被稱(chēng)為全向視角(Omni view)或360°視角。

圖2. 環(huán)視系統(tǒng)示例，圖片來(lái)源：ExtremeTech

第一輛擁有環(huán)視系統(tǒng)的汽車(chē)是2007 Infiniti EX35，由英菲尼迪和日產(chǎn)共同開(kāi)發(fā)。最初的系統(tǒng)只提供這種鳥(niǎo)瞰圖，但較新的系統(tǒng)提供多種視角，特別是在更高端的車(chē)輛上。

當(dāng)與汽車(chē)周?chē)某暡▊鞲衅飨嘟Y(jié)合時(shí)，環(huán)視系統(tǒng)有效地避免了碰撞，適合狹小的停車(chē)空間。超聲波傳感器還有助于提醒駕駛員注意行人或移動(dòng)物體。

一些更先進(jìn)的系統(tǒng)還可看到車(chē)輛的引擎蓋，甚至在拖車(chē)時(shí)看到拖車(chē)的后面——有時(shí)被稱(chēng)為X光。

側(cè)攝像頭除了用于停車(chē)，還可以取代傳統(tǒng)的側(cè)后視鏡在駕駛過(guò)程中使用。由于攝像頭可以做得非常小，后視鏡的尺寸也可以減少，這使得車(chē)輛更符合空氣動(dòng)力學(xué)，節(jié)省高達(dá)4%的燃油里程或增加電動(dòng)車(chē)的續(xù)航能力。

雖然更換后視鏡在技術(shù)上可行，但許多駕駛員不喜歡這樣做，因?yàn)樗麄兞?xí)慣于用真正的側(cè)后視鏡開(kāi)車(chē)。另一個(gè)障礙是，一些國(guó)家要求將側(cè)后視鏡作為備份，這就否定了拆除后視鏡所提供的好處(但不是用于停車(chē))。因此，攝像頭取代車(chē)鏡比環(huán)視系統(tǒng)慢(Howard，2014)。

03 軟件定義的汽車(chē)

軟件定義的汽車(chē)這一術(shù)語(yǔ)已成為描述汽車(chē)設(shè)計(jì)中巨大變化的詞。大量的研發(fā)已涌入到對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的追逐，特別是在過(guò)去十年。支持自動(dòng)駕駛的所有傳感器所需的計(jì)算量，使得車(chē)輛系統(tǒng)和傳感器的控制和使用方式發(fā)生必然的重大變化。

更傳統(tǒng)的方法是在包含本地處理器和軟件的模塊之間有一個(gè)中央CAN或LIN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這在2015年之前是很普遍的。但隨著車(chē)輛及其系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，需要更集中的計(jì)算，出于需要，域控制器變得更普遍。

例如，要結(jié)合所有各種傳感器輸入，處理數(shù)據(jù)，并向多個(gè)安全系統(tǒng)發(fā)送指令以實(shí)現(xiàn)ADAS功能，需要一個(gè)ADAS控制器。數(shù)據(jù)速率也在增加，需要更高速的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。最終，由于自動(dòng)駕駛和先進(jìn)系統(tǒng)所需的極大處理量，將出現(xiàn)集中式計(jì)算(Morris，2021)。

圖3. 車(chē)輛架構(gòu)如何演進(jìn) – 左邊是原始系統(tǒng)；中間是帶有域控制器的現(xiàn)代風(fēng)格；右邊是集中式計(jì)算(圖片來(lái)源：EE Times和Siemens Digital)

就像手機(jī)的發(fā)展一樣，消費(fèi)者要求通過(guò)軟件更新獲得更多的數(shù)字功能和更長(zhǎng)期的價(jià)值。汽車(chē)制造商對(duì)這種模式也非常感興趣，因?yàn)樗麄儽仨毻ㄟ^(guò)空中軟件更新進(jìn)行靈活快速開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)新的功能和漏洞補(bǔ)丁。在開(kāi)發(fā)新功能的同時(shí)，他們還可以通過(guò)服務(wù)和訂閱創(chuàng)造新的收入來(lái)源。

就在此時(shí)，整個(gè)汽車(chē)行業(yè)正在經(jīng)歷這種演變，在各tier和OEM之間探索新的商業(yè)模式。一些汽車(chē)公司正在以軟件公司而不是汽車(chē)公司的身份進(jìn)行備案。當(dāng)然，特斯拉是以科技公司起家的，早在2003年就成立了，2008年開(kāi)始生產(chǎn)第一輛Roadster跑車(chē)(Reed, 2020)。

04 虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及Web 3.0，也就是通常所說(shuō)的元宇宙，讓人興奮。元宇宙是網(wǎng)絡(luò)的3D版本，在這里所有的東西都有一個(gè)數(shù)字孿生體，可帶來(lái)全新的體驗(yàn)、沉浸感和協(xié)作。

道路上已有了配備平視顯示器(HUD)的車(chē)輛。HUD最終將疊加越來(lái)越多的數(shù)字內(nèi)容，作為駕駛員的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)——例如，3D導(dǎo)航投影，甚至可能是3D視頻通話。會(huì)有天氣預(yù)報(bào)嗎？

在極端情況下不會(huì)有擋風(fēng)玻璃；前面將是一個(gè)固體裝置。巨大的屏幕將取代擋風(fēng)玻璃，以完全虛擬的視野取代該空間。一旦達(dá)到L5級(jí)自動(dòng)駕駛，就真的完全不再需要傳統(tǒng)的擋風(fēng)玻璃了。

日產(chǎn)在這里提供了一個(gè)引人入勝的愿景。

圖4. 從看不見(jiàn)的到可見(jiàn)的，圖片來(lái)源：日產(chǎn)

總結(jié)

這一系列文章追溯到最初稱(chēng)為Speedostat的機(jī)械巡航控制，經(jīng)歷了ADAS從機(jī)械到電子的演變，一直到軟件定義的車(chē)輛和全自動(dòng)駕駛的愿景和元宇宙的沉浸。

目前汽車(chē)行業(yè)的轉(zhuǎn)型是電氣化的，技術(shù)正在快速變化。當(dāng)我們?yōu)樾碌哪Ｊ胶妥兓械脚d奮時(shí)，回顧過(guò)去和我們今天認(rèn)為理所當(dāng)然的系統(tǒng)的有趣歷史也是有幫助的。

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