高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）的應用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

　　ADAS技術能夠不僅僅應用在豪華汽車上，部分原因是出于競爭的考慮，但并不是唯一因素。政府規(guī)章制度也是一個重要因素。例如，在美國，國家高速運輸安全管理局正在制定強制安裝后視攝像機的政策，據(jù)此，預計2018年車載攝像機將達到6千萬臺。EC將于2015年強制實施高級緊急剎車系統(tǒng)和車道偏離報警(LDW)系統(tǒng)。

　　安裝了ADAS的車輛在保險上有折扣也是推動ADAS廣泛應用的另一因素。這類優(yōu)惠有一定的統(tǒng)計意義。當駕駛員駕駛車輛開始偏離車道時，系統(tǒng)會發(fā)出告警，在夜間，系統(tǒng)也能夠增強駕駛員的能見度，從而避免了事故的發(fā)生，挽救了生命。

　　ADAS得到廣泛應用的決定性因素還是成本。雖然ADAS技術越來越復雜，但是，傳感器和處理器技術的進步——在很少的元器件中集成多種功能，現(xiàn)在可以支持工程師以中端甚至是經濟型汽車能夠承受的價格來設計ADAS應用。成本的降低以及通過功能集成來降低復雜度是推動ADAS技術在各類車輛中得以廣泛應用的關鍵因素。

　　功能的多樣性

　　在其所有預期中，ADAS技術也給汽車行業(yè)帶來了很多挑戰(zhàn)。正如很多技術處于其早期階段一樣，ADAS應用曾涉及到很多發(fā)展方向，并不能明確哪一方向最終會推動市場發(fā)展。撰寫本文時，日立公司關注于采用兩臺前向攝像機多路傳感器方法來探測距離100米以外的物體。這一技術被稱為“眼睛視覺”，在2013款力獅和傲虎車型上得到了應用。Denso公司最近演示了困倦探測系統(tǒng)，使用紅外(IR)攝像機來觀察駕駛員的面部，確定駕駛員的眼睛是否張開，如果眼睛閉上，表明駕駛員可能進入了睡眠狀態(tài)。最后，Aisin正在推出使用后視攝像機的車道探測系統(tǒng)——這是一種監(jiān)視車輛相對于車道標志線位置的高性價比方法，它結合GPS和道路地圖數(shù)據(jù)，確定車輛相對于前方路況的當前位置。

　　本文會更詳細的介紹ADAS技術迅速在更廣闊的市場上得以應用。

　　系統(tǒng)：車道偏離報警

　　傳感器：攝像機

　　當車輛離開其車道，或者接近道路邊緣時，LDW系統(tǒng)發(fā)出聲音報警或者動作報警(通過輕微的振動方向盤或者座椅來實現(xiàn))。當車輛速度超過一定閾值(例如，大于55英里)，車輛沒有打開轉向信號燈時，這些系統(tǒng)會開始發(fā)揮作用。當車輛行駛，其相對于車道標志線的位置表明車輛有可能偏離車道時，需要通過攝像機系統(tǒng)來觀察車道標志。雖然對于所有車輛制造商而言這些應用需求是相似的，但是每一廠商都采用了不同的方法，使用一臺前視攝像機，一臺后視攝像機，或者雙路/立體前視攝像機。出于這一原因，很難采用一種硬件體系結構來滿足各種不同類型的攝像機要求。需要采用靈活的硬件體系結構來提供不同的實現(xiàn)選擇。

系統(tǒng)：自適應巡航控制

　　傳感器：雷達

　　過去十年中，豪華汽車采用了ACC技術，這一技術目前也在更廣泛的市場上得到了應用。傳統(tǒng)的巡航控制技術設計用于保持車輛以恒定的車速行駛，與此不同，ACC技術使車速與交通狀況相適應，如果與前車距離太近，則會降速，在路況允許時，會加速到上限。這些系統(tǒng)通過使用安裝在車輛前部的雷達來實現(xiàn)。但是，由于雷達系統(tǒng)不能識別某一目標的大小和形狀，而且其視場也相對較窄，因此，應用時要結合攝像機。難點在于，目前所使用的攝像機和雷達傳感器還沒有標準配置。因此，還是需要靈活的硬件平臺。

　　系統(tǒng)：交通標志識別

　　傳感器：攝像機

　　正如其名稱所示，交通標志識別(TSR)功能使用前向攝像機結合模式識別軟件，可以識別常見的交通標志(限速、停車、掉頭等)。這一功能會提醒駕駛員注意前面的交通標志，以便駕駛員遵守這些標志。TSR功能降低了駕駛員不遵守停車標志等交通法規(guī)的可能，避免了違法左轉或者無意的其他交通違法行為，從而提高了安全性。這些系統(tǒng)需要靈活的軟件平臺來增強探測算法，根據(jù)不同地區(qū)的交通標志來進行調整。

　　系統(tǒng)：夜視

　　傳感器：IR或者熱成像攝像機

　　夜視(NV)系統(tǒng)幫助駕駛員在很暗的條件下識別物體。這些物體一般超出了車輛大燈的視場范圍，因此，NV系統(tǒng)針對在前方道路上行駛的車輛提前發(fā)出報警，幫助駕駛員避免撞車事件的發(fā)生。

　　NV系統(tǒng)使用各種攝像機傳感器和顯示器，具體與生產商有關，但一般都屬于兩種基本類型：主動式和被動式。

　　●主動系統(tǒng)，也稱為近IR系統(tǒng)，帶電耦合器件(CCD)攝像機和IR燈源相結合，在顯示器上呈現(xiàn)黑白圖像。這些系統(tǒng)的分辨率很高，圖像質量也非常好。其典型的可視范圍是150米。這些系統(tǒng)能夠看清楚攝像機視場范圍內的所有物體(包括沒有熱輻射的物體)，但是，在雨雪環(huán)境下，效率要大打折扣。

　　●被動系統(tǒng)不使用外部光源，而是依靠熱成像攝像機，利用物體自然熱輻射來采集圖像。這些系統(tǒng)不會受到對面來車大燈的影響，也不會受到惡劣天氣狀況的影響，其探測范圍達到300米至1000米。這些系統(tǒng)的缺點在于圖像是顆粒狀的，功能受限于較溫暖的氣候狀況。而且，被動式系統(tǒng)只能探測有熱輻射的物體。被動式系統(tǒng)結合視頻分析技術，可以清楚的顯示車輛前方道路上的物體，例如，行人等。

　　在NV系統(tǒng)中，有多種體系結構選擇，每一種方法都有其優(yōu)缺點。為提高競爭力，汽車生產商應支持多種攝像機傳感器，在通用、靈活的硬件平臺上實現(xiàn)這些傳感器。

系統(tǒng)：自適應遠光控制

　　傳感器：攝像機

　　自適應遠光控制(AHBC)是一種智能大燈控制系統(tǒng)，使用了攝像機來探測交通狀況(對面來車以及同向交通狀況)，根據(jù)這些狀況，調亮或者調暗遠光燈。AHBC系統(tǒng)支持駕駛員盡可能在最大照亮距離上使用遠光，而不必在其他車輛出現(xiàn)時手動調暗大燈，不會分散駕駛員注意力，從而提高了車輛的安全性。在某些系統(tǒng)中，甚至可以分別控制大燈，調暗一個大燈，而同時另一個大燈正常點亮。AHBC與LDW和TSR等前視攝像機系統(tǒng)是相輔相成的。這些系統(tǒng)不需要高分辨率攝像機，某一款車輛如果已經在ADAS應用中采用了前視攝像機，那么這一特性的性價比會非常高。

　　系統(tǒng)：行人/障礙物/車輛探測(PD)

　　傳感器：攝像機、雷達、IR

　　行人(以及障礙物和車輛)探測(PD)系統(tǒng)完全依靠攝像機傳感器來深入感知周圍環(huán)境，例如，采用一臺攝像機，或者在更復雜的系統(tǒng)中采用立體攝像機。“類別變量”(衣著、燈光、大小和距離)的差異會很大，背景復雜而且不斷變化，以及傳感器置于移動平臺(車輛)上等因素，導致很難確定移動中行人的視覺特征，因此，采用IR傳感器能夠增強PD系統(tǒng)。雷達也可以增強車輛探測系統(tǒng)，它提供很好的距離測量功能，在惡劣的天氣條件下，性能表現(xiàn)出眾，能夠測量車輛的行駛速度。這一復雜的系統(tǒng)需要使用同時來自多個傳感器的數(shù)據(jù)。(后面會詳細討論這一被稱為傳感器融合的過程。)

　　系統(tǒng)：駕駛員困倦報警

　　傳感器：車內IR攝像機

　　困倦報警系統(tǒng)監(jiān)視駕駛員的面部，測量其頭部位置、眼睛(張開/閉上)以及其他類似的報警指示。如果確定駕駛員有進入睡眠的跡象，或者看起來意識不清，該系統(tǒng)會發(fā)出報警。有些系統(tǒng)還監(jiān)視心率和呼吸。設想但是還沒有實現(xiàn)的功能包括使車輛靠近路邊行駛，最終靠邊停下來。

　　需求：靈活的高性能技術平臺

　　雖然很難詳細預測這些功能的未來發(fā)展，以后會應用到什么程度，但是，從技術角度看，有幾點是明確的：

　　●沒有一種單一的體系結構能夠滿足新出現(xiàn)的各類應用需求。

　　●需要采用靈活的平臺適應市場發(fā)展趨勢，實現(xiàn)最新的功能，同時滿足成本、規(guī)劃和性能目標。

　　●要滿足ADAS應用的高性能需求，應在軟件和硬件上達到均衡。

　　●系統(tǒng)使用多個不同類型的傳感器來完成安全相關任務，這類系統(tǒng)今后的發(fā)展會比較強勁。

信號融合

　　需要特別注意的是，大部分ADAS應用需要對來自多個傳感器的多路信號進行處理和分析，包括，視頻攝像機、雷達、紅外傳感器，以及今后可能出現(xiàn)的激光等其他傳感器信號。例如，危險探測不僅僅需要對來自多個攝像機的數(shù)據(jù)流進行集成和分析，而且，如果要用在全天候各種天氣條件下，還必須采用雷達數(shù)據(jù)。傳感器融合這一術語用于描述ADAS應用中不同信號的集成。

　　處理信號融合這一難題的一種算法解決方案是Kalman濾波，它集合了很多種算法。這是說明ADAS任務有多復雜的一個很好的例子。例如，Kalman濾波能夠集成視頻和雷達輸入信號，使用這些數(shù)據(jù)來生成當前環(huán)境的快照。然后，它在這些快照上應用名為“航位推測”的過程，根據(jù)物理條件，計算周圍環(huán)境“可能”會出現(xiàn)什么狀況。例如，它估算周圍車輛的新位置，確定路邊的樹木沒有移動等。然后，Kalman濾波功能對比這兩類快照，在可信度基礎上，估算出應采取哪些措施。例如，如果汽車使用了ACC，車頭距離太近，那么，可以減速，或者剎車。

　　ECU的角色

　　控制這些過程的電子設備集成到發(fā)動機控制單元(ECU)中。這些系統(tǒng)最初應用到汽車中是為了通過控制燃油噴射、點火時間、怠速等功能，滿足環(huán)境標準要求，而現(xiàn)在這些系統(tǒng)的功能越來越多了。一般而言，分別開發(fā)這些功能(例如，雷達和攝像機)，逐個集成到車輛中，導致由多個ECU完成多種功能。從成本的角度看，這并不是理想的方法。更好的方法是，將很多傳感器的輸出連接至一個處理單元，進行傳感器融合，更可靠的理解車輛的狀況，在軟件中開發(fā)相應的應對策略。但是，這一集成方法所需要的計算能力已經遠遠超出了中端車輛的成本預算。為能夠同時滿足性能、成本需求，象軟件一樣靈活，很多體系結構采用了現(xiàn)場編程陣列(FPGA)技術。

　　FPGA和傳統(tǒng)集成電路的不同在于，F(xiàn)PGA離開工廠后是可編程的。這意味著，可以對其進行修改，在設計/產品周期后期，滿足最新傳感器獨特的輸出格式要求，以及最新的計算算法或者規(guī)范要求，因此，非常適合應用于各種體系結構，在最后一刻應用新特性。

　　Altera低成本Cyclone系列FPGA完全能夠適用于汽車領域，支持工程師將傳感器接口、圖像處理、通信接口和分析等多種功能集成到單片硅片器件中，減少了典型ECU體系結構的元器件數(shù)量，降低了復雜度。Altera FPGA采用了硬件加速功能來處理高清晰視頻的720p30 (720掃描線，每秒30幀)數(shù)據(jù)流，以及下一代傳感器的77-GHz輸入。與完全將這些算法集成到硬件中不同，Altera FPGA的高性能硬件和軟件可編程特性確保了能夠滿足ADAS應用嚴格的25至30-ms延時要求。

　　Altera FPGA不但在技術上非常出眾，而且縮短了設計周期，支持OEM和Tier 1生產商盡快將ADAS應用推向市場，不需要大幅度改動硬件就能夠突出產品優(yōu)勢，從而進一步增強了商業(yè)價值。此外，Altera還提供簡單方便的專用集成電路(ASIC)引腳兼容移植途徑，降低了整個產品生命周期的成本。

　　總結

　　當今全球汽車市場的競爭和法規(guī)壓力促使生產商在其車輛中靈活的采用ADAS技術。Altera FPGA靈活的結合了技術和性能指標，是滿足這些目標要求的理想器件。