用于輔助駕駛系統(tǒng)的可編程平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

安全性是汽車消費(fèi)者最關(guān)心的問(wèn)題了。圖1給出了Visteon進(jìn)行的一項(xiàng)研究結(jié)果，圖中顯示出客戶對(duì)汽車的要求，而車輛安全性位于核心。對(duì)于汽車安全性的關(guān)注不僅僅是為了司機(jī)和乘客，還有道路上的其他人。安全設(shè)備已經(jīng)從物理領(lǐng)域轉(zhuǎn)向電子領(lǐng)域，從輪胎和剎車技術(shù)的進(jìn)步，到側(cè)撞保護(hù)和安全氣囊，直到今天的輔助駕駛系統(tǒng)。最新的汽車采用了大量的電子技術(shù)和傳感器，不斷監(jiān)測(cè)和評(píng)估周圍的環(huán)境、為司機(jī)顯示相關(guān)信息，并且在某些情況下，甚至接管車輛的控制。在提高汽車安全性、舒適性和駕駛效率方面，這些電子系統(tǒng)起著重要的作用。

　　輔助駕駛系統(tǒng)可提供基本的安全功能，如增加紅外（IR）相機(jī)來(lái)提高觀察能力。更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)還可利用范圍廣泛的傳感器來(lái)提醒潛在的危險(xiǎn)情況，從而使車輛可意識(shí)到周圍的交通情況、車道和行駛方向以及可能的碰撞目標(biāo)。最終的目標(biāo)是車輛能夠自動(dòng)對(duì)這種信息做出反應(yīng)，為司機(jī)提供信息以及特殊情況下的車輛控制能力，從而可保證乘客的安全。例如，有些最新的卡車中安裝了視頻攝像機(jī)來(lái)監(jiān)視前面的道路情況。如果車輛在沒(méi)有使用指示燈的情況下改變行駛路徑，比如可能是由于司機(jī)太疲勞了，那么系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)車內(nèi)的揚(yáng)聲器給出聲音告警。

　　通過(guò)消除繁瑣的駕駛動(dòng)作，輔助駕駛還可提供更高的舒適水平。例如，傳統(tǒng)的巡航控制允許司機(jī)設(shè)定一個(gè)固定的行駛速度，同時(shí)在需要時(shí)可手動(dòng)控制。而現(xiàn)在的汽車則提供自動(dòng)巡航控制（ACC）功能，可以自動(dòng)控制油門(mén)和剎車來(lái)適應(yīng)前面車輛的速度，從而與其保持安全距離。如果前面的車輛加速開(kāi)走或改變行駛路徑，ACC會(huì)自動(dòng)返回傳統(tǒng)巡航控制的預(yù)設(shè)速度。

　　輔助駕駛系統(tǒng)還有希望利用所謂的“電子牽引裝置”來(lái)提高交通效率。例如，車隊(duì)的領(lǐng)頭卡車由司機(jī)手動(dòng)駕駛，但后隨的卡車則自動(dòng)駕駛。除了減輕司機(jī)的許多負(fù)擔(dān)以外，卡車間的距離也可大大縮短，因?yàn)殡娮禹憫?yīng)速度更為迅速。這樣不僅可節(jié)約完整的道路面積空間，而且由于前面車輛的后向氣流的影響，還要節(jié)約燃料。

　　另一種新興的安全技術(shù)稱為“被動(dòng)式乘員識(shí)別系統(tǒng)”。美國(guó)政府要求從2006年開(kāi)始的所有新款汽車都必須能夠根據(jù)乘員的體型來(lái)打開(kāi)氣囊。此類系統(tǒng)使得保護(hù)氣囊能夠“智能”打開(kāi)或收縮。這種基于乘員體重的系統(tǒng)將可幫助汽車制造商滿足最近公布的《美國(guó)聯(lián)邦車輛標(biāo)準(zhǔn)安全法規(guī)》FMVSS-208的要求。該法規(guī)要求氣囊必須能夠針對(duì)不同乘員的體重更為有效地打開(kāi)。從2004年開(kāi)始，每家汽車制造商在美國(guó)銷售的車輛中有35%必須裝備先進(jìn)的氣囊系統(tǒng)，這一數(shù)字到2006 年將提高到接近100%。較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)采用安裝在乘員座墊下的體重傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。高級(jí)乘員識(shí)別算法和快速信號(hào)處理使汽車氣囊控制器可根據(jù)不同的情況來(lái)打開(kāi)或收縮乘員氣囊，從而可大大提高乘員安全性并降低修理成本。更為高級(jí)的系統(tǒng)則采用安裝在車內(nèi)的相機(jī)來(lái)檢測(cè)和識(shí)別乘員，同時(shí)在算法上考慮到乘員調(diào)試及離氣囊的距離來(lái)判斷事故發(fā)生時(shí)氣囊打開(kāi)的時(shí)間、速度和程度。

　　Xilinx FPGA在輔助駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　圖2給出了賽靈思現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）應(yīng)用于ACC輔助駕駛系統(tǒng)的一個(gè)概念性框圖。

　　系統(tǒng)劃分為超高速輸入處理和相對(duì)低速的傳感器輸入和輸出控制信息，每個(gè)部分都在相應(yīng)處理器（例如，一個(gè)Xilinx MicroBlaze 32嵌入式軟內(nèi)核處理器或者Virtex-II Pro FPGA中嵌入的IBM PowerPC）的控制之下。高速部分專用于對(duì)安裝在車輛前面的視頻攝像信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。由于應(yīng)用（防碰撞、緊急處理和告警）本身的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)處理絕對(duì)是非常關(guān)鍵的。通常需要兩個(gè)或更多相機(jī)來(lái)獲得立體圖像，這樣就可以在FPGA中計(jì)算出圖像的深度（直接與前面物體的實(shí)際距離相關(guān)）。結(jié)合雷達(dá)和激光測(cè)量，以及來(lái)自陀螺儀和車輪傳感器的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)信息，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算出車輛周圍的情況和行駛路線。利用完全靈活的FPGA來(lái)代替成品視頻組件，設(shè)備制造商可容易地開(kāi)發(fā)出區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)廠商系統(tǒng)性能的、獨(dú)特的、優(yōu)化的邊緣檢測(cè)、圖像深度和增強(qiáng)算法。實(shí)時(shí)捕捉并處理這些信息需要使用計(jì)算密集的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）算法。然而，軟件處理無(wú)法滿足性能要求；盡管傳統(tǒng)DSP處理器也是一種選擇，但通常需要多片器件才能完成如此高速的任務(wù)。甚至ASSP視頻處理器也無(wú)法與 Xilinx FPGA（也稱為XtremeDSP處理）的極高速DSP性能相比。在視頻處理完以后，決策樹(shù)機(jī)制可以劃分為針對(duì)緊急算法（如緊急的防碰撞過(guò)程）的硬件部分，以及用于行駛路徑偏差等的聲音告警的處理器軟件部分。將速度關(guān)鍵的處理過(guò)程劃分到FPGA硬件中還可以對(duì)實(shí)時(shí)速度進(jìn)行測(cè)試，而這對(duì)于軟件是不可能的。