新型車艙感測技術營造安全與舒適的駕乘體驗

作者 : Andreas Pellkofer & Gopal Karnam,ADI

車艙感測運用多種感測器與智慧演算法的組合支援多種應用,正成為快速演進的技術領域…

車艙感測運用多種感測器與智慧演算法的組合支援多種應用,正成為快速演進的技術領域。

目前有兩股關鍵力量推動車艙內(in-cabin)感測技術的發展。第一是規範要求改進乘客的安全。包括歐洲新車安全評鑑協會(Euro NCAP)與歐盟執委會(EC)都要求車廠在2022年之前須搭載駕駛監控系統(DMS)。美國國家運輸安全委員會(NTSB)建議半自動駕駛車配備DMS。美國當局也要求車廠在2021年之前必須配備方向盤離手偵測(HOD)系統才能符合法規(R79條款)在車道維持輔助系統(LKAS)方面的規範。此外,兒童感測系統在2022年也將成為強制性配備。面對這些即將生效的法規,DMS與乘客感測功能將成為L2等級以上駕駛輔助平台的標準功能。

第二項關鍵領域是增進乘客的舒適性——如透過情緒感測。許多OEM察覺到這會是一項差異化特色,未來將運用尖端創新技術來發展相關產品。

DMS降低歐盟交通事故死亡率

安全:歐洲運輸安全委員會(ETSC)統計,2019年歐盟地區居民每百萬人死於道路交通事故人數為51人,其中95%的成因來自人為因素:包括駕駛疏失、分心、打瞌睡、緊張或疲勞。EU並宣佈一套重大交通安全計畫, 「目標是在2030年之前道路交通事件死亡與重傷減少50%,2050年達成零傷亡願景(Vision Zero)。」

DMS現今已支援另一項先進輔助駕駛系統(ADAS)。舉例來說,LKAS已整合HOD系統,用來偵測方向盤離手的狀態,並在必要時通知駕駛人拿回車輛的操控權。此外,DMS還提供許多新功能,用來偵測駕駛人的健康以及確保足夠的專注力。

各種生命徵象偵測(VSM)技術,像是心電圖(ECG)或膚電活動(EDA→皮膚阻抗),能偵測駕駛人的健康與緊張程度,藉以在發生事故之前防範意外發生。舉例來說,如果VSM系統偵測到駕駛人因為瞌睡或疲勞以致無法控制車輛,ADAS能讓車輛回復到安全狀態(降低車速、駛向緊急車道或停下車輛)。

舒適:確保優異駕駛與乘客體驗,這方面的重要性更甚以往。不僅開拓創新的機會,還有助於增進品牌認知度與確保顧客忠誠度。顧客持續升高的期待,促使OEM增加產品功能以提供這方面的增強體驗。

個人化與先進人機介面(HMI)概念(直覺操控車)成為使用者體驗的關鍵元素。OEM能透過各種獨特舒適功能,增進其品牌認同度。包括像根據駕駛人情緒或心理狀態自動執行氣候控制或環境光調整。免手動操控的HMI系統讓駕駛人不必將雙手移開方向盤。在各種語音操控系統中,更精準的DMS會運用眼球追蹤技術,持續縮小和傳統觸控介面之間的差距。差異化與顧客忠誠度促使業界需要增強使用者體驗。

應用

車艙內感測技術涵蓋種類眾多的應用。12顯示許多應用範例。駕駛人偵測技術透過像HOD系統等功能因應當局規範的要求,逐漸成為強制配備的解決方案,在未來新出廠車輛成為標配功能。

生命徵象偵測也是其中一項新興功能,因應駕駛人對於健康狀況的關注,以及人口日趨高齡化的趨勢,能夠偵測駕駛人的健康狀況、緊張程度、安適感(well-being)以及操控車輛的適能性(fitness)。

生物辨識不僅支援個人化體驗,像是座椅與方向盤位置以及偏好資訊娛樂設定,還能驗證車內駕駛者身份以維護安全。

1:車艙感測器應用範例。

另一項關鍵安全應用就是乘客感測。一旦不小心讓乘客被鎖在車內,系統會偵測乘客的人數與年齡並立即通知駕駛人。系統還會向救護車人員提供額外資訊,結合緊急呼叫(eCall)系統在急救人員抵達現場之前迅速通報資訊。乘客感測的一項特殊使用情境就是兒童在場偵測,目前逐漸成為(依各地區而定)一項強制規範。

先進HMI與手勢操控提供增強使用者體驗(如2所示)。不必繁瑣的搜尋,忙著點選操控面板的按鈕,只須手勢就能執行簡單功能,像是跳過目前播放的樂曲。

 Human machine interface (HMI)

2:人機操控介面(HMI)

如何支援這些應用

綜觀這些應用,不論是實體位置(如3所示),舒適對安全,或是需要提供的解決方案,明顯可觀察到我們無法透過單一感測解決方案來因應所有需求。結合其他種類感測功能的感測器融合勢在必行。業界必須推動安全與舒適應用的整合。許多種類技術必須整合,藉以達成提高安全與舒適的目標。

In-cabin sensor locations

3:車艙內感測器的位置。

技術

飛時測距(ToF)技術

飛時測距(ToF)攝影機是因應先前提及應用的其中一項關鍵技術,它能提供影像與景深資料。儀表板或車頂的ToF攝影機可供DMS執行像眼球追蹤等功能。許多OEM已將ToF運用在先進HMI與手勢控制裝置,最好的設定位置就是車頂控制盒(roof console)。ToF提供一項絕佳解決方案,不光能偵測車內的孩童,還能偵測到他們身體的位置。這裡可看出感測器需要放在不同位置才能確保和後座之間視線無阻(如3紫色所示)

隨著影像偵測技術的進步,ToF由於體積精小、寬感測動態範圍以及能在陽光直射的狀況下工作,因此成為最佳的景深感測方法。結合高解析距離量測與中等解析度光強影像(環境光2D主動亮度影像)的組合,成為ToF的獨有配備。例如,ADI提供最高解析度(100萬畫素)的ToF感測器,能支援更寬視角(field-of-view)的攝影機。2D攝影機促成許多視覺應用,3D (景深)資訊則提供更多一層的強固性。對於舒適性應用而言,這轉化成更好的使用者體驗,對於安全應用來說則是一項關鍵的差異化特點。

由於車艙內配置多部攝影機來支援不同的使用情境,因此攝影機必須支援干擾消除機制,以消弭景深量測的誤差。這方面的問題必須從系統層面解決。

在生物辨識方面,ToF能提供極安全的解決方案,讓有心人士很難騙過系統,即使在其他系統得手的手法也無法適用。例如,ADI為ToF領域提供了ToF成像器、雷射驅動器以及電源調節器等。

汽車攝影機匯流排(C2B)

為了連接不同的攝影機,包括2D成像器或3D ToF元件,ADI還提供一項專屬的車輛攝影機鏈路技術——汽車攝影機匯流排(Car Camera BusC2B)。C2B是一種低成本解決方案,能傳送200萬畫素的攝影機資料以及控制資訊,從攝影機傳送到車內或車外。

阻抗感測

強固且可靠的阻抗感測技術不僅用於偵測方向盤離手狀態,還能偵測握持的品質,這也成為其中一項關鍵規範。另外,它還提供手部在方向盤的位置。EDA資訊還能用來偵測駕駛人當前的緊張程度。例如,ADI提供高精準阻抗轉換器(AD5933)廣泛用於現今車款的HOD系統,而專為HOD設計的AD5941W 整合式解決方案則能以單一元件支援多種HOD分區(zone)。

心電圖

ECG結合EDA能監視駕駛的健康狀態,而ECG還能用來支援生物辨識方面的應用。結合阻抗感測元件以及心電圖量測的高精準放大器AD8232W,提供僅由兩個元件組成的完整VSM解決方案。

總結

汽車產業正積極發展先進車艙感測應用,以提升駕駛人與乘客的安全。因應消費者日益要求使用者體驗以及個人化舒適功能的創新,精準與強固的L2+/L3駕駛輔助解決方案不斷推動感測器融合。ADI正與業界廠商聯手推動結合硬體與軟體演算法的生態系,合作開發ToF演算法(手勢操控、眼球追蹤等)以及VSM (如ECG分析等應用),藉由各種新興車艙感測技術營造安全與舒適的駕乘體驗。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年8月號雜誌

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