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。圖1與圖2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。
圖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(如圖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。
圖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(如圖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。
圖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(如圖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 Bus；C2B)。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。
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