ADAS發展史:從機械式系統到SDV (III)

作者 : Dan Clement,onsemi 資深首席方案市場行銷工程師

ADAS發展史系列的最後一篇文章將將探討未來的技術趨勢,包括軟體定義的車輛(SDV)以及虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)...

前兩篇文章探討了各種先進駕駛輔助系統(ADAS)的發展史。該系列的最後一篇文章將介紹駕駛人監控和嗜睡監測系統,這被認為是全自動駕駛的關鍵要求之一。然後,我們將討論環景和後視鏡替代。最後我們將探討未來的技術趨勢,包括軟體定義的車輛(SDV)以及虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)。

嗜睡監測系統和駕駛人監控

第一個嗜睡監測系統與許多ADAS一樣,也是機械性質的——安裝在車道之間和路邊的減速標線。雖然不完美,但根據美國國家高速公路交通安全管理局(NHTSA)在1998年的統計資料,它是第一個顯著減少因疲勞駕駛發生車禍的系統。

NHTSA在1998年發表的一份報告全面介紹了關於疲勞駕駛的報導。該報告記錄了實驗室和車內打瞌睡的測量工具,在當時,透過測量生理訊號來檢測打瞌睡是很常見的。但這只適用於實驗室環境,因為還必須研究每個人的情況並個別校正資料。不過,該報告提到正在研究車載系統,如閉眼監控、轉向感測器和車道追蹤裝置。由於技術上的限制,這些設備在當時沒有商業化。

也許第一個著名的電子瞌睡檢測器是轉向角感測器。第一個商業化的系統出現在21世紀初。一個方向盤感測器追蹤方向盤轉動的距離和速度。就其本身而言,這一資訊並無幫助。但如果把這些資料結合速度、穩定控制(偏航和顛簸)、甚至攝影機資訊,並與一個軟體演算法相結合,就可構建一個可靠的瞌睡估計系統。通常情況下,這些系統只在高速公路上工作,並且只測量微轉向,因為在城市裡走走停停,有很多轉彎,會使演算法混亂。這些系統用每次出行的初始階段來校正駕駛人,作為一個基線。博世被許多人認為是該領域的先鋒–關於其方案的更多詳情,請看他們的產品頁面。該方案運作很好,但現代汽車變得越來越自動化,在這種情況下,駕駛人可能完全無需駕駛。如果汽車處於控制狀態,監控自己是沒有意義的。

一個新的方案出現了,它可在兩種情況下工作,無論是人類駕駛人還是自動駕駛系統,都可解決這個問題。這方案被稱為駕駛人監控系統(DMS)。人們在1990年代末就開始探索DMS,但直到2020年代才準備好投入生產。DMS使用電腦視覺、攝影機和處理常式,尋找面部和眼睛的線索,以確保駕駛人的注意力和參與度。聽起來很簡單,但要可靠地實施這些演算法卻很複雜。《EE Times》發表的這篇文章透過對DMS的迷思,詳細介紹了這些挑戰。

歐洲新車評估組織(NCAP)現在強制要求使用這些DMS系統;到2024年所有新車都必須有DMS系統,以獲得最高的碰撞和安全評級。有相當多不同的專有方案,從低階到高階都有。但對汽車製造商不利的是,這個市場對成本高度敏感,客戶不願意為這個功能支付額外的費用。

另一個趨勢是將駕駛人監控擴展到包括所有乘客,這種類型的監控被稱為乘員監控系統(OMS)。汽車製造商對這一方案更興奮,因為他們可將其作為舒適和便利功能來賺錢。駕駛人可使用手勢和面部識別來自訂車輛設置。在網際網路連結的汽車中,視訊通話或社交媒體應用程式可應用OMS。安全功能可使用OMS,如檢測兒童是否被留在車內無人看管,或自動關閉空座安全氣囊或低於安全重量的人佔用座位的安全氣囊。安全應用可使用OMS進行車內視訊記錄。

傳統的DMS和OMS的硬體和光學元件是不同的。DMS通常使用帶有全域快門的近紅外成像,而OMS通常使用帶有可見光的捲簾快門。大多數汽車製造商希望將DMS和OMS合併為駕駛人和乘員監測系統(DOMS),以降低成本,做出一個更小尺寸的方案。

1OMS方案。(圖片來源:Business Wire)

安森美(onsemi)的高性能影像感測器正在實施一種新穎的系統方案,一個捲簾快門影像感測器可同時用於DMS和OMS應用,為DOMS提供了理想的、極具性價比的方案。

挑戰之一在於DMS通常安裝在轉向軸或儀錶盤上,而OMS最好安裝在後視鏡上方或車門立柱上。儘管設計更複雜了,但越來越多的設計將兩者結合起來以節省成本。許多汽車製造商現在安裝了包含DOMS整體方案的頂置控制台,而安裝在後視鏡中也很常見。

環景和車鏡替代

環景攝影機是安裝在車輛外部的可見光攝影機,以增加在倒車或停車時的駕駛能見度。通常有四個攝影機:一個在前面,一個在後面,還有兩個側面的攝影機。這些攝影機都是廣角鏡頭,形成一個魚眼類型的影像。影像處理和先進的演算法將這四幅影像和汽車的照片合併。由此產生的鳥瞰圖顯示在儀錶板顯示器的螢幕上,並類比車輛上方的攝影機,讓周圍的情況直觀地呈現在駕駛人眼前。有時這些系統也被稱為全向視角(Omni view)或360°視角。

Example of Surround-View System

2:環景系統示例。(圖片來源:ExtremeTech)

第一輛擁有環視系統的汽車是2007 Infiniti EX35,由Infiniti和日產(Nissan)共同開發。最初的系統只提供這種鳥瞰圖,但較新的系統提供多種視角,特別是在更高階的車輛上。

當與汽車周圍的超音波感測器相結合時,環視系統有效地避免了碰撞,適合狹小的停車空間。超音波感測器還有助於提醒駕駛人注意行人或移動物體。

一些更先進的系統還可看到車輛的引擎蓋,甚至在拖車時看到拖車的後面——有時被稱為X光。

側攝影機除了用於停車,還可以取代傳統的側後視鏡在駕駛過程中使用。由於攝影機可以做得非常小,後視鏡的尺寸也可以減少,這使得車輛更符合空氣動力學,節省高達4%的燃油里程或增加電動車(EV)的續航能力。

雖然更換後視鏡在技術上可行,但許多駕駛人不喜歡這樣做,因為他們習慣於用真正的側後視鏡開車。另一個障礙是,一些國家要求將側後視鏡作為備份,這就否定了拆除後視鏡所提供的好處(但不是用於停車)。因此,攝影機取代車鏡比環視系統慢。

軟體定義的汽車

軟體定義的汽車這一術語已成為描述汽車設計中巨大變化的詞。大量的研發已湧入到對自動駕駛汽車的追逐,特別是在過去十年。支援自動駕駛的所有感測器所需的計算量,使得車輛系統和感測器的控制和使用方式發生必然的重大變化。

更傳統的方法是在包含本地處理器和軟體的模組之間有一個中央CAN或LIN網路架構,這在2015年之前是很普遍的。但隨著車輛及其系統變得更加複雜,需要更集中的運算,出於需要,網域控制站變得更普遍。例如,要結合所有各種感測器輸入,處理資料,並向多個安全系統發送指令以實現ADAS功能,需要一個ADAS控制器。資料速率也在增加,需要更高速的資料傳輸協定。最終,由於自動駕駛和先進系統所需的極大處理量,將出現集中式運算。

3:車輛架構如何演進——左邊是原始系統;中間是帶有網域控制站的現代風格;右邊是集中式運算。(圖片來源:EE TimesSiemens Digital

就像手機的發展一樣,消費者要求透過軟體更新獲得更多的數位功能和更長期的價值。汽車製造商對這種模式也非常感興趣,因為他們必須透過空中軟體更新進行靈活快速開發,以實現新的功能和漏洞增補。在開發新功能的同時,他們還可以透過服務和訂閱創造新的收入來源。

就在此時,整個汽車產業正在經歷這種演變,在各層級和OEM之間探索新的商業模式。一些汽車公司正在以軟體公司而不是汽車公司的身份進行備案。當然,特斯拉(Tesla)是以科技公司起家的,早在2003年就成立了,2008年開始生產第一輛Roadster跑車。

虛擬實境和擴增實境

對於虛擬實境和擴增實境以及Web 3.0,也就是通常所說的元宇宙,讓人興奮。元宇宙是網路的3D版本,在這裡所有的東西都有一個數位雙生,可帶來全新的體驗、沉浸感和協同合作。

道路上已有了配備平面顯示器(HUD)的車輛。HUD最終將疊加越來越多的數位內容,作為駕駛人的擴增實境,例如,3D導航投影,甚至可能是3D視訊通話。會有天氣預報嗎?

在極端情況下不會有擋風玻璃;前面將是一個固體裝置。巨大的螢幕將取代擋風玻璃,以完全虛擬的視野取代該空間。一旦達到L5級自動駕駛,就真的完全不再需要傳統的擋風玻璃了。

日產在這裡提供了一個引人入勝的願景。

Invisible-to-Visible

4:從看不見的到可見的。(圖片來源:Nissan

總結

這一系列文章追溯到最初稱為Speedostat的機械巡航控制,經歷了ADAS從機械到電子的演變,一直到軟體定義的車輛和全自動駕駛的願景和元宇宙的沉浸。

目前汽車產業的轉型是電氣化的,技術正在快速變化。當我們為新的模式和變化感到興奮時,回顧過去和我們今天認為理所當然的系統的有趣歷史也是有幫助的。

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