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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。

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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。

圖1：OMS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。

圖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。