自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)聚焦于圖像傳感的功能性安全

作者 / Giri Venkat 安森美半導(dǎo)體汽車(chē)成像方案架構(gòu)及技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)

摘要：圖像傳感器是自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)的重要組成部分，介紹了圖像傳感器技術(shù)及其故障檢測(cè)，并介紹了一款現(xiàn)代圖像傳感器：AR0233AT。

引言

　　先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)越來(lái)越精密，以至于全自動(dòng)駕駛的前景似乎不再遙不可及。ADAS的核心是圖像傳感器，由于它們的作用對(duì)被動(dòng)和主動(dòng)ADAS的整體效能都越來(lái)越重要，因此它們的功能性安全越來(lái)越重要。

　　ISO 26262車(chē)輛安全標(biāo)準(zhǔn)和汽車(chē)安全完整性等級(jí)(ASIL)概念的引入強(qiáng)調(diào)了對(duì)功能性安全的要求。

　　對(duì)于汽車(chē)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，了解ASIL非常重要，它與ADAS中的圖像傳感器有關(guān)。了解故障檢測(cè)技術(shù)、潛在故障的性質(zhì)及其對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的影響、故障的修正和累積對(duì)精密的ADAS整體功能性安全的影響也是至關(guān)重要的。

　　最新的ADAS系統(tǒng)包括多個(gè)圖像傳感器，能夠檢測(cè)和識(shí)別各類(lèi)危險(xiǎn)，包括行人、靜態(tài)物體和車(chē)輛。傳感器能夠根據(jù)危險(xiǎn)軌跡識(shí)別和通信是否需要采取任何避免行動(dòng)。所有這些基于機(jī)器視覺(jué)的系統(tǒng)都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是傳感器的全部或部分故障可能產(chǎn)生潛在的，甚至危及生命的后果。

1 ASIL概覽

　　功能安全或ASIL是專(zhuān)為車(chē)輛制定的一種基于標(biāo)準(zhǔn)的安全制度/標(biāo)準(zhǔn)，它起源于ISO 61508，這是一種全面的工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，但目前正在作為一個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)(ISO 26262)發(fā)展，以跟上特定的汽車(chē)需求和迅速發(fā)展的汽車(chē)技術(shù)。

　　ISO 26262涵蓋安裝在“成批生產(chǎn)乘用車(chē)”中的電氣和電子系統(tǒng)，雖然許多標(biāo)準(zhǔn)只是對(duì)進(jìn)行認(rèn)證的產(chǎn)品必須滿足的一系列測(cè)試和條件有強(qiáng)制要求，但I(xiàn)SO 26262是一個(gè)基于風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。這意味著它界定了一個(gè)流程，評(píng)估危險(xiǎn)情況風(fēng)險(xiǎn)和確定并實(shí)施安全措施以控制系統(tǒng)故障。該方法還希望檢測(cè)和控制隨機(jī)故障，或至少盡可能減輕其影響。

2 圖像傳感故障類(lèi)型

　　典型的圖像傳感器是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的子系統(tǒng)，包含一系列光敏元件，將入射光轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。然后將這些信號(hào)數(shù)字化，使它們能夠被存儲(chǔ)、處理和傳送到ADAS系統(tǒng)，以便進(jìn)一步分析，例如障礙識(shí)別。

　　在功能性安全領(lǐng)域，“不安全的故障”是可能導(dǎo)致ADAS系統(tǒng)做出錯(cuò)誤決策的原因。這可能涉及從完整的傳感器故障到傳感器的單個(gè)像素、行或列故障，或模擬/數(shù)字電路中的問(wèn)題。典型的故障可能包括“卡住”像素、電噪聲效應(yīng)、缺失行、缺失列、移位像素、傳輸錯(cuò)誤或色偏。

　　隨著目標(biāo)檢測(cè)算法越來(lái)越精密，常常檢測(cè)到小至10×10的像素，較小的故障能“誤導(dǎo)”ADAS系統(tǒng)。事實(shí)上，故障檢測(cè)是個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，部分原因是模擬和數(shù)字領(lǐng)域的故障性質(zhì)和類(lèi)型不同，也是由于現(xiàn)代傳感器像素?cái)?shù)高。

3 故障檢測(cè)

　　檢測(cè)故障的方法幾乎和故障類(lèi)型一樣多。例如，主機(jī)處理器可以相對(duì)容易地檢測(cè)出卡住的像素、行或列，但隨著傳感器像素?cái)?shù)的增加，將變得耗時(shí)和耗資源。通過(guò)使用內(nèi)置錯(cuò)誤檢查的發(fā)射器和接收器，可以檢測(cè)，甚至糾正、傳輸錯(cuò)誤。該方案不會(huì)對(duì)系統(tǒng)處理器施加負(fù)載，但會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的成本。

　　使用ADAS系統(tǒng)處理器檢測(cè)故障有很多缺點(diǎn)。首先，有大量的細(xì)微故障類(lèi)型無(wú)法在系統(tǒng)級(jí)檢測(cè)到，包括色偏或基于噪聲的問(wèn)題。另一個(gè)缺點(diǎn)是系統(tǒng)級(jí)故障檢測(cè)的成本;考慮到潛在故障類(lèi)型的數(shù)量以及需要檢查的像素、行和列的數(shù)量之大，需要非常高性能的CPU、GPU和存儲(chǔ)器。即使費(fèi)用可以接受，增加的復(fù)雜性也會(huì)影響整個(gè)ADAS系統(tǒng)的有效性、響應(yīng)和能效。

　　這導(dǎo)致了系統(tǒng)級(jí)故障檢測(cè)中最令人關(guān)注的方面——運(yùn)行所有算法所需的時(shí)間。當(dāng)處理器正在計(jì)算數(shù)字時(shí)，車(chē)輛可能會(huì)迅速接近障礙物或行人可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。

4 基于傳感器的故障檢測(cè)

　　現(xiàn)代圖像傳感器包括許多集成的測(cè)試功能，例如執(zhí)行循環(huán)冗余檢查(CRC)的能力以檢測(cè)傳輸中的故障，或在計(jì)數(shù)幀、行或像素時(shí)執(zhí)行更多計(jì)數(shù)的能力，從而確保發(fā)送了正確的幀。

　　當(dāng)功能性安全系統(tǒng)被內(nèi)置到傳感器中時(shí)，系統(tǒng)的作用被簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單地檢查狀態(tài)指示位或寄存器，這些狀態(tài)指示位或寄存器立即指示故障，而幾乎沒(méi)有消耗系統(tǒng)資源。這也意味著不再需要高性能的CPU、GPU和存儲(chǔ)器，從而降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

　　低延遲ADAS系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是故障檢測(cè)時(shí)間間隔(FTDI)，它是ADAS系統(tǒng)檢測(cè)故障所需時(shí)間的度量，而容錯(cuò)時(shí)間間隔(FTTI)是系統(tǒng)響應(yīng)所需的時(shí)間，使系統(tǒng)恢復(fù)到安全狀態(tài)。

　　如圖3所示，當(dāng)將故障檢測(cè)內(nèi)置到傳感器中時(shí)，檢測(cè)時(shí)間會(huì)大大縮短，從而使系統(tǒng)有更多的時(shí)間在危險(xiǎn)事件可能發(fā)生之前恢復(fù)到安全狀態(tài)。

5 一款現(xiàn)代圖像傳感器：AR0233AT

　　最新的圖像傳感器之一是安森美半導(dǎo)體的AR0233AT。該260萬(wàn)像素1/2.5英寸的器件是專(zhuān)為包括ADAS系統(tǒng)在內(nèi)的許多汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

　　該背照式(BSI)技術(shù)采用3.0微米像素，提供出色的微光性能，單次曝光超過(guò)95分貝(dB)。片上高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)提高微光性能至超過(guò)140 dB，或抑制LED閃爍的120 dB。

　　安全性是該傳感器的核心，該器件符合ISO 26262 ASIL-B標(biāo)準(zhǔn)和AEC-Q100 Grade 2。具有超過(guò)8000個(gè)注入故障的一個(gè)完整的安全封裝，可供設(shè)計(jì)人員使用。

6 結(jié)論

　　隨著ADAS系統(tǒng)日益普及并在車(chē)輛設(shè)計(jì)中更多的影響決策和用以避免危險(xiǎn)，我們?cè)絹?lái)越依賴(lài)于它們。因此，它們現(xiàn)在歸入ISO 26262的范疇。ISO 26262是針對(duì)乘用車(chē)的功能性安全標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求采用“自始至終”的方法來(lái)識(shí)別危險(xiǎn)，盡可能減輕它們的影響。

　　鑒于圖像傳感器的復(fù)雜性，以及越來(lái)越多的像素需要檢查，加上大量可能的故障情況，將檢查工作交給ADAS系統(tǒng)不大可能取得成功，反而肯定增加成本。

　　因此，用于ADAS系統(tǒng)的最新圖像傳感器采用了自我檢測(cè)技術(shù)，這不僅加快了故障檢測(cè)流程，還意味著所有ADAS系統(tǒng)的處理能力都可用來(lái)做出避免危險(xiǎn)的正確決策，從而使我們的道路更加安全。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第21頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。