傳感器融合：如何讓自動駕駛“看”得更清楚？

自動駕駛的出現(xiàn)不僅僅是汽車技術(shù)的飛躍，更是人們對汽車移動性的感知和互動方式的一場革命。這一轉(zhuǎn)變的核心就是傳感器融合。

在自動駕駛汽車中，傳感器融合是一項對車輛安全性和效率至關(guān)重要的技術(shù)，它將來自多個傳感器的數(shù)據(jù)相結(jié)合，并產(chǎn)生對車輛環(huán)境更準確、更可靠和更全面的信息。例如，攝像頭、雷達和激光雷達等傳感器協(xié)同工作，相互補償可提供車輛周圍360°的全景視圖。與此同時，ADAS和自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用和普及進一步刺激了對傳感器前所未有的需求。

來自TE Connectivity的數(shù)據(jù)顯示，采用最新ADAS/AV技術(shù)的車輛，即使是典型的非電動汽車，均需要配備60到100個車載傳感器，其中的15到30個專門用于管理發(fā)動機。商用卡車配備的傳感器更是多達400個，用于發(fā)動機管理的傳感器約有70個。預(yù)計未來幾代電動汽車，特別是那些配備了自動或半自動駕駛功能的電動汽車，其傳感器數(shù)量很可能是其他車型的兩到三倍。

自動駕駛技術(shù)的出現(xiàn)迅速改變了現(xiàn)有的交通格局，為車輛提供了前所未有的安全性和可靠性。在自動駕駛汽車的核心技術(shù)中，傳感器融合作為一種變革力量占據(jù)了重要地位。通過無縫集成來自多種先進傳感器的數(shù)據(jù)，包括相機、雷達、激光雷達和超聲波傳感器，傳感器融合能夠從不同的位置感知環(huán)境，獲得了比任何單個來源更準確、更可靠的車輛及周邊信息。

自動駕駛中的傳感器

傳感器在汽車中的早期應(yīng)用主要以帶有后視攝像頭的基本高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）為主，隨著自動駕駛等級的升高，車輛智能化水平大幅提升，所需傳感器的種類和數(shù)量也越來越多。目前，用于自動駕駛技術(shù)的傳感器主要有以下幾種：

相機（攝像頭）

這是最接近人類視覺的一種傳感器，可以用來檢測車輛周邊的視覺信息，如交通標志、車道標線、行人、騎自行車的人和其他車輛等。前置攝像頭能讓汽車“看到”它要去的地方，倒車攝像頭可以幫助停車和倒車。一些新車型還配有360°攝像頭，通過這些放置在車身周邊的微型攝像頭可以獲取周圍環(huán)境的俯視圖。

市場上此類攝像頭品種很多，基本都能滿足車用需求。以安森美AR0820AT為例，這是一個1/2英寸CMOS數(shù)字圖像傳感器，具有3848 H x 2168 V有源像素陣列，這種先進的車用傳感器可在線性或高動態(tài)范圍內(nèi)捕獲圖像，同時還擁有卷簾快門讀出功能。此外，AR0820AT還針對微光和嚴苛條件的高動態(tài)范圍場景性能進行了優(yōu)化，采用2.1 μm DR-Pix BSI像素和片上140dB HDR捕獲能力，非常有利于獲取車輛周邊的圖像信息。

雷達

為確保車輛的安全駕駛，能否及時獲取車輛周圍環(huán)境的高分辨率圖像甚至4D成像數(shù)據(jù)對智能駕駛而言是一個重大挑戰(zhàn)。此時，在ADAS功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用的毫米波雷達走向前臺，因為它比相機更能“看清”物品，具有更高的分辨率和性能，以及良好的指向性，同時不易受到環(huán)境干擾或天氣影響。需要注意的是，毫米波雷達不能用于識別非金屬物體。

由TI公司提供的適用于汽車4D成像雷達需求的TIDA-020047雙器件毫米波級聯(lián)雷達參考設(shè)計，通過結(jié)合使用兩個76GHz 至81GHz 雷達收發(fā)器、一個雷達處理器、兩個 CAN-FD PHY、一個以太網(wǎng) PHY 和一個低噪聲電源，完美地解決了ADAS功能中“看清”的問題。

參考設(shè)計中的AWR2243 器件是一款能夠在 76GHz 至 81GHz 頻帶內(nèi)運行的集成式單芯片 FMCW 收發(fā)器，以極小的封裝達到超高的集成度，實現(xiàn)了一個具有內(nèi)置 PLL 和 ADC 轉(zhuǎn)換器的單片3TX、4RX 系統(tǒng)。

簡單的編程模型更改即可支持各種傳感器部署，包括近距離、中距離和遠距離，形成多模式傳感器方案。承擔雷達處理器任務(wù)的AM273x 是基于 Arm Cortex-R5F 和 C66x 浮點 DSP 內(nèi)核的高度集成、高性能微控制器，內(nèi)部集成的硬件安全模塊 (HSM)確保了車輛的功能安全。

圖1：適用于汽車 4D 成像雷達的雙器件毫米波級聯(lián)參考設(shè)計TIDA-020047 （圖源：TI）

LiDAR

光探測和測距（LiDAR）激光雷達使用光脈沖來測量車輛與其他物體的距離，借助該信息車輛可創(chuàng)建基于環(huán)境的詳細3D地圖。LiDAR用于自動駕駛汽車傳感器有頗多優(yōu)點：首先，它具有卓越的距離、角度和速度分辨率，抗干擾能力強；其次，激光雷達可以獲取大量有益于自動駕駛的數(shù)據(jù)和信息，包括距離、角度、速度和物體的反射強度，以生成物體的多維圖像。目前，高昂的價格在一定程度上影響了LiDAR在汽車行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。

OSRAM SPL SxL90A LiDAR是高性價比的產(chǎn)品，符合AEC-Q102標準，它可讓自動駕駛汽車“看”得更遠，駕駛更安全更高效。產(chǎn)品有單通道和四通道兩大系列，均具有每通道40A的電流和125W的性能，效率高達33％，且熱阻非常低，即使在大電流下運行也不容易發(fā)熱。單通道器件SPL S1L90A_3 A01的尺寸非常小巧，僅為2.0mm x 2.3mm x 0.65mm。四通道器件SPL S4L90A_3 A01有四個發(fā)射區(qū)，可在480W功率下提供出色的光功率，尺寸雖然略大于單通道器件，但能實現(xiàn)更大的檢測范圍。

圖2：四通道LiDAR  SPL S4L90A_3 A01（圖源：AMS OSRAM）

3D ToF激光雷達

飛行時間（ToF）是一種適用于短距離汽車用例的激光雷達，無需掃描即可獲取更多細節(jié)。這是一種越來越受歡迎的激光雷達，在智能手機應(yīng)用中已有大量應(yīng)用。在汽車環(huán)境中，高分辨率ToF攝像頭使用3D感應(yīng)技術(shù)掃描汽車周圍和地面區(qū)域，無論光照條件如何，都能檢測到路緣石、墻壁或其他障礙物，支持手勢識別并在車外建立360°視圖以幫助自助泊車。

IRS2877A是英飛凌REAL3 ToF激光雷達系列中主要面向汽車應(yīng)用的一款產(chǎn)品，采用9 x 9 mm2塑料BGA封裝，利用4 mm的微型感光區(qū)，實現(xiàn)了640 x 480像素的VGA系統(tǒng)分辨率，僅需一個ToF攝像頭，即可打造出3D面部識別的駕駛員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)?；贗RS2877A生成的3D車身模型，還可以準確估算出乘員的體型、體重，得出高度精確的乘員和座椅位置數(shù)據(jù)，為智能安全氣囊的展開和約束系統(tǒng)提供關(guān)鍵信息。除安全應(yīng)用之外， 3D ToF傳感器還可用于車內(nèi)手勢控制等功能的實現(xiàn)。

圖3：IRS2877A 3D ToF激光雷達應(yīng)用框圖（圖源：Infineon）

感器融合的力量

傳感器融合是將來自多種傳感器的數(shù)據(jù)源合并，以創(chuàng)建比單獨從任何單個來源獲得的信息更準確、更可靠的信息的過程。通常，單個傳感器不可能獨立工作并向自動駕駛系統(tǒng)提供所有必要的信息供其做出決定或采取任何行動。自動駕駛汽車感知世界的第一步是通過其傳感器陣列，包括相機、LiDAR和雷達等捕捉周圍環(huán)境的廣泛數(shù)據(jù)，才能最終做出準確的行動指令。圖4以圖形方式展示了自動駕駛汽車使用傳感器融合來感知環(huán)境的過程。

圖4：由相機、LiDAR和雷達等構(gòu)成的傳感器融合方案可360度感知車輛周邊環(huán)境（圖源：TE）

這些傳感器中的每一個都有其獨特的優(yōu)勢。激光雷達可提供精確的距離測量，在選擇過程中，距離是決定短距離、中距離或長距離激光雷達架構(gòu)是否最佳的因素，其中不僅僅是指車外的自動駕駛功能，也包括車內(nèi)的許多功能。雷達或毫米波雷達更擅長在各種天氣條件下檢測物體的速度和位置。相機或攝像頭則可以捕捉到豐富的視覺圖像。這些傳感器輸入的融合信息創(chuàng)建了車內(nèi)和車外全面的和高分辨率的數(shù)據(jù)表達，為自動駕駛汽車提供了無與倫比的態(tài)勢感知水平。

圖5：自動駕駛汽車中所需的傳感器融合方案（圖源：Aptiv）

無論自動駕駛處于何種等級，支持其更強大的“看”的能力的汽車傳感器技術(shù)是所有功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，傳感器融合已成為自動駕駛安全可靠的重要支柱。隨著汽車駕駛艙越來越數(shù)字化，除了“看”周邊，攝像頭、雷達和激光雷達在車內(nèi)也開始發(fā)揮它們的作用。比如短距離激光雷達可以監(jiān)測駕駛員和乘客的狀態(tài)，以支持更先進的智能座艙功能，包括通過檢測頭部位置來調(diào)整安全氣囊展開力度和優(yōu)化平視顯示器（HUD）、通過面部識別來識別特定的駕駛員和乘客以調(diào)整預(yù)定義的偏好等。

車傳感器融合的未來

根據(jù)Market Research的分析，汽車傳感器融合市場預(yù)計將從2023年的3億美元增長到2030年的33億美元，復(fù)合年增長率為42.4%。在此過程中，對自動駕駛和半自動駕駛汽車的需求不斷增加，以及ADAS系統(tǒng)在各種汽車中的應(yīng)用，推動了市場的發(fā)展。隨著純電動汽車市場的增長，進一步推高了對ADAS或AD功能的需求。

來自Marklines的數(shù)據(jù)顯示，截至2022年，市場上有150多款L2 ADAS純電動汽車，許多純電動汽車配備了相應(yīng)的傳感器融合系統(tǒng)。比如福特的F-150 Lightning就配有福特的Blue Cruise ADAS/AD系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要提供傳感器融合功能。通用汽車在2023年3月推出的凱迪拉克Celestiq，配備了使用傳感器融合的超巡航ADAS/AD系統(tǒng)。

傳感器融合是未來汽車的關(guān)鍵技術(shù)，它們不僅能引導車輛自動安全的行駛，還實現(xiàn)了一系列日益數(shù)字化的駕駛艙內(nèi)功能。傳感器融合的未來看起來非常有希望，然而車輛制造商的挑戰(zhàn)也將接踵而至。

首先，實時管理和解釋來自多個傳感器的數(shù)據(jù)所需的處理能力就是一個巨大的考驗，它意味著未來的車輛需要有更強大的機載算力。找到一個既有合理的價格又能提供高算力的方案不是一件容易的事。其次，一輛車的智能化越高所需的傳感器數(shù)量越多，當然，這些傳感器占用的空間越大，整車的成本也會越來越高。因此，小尺寸、高性能、高集成度、低價格的傳感器融合方案將贏得更多市場。再就是，傳感器融合技術(shù)的跨平臺標準化是自動駕駛系統(tǒng)開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，還有很多互聯(lián)互通的工作要做。

自動駕駛汽車傳感器融合技術(shù)的進步標志著人類向更安全、更高效、更可靠的交通方式邁出了關(guān)鍵一步。多種傳感器的集成提供了一個遠超人類能力的多視角車輛環(huán)境，提高了障礙物實時檢測和決策的準確性，有效緩解了單個傳感器技術(shù)在復(fù)雜車輛駕駛環(huán)境下固有的局限性。在向全自動駕駛汽車邁進的過程中，作為其中的技術(shù)支柱，傳感器融合的持續(xù)研發(fā)不僅能增強自動駕駛汽車的能力，還將為智能出行領(lǐng)域的更多創(chuàng)新應(yīng)用鋪平道路。