智能座艙 | 法規(guī)加持，艙內(nèi)傳感之雷達(dá)模塊和ToF攝像頭市場如何變化？

隨著向電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)變，最終用戶越來越不關(guān)心發(fā)動(dòng)機(jī)馬力等傳統(tǒng)汽車參數(shù)，而是更加看重智能內(nèi)飾功能。這一趨勢迫使主機(jī)廠不斷加大力度增強(qiáng)車內(nèi)體驗(yàn)，從而為其產(chǎn)品增加更大的價(jià)值，并將其與競爭者區(qū)分開來。

歐洲NCAP等法規(guī)的推出使駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）獲得了青睞，正在從一種豪華功能變?yōu)橐环N新的規(guī)范。截至2024年初，由于成本相對較低，大多數(shù)DMS都使用2D近紅外（NIR）攝像頭，采用率預(yù)計(jì)將越來越高，成為DMS的主要賦能技術(shù)。

從主機(jī)廠競爭力角度看，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)差異化，手勢控制、兒童在場檢測（CPD）和安全帶檢測等先進(jìn)功能也日漸應(yīng)用，尤其是在中高端車型中。目前，3D飛行時(shí)間（ToF）攝像頭是DMS廣泛采用的技術(shù)，沃爾沃和特斯拉等正在將其集成于客艙雷達(dá)模塊。

IDTechEx從市場和技術(shù)的角度分析了艙內(nèi)傳感的現(xiàn)狀，并給出了發(fā)展趨勢和機(jī)遇的指引。

有望增長11倍的巨大市場

艙內(nèi)傳感即內(nèi)部監(jiān)控系統(tǒng)（IMS），包括DMS和乘客檢測系統(tǒng)（OMS）。前者采用NIR攝像頭、電容式/扭矩方向盤傳感器等；后者則采用ToF攝像頭和雷達(dá)等，主要用于眼動(dòng)追蹤、腦電圖（EEG）/心電圖（ESG）等生命體征監(jiān)測和手勢識(shí)別。

IMS功能劃分

其中的眼動(dòng)追蹤傳感器基于以下幾種技術(shù)：機(jī)器視覺NIR攝像頭、激光掃描MEMS、基于事件的視覺和電容式傳感。

眼動(dòng)追蹤傳感器類別

IDTechEx高級(jí)技術(shù)分析師Yulin Wang預(yù)計(jì)，到2034年，全球艙內(nèi)傳感市場將超過85億美元，機(jī)會(huì)源于即將出臺(tái)的法規(guī)和創(chuàng)新智能座艙功能的推動(dòng)，將使DMS和OMS的采用率呈上升趨勢。在監(jiān)管授權(quán)推動(dòng)下，預(yù)計(jì)DMS將被迅速和廣泛的采用。雖然OMS也在快速增長，但中期仍將主要應(yīng)用于中高端車型中。艙內(nèi)傳感的迅速崛起為硬件供應(yīng)商（傳感器、芯片、Tier1等）及軟件解決方案供應(yīng)商提供了巨大商機(jī)。

伴隨自動(dòng)駕駛能力，特別是自動(dòng)駕駛級(jí)別的不斷提高，以及歐洲NCAP和《歐盟通用安全條例》等地區(qū)法規(guī)即將實(shí)施，強(qiáng)制要求使用DMS，包括DMS和OMS的全球車內(nèi)傳感市場預(yù)計(jì)將從2020年到2034年增長11倍。

相關(guān)法規(guī)日漸加強(qiáng)

根據(jù)《歐盟通用安全條例》，自2024年年中起，所有屬于M（客）類和N（貨）類的新造車輛都必須配備先進(jìn)的駕駛員分心警告系統(tǒng)（ADDW），以監(jiān)測駕駛員眼睛運(yùn)動(dòng)，并在檢測到分心跡象時(shí)發(fā)出警告。對此，幾家主機(jī)廠迅速做出了回應(yīng)。早在2019年，寶馬X5就已搭載駕駛員注意力攝像頭，觀察其眼睛睜開和頭部位置，以評估駕駛員參與程度。

事實(shí)上，DMS并非是一個(gè)新概念，傳統(tǒng)DMS通常依賴從車輛收集信息的被動(dòng)技術(shù)，如車道保持和駕駛持續(xù)時(shí)間及轉(zhuǎn)向傳感器，誤報(bào)率很高。而ADDW法規(guī)規(guī)定了向主動(dòng)監(jiān)測駕駛員眼球運(yùn)動(dòng)過渡，標(biāo)志著從被動(dòng)技術(shù)向基于視覺的主動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)變。

DMS傳感器套件從L1到L4的演變

除了歐洲，其他主要地區(qū)也有類似法規(guī)。例如，國際汽車制造商協(xié)會(huì)和美國汽車制造商聯(lián)盟都承諾到2025年建立標(biāo)準(zhǔn)化的后座提醒系統(tǒng)。中國交通運(yùn)輸部也發(fā)布了《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于推廣應(yīng)用智能視頻監(jiān)控報(bào)警技術(shù)的通知》，明確提出加強(qiáng)駕駛員安全的要求。

DMS和OMS詳解

DMS可實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析駕駛員，為計(jì)算機(jī)視覺算法提供數(shù)據(jù)。其主要目的是檢測疲勞、分心、嗜睡、憤怒或其他可能影響駕駛的情緒狀態(tài)，幫助系統(tǒng)采取適當(dāng)措施來提高安全性。

評估駕駛員嗜睡或疲勞程度有幾種現(xiàn)成的方法：

一是頭部和視線追蹤：監(jiān)測駕駛員的頭部位置和注意力水平，識(shí)別嗜睡、分心或傷病跡象，并提供警告，讓駕駛員注意力重新集中于道路。先進(jìn)的系統(tǒng)還可以調(diào)整汽車設(shè)置，以匹配駕駛員的眼睛，增強(qiáng)舒適性和安全性。

二是面部分析：提取駕駛員面部的有價(jià)值信息，包括年齡、性別和情緒，并以各種方式提高安全性和舒適性，如檢測憤怒并進(jìn)行相應(yīng)干預(yù)，識(shí)別兒童存在以防止中暑事件，以及根據(jù)情緒個(gè)性化機(jī)艙設(shè)置。

三是人臉識(shí)別：只允許經(jīng)驗(yàn)證的個(gè)人訪問，降低汽車被盜風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)經(jīng)身份驗(yàn)證的人進(jìn)入車輛時(shí)，系統(tǒng)可以記住并恢復(fù)駕駛員偏好，自動(dòng)調(diào)整座椅位置、后視鏡和娛樂選擇等設(shè)置。

DMS技術(shù)大致分為兩類：主動(dòng)/直接監(jiān)測和被動(dòng)/間接監(jiān)測。被動(dòng)技術(shù)依賴車輛信息，如駕駛時(shí)長和車道保持等參數(shù)，以評估駕駛員疲勞程度，往往會(huì)出現(xiàn)更多誤報(bào)，不太適合DMS應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)視覺和人工智能（AI）技術(shù)的出現(xiàn)，以及需要眼動(dòng)追蹤的高級(jí)駕駛員嗜睡警告（ADDW）的要求，近年來基于視覺的DMS等主動(dòng)方法日益凸顯。它依賴安裝在轉(zhuǎn)向柱或A柱或其他位置的NIR攝像頭來檢測駕駛員生物特征，包括眼球運(yùn)動(dòng)、頭部運(yùn)動(dòng)、打哈欠、使用手機(jī)和吸煙，以評估其當(dāng)前狀況。

被動(dòng)/間接監(jiān)測與主動(dòng)/直接監(jiān)測的區(qū)別

許多技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)DMS，如基于視覺的傳感器、基于生物特征的參數(shù)、電容傳感器、力和扭矩傳感器等。到目前為止，已經(jīng)采用了基于視覺的傳感器、力/扭矩傳感器等方法，如方向盤旋轉(zhuǎn)、車道偏離和不規(guī)則加油門。例如本田駕駛員注意力監(jiān)測平臺(tái)、捷豹路虎駕駛員狀態(tài)監(jiān)測、梅賽德斯-奔馳注意力輔助、沃爾沃警報(bào)控制和大眾疲勞檢測。

目前的ADAS搭載了車道保持輔助（LKA）及離手檢測（HOD）功能，但傳統(tǒng)扭矩傳感器有很多問題，容易失效。為了解決這些問題，電容傳感是一種可行技術(shù)。它通過檢測駕駛員的手吸收的電荷與方向盤接觸時(shí)方向盤電容的變化來監(jiān)測駕駛員對方向盤的抓握。這項(xiàng)技術(shù)只需一個(gè)連接方向盤內(nèi)置傳感器的芯片。

電容傳感是一種成熟的技術(shù)，已在觸摸屏和觸摸傳感按鈕等中應(yīng)用多年。由于其在座椅和方向盤中的潛力，截至2023年，一些試點(diǎn)項(xiàng)目和車輛使用了電容傳感器。

基于電容的傳感

OMS具有重要信號(hào)監(jiān)測和手勢控制等先進(jìn)功能，主要使用ToF攝像頭和/或雷達(dá)，例如理想L9的ToF攝像頭和沃爾沃EX90的雷達(dá)模塊。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）等法規(guī)要求在新車中安裝兒童在場檢測系統(tǒng)，OMS的應(yīng)用將越來越多。

不同主機(jī)廠的傳感方法實(shí)例

主機(jī)廠搭載的車內(nèi)傳感器

就OMS而言，系統(tǒng)需要依賴?yán)走_(dá)、ToF傳感器等。通用汽車、日產(chǎn)等主機(jī)廠已將OMS集成到車輛中。NIR也為OMS提供了潛力，可以實(shí)現(xiàn)后座乘客監(jiān)測等任務(wù)。這些系統(tǒng)還可以對車輛座艙進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，在發(fā)生事故時(shí)禁用較小乘客的安全氣囊或?qū)囕v內(nèi)部進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)。

相比之下，其他一些技術(shù)，如EEG和ESG監(jiān)測仍處于形成階段。

截至2023年，DMS和OMS最常見的三種技術(shù)是NIR攝像頭、ToF攝像頭和雷達(dá)，每種傳感器都有優(yōu)缺點(diǎn)。

每種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

是用雷達(dá)還是用攝像頭？

從客艙監(jiān)控傳感器的分類可以看到當(dāng)前主機(jī)廠采用的傳感器類型分布。截至2023年，38%主機(jī)廠使用NIR傳感器，33%使用3D ToF和2D NIR傳感器組合。并非主機(jī)廠所有的車型都搭載了這些傳感器，例如，沃爾沃EX90只在部分車型采用了車內(nèi)雷達(dá)模塊。

主機(jī)廠采用的傳感器分布

2023年，DMS的主導(dǎo)技術(shù)仍然是2D NIR成像傳感器（如CCD傳感器等），并與LED照明和其他組件（透鏡、芯片等）結(jié)合。不過，對高級(jí)功能日益增長的需求，如占用檢測、增強(qiáng)安全功能（如兒童和寵物檢測）及手勢控制的集成，推動(dòng)了對3D數(shù)據(jù)的需求。在OMS中收集3D信息的兩種有前途的傳感器是雷達(dá)和3D ToF攝像頭。

目前，ToF攝像頭和雷達(dá)模塊的市場份額相對均衡。IDTechEx預(yù)計(jì)，平衡將在未來持續(xù)下去，尚未確定其中一方具有重大技術(shù)或成本優(yōu)勢。因此，這些傳感器的選擇通常取決于主機(jī)廠的偏好及當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)。

先來看雷達(dá)，二十多年來，其在高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）中發(fā)揮了重要作用。利用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）編碼系統(tǒng)的無線電波，雷達(dá)可以準(zhǔn)確地測量視野內(nèi)物體的距離和相對速度。不過，從歷史上看，雷達(dá)模塊主要用于外部，而不是車內(nèi)應(yīng)用。

現(xiàn)在奠定ADAS基礎(chǔ)功能的雷達(dá)技術(shù)已在客艙中使用，如手勢識(shí)別。有了額外的深度信息，雷達(dá)也將是DMS和OMS的理想選擇，可以提供座椅加熱開啟、安全帶警報(bào)檢測、智能安全氣囊展開、留守生命警告、自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)等信息。

雷達(dá)可以測量亞毫米分辨率距離，通過測量身體微小運(yùn)動(dòng)（如呼吸）檢測是否有人占據(jù)座位，還具有檢測乘客生命體征的巨大潛力。

車內(nèi)雷達(dá)的工作頻率范圍為60GHz至64GHz，屬于無許可證ISM頻段，探測距離通常在0.4米到2米，可有效覆蓋內(nèi)部空間。特斯拉官方最近表示，其Cybertruck電動(dòng)皮卡搭載了OMS雷達(dá)模塊，包括兒童在場檢測和安全帶提醒等功能。

與雷達(dá)模塊類似，3D ToF攝像頭也可用于OMS，利用LED或垂直腔表面****激光器（VSCEL）等NIR照明及圖像傳感器操作。盡管一些供應(yīng)商聲稱可以通過模糊人臉或僅在車載存儲(chǔ)數(shù)據(jù)來解決這一問題，但隱私仍是攝像頭的問題。

盡管DMS和OMS有很大的重疊和相似之處，但兩者對IR LED和VCSEL的照明功率和分布角度要求有所不同。

DMS和OMS照明功率和分布角度

3D ToF攝像頭的另一個(gè)限制是，與艙內(nèi)雷達(dá)模塊不同，無法通過阻隔物探測人或物體。此外，由于依賴計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，攝像頭需要復(fù)雜的算法和重新校準(zhǔn)，給其實(shí)現(xiàn)帶來了復(fù)雜性。盡管如此，一些供應(yīng)商仍在努力解決隱私問題，提高3D ToF攝像頭的OMS整體能力。

OMS技術(shù)比較

到目前為止，3D ToF攝像頭已在OMS中廣泛采用，并不比雷達(dá)模塊的功能遜色。不過，通過比較雷達(dá)模塊和3D ToF攝像頭的成本和功能，還是雷達(dá)模塊機(jī)會(huì)較大。目前理想L9、寶馬iX和新款極狐阿爾法S都使用3D ToF攝像頭，而特斯拉和沃爾沃預(yù)計(jì)將使用雷達(dá)模塊。

ToF攝像頭模塊成本估算

ToF傳感器分辨率至關(guān)重要。英飛凌和邁來芯等的ToF傳感器在DMS或OMS方面顯示出巨大潛力。與RGB成像的傳感器不同，ToF的成本高得多（艙內(nèi)監(jiān)測約為30美元），但3D ToF傳感器/攝像頭與傳統(tǒng)2D攝像頭相比更具優(yōu)勢。

艙內(nèi)傳感ToF傳感器比較

走向多元化融合

總體而言，艙內(nèi)傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢是多元化和融合化。不同的傳感器技術(shù)各有優(yōu)劣，選擇哪種技術(shù)取決于具體的應(yīng)用場景和需求。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場的不斷擴(kuò)大，我們有理由相信，艙內(nèi)傳感技術(shù)將為我們帶來更智能、更安全的駕駛體驗(yàn)。