雷鋒網(wǎng)按：經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)成了地球上必不可少的一部分，它每天帶著我們?cè)诼飞媳济?。隨著技術(shù)的發(fā)展，展廳里的新型汽車(chē)則開(kāi)始裝配 ADAS 甚至自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，攝像頭、雷達(dá)、超聲波和激光雷達(dá)開(kāi)始為我們保駕護(hù)航。不過(guò)，一輛車(chē)到底安不安全跟它搭載了多少傳感器并沒(méi)有太大關(guān)系，如何使用這些傳感器才是關(guān)鍵。本文由雷鋒網(wǎng)編譯自 eenewseurope。

未來(lái)，隨著各項(xiàng)新法案的誕生，車(chē)輛上的標(biāo)配傳感器會(huì)越來(lái)越多。舉例來(lái)說(shuō)，倒車(chē)影像現(xiàn)在就成了美國(guó)新車(chē)的強(qiáng)制裝備。此外，各大機(jī)構(gòu)越來(lái)越嚴(yán)格的碰撞測(cè)試和車(chē)險(xiǎn)優(yōu)惠也讓越來(lái)越多的用戶(hù)開(kāi)始習(xí)慣在車(chē)輛上搭載這些汽車(chē)電子產(chǎn)品。

自動(dòng)泊車(chē)、高速自適應(yīng)巡航和緊急自動(dòng)剎車(chē)等功能非常依賴(lài)傳感器，因此車(chē)上的傳感器不但要多，還要能正確使用。

眼下，車(chē)輛上搭載的大多數(shù) ADAS 系統(tǒng)都是獨(dú)立運(yùn)作的，這就意味著它們不會(huì)與其他車(chē)輛上的系統(tǒng)交換信息。此外，車(chē)上的后置攝像頭、360 度全景系統(tǒng)、雷達(dá)和前置攝像頭都有自己的獨(dú)立任務(wù)，它們之間幾乎沒(méi)有交流。

給車(chē)輛安裝這些獨(dú)立系統(tǒng)后，司機(jī)就能獲知更多信息，車(chē)輛也能實(shí)現(xiàn)少數(shù)自動(dòng)駕駛功能。不過(guò)，我們也可以對(duì)這些傳感器進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)更為強(qiáng)悍的功能。

ADAS 系統(tǒng)各個(gè)傳感器都有自己的獨(dú)立任務(wù)

傳感器融合

每種傳感器都有自己無(wú)法克服的缺陷，因此“量”無(wú)法解決“質(zhì)”的問(wèn)題。真正的解決之道是綜合不同傳感器采集到的信息。

舉例來(lái)說(shuō)，CMOS 攝像頭在雨霧環(huán)境下就會(huì)“失明”，強(qiáng)光和弱光環(huán)境它也不能處理?，F(xiàn)在的雷達(dá)技術(shù)在分辨率上也有些不合格，可以說(shuō)每種傳感器都有自己的軟肋。

想做到完美的傳感器融合，就要接受不同傳感器的輸入，并利用綜合信息更準(zhǔn)確的感知周邊環(huán)境，其得出的結(jié)果比不同傳感器各自為戰(zhàn)要好得多。

與光學(xué)傳感器相比，雷達(dá)明顯分辨率較差，不過(guò)它在測(cè)距功能和惡劣天氣下明顯更勝一籌。雖然光學(xué)傳感器在惡劣天氣下能力受限，但它依然能識(shí)別色彩（交通燈和路標(biāo)），而且在分辨率上依然有優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在的車(chē)用圖像傳感器可能只有 100 萬(wàn)像素，但未來(lái)幾年分辨率可能就會(huì)提升到 400 萬(wàn)像素。

這里舉雷達(dá)和攝像頭的例子就是為了證明兩者有很強(qiáng)的互補(bǔ)能力，因此傳感器融合才是未來(lái)的大趨勢(shì)。

值得一提的是，將不同傳感器進(jìn)行融合還能換來(lái)一定程度的冗余，即使某個(gè)傳感器出了問(wèn)題（自然原因或認(rèn)為）也不會(huì)影響車(chē)輛的安全。

在司機(jī)依然手握方向盤(pán)的階段，這種冗余看似用處不大，但到了全自動(dòng)駕駛的時(shí)代，一定程度的冗余就能給駕駛員換來(lái)自救的時(shí)間窗口。

傳感器融合系統(tǒng)范例

傳感器融合的復(fù)雜程度各不相同，所用的數(shù)據(jù)也有差別。就舉兩個(gè)最基本的傳感器融合例子：

• 一種是后置攝像頭與超聲波距離傳感器搭配（倒車(chē)時(shí)常用）；

• 另一種則是前置攝像頭與多模前置雷達(dá)搭配。

前置攝像頭搭配多模雷達(dá)可用于自適應(yīng)巡航和車(chē)道保持

后置攝像頭+超聲波距離傳感器

其實(shí)超聲波距離傳感器就是我們常說(shuō)的倒車(chē)?yán)走_(dá)，這項(xiàng)配置在現(xiàn)售車(chē)輛上早已不再新鮮，倒車(chē)時(shí)它能用警報(bào)聲提醒我們車(chē)輛離周邊物體還有多遠(yuǎn)。

鑒于 2018 年后置攝像頭將成為所有美國(guó)新車(chē)的標(biāo)配，因此將兩款傳感器進(jìn)行融合成了一種合乎時(shí)宜的趨勢(shì)。在這套新系統(tǒng)中，后置攝像頭能讓司機(jī)看清車(chē)輛后方情況，而機(jī)器視覺(jué)算法則負(fù)責(zé)探測(cè)車(chē)輛后方物體或馬路牙子。超聲波距離傳感器則是輔助設(shè)備，它能在在沒(méi)有任何照明的夜晚幫司機(jī)順利倒車(chē)入庫(kù)。

前置攝像頭+多模前置雷達(dá)

前置攝像頭與前置雷達(dá)的結(jié)合也能產(chǎn)生意想不到的效果。

前置雷達(dá)能探測(cè)到 150 米范圍內(nèi)物體的移動(dòng)速度和距離，而且它幾乎不受天氣情況影響。攝像頭則負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)并辨別前方物體，比如讀取街道上的交通標(biāo)識(shí)和紅綠燈。如果能加上不同視角攝像頭傳來(lái)的信息，路上的行人和自行車(chē)也能“盡收眼底”。眼下車(chē)輛上搭載的自動(dòng)緊急剎車(chē)和市內(nèi)巡航控制就是靠這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

雖然一些 ADAS 功能只靠單個(gè)傳感器或獨(dú)立系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)，但一旦遇到不可預(yù)知的情況，車(chē)輛就會(huì)變得手忙腳亂。反觀能支持更復(fù)雜自動(dòng)駕駛功能的傳感器融合，就可大幅降低車(chē)輛的誤報(bào)和漏報(bào)率。

這樣的系統(tǒng)才能真正說(shuō)服用戶(hù)和法律制定者接受機(jī)器人也是“老司機(jī)”這一事實(shí)。

傳感器融合系統(tǒng)分區(qū)

與不同傳感器各自為戰(zhàn)相反，融合系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)“大腦”專(zhuān)門(mén)控制各個(gè)傳感器的動(dòng)作。現(xiàn)在業(yè)內(nèi)有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決：誰(shuí)來(lái)完成數(shù)據(jù)處理的任務(wù)？如何將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳回車(chē)輛 ECU?

要想將多個(gè)分布在車(chē)輛不同位置的傳感器緊密結(jié)合起來(lái)，傳感器與中央融合 ECU 之間的走線(xiàn)問(wèn)題就必須考慮在內(nèi)。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理設(shè)備放在哪也是個(gè)大問(wèn)題。下面我們就來(lái)共同認(rèn)識(shí)幾個(gè)可能的系統(tǒng)分區(qū)。

集中式處理

第一種方案是集中式處理，所有傳感器采集到的原始信息都會(huì)回傳到一個(gè)區(qū)域，如下圖：

這種方案有其優(yōu)點(diǎn)：

傳感器模塊方面，設(shè)計(jì)師可以大大縮小其體積并降低成本。由于只需要完成傳感和數(shù)據(jù)傳輸?shù)群?jiǎn)單工作，因此模塊的功能安全要求和功耗都很低。同時(shí)，傳感器的安裝位置可以變得很靈活，車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)也不用考慮在某個(gè)部位省出較大的安裝空間，而且更換起來(lái)成本較低。

由于傳感器模塊已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理和壓縮，因此 ECU 處理單元不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。此外，傳感器模塊成本低體積小，所以車(chē)輛能搭載更多傳感器。

當(dāng)然，這種方案也有自己的缺點(diǎn)：

傳感器模塊方面，由于大量傳感器要實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)，因此帶寬的壓力比較大。此外，設(shè)計(jì)師還要考慮到高電磁干擾的問(wèn)題。

ECU 處理單元?jiǎng)t需要超強(qiáng)的處理運(yùn)算能力，這樣才能處理源源不斷涌來(lái)的數(shù)據(jù)。高性能就意味著高能耗和高發(fā)熱，同時(shí)高帶寬的 I/O 設(shè)備與高端處理器也不能少。

隨著傳感器的增多，ECU 的處理性能也必須隨之提高。當(dāng)然，這個(gè)問(wèn)題并非無(wú)解，我們可以使用 FPD-Link III，在發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)時(shí)也一并提供電力、控制和配置數(shù)據(jù)，而這一切只需要一根同軸電纜。這樣處理還能減少整個(gè)系統(tǒng)的線(xiàn)材需求，方便后期檢查維護(hù)。

全分布系統(tǒng)

另一種可用方案則是全分布系統(tǒng)。它在數(shù)據(jù)處理上非常高效，而且處理器模塊能在一定程度上自行作出選擇。全分布系統(tǒng)只負(fù)責(zé)將目標(biāo)數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)（描述物體特征或?qū)ξ矬w進(jìn)行判斷）發(fā)送回中央融合 ECU，在這里數(shù)據(jù)會(huì)被整合并產(chǎn)生車(chē)輛下一步動(dòng)作的指令。

不過(guò)，全分布系統(tǒng)也有自己的優(yōu)勢(shì)和軟肋。

優(yōu)勢(shì)在于傳感器模塊和中央 ECU 間需要的帶寬較低，接口簡(jiǎn)單且成本較低，大多數(shù)時(shí)候一個(gè)不到 1Mbit/s 的 CAN 總線(xiàn)就夠了。

此外，中央 ECU 只需融合目標(biāo)數(shù)據(jù)，因此用到的處理能力較低，一個(gè)較為先進(jìn)的安全微控器就能滿(mǎn)足大多數(shù)系統(tǒng)的要求。由于模塊較小，因此功耗也不高，增加新的傳感器并不會(huì)給中央 ECU 添加較大的壓力，畢竟傳感器自己已經(jīng)承擔(dān)了不少處理任務(wù)。

這種方案軟肋也很明顯，首先傳感器模組需要另配處理器，因此其體積會(huì)有所增大，成本和功耗不好控制。同時(shí)，由于傳感器模塊需要自行處理數(shù)據(jù)和做決定，因此功能安全需求也較高。

另外，增加更多傳感器時(shí)成本上壓力會(huì)比較大。由于 ECU 只經(jīng)手目標(biāo)數(shù)據(jù)，因此它離真正的傳感器數(shù)據(jù)有點(diǎn)遠(yuǎn)，在實(shí)現(xiàn)某些功能時(shí)多少會(huì)有些不便。

尋找黃金平衡點(diǎn)

那么到底用哪種方案更好呢？答案并不是非黑即白，我們需要綜合考慮傳感器的數(shù)量和類(lèi)型、不同車(chē)型的擴(kuò)展和升級(jí)需求，因此根據(jù)需要對(duì)兩種方案進(jìn)行綜合才是最優(yōu)方案。

全分布系統(tǒng)能使用現(xiàn)有的傳感器模塊，與其搭配的則是只有目標(biāo)數(shù)據(jù)的融合 ECU。360 度全景系統(tǒng)和后置攝像頭則是司機(jī)的眼睛。

未來(lái)，融合系統(tǒng)還能整合進(jìn)如駕駛監(jiān)控或攝像頭監(jiān)控等 ADAS 功能，但整體的傳感器融合規(guī)則并不會(huì)發(fā)生改變。

融合方案要根據(jù)需求設(shè)計(jì)

平臺(tái)管理、靈活性和可擴(kuò)展性也是設(shè)計(jì)融合系統(tǒng)必須考慮到的經(jīng)濟(jì)因素。最終的系統(tǒng)雖然可能無(wú)法滿(mǎn)足所有需求，但從平臺(tái)和車(chē)隊(duì)的角度來(lái)看必須是最優(yōu)的。

到底讓“誰(shuí)”來(lái)審閱傳感器數(shù)據(jù)？

關(guān)于 ADAS，我們還有兩個(gè)方面沒(méi)有討論，它們分別是信息性 ADAS 和功能性 ADAS。

第一種情況駕，駛員還是車(chē)輛的主宰，ADAS 主要負(fù)責(zé)擴(kuò)展駕駛員的感官（如夜視和360 度全景等）。第二種則屬于機(jī)器視覺(jué)，車(chē)輛可以自行感知周邊環(huán)境并做出選擇（如自動(dòng)剎車(chē)、車(chē)道保持等）。不過(guò)，在傳感器融合的背景下，這兩種情況可以共生。

這樣來(lái)看，只需一個(gè)傳感器我們就能達(dá)到不同的目標(biāo)，但這樣也需要做出犧牲，模塊內(nèi)通訊和處理能力會(huì)受到影響。就拿 360 度全景系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其本意是要給駕駛員提供 360 度視角，那么這些攝像頭是否也能擔(dān)起機(jī)器視覺(jué)的重任呢？它們?cè)谧詣?dòng)泊車(chē)系統(tǒng)和盲區(qū)探測(cè)上也能發(fā)揮余熱嗎？

如果傳感器模組只負(fù)責(zé)機(jī)器視覺(jué)任務(wù)，那么它就有單獨(dú)的處理能力。經(jīng)過(guò)一番處理它就能將目標(biāo)數(shù)據(jù)或者指令通過(guò) CAN 總線(xiàn)（低帶寬）發(fā)送出去。不過(guò)，這條通路想傳遞完整的視頻流可不夠。雖然壓縮視頻能解決低帶寬問(wèn)題，但這種處理方案還是有許多問(wèn)題要解決。

隨著視頻流分辨率、碼率的提高和 HDR 技術(shù)的加入，“小水管”就更無(wú)法勝任這一任務(wù)。想解決這一問(wèn)題可以搭建高帶寬的連接，同時(shí)取消攝像頭模組的數(shù)據(jù)處理能力，但這樣做機(jī)器視覺(jué)的任務(wù)就塞給了中央 ECU，而中央 ECU 處理能力和散熱能力不足將成為這一方案無(wú)法突破的瓶頸。

雖然從技術(shù)上來(lái)說(shuō)并非不可能，但讓傳感器模組和高帶寬連接都擁有處理能力可能會(huì)令系統(tǒng)在成本、功耗控制和安裝空間上都變得難以控制。

傳感器融合系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行

眼下，許多融合系統(tǒng)已經(jīng)能完成一些車(chē)輛功能（如剎車(chē)、轉(zhuǎn)向和加速等）的自動(dòng)控制了，為了保證系統(tǒng)能在各種環(huán)境下安全且可靠的運(yùn)行就必須加入一些功能安全注意事項(xiàng)。

在分布式系統(tǒng)下，每個(gè)有處理和做決定能力的模塊都必須達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)。這樣一來(lái)，物料成本、模塊體積、功耗和軟件方面都要復(fù)雜一些。如果車(chē)輛留給傳感器的空間較小且散熱一般，那么傳感器模塊的損壞和更換頻率肯定就會(huì)升高。

因此，何不考慮那些稍微“笨”一些，但卻有自檢和報(bào)錯(cuò)功能的傳感器來(lái)保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行呢？

總結(jié)

如果只是普通的車(chē)載系統(tǒng)，大可直接關(guān)閉了事，但自動(dòng)駕駛功能可沒(méi)這份自由。如果車(chē)輛需要緊急剎車(chē)時(shí)自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)不工作了，如果駕駛員正開(kāi)著全自動(dòng)駕駛模式在高速上補(bǔ)覺(jué)卻遭遇系統(tǒng)關(guān)機(jī)，其后果可想而知。因此，即使系統(tǒng)要罷工，它也必須給駕駛員留夠反應(yīng)時(shí)間。

不過(guò)，到底如何留出這個(gè)救命時(shí)間，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)還沒(méi)有形成共識(shí)。帶有自動(dòng)駕駛功能的飛機(jī)普遍使用冗余系統(tǒng)，但它們價(jià)格昂貴而且非常占空間。

可以肯定的是，傳感器融合是我們走向自動(dòng)駕駛時(shí)代的關(guān)鍵一步。

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