在實(shí)現(xiàn)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛車（AV）的感測技術(shù)時，可能永遠(yuǎn)不會存在一種最有效的方法，因?yàn)槊恳患移囍圃焐潭紩罁?jù)六項基本因素，決定如何以其獨(dú)特方法將傳感器整合至未來的車輛中。在 AutoSens Brussels 2020 在線會議閉幕前的一場專題討論，業(yè)界專家們就如何正確搭配使用各種傳感器，以及如何確保設(shè)計不至于損害安全性進(jìn)行了討論。
參與專題討論的業(yè)界專家包括汽車嵌入式產(chǎn)品供貨商 Valeo 的視覺系統(tǒng)和 ADAS 資深專家 Patrick Denny、富豪汽車（Volvo Car Corp.）技術(shù)主管 Paul-Henri Matha、Sense Media Group 執(zhí)行董事 Robert Stead，以及設(shè)計公司 Astheimer Ltd 設(shè)計總監(jiān) Carsten Astheimer。筆者還與法國市場研究公司 Yole Développement 的技術(shù)和市場分析師 Pierrick Boulay 取得聯(lián)系，了解 Yole 對汽車系統(tǒng)中各類傳感器的應(yīng)用有何見解。
圖 1：汽車制造商依據(jù)六項基本因素將傳感器整合于汽車中。
多少傳感器才合適？
現(xiàn)在的車輛中采用了越來越多的傳感器以有效解決安全問題。如今的車輛中有多少個傳感器？到底需要多少個傳感器才能進(jìn)一步提高車輛自動駕駛的等級？Yole 的 Boulay 告訴筆者，“如果將 ADAS 的傳感器也考慮在內(nèi)，如超音波、雷達(dá)、感測攝影機(jī)、視角攝影機(jī)和光達(dá)（LiDAR），估計一輛車有 10~20 個傳感器，具體取決于車型?！碑?dāng)然，相較于低階或中階車款，在高階車款中嵌入的傳感器更多。
傳感器是為車輛實(shí)現(xiàn)高度自動化的關(guān)鍵，自動化的程度越高，所需要的傳感器數(shù)量和類型都將隨之增加?！耙獙?shí)現(xiàn)高層級的自動化，預(yù)計要使用 35~40 個傳感器?！盉oulay 說，“針對短距離、中距離和長距離等不同應(yīng)用，傳感器的選擇也有所不同。一個傳感器不可能適合所有應(yīng)用，每一種應(yīng)用或場景都有不同的傳感器規(guī)格與要求?！?/p>
不斷增加的傳感器數(shù)量只是人們所看到的一小部份。傳感器將產(chǎn)生巨量的數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)受到了處理能力的嚴(yán)重限制?！拔磥?，擁有足夠運(yùn)算能力來處理從這些傳感器所產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)，將是一項十分重要的性能?！盉oulay 說，“采用 Intel-Mobileye 芯片的典型 ADAS 系統(tǒng)運(yùn)算能力已實(shí)現(xiàn)了飛躍性進(jìn)展，從 0.25TOPS （高端筆記本電腦性能的 10 倍）到 2.5TOPS （新型 EyeQ4 芯片），而自動駕駛車的運(yùn)算能力已經(jīng)超過了 250TOPS。”最終，車輛的電氣 / 電子（E/E）架構(gòu)需要從分布式架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎糜蚩刂破鞯募惺郊軜?gòu)，以便能夠管理傳感器原始數(shù)據(jù)的融合。
那么，傳感器是不是越多越好呢？Boulay 說：“有些人可能認(rèn)為是這樣，但是出于成本或整合方面的考慮，汽車中傳感器的數(shù)量并不會無止境地增加。”他預(yù)計用于車輛自動化的傳感器數(shù)量最終將在某個時候穩(wěn)定下來?！熬唧w取決于軟件水平和公司有效處理大量資料的能力。如特斯拉（Tesla）等一些 OEM 至今尚未使用 LiDAR，而是依賴傳感器與人工智能（AI）運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)高層級的車輛自動化?！?/p>
客觀地說，“有些 OEM 使用了更少的傳感器，但是卻做得更好，差別就在軟件水平和運(yùn)算能力上。”他補(bǔ)充。
優(yōu)化傳感器組合
車輛可能一會兒行駛于晴天，一會兒卻在雨中行駛。傳感器需要持續(xù)監(jiān)測不斷變化的外部環(huán)境。提高可用性的一個有效方法是部署冗余的傳感器，以因應(yīng)可能發(fā)生的故障。Valeo 的 Denny 在專題討論時說：“察看環(huán)境不能局限于某一種方法，當(dāng)完全處于黑暗中或惡劣的天氣環(huán)境時，需要透過多種方式并使用各種功能來協(xié)同工作?！?/p>
在人類視力看不清的情況下，可以依靠傳感器提供協(xié)助，由于傳感器種類多，因而能讓車輛在所有氣候和光線條件下可靠地行駛。Boulay 說：“攝影機(jī)在白天正常運(yùn)作，但在夜間或雨霧情況下可能會變『盲』，而其他傳感器則不受影響，所以即使車輛處于降級服務(wù)模式，仍然能夠行駛?！?/p>
傳感器應(yīng)放置在哪里？
就像人類感官一樣，放置傳感器的位置必須根據(jù)需要制定策略，才能持續(xù)反饋車輛周邊的情況。但具體放置在哪里卻存在技術(shù)限制。例如，Denny 指出，前照燈中的水汽凝結(jié)會妨礙 LiDAR 運(yùn)作；在下雪或寒冷天氣時，霜凍可能導(dǎo)致傳感器故障；紅外線傳感器無法穿透玻璃，因此不能放在擋風(fēng)玻璃后面；同樣地，在超音波傳感器上涂漆可能改變其聲學(xué)特性。
Volvo 的 Matha 說，傳感器的功耗也是設(shè)計人員面臨的巨大挑戰(zhàn)?！懊總€傳感器都要消耗 1~10W 的功率，實(shí)現(xiàn) ADAS 功能的所有傳感器消耗功率可能高達(dá) 100W 或 200W，碳排放達(dá)到 4g。因此我們必須降低功耗，例如，傳感器也許不必一直保持工作狀態(tài)。”
熱管理是另一個要考慮的因素。Matha 說，擋風(fēng)玻璃后的溫度可能達(dá)到 90°C，或許沒有哪一種傳感器適合放在那里。“但如果將傳感器放在其他區(qū)域，如前照燈中，就需要冷卻系統(tǒng)，因此更復(fù)雜且成本高昂?！?/p>
專家指出，模擬和駕駛測試有助于確定傳感器的最佳位置。Boulay 說，“傳感器的位置是由 OEM 的目標(biāo)應(yīng)用而決定的。就我們目前所看到的，車輛上建置 LiDAR 用于高速公路上自動駕駛，則 LiDAR 應(yīng)位于中央位置，基本上與 ADAS 攝影機(jī)和長距離雷達(dá)對齊。對于其他應(yīng)用，例如停車或在市區(qū)內(nèi)行駛，這些 LiDAR 的位置則不相同，可能位于車輛的側(cè)邊或角落?！?/p>
別讓傳感器降低車輛顏值
Matha 說，Volvo 的車子中目前整合了 20 種傳感器，其中許多完全藏在里面，從外面看不到。例如，Volvo XC90 的前方停車攝影機(jī)位于散熱器的護(hù)柵中，車側(cè)的攝影機(jī)位于每個車門的后視鏡中，而后方攝影機(jī)則位于車牌上方。Matha 說：“我們可以將傳感器整合在車體內(nèi)，并讓它們看起來很美觀?！?/p>
圖 2：Volvo XC90 的前置攝影機(jī)。（來源：Volvo）
但我們一定要把傳感器隱藏起來嗎？能不能讓它們成為一個吸引人的亮點(diǎn)？
Astheimer 認(rèn)為，如果車子是智能產(chǎn)品，那它就應(yīng)該看起來很智慧，“而不是把所有東西都隱藏起來?！爆F(xiàn)在的傳感器都很小，足以完全整合于車輛中且讓人幾乎察覺不到。但是，隨著完全自動駕駛的逐步實(shí)現(xiàn)，車輛開始自行駕駛，有些傳感器將會“需要放置在極其顯眼的位置?！崩?360° LiDAR 將會需要完全的視野，且其位置不容受到影響。
更重要的是，Astheimer 強(qiáng)調(diào)，設(shè)計人員和工程師需要共同努力，根據(jù)車輛的不同特性設(shè)計適用的傳感器。Deliver-E 是一款電動配送車原型，由英國的華威大學(xué)制造工程學(xué)院（Warwick Manufacturing Group;WMG）、華威大學(xué)（University of Warwick）和 Astheimer 共同開發(fā)，它將攝影機(jī)整合于車輛側(cè)面，并將 LiDAR 置于車尾部顯著位置。
那么是否可以將所有傳感器集中放在一個外部裝置？Boulay 提到了 Magneti Marelli 的 Smart Corner，可以將 LiDAR、雷達(dá)、攝影機(jī)和超音波等傳感器容納其中，并使用 LED 來提供光處理功能，如自動調(diào)整光束和數(shù)字光處理。他說：“OEM 在制造過程中整合這些外部裝置可能會比較容易，但如果發(fā)生事故，保險公司或消費(fèi)者修理或更換這些裝置的成本非常高。我們必須在整合、可修復(fù)性和成本之間找到一個平衡點(diǎn)?！?/p>
避免認(rèn)知能力超載
人機(jī)接口（HMI）不僅連接了駕駛?cè)撕蛙囕v，而且也將駕駛?cè)伺c外界聯(lián)系起來。但它也有風(fēng)險，駕駛?cè)藭蜇S富的功能分散注意力，從而漏讀重要的駕駛信息。
圖 3：Volta Trucks 的 Zero 電動送貨車。（來源：Volta Trucks）
Astheimer 由于參與 Volta Trucks 的 Zero 電動貨車設(shè)計，了解到加強(qiáng)駕駛?cè)司X的重要性。他說：“在倫敦，大型旅行車占有率雖然不足車輛總數(shù)的 4%，但因車禍而造成的行人和騎士死亡人數(shù)中，大型旅行車占了 50%以上。主要原因有兩個：無法直接看見周遭環(huán)境，以及環(huán)境狀況復(fù)雜超過其認(rèn)知能力。
”超過認(rèn)知負(fù)載是一個大問題?！癆stheimer 說，”我們應(yīng)確保電子控制單元（ECU）和控制局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）系統(tǒng)讀取正確訊號，并以最清楚、最簡潔的方式顯示信息，無論是透過觸覺、聲音還是視覺?！?/p>
讓汽車既安全又酷炫
Stead 引用之前 AutoSens 會議中專題討論的專家評論，詢問”讓安全酷炫“（making safety cool）是否就是銷售連網(wǎng)汽車的關(guān)鍵。
”汽車安全性確實(shí)是我們的賣點(diǎn)?！癕atha 說：”客戶想要安全，而我們只能利用傳感器來實(shí)現(xiàn)安全性。因此，我們要使用傳感器打造出優(yōu)雅迷人的汽車?！?/p>
還有另一個因素也需要考慮。用戶應(yīng)該了解汽車的智能水平，以便對道路使用者及周邊環(huán)境保持警覺。Astheimer 表示：”讓車輛變得越來越安全，駕駛?cè)寺筒恍枰獡?dān)心車輛的自動操作了。提高車輛的自主性，雖然是協(xié)助駕駛?cè)撕喕僮?，但卻也讓困難的任務(wù)更加棘手。隨著車輛可為駕駛?cè)俗龈嗟氖?，也?dǎo)致駕駛?cè)说淖⒁饬υ絹碓讲灰准小！?/p>
Astheimer 說，傳感器以及傳感器提供的信息反饋，重點(diǎn)在于協(xié)助駕駛?cè)藢ν饨绨l(fā)生的事保持警醒，而不是讓他與外部世界脫離。