2019年08月15日 | 安全系统感应技术提升驾乘舒适性和便捷性

车辆架构越来越复杂，需要依靠有效的感应元件完善自动化系统，为驾驶员提供辅助功能并完全控制车辆。在广泛部署的各类传感器中，非接触式传感器是最为重要的传感器之一，可以实现感知车辆身处环境、协助躲避障碍物等诸多功能。不过，目前最受关注的焦点是出于安全因素而针对乘车人员的车内感应。

Melexis 着眼于应用于此领域的领先技术，探讨如何成功提高驾乘安全性，并提升舒适性和便利性。

车内飞行时间感应原理

飞行时间 （ToF） 感应技术可以检测物体，并提供物体在 3D 空间内的位置和移动信息。同时，还可通过检测物体的形状、尺寸和方位来识别物体。该技术通过检测物体的反射光实现感应，使用 LED 阵列或 VCSEL 设备与波束形成光学器件相结合，以产生可照亮使用场景的光源。高级感应 IC 能够检测和测量一定范围内所有物体的反射光。

图 1：典型 ToF 感应系统框图，包含光源、传感器和配套芯片

光以已知速度快速传播，测量反射光到达传感器的时间（光的“飞行时间”）即可计算物体的距离。这种方法称为“直接 TOF”（dTof），通过非常精确的时基直接计算时间，适合较长距离的应用，例如 LIDAR。dToF 通常被认为是低分辨率技术，需要复杂（昂贵）的机械扫描才能获得高分辨率。

而间接 ToF （iToF） 基于已知参考信号的相移来计算距离而非采用绝对时间。此类技术非常适合高分辨率应用，借助现代 CMOS 像素阵列以 QVGA 甚至更高分辨率生成实时 3D 视频。

iToF 以独特方式结合中/高分辨率深度和幅度（灰度）映射，可支持复杂识别（例如人或物体），即便在物体与周围环境之间缺乏颜色对比时也能良好完成任务。基于这些优势，iToF 克服其他技术的局限而成为诸多前瞻性应用的理想之选。

在相对接近（约 5 米）的距离内，ToF 可以识别物体和自由空间，因此 ADAS 系统能够智能预测物体可能的移动（如有）并采取适当的躲避动作。Melexis 的 iToF 相较而言不受温度和光线变化的影响，十分适合此类外部应用。

采用飞行时间感应的车内应用

提高道路安全是实现完全自动驾驶汽车目标的主要推动因素之一。根据美国国家公路交通安全管理局 （NHTSA） 发布的最新报告，约有超过 90% 的事故由驾驶员失误造成。若能有效消除此类事故，道路将更加安全。虽然短时间内我们还不能大规模量产全自动车辆，但 iToF 能够通过监控驾驶员及其行为切实有效地大幅提高道路安全驾驶。

疲劳驾驶是一个严重问题，iToF 可实现的高分辨率可以判断驾驶员是否目视前方道路、是否频繁打哈欠或甚至昏昏欲睡。检测此类情况并建议（甚至强制执行）驾驶员休息，可以有效避免潜在事故的发生并挽救生命。对于没有正确握住方向盘、在驾驶时进食或手持使用移动设备等其他驾驶员行为，该技术也可以进行识别并发出警告或采取行动，甚至在必要时将车辆安全停止。

安全气囊已经拯救了万千生命，当今几乎所有汽车都配有安全气囊。但是，安全气囊导致婴儿或老人受伤或更严重后果的情况也时有发生。ToF 能够检测乘客的体型并估计其体重，从而按需调整安全气囊的展开。如果座椅上没有乘客，ToF 可避免展开不必要的安全气囊。

目前的一些混合动力车辆会在电量过低时启动并运行内燃机为电池充电。随着传统点火钥匙逐渐被淘汰，驾驶员很容易在未熄火时便离开车辆，此时车辆可能会在无人看管的情况下自动启动。这会带来安全隐患，尤其是在狭窄空间内。但基于 ToF 的乘员检测功能可以轻松预防此类情况的发生。

除了改善车辆安全性，ToF 系统还能为车内驾乘人员提供一系列舒适性和便捷性体验。比如，驾乘人员上车时，座椅可以为其移动拉近安全带；储物箱会在乘客伸手使用时自动点亮；车内信息娱乐系统的操作能根据车内乘客数量和位置自动调节。

车辆构造日益精密，驾驶室内的人机界面 （HMI） 也愈发复杂。以 ToF 传感器搭配投光器使用，可以在各种可用表面提供控制面板，大幅提高操作便捷性和灵活性。

显而易见，ToF 将帮助车内感应应用实现飞跃式发展，为车辆带来更高精密性，进而切实提高安全性和舒适性。

最新 ToF 技术

Melexis 的第二代芯片组包括一个专用 TOF 传感器和一颗配套芯片，可以控制系统并连接外部微控制器或串行器。

图 2：Melexis 第二代 ToF 解决方案的主要功能元件

全新芯片组在保留与前几代产品相同的紧凑型 5.5 mm x 6.5 mm 封装和光学格式的同时，将灵敏度提升一倍，并提供可有效改善低光性能的像素级增益选择。系统采用肉眼无法识别的 940 nm 照明辅助，为车内的夜间操作提供极大帮助，并可在此波长下充分利用较低的日光辐射。

全新传感器更加高效，功耗降低 30%，产生更少热量并节省能源成本。信噪比经过改善，系统可在相同的照明水平下提升有效工作距离超过 65%，或在与前代产品相同的工作距离内拥有更低的照明需求。此特性可以降低 LED 或 VCSEL 等光源的相关成本。现在还可以使用单颗配套芯片构建双摄像头。

图 3：改善后的信噪比可以提高性能并降低照明需求

另一个全新功能——像素合并——可以在需要较低分辨率的情况下合并四个（2x2）或十六个（4x4）像素，从而降低数据吞吐量，并支持成本较低的主机处理器。

总 结

车内 ToF 感应将协助汽车制造商满足即将出台的相关法规，包括关于乘客检测的 NCAP 2025 提案，同时切实有效地改善乘客体验。

十多年来，Melexis 已开发出多种 ToF 解决方案，其第二代解决方案拥有更高性能、更低能耗和更低的系统成本，可以大幅减少设计人员面临的应用挑战。