通过高级驾驶员辅助系统为无人驾驶车辆开疆辟道

    作者：德州仪器高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 全球系统营销 Hannes Estl

 

    最近有关无人驾驶车辆的相关报导吸引了众人的眼球，尤其是谷歌的实验汽车，在最大限度地降低人类驾驶员帮助的情况下，已经自动行驶了数千英里。
 

    这些事件绝对令人印象深刻，并且将在很长的一段时间内对车辆操作和我们的驾驶体验产生革命性影响。不过，对于无人驾驶车辆的无限期待也容易使我们忽视了汽车厂商的大量短期开发，而这些开发对于改变驾驶行为同等重要。这些被统称为高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 的开发被设计用来使汽车更安全，逐步引入这些系统已对道路安全有所提升。此外，ADAS特性与功能代表最终将实现无人驾驶汽车所需的车辆感测、智能与控制。

 

    ADAS技术存在于不同的主动辅助级别，在引入这些技术时，它们所实现的功能有所重叠。驾驶员信息系统，比如说简单后视摄像头、全景影像显示、以及盲点和车道偏离警报等，都提供相关信息，不过始终由驾驶员进行掌控。部分自主系统，比如说车道保持辅助和自适应巡航控制，能够使车辆在仔细定义的情况下，在短时间内进行自我控制，但是驾驶员可以随时介入，接管自动控制。高度自主系统，其中包括自动泊车管家或驾驶员监视和接管，将在特定情况下完全控制车辆。这些较高级别的辅助等级采用更加基础级别的技术，为无人驾驶、全自主汽车开疆辟路。在这个级别上，不论驾驶座位上是否有人，车辆都能够自主运行。
 

    虽然目前的实验显示，针对无人驾驶汽车的必要技术已经存在，但至少还需要十年的时间才能实现全自主控制车辆的大量生产。然而，高级电子系统占用了自动测试车辆的大部分空间，且其价格要比车辆本身的价格高出许多。要在大量生产的车辆中实现无人驾驶，这项技术必须更商业化、更小、更轻、并更易于负担，这是一个需要一段时间才能逐步完成的过程。此外，克服法律和社会方面的障碍也都需要时间。明显地，将路面上大量的车辆开发、引入并转换为无人驾驶将是一个革命性的过程，这一过程将通过许多代汽车的发展来实现。
 

    从本质上来说，ADAS完善了不同方面的自动控制，首先是独立子系统，然后是提高系统集成度，直到最后车辆才能够自主驾驶。发展这些不同的辅助功能是汽车厂商的工作，他们寄望于德州仪器 (TI) 等半导体供应商能够提供创新技术和解决方案。由于ADAS技术变化很快，汽车制造商需要能够提供额外性能、实现系统增长的解决方案，以及用最少的设计更改实现新特性集成的灵活性。ADAS和其它汽车系统还对制造组件提出了不寻常的挑战，其中包括在极端温度条件下运行、满足更高的质量、可靠性和安全标准，并且符合严格的目标成本。借助其在汽车电子产品方面的丰富创造经验，TI能协助ADAS开发人员提供优化、完整的解决方案，来简化设计并大幅减少组件数量。
 

ADAS的采用状态与挑战
 

    如之前所述，目前汽车内已具备某些ADAS特性，而另一些针对即将上市车型的特性还在开发中。信息和警报系统已问世数年，也逐渐发展成为目前常见的基本辅助功能。例如，许多近期的车型具有倒车辅助功能。超声波和摄像头能够扩展驾驶员的感知范围，并且在有物体突然出现在汽车后方时自动刹车。摄像头和超声波在车辆倒退时能观察车辆后方情况。同样地，现在很多驾驶员可以依靠自主加速和方向盘控制来将汽车保持在车道的中间，即使在车速不断变化的情况下也能根据交通情况实现巡航。某些汽车将全景或环绕影像等ADAS信息特性与信息娱乐系统结合，为车主提供全新等级的“信息娱乐”。早期系统内已经引入了认知能力，比如说读取街道标志或者检测汽车周围的物体，而购买者将会在未来几年有更多的选择。
 

    按照人们已经熟知的发展模式，这些最初在高端车型中出现的特性将会移转到中端车型上，最终将普及于所有新车。就安全性而言，保险公司、管理部门和立法机构通常会参与其中，通过令人满意的保险金和法律授权来加快阶段性的引入和实施过程。在某些情况下，对于解决法律责任追究问题，还有更改现有需求来说，立法是必要的。例如，目前的摄像头和内部显示器可以替代外部后视镜，不但能通过消除危险盲点来提高安全性，更使汽车外形更加具有流线性，从而降低车辆油耗，减少碳排放。然而，现有安全标准往往要求必须配备后视镜，因此必须更改相关法规来允许这些改良的替代方法。在法律框架内的第一个改变就是允许摄像头的使用，而非侧视镜—这种被称为摄像头监视系统的设备已经在少数几个国家内率先推出。以欧洲NCAP系统为例，NCAP系统已针对盲点监视给出星级评定；而美国的NHTSA则要求所有新出厂的车辆，在2018年以前必须配备后视摄像头。
 

    随着汽车与汽车之间，以及汽车与道路沿线的装置之间开始通信，安全性成为另一个关注焦点。虽然建立这些通信对于自动车辆来说很重要，，但仍然需要保护它们不受恶意攻击。这些问题在技术层面并非不能实现，但它们也无法在一夕之间就被法律和社会认可，而汽车厂商必须遵守的功能安全性标准也需要被建立。制造商将需要依靠半导体和设备供应商来来容易并快速地生产最终产品，并将这些产品推向市场。

   
 

发展ADAS特性
 

    下列图表标示出某些现有或正在开发中的重要ADAS创新；然而，这些领域随着新想法的涌现而持续发展。所列出的每个自主控制等级为之后的自主功能提供技术支撑。也就是说，信息系统也许是被动地提供警示给驾驶员，但它们对于所有形式的自主功能也是不可或缺的组件。同样地，基本主动操作之后将会与高级控制和全自动化操作整合。（这些级别大体上与国家公路交通安全管理局的车辆自动驾驶5级分类相对应，这些车辆自动驾驶的基本级别由分类用车辆的功能数量来区分。）

 

ADAS发展的技术要求
 

    ADAS技术的发展涉及数个领域的创新。两个重要的相关趋势包括缩小传感器、摄像头和电子组件等单个组件的尺寸，并且将专用功能集成到更加综合性的系统中。因为需要更小、更便宜的组件来搭建用户所能负担的更大系统，这些趋势之间是互为补充的。例如，用于车道保持辅助的前置摄像头也可以用来侦测车辆前方物体、读取交通信号或刹车来避免碰撞。然而，执行更加复杂的ADAS功能不仅仅需要更多摄像头和超声波、LIDAR和雷达等传感器的输入，还需要将来自不同传感器组件的数据融合在一起。数据融合可以克服单个传感器解决方案的缺陷，并提供一定程度的冗余度。

   

 

    图1. 传感器数据融合技术
 

    更多的高分辨率传感器和摄像头全部都转换为对高带宽和高性能处理的要求。目前，ADAS使用了不同的网络互联标准和拓扑。不论最终标准结果如何，它对于减少接线以尽可能降低重量和缩短安装时间来说很关键。同时必须降低延迟以确保关键数据的高效传输。优化网络可以让视频和其它数据、控制信号，甚至电源在单根电线上传输，大幅降低对重量和连接器尺寸的要求，从而缩小模块本身的空间，以及装配线路的重量。
 

    视频处理是ADAS技术发展的另外一个领域，处理由摄像头产生的海量像素数据所带来的巨大工作量。首先，系统必须过滤和调节视频图像的顺序，然后识别出所需的范围。接下来，系统必须识别出停止标志、行人和其它车辆等物体，然后决定采取的任务。这些关键时间的每一个任务在缩短数据流的同时，也会增加运算的复杂度。因此，从针对原始数据输入的专用视频信号处理，到针对物体扫描和识别的可编程信号处理，到针对影响车辆操作决策的高性能微处理器系统都需要异构处理。图像处理需要尽可能将最多的异构处理组件组合在一起，连同将摄像头数据提供给处理器的快速通信接口。
 

    除了灵活通信和异构处理，ADAS系统依赖集成、及自适应电源管理。与大多数电子系统相比，汽车电压的变化范围更大，就温度范围、振动和污染而言，周围环境对器件运行会造成很大的压力。电源管理解决方案尤其重要，这不仅仅是因为它们为其它器件提供可靠电源，也是因为它们为系统提供有效保护而免于损坏。稳健耐用的电源管理虽然不为使用者查觉，但系统开发人员知道电源管理对于ADAS技术发展的绝对必要性。
 

提供针对ADAS要求的解决方案
 

    ADAS系统开发人员可以仰赖TI为他们的技术需求提供解决方案。在需要ADAS技术的情况下，开发人员需要创新解决方案来提供可负担性、适应变化的灵活性、满足极端汽车运行条件的可靠性，以及针对未来增长的足够性能。在汽车厂商工作的领域内，用模拟和数字功能、深入的设计支持和可靠电源，增加这些高级集成和封装能力。，TI已经为全范围产品的提供做好准备，来支持汽车供应商遵守这些需求和严格的标准；汽车厂商可以用这些产品实现ADAS创新和开发。
 

    专业化产品中最复杂的要求就是高性能应用处理器；这个处理器是基于ADAS摄像头的传感器和数据融合，以及某些基于雷达特性的核心。这个被称为TDAxx片上系统的解决方案集成了高效执行这一异构任务的广泛功能。它专门为高级视觉处理和控制而设计，并且进行了优化，以实现性能、功耗和成本有效性之间的最佳均衡（图2）。TDA2x实现了高端ADAS视频系统，而TDA3x则是针对入门级和空间受限的系统。

   

 

    图2. 随着复杂度增加，专业视觉处理最大限度地增加了性能和效率。
 

    这些产品集成了一个通用双CortexTM-A15处理器，双C66x DSP，以及一个可编程Vision AccelerationPac。Vision AccelerationPac中一个或多个专业嵌入式视觉引擎 (EVE) 使它能够在单位耗电量下提供比RISC高7倍的计算性能。这使DSP和RISC内核能够处理专门用于ADAS任务的中高级算法。TI的创新包括一个视觉软件开发套件 (SDK) 来实现快速算法原型设计，以及与视频捕捉、视频预处理、视频分析算法和视频显示相关的不同数据流的快速创建。
 

    TI将外设集完全集成在TDAxx解决方案内，以简化设计和最大限度地减小空间占用，从而使传感器数据融合更加便捷（图2）。通信接口，特别是针对基于摄像头系统（比如说全景影像和倒车摄像头）的接口，得益于TI最新一代FPD-Link III SerDes系列，这个产品系列将远程ADAS卫星与中央控制模块之间的连接简化为单根同轴电缆。由更小连接器和高集成度组件实现的简化接线和更小模块确保了用于ADAS的不断增长的传感器模块数量不会对新出厂的汽车造成额外的成本和重量负担。汽车系统中，网络的不断发展，比如说汽车千兆以太网，将需要不同类型通信解决方案开发方面的深入专业知识。
 

    不同电压电平的异构处理器功能在同一器件、和外部器件内也会有不同的电压需求。电源管理IC必须能够在避免功率骤增和电压瞬变的同时，从汽车的多变电池电源中提供稳定、可靠电压。TI先进的电源管理技术和解决方案让汽车电子组件开发人员能够为他们的ADAS系统选择合适的电源管理器件。公司在汽车行业解决方案生成和创建方面积累了长期经验，而这些经验为高性能处理、通信和电源管理产品提供了技术支持。
 

ADAS发展正在推动汽车革命
 

    虽然无人驾驶汽车仍在开发中，高级驾驶员辅助系统已经出现在我们身边，其重要性正在快速增长。当前的型号正开始突破信息和报警系统的范畴。然而，这些变化将会逐步递增，随着ADAS特性变得越来越小、更加易于集成、价格上也更加能令用户接受。此外，这项技术不会自动发展：必须要有与之相伴的法律和社会进步。这些因素正在引领我们朝车辆自主驾驶迈进，最终成功实现完全自动驾驶车俩。
 

    TI正在推动ADAS创新，不断缩小ADAS特性的尺寸、重量和花费，与此同时，通过将之前独立的功能集成在同一芯片或封装内，TI也在添加不断增长的功能性。高性能、异构视频处理、灵活通信接口、和高效、保护性的电源管理是其中3个最重要的技术进步领域。TI技术进步也正在实现针对模拟与数字技术、深入设计，以及生产支持的广泛集成和封装能力，这些能力在与汽车行业主要厂商之间的长期合作中得以证明。所有这些技术进步将推动ADAS向前发展，并最终实现自动车俩。