從上世紀50年代早期的電動(dòng)車(chē)窗到當今zui新的汽車(chē)駕駛系統，豪華汽車(chē)所具有的高 端特性隨著(zhù)時(shí)間的推移zui終都應用到中端和經(jīng)濟型汽車(chē)上，成為必備的電子和電氣系統。zui近新出現的高 級輔助駕駛系統(ADAS)技術(shù)也不例外。作為一個(gè)例子，歐洲的福特?？怂蛊?chē)現在具備了自適應巡航控制(ACC)、自動(dòng)剎車(chē)和主動(dòng)式車(chē)道保持等功能——所有這些特性以前都專(zhuān)屬于豪華汽車(chē)。即使是經(jīng)濟型起亞汽車(chē)也安裝了后視攝像機。但是，隨著(zhù)ADAS技術(shù)應用到價(jià)格相對便宜的車(chē)輛上，這帶來(lái)了一個(gè)兩難的問(wèn)題：需要以非常低的價(jià)格實(shí)現大量的計算資源。
ADAS技術(shù)能夠不僅僅應用在豪華汽車(chē)上，部分原因是出于競爭的考慮，但并不是唯 一因素。政府規章制度也是一個(gè)重要因素。例如，在美國，國家高速運輸安 全管理局正在制定強制安裝后視攝像機的政策，據此，預計2018年車(chē)載攝像機將達到6千萬(wàn)臺。EC將于2015年強制實(shí)施高 級緊急剎車(chē)系統和車(chē)道偏離報警(LDW)系統。
安裝了ADAS的車(chē)輛在保險上有折扣也是推動(dòng)ADAS廣泛應用的另一因素。這類(lèi)優(yōu)惠有一定的統計意義。當駕駛員駕駛車(chē)輛開(kāi)始偏離車(chē)道時(shí)，系統會(huì )發(fā)出告警，在夜間，系統也能夠增強駕駛員的能見(jiàn)度，從而避免了事故的發(fā)生，挽救了生命。
ADAS得到廣泛應用的決定性因素還是成本。雖然ADAS技術(shù)越來(lái)越復雜，但是，傳感器和處理器技術(shù)的進(jìn)步——在很少的元器件中集成多種功能，現在可以支持工程師以中端甚至是經(jīng)濟型汽車(chē)能夠承受的價(jià)格來(lái)設計ADAS應用。成本的降低以及通過(guò)功能集成來(lái)降低復雜度是推動(dòng)ADAS技術(shù)在各類(lèi)車(chē)輛中得以廣泛應用的關(guān)鍵因素。
功能的多樣性
在其所有預期中，ADAS技術(shù)也給汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)了很多挑戰。正如很多技術(shù)處于其早期階段一樣，ADAS應用曾涉及到很多發(fā)展方向，并不能明確哪一方向zui終會(huì )推動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展。撰寫(xiě)本文時(shí)，日立公司關(guān)注于采用兩臺前向攝像機多路傳感器方法來(lái)探測距離100米以外的物體。這一技術(shù)被稱(chēng)為“眼睛視覺(jué)”，在2013款力獅和傲虎車(chē)型上得到了應用。Denso公司zui近演示了困倦探測系統，使用紅外(IR)攝像機來(lái)觀(guān)察駕駛員的面部，確定駕駛員的眼睛是否張開(kāi)，如果眼睛閉上，表明駕駛員可能進(jìn)入了睡眠狀態(tài)。zui后，Aisin正在推出使用后視攝像機的車(chē)道探測系統——這是一種監視車(chē)輛相對于車(chē)道標志線(xiàn)位置的高性?xún)r(jià)比方法，它結合GPS和道路地圖數據，確定車(chē)輛相對于前方路況的當前位置。
本文會(huì )更詳細的介紹ADAS技術(shù)迅速在更廣闊的市場(chǎng)上得以應用。
系統：車(chē)道偏離報警
傳感器：攝像機
當車(chē)輛離開(kāi)其車(chē)道，或者接近道路邊緣時(shí)，LDW系統發(fā)出聲音報警或者動(dòng)作報警(通過(guò)輕微的振動(dòng)方向盤(pán)或者座椅來(lái)實(shí)現)。當車(chē)輛速度超過(guò)一定閾值(例如，大于55英里)，車(chē)輛沒(méi)有打開(kāi)轉向信號燈時(shí)，這些系統會(huì )開(kāi)始發(fā)揮作用。當車(chē)輛行駛，其相對于車(chē)道標志線(xiàn)的位置表明車(chē)輛有可能偏離車(chē)道時(shí)，需要通過(guò)攝像機系統來(lái)觀(guān)察車(chē)道標志。雖然對于所有車(chē)輛制造商而言這些應用需求 是相似的，但是每一廠(chǎng)商都采用了不同的方法，使用一臺前視攝像機，一臺后視攝像機，或者雙路/立體前視攝像機。出于這一原因，很難采用一種硬件體系結構來(lái)滿(mǎn)足各種不同類(lèi)型的攝像機要求。需要采用靈活的硬件體系結構來(lái)提供不同的實(shí)現選擇。
系統：自適應巡航控制
傳感器：雷達
過(guò)去十年中，豪華汽車(chē)采用了ACC技術(shù)，這一技術(shù)目前也在更廣泛的市場(chǎng)上得到了應用。傳統的巡航控制技術(shù)設計用于保持車(chē)輛以恒定的車(chē)速行駛，與此不同，ACC技術(shù)使車(chē)速與交通狀況相適應，如果與前車(chē)距離太近，則會(huì )降速，在路況允許時(shí)，會(huì )加速到上限。這些系統通過(guò)使用安裝在車(chē)輛前部的雷達來(lái)實(shí)現。但是，由于雷達系統不能識別某一目標的大小和形狀，而且其視場(chǎng)也相對較窄，因此，應用時(shí)要結合攝像機。難點(diǎn)在于，目前所使用的攝像機和雷達傳感器還沒(méi)有標準配置。因此，還是需要靈活的硬件平臺。
系統：交通標志識別
傳感器：攝像機
正如其名稱(chēng)所示，交通標志識別(TSR)功能使用前向攝像機結合模式識別軟件，可以識別常見(jiàn)的交通標志(限速、停車(chē)、掉頭等)。這一功能會(huì )提醒駕駛員注意前面的交通標志，以便駕駛員遵守這些標志。TSR功能降低了駕駛員不遵守停車(chē)標志等交通法規的可能，避免了違法左轉或者無(wú)意的其他交通違法行為，從而提高了安 全性。這些系統需要靈活的軟件平臺來(lái)增強探測算法，根據不同地區的交通標志來(lái)進(jìn)行調整。
系統：夜視
傳感器：IR或者熱成像攝像機
夜視(NV)系統幫助駕駛員在很暗的條件下識別物體。這些物體一般超出了車(chē)輛大燈的視場(chǎng)范圍，因此，NV系統針對在前方道路上行駛的車(chē)輛提前發(fā)出報警，幫助駕駛員避免撞車(chē)事件的發(fā)生。
NV系統使用各種攝像機傳感器和顯示器，具體與生產(chǎn)商有關(guān)，但一般都屬于兩種基本類(lèi)型：主動(dòng)式和被動(dòng)式。
●主動(dòng)系統，也稱(chēng)為近IR系統，帶電耦合器件(CCD)攝像機和IR燈源相結合，在顯示器上呈現黑白圖像。這些系統的分辨率很高，圖像質(zhì)量也非常好。其典型的可視范圍是150米。這些系統能夠看清楚攝像機視場(chǎng)范圍內的所有物體(包括沒(méi)有熱輻射的物體)，但是，在雨雪環(huán)境下，效率要大打折扣。
●被動(dòng)系統不使用外部光源，而是依靠熱成像攝像機，利用物體自然熱輻射來(lái)采集圖像。這些系統不會(huì )受到對面來(lái)車(chē)大燈的影響，也不會(huì )受到惡劣天氣狀況的影響，其探測范圍達到300米至1000米。這些系統的缺點(diǎn)在于圖像是顆粒狀的，功能受限于較溫暖的氣候狀況。而且，被動(dòng)式系統只能探測有熱輻射的物體。被動(dòng)式系統結合視頻分析技術(shù)，可以清楚的顯示車(chē)輛前方道路上的物體，例如，行人等。
在NV系統中，有多種體系結構選擇，每一種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。為提高競爭力，汽車(chē)生產(chǎn)商應支持多種攝像機傳感器，在通用、靈活的硬件平臺上實(shí)現這些傳感器。
系統：自適應遠光控制
傳感器：攝像機
自適應遠光控制(AHBC)是一種智能大燈控制系統，使用了攝像機來(lái)探測交通狀況(對面來(lái)車(chē)以及同向交通狀況)，根據這些狀況，調亮或者調暗遠光燈。AHBC系統支持駕駛員盡可能在zui大照亮距離上使用遠光，而不必在其他車(chē)輛出現時(shí)手動(dòng)調暗大燈，不會(huì )分散駕駛員注意力，從而提高了車(chē)輛的安 全性。在某些系統中，甚至可以分別控制大燈，調暗一個(gè)大燈，而同時(shí)另一個(gè)大燈正常點(diǎn)亮。AHBC與LDW和TSR等前視攝像機系統是相輔相成的。這些系統不需要高分辨率攝像機，某一款車(chē)輛如果已經(jīng)在A(yíng)DAS應用中采用了前視攝像機，那么這一特性的性?xún)r(jià)比會(huì )非常高。
系統：行人/障礙物/車(chē)輛探測(PD)
傳感器：攝像機、雷達、IR
行人(以及障礙物和車(chē)輛)探測(PD)系統完全依靠攝像機傳感器來(lái)深入感知周?chē)h(huán)境，例如，采用一臺攝像機，或者在更復雜的系統中采用立體攝像機?！邦?lèi)別變量”(衣著(zhù)、燈光、大小和距離)的差異會(huì )很大，背景復雜而且不斷變化，以及傳感器置于移動(dòng)平臺(車(chē)輛)上等因素，導致很難確定移動(dòng)中行人的視覺(jué)特征，因此，采用IR傳感器能夠增強PD系統。雷達也可以增強車(chē)輛探測系統，它提供很好的距離測量功能，在惡劣的天氣條件下，性能表現出眾，能夠測量車(chē)輛的行駛速度。這一復雜的系統需要使用同時(shí)來(lái)自多個(gè)傳感器的數據。(后面會(huì )詳細討論這一被稱(chēng)為傳感器融合的過(guò)程。)
系統：駕駛員困倦報警
傳感器：車(chē)內IR攝像機
困倦報警系統監視駕駛員的面部，測量其頭部位置、眼睛(張開(kāi)/閉上)以及其他類(lèi)似的報警指示。如果確定駕駛員有進(jìn)入睡眠的跡象，或者看起來(lái)意識不清，該系統會(huì )發(fā)出報警。有些系統還監視心率和呼吸。設想但是還沒(méi)有實(shí)現的功能包括使車(chē)輛靠近路邊行駛，zui終靠邊停下來(lái)。
需求：靈活的高性能技術(shù)平臺
雖然很難詳細預測這些功能的未來(lái)發(fā)展，以后會(huì )應用到什么程度，但是，從技術(shù)角度看，有幾點(diǎn)是明確的：
●沒(méi)有一種單一的體系結構能夠滿(mǎn)足新出現的各類(lèi)應用需求。
●需要采用靈活的平臺適應市場(chǎng)發(fā)展趨勢，實(shí)現zui新的功能，同時(shí)滿(mǎn)足成本、規劃和性能目標。
●要滿(mǎn)足ADAS應用的高性能需求，應在軟件和硬件上達到均衡。
●系統使用多個(gè)不同類(lèi)型的傳感器來(lái)完成安 全相關(guān)任務(wù)，這類(lèi)系統今后的發(fā)展會(huì )比較強勁。
信號融合
需要特別注意的是，大部分ADAS應用需要對來(lái)自多個(gè)傳感器的多路信號進(jìn)行處理和分析，包括，視頻攝像機、雷達、紅外傳感器，以及今后可能出現的激光等其他傳感器信號。例如，危險探測不僅僅需要對來(lái)自多個(gè)攝像機的數據流進(jìn)行集成和分析，而且，如果要用在全天候各種天氣條件下，還必須采用雷達數據。傳感器融合這一術(shù)語(yǔ)用于描述ADAS應用中不同信號的集成。
處理信號融合這一難題的一種算法解決方案是Kalman濾波，它集合了很多種算法。這是說(shuō)明ADAS任務(wù)有多復雜的一個(gè)很好的例子。例如，Kalman濾波能夠集成視頻和雷達輸入信號，使用這些數據來(lái)生成當前環(huán)境的快照。然后，它在這些快照上應用名為“航位推測”的過(guò)程，根據物理條件，計算周?chē)h(huán)境“可能”會(huì )出現什么狀況。例如，它估算周?chē)?chē)輛的新位置，確定路邊的樹(shù)木沒(méi)有移動(dòng)等。然后，Kalman濾波功能對比這兩類(lèi)快照，在可信度基礎上，估算出應采取哪些措施。例如，如果汽車(chē)使用了ACC，車(chē)頭距離太近，那么，可以減速，或者剎車(chē)。
ECU的角色
控制這些過(guò)程的電子設備集成到發(fā)動(dòng)機控制單元(ECU)中。這些系統zui初應用到汽車(chē)中是為了通過(guò)控制燃油噴射、點(diǎn)火時(shí)間、怠速等功能，滿(mǎn)足環(huán)境標準要求，而現在這些系統的功能越來(lái)越多了。一般而言，分別開(kāi)發(fā)這些功能(例如，雷達和攝像機)，逐個(gè)集成到車(chē)輛中，導致由多個(gè)ECU完成多種功能。從成本的角度看，這并不是理想的方法。更好的方法是，將很多傳感器的輸出連接至一個(gè)處理單元，進(jìn)行傳感器融合，更可靠的理解車(chē)輛的狀況，在軟件中開(kāi)發(fā)相應的應對策略。但是，這一集成方法所需要的計算能力已經(jīng)遠遠超出了中端車(chē)輛的成本預算。為能夠同時(shí)滿(mǎn)足性能、成本需求，象軟件一樣靈活，很多體系結構采用了現場(chǎng)編程陣列(FPGA)技術(shù)。
FPGA和傳統的不同在于，FPGA離開(kāi)工廠(chǎng)后是可編程的。這意味著(zhù)，可以對其進(jìn)行修改，在設計/產(chǎn)品周期后期，滿(mǎn)足zui新傳感器獨特的輸出格式要求，以及zui新的計算算法或者規范要求，因此，非常適合應用于各種體系結構，在zui后一刻應用新特性。
Altera低成本Cyclone系列FPGA完全能夠適用于汽車(chē)領(lǐng)域，支持工程師將傳感器接口、圖像處理、通信接口和分析等多種功能集成到單片硅片器件中，減少了典型ECU體系結構的元器件數量，降低了復雜度。Altera FPGA采用了硬件加速功能來(lái)處理高清晰視頻的720p30 (720掃描線(xiàn)，每秒30幀)數據流，以及下一代傳感器的77-GHz輸入。與完全將這些算法集成到硬件中不同，Altera FPGA的高性能硬件和軟件可編程特性確保了能夠滿(mǎn)足ADAS應用嚴格的25至30-ms延時(shí)要求。
Altera FPGA不但在技術(shù)上非常出眾，而且縮短了設計周期，支持OEM和Tier 1生產(chǎn)商盡快將ADAS應用推向市場(chǎng)，不需要大幅度改動(dòng)硬件就能夠突出產(chǎn)品優(yōu)勢，從而進(jìn)一步增強了商業(yè)價(jià)值。此外，Altera還提供簡(jiǎn)單方便的專(zhuān)用集成電路(ASIC)引腳兼容移植途徑，降低了整個(gè)產(chǎn)品生命周期的成本。
總結
當今全球汽車(chē)市場(chǎng)的競爭和法規壓力促使生產(chǎn)商在其車(chē)輛中靈活的采用ADAS技術(shù)。Altera FPGA靈活的結合了技術(shù)和性能指標，是滿(mǎn)足這些目標要求的理想器件。