采用智能傳感器提高汽車應(yīng)用的安全性

采用智能傳感器提高汽車應(yīng)用的安全性
作者：Brooke Williams、Zoran Nikolic 及 Gaganjot Maur，德州儀器

汽車已成為現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的一部分，為全球貨物及人員運(yùn)輸提供了一種低成本的交通方式。不幸的是，每天都會(huì)因車輛駕駛而出現(xiàn)大量的事故與傷亡事件。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)：1998 年，全球交通事故死亡人數(shù)高達(dá) 120 萬(wàn)。1990 年，交通事故是全球?qū)е氯祟愃劳龅牡诰糯笤�因，預(yù)計(jì)到 2020 年它將進(jìn)一步上升為第三大致死原因。

鑒于上述原因，汽車原始設(shè)備制造商 (OEM) 及其供應(yīng)商合作伙伴，以及全球政府機(jī)構(gòu)一直在努力開發(fā)并推廣主動(dòng)安全與高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS)，其設(shè)計(jì)旨在降低事故發(fā)生率并減少碰撞的嚴(yán)重度。汽車產(chǎn)業(yè)界分析師認(rèn)為到 2010 年， ADAS 將成為頂級(jí)新技術(shù)，其不僅可以幫助駕駛員提前意識(shí)到潛在的危險(xiǎn)，而且還可通過(guò)車道偏離警告系統(tǒng) (LDWS)、睡意檢測(cè)及夜視系統(tǒng)等技術(shù)潛在地延長(zhǎng)駕駛員的反應(yīng)時(shí)間。

隨著消費(fèi)者對(duì) ADAS 的深入了解，得知其能夠提供更高的安全性，預(yù)計(jì)他們將更容易接受該技術(shù)，從而推動(dòng)市場(chǎng)對(duì)這一需求的增長(zhǎng)。ADAS 已應(yīng)用于豪華轎車，隨著技術(shù)的成熟，其將逐漸進(jìn)入大眾市場(chǎng)，應(yīng)用到普通車輛中，同時(shí)產(chǎn)量的提高將大幅降低產(chǎn)品成本。就汽車 OEM 廠商而言，鑒于目前被動(dòng)安全系統(tǒng)快速成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，主動(dòng)安全與 ADAS 技術(shù)還將有助于實(shí)現(xiàn)與眾不同的特色化產(chǎn)品。

ADAS 概覽

ADAS 的設(shè)計(jì)方案并不是要控制車輛，而是向駕駛員提供車輛周圍環(huán)境及車輛運(yùn)行狀況等相關(guān)信息，提醒駕駛員注意潛在危險(xiǎn)，從而提高行車安全性。

ADAS 應(yīng)用采用多種傳感器來(lái)收集有關(guān)車輛及車輛周圍環(huán)境的物理數(shù)據(jù)。收集相關(guān)數(shù)據(jù)后，ADAS 系統(tǒng)將采用目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別與跟蹤等處理技術(shù)來(lái)評(píng)估危險(xiǎn)性。我們不妨舉兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明，一是車道偏離警告系統(tǒng)（檢測(cè)到車道無(wú)意偏離，立即提醒駕駛員），二是交通標(biāo)志識(shí)別。啟用車道偏離警告系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車輛位置檢測(cè)并跟蹤車道情況，在車輛越線進(jìn)入相鄰車道時(shí)通知駕駛員。就交通標(biāo)志識(shí)別而言，系統(tǒng)能識(shí)別交通標(biāo)志并告訴駕駛員當(dāng)前較高限速，或通知駕駛員目前行駛的具體區(qū)段。

不同系統(tǒng)通常要求采用不同類型的傳感器來(lái)收集環(huán)境信息。我們不妨舉幾個(gè)實(shí)例，如車道偏離警告系統(tǒng)采用 CMOS 攝像頭傳感器，夜視系統(tǒng)采用紅外傳感器，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng) (ACC) 通常采用雷達(dá)技術(shù)，而停車輔助系統(tǒng)則采用超聲波技術(shù)。盡管不同應(yīng)用的技術(shù)細(xì)節(jié)各有差異，但技術(shù)處理過(guò)程通常都包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理及后處理等三個(gè)階段。預(yù)處理階段執(zhí)行全影像 (full image) 處理功能，數(shù)據(jù)工作強(qiáng)度較大，結(jié)構(gòu)也較為常規(guī)化，具體包括圖像的變換、穩(wěn)定性、特征信號(hào)增強(qiáng)、噪聲降低、顏色轉(zhuǎn)換、運(yùn)動(dòng)分析等。后處理階段則進(jìn)行特征跟蹤、場(chǎng)景解釋、系統(tǒng)控制及決策制定等工作（見圖 1）。

圖 1. 用于收集環(huán)境信息的傳感器，不管其類型如何，均可獲得生成基本圖像的數(shù)據(jù)集。主動(dòng)安全系統(tǒng)的整個(gè)處理過(guò)程依次為：1)采集數(shù)據(jù)，2) 根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境狀況預(yù)處理采集到的數(shù)據(jù)，3) 處理安全算法，4) 評(píng)估結(jié)果， 5) 做出決策。

識(shí)別、跟蹤并評(píng)估駕駛相關(guān)的對(duì)象是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。駕駛風(fēng)格與條件會(huì)影響傳感器收集的原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并會(huì)使識(shí)別和跟蹤對(duì)象所需的重要細(xì)節(jié)變模糊。在不同的天氣條件（如較強(qiáng)的陽(yáng)光、下雨、起霧及下雪等）下，駕駛員駕駛車輛這一過(guò)程的動(dòng)態(tài)化程度極高，而且操作具不可預(yù)見性。當(dāng)面對(duì)更為復(fù)雜的情況，必須對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，且處理時(shí)延不得超過(guò) 30ms。警告延遲半秒鐘，就很可能導(dǎo)致事故發(fā)生，而不能讓駕駛員及時(shí)對(duì)警告做出反應(yīng)。

從數(shù)據(jù)采集到采取行動(dòng)的每一步都要求強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地執(zhí)行主動(dòng)安全與 ADAS系統(tǒng)必須要求高性能產(chǎn)品提供支持。專為汽車安全應(yīng)用設(shè)計(jì)并優(yōu)化的數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，如德州儀器 (TI) 推出的 TMS320DM643x 達(dá)芬奇處理器就能提供所需的性能，從而使 OEM 廠商能夠向市場(chǎng)推出主動(dòng)安全與 ADAS 技術(shù)。

動(dòng)態(tài)靈活性

除了高性能之外，ADAS 應(yīng)用還要求靈活的架構(gòu)來(lái)滿足多種功能要求。例如，各國(guó)的交通標(biāo)志從語(yǔ)言、文字字體、形狀到顏色等各不相同。我們必須提供足夠的靈活性，這樣才能在不同的產(chǎn)品線間盡可能地重復(fù)使用該技術(shù)，并根據(jù)新興市場(chǎng)的要求以正常速度低成本地推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。軟件創(chuàng)新是效率較高的方式。達(dá)芬奇處理器采用軟件可編程的架構(gòu)，因此能為開發(fā)人員提供足夠的靈活性，以便支持不斷變化的算法。

我們不妨設(shè)想一下在不考慮駕駛條件（如較強(qiáng)的陽(yáng)光等）這一因素情況下的預(yù)處理算法。有些汽車供應(yīng)商采用一種算法，有些則在白天采用一種算法，在夜間駕駛又采用另一種算法。實(shí)際上，針對(duì)多種不同的駕駛條件，我們將需要各種不同的預(yù)處理與后處理算法。系統(tǒng)還必須具備快速適應(yīng)能力，比方說(shuō)車輛進(jìn)入遂道時(shí)，就會(huì)瞬間從白天駕駛模式切換到夜間駕駛模式。

請(qǐng)注意，車輛的不同傳感器應(yīng)執(zhí)行不同的功能（見圖 2）。如側(cè)向傳感器進(jìn)行盲點(diǎn)檢測(cè)；前向傳感器負(fù)責(zé)車輛、車道、交通標(biāo)志及行人識(shí)別工作；車內(nèi)傳感器則檢測(cè)車內(nèi)是否有人，駕駛員是否出現(xiàn)睡意及想做些什么等。

此外，不同傳感器應(yīng)處理不同類型的數(shù)據(jù)。一些交通標(biāo)志識(shí)別算法的執(zhí)行主要依靠標(biāo)志顏色進(jìn)行，在此情況下，正向傳感器應(yīng)支持寬泛的顏色范圍。另一方面，灰度傳感器對(duì)亮度的變化更敏感，其空間分辨率幾乎是色彩傳感器的兩倍。大多數(shù) ADAS 功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于傳感器的敏感性，因此灰度攝像頭更合適。我們還要注意到，針對(duì) ADAS 應(yīng)用的影像傳感器通常具有較高的動(dòng)態(tài)范圍，一般每像素多于 8 位，這也十分重要。

圖 2. 車輛安裝的多種傳感器執(zhí)行各種具體任務(wù)，其中包括行人檢測(cè)、夜視、車道偏離警告、停車輔助、盲點(diǎn)檢測(cè)、睡意檢測(cè)以及自適應(yīng)巡航控制等。

解決技術(shù)難題較有效的方法就是在單個(gè) DSP 上執(zhí)行多種算法。舉例來(lái)說(shuō)，正向影像傳感器能同時(shí)提供車道偏離警告與交通標(biāo)志識(shí)別所需的視頻信息。

從理想的角度說(shuō)，單個(gè) DSP 能在所有駕駛條件下執(zhí)行預(yù)處理與多種識(shí)別任務(wù)，如車道偏離警報(bào)與交通標(biāo)志識(shí)別等，這有助于精簡(jiǎn)芯片數(shù)量，從而減少故障點(diǎn)，提高系統(tǒng)可靠性，并降低系統(tǒng)成本，這些對(duì)汽車應(yīng)用的發(fā)展都是至關(guān)重要的。

為了提高 ADAS 的穩(wěn)健性，我們還要在車輛內(nèi)部所有主動(dòng)安全子系統(tǒng)間進(jìn)行協(xié)調(diào)。舉例來(lái)說(shuō)，駕駛員的關(guān)注方向及關(guān)注點(diǎn)會(huì)直接影響到交通標(biāo)志警告的有效性。比方說(shuō)，駕駛員正常駕駛本應(yīng)該可以注意到前方的標(biāo)志并減速，但系統(tǒng)卻過(guò)早發(fā)出警告，這樣做不但不利于駕駛，反而會(huì)給駕駛員制造麻煩。因此，在發(fā)出警告信號(hào)前，我們要從交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)及車內(nèi)駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)收集信息。如果駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)反映駕駛員正面向道路方向，那么我們不必馬上發(fā)出前方有停車標(biāo)志的警告。

穩(wěn)健性能較高的 ADAS 系統(tǒng)甚至還能評(píng)估復(fù)雜的駕駛環(huán)境。舉例來(lái)說(shuō)，如果汽車快速靠近停止或減速的車輛，那么很可能需要快速并線 (lane change)。在這種情況下，我們應(yīng)當(dāng)暫停車道離線警告，避免駕駛員在并線時(shí)分神。當(dāng)然，如果盲點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)到汽車旁邊還有別的車輛，那么系統(tǒng)就應(yīng)發(fā)出警告。

片上系統(tǒng)架構(gòu)提高設(shè)計(jì)效率

目前的片上系統(tǒng) (SoC) 架構(gòu)在單芯片上集成了整個(gè)視頻／影像處理系統(tǒng)所需的全部外設(shè)，從而進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)效率。由于支持多種外設(shè)，目前高度集成的器件還能方便地連接至車輛系統(tǒng)的其他部分。舉例來(lái)說(shuō)，SoC 可為停車輔助后視儀等應(yīng)用提供直接視頻輸出，也可通過(guò) CAN、LIN 或 FlexRay 等適當(dāng)總線直接連接至車輛的主控系統(tǒng)。

SoC 架構(gòu)在無(wú)需增加 ASIC 成本的基礎(chǔ)上就能提供專用功能。經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，SoC 能保持可編程軟件架構(gòu)的靈活性，而不像 ASIC 那樣固定。例如，TI 的達(dá)芬奇處理器采用了功能強(qiáng)大的視頻前端，從而使主 CPU 從關(guān)鍵而繁重的預(yù)處理任務(wù)中解脫出來(lái)（見圖 3）。具體而言，視頻前端提供了縮放功能塊，可根據(jù)適當(dāng)分辨率對(duì)圖像進(jìn)行重采樣（放大或縮小圖像），同時(shí)又不會(huì)占用 DSP 周期。縮放圖像是必要的，因?yàn)閷?duì)象在視頻幀中的尺寸會(huì)隨汽車接近對(duì)象而變化。

圖 3. TMS320DM6437數(shù)字媒體處理器結(jié)構(gòu)圖。

達(dá)芬奇視頻前端還提供柱狀圖，以顯示不同視頻幀的像素?zé)晒鈴?qiáng)度分布情況。從像素?zé)晒鈴?qiáng)度分布圖，我們可以看出捕獲到的影像質(zhì)量。舉例來(lái)說(shuō)，如果影像太暗，那么 DSP 可調(diào)節(jié)對(duì)比度，從而提高處理的精確度。前端還能在不占用主 CPU 的情況下完成色域轉(zhuǎn)換工作。這些集成模塊結(jié)合使用可以顯著減輕 CPU 的負(fù)載，從而使開發(fā)人員能夠在單個(gè) DSP 上集成更多 ADAS 增值功能。

SoC 架構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝�性。與任何視頻應(yīng)用一樣，數(shù)據(jù)傳輸?shù)迷筋l繁，處理時(shí)延就越長(zhǎng)。為了提高系統(tǒng)性能并較大化一級(jí)存儲(chǔ)器資源的使用，開發(fā)人員通常應(yīng)將處理工作限于其感興趣的特定領(lǐng)域，這樣才能確保待處理的影像塊明顯小于整個(gè)影像在處理與評(píng)估時(shí)的尺寸。比如在車道識(shí)別與跟蹤過(guò)程中，由于路面上空不含相應(yīng)數(shù)據(jù)，因此幀中這一部分可以刪除。

為了支持這種類型的數(shù)據(jù)傳輸，SoC 需要多通道、多線程的直接存儲(chǔ)器存取(DMA) 引擎。DMA 控制器應(yīng)支持多種傳輸幾何與傳輸序列。前代 DMA 控制器的傳輸技術(shù)（如前代 TI 芯片上的 EDMA2 控制器）僅限于二維功能，且數(shù)據(jù)來(lái)源與目的地共享索引參數(shù)。與此不同的是，達(dá)芬奇處理器上的 EDMA3 控制器支持獨(dú)立的來(lái)源與目的地索引以及三維傳輸。

除視頻輸入及處理功能，停車輔助等應(yīng)用還要求具備視頻輸出功能。即便沒(méi)有針對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行視頻輸出設(shè)計(jì)，視頻輸出功能在研發(fā)與系統(tǒng)調(diào)試階段也相當(dāng)有用。為了支持視頻輸出，達(dá)芬奇處理器采用

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