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感測器/MEMS  

ToF技術將改寫汽車駕駛輔助系統

上網時間: 2015年11月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:飛行時間  ToF  3D成像  ToF感測器  ADAS 

作者:Gaetan Koers,Melexis公司產品經理

眾所周知,駕駛人分心易於導致道路交通事故的發生。汽車產業正不斷地進步,並越來越走向具有半自主控制的汽車生產。其結果是在汽車行駛旅程中任何時候讓駕駛人專心或降低分心程度的能力,正成為一個關鍵問題。本文將著眼於以往僅用於汽車領域以外的技術創新,未來將如何推動汽車產業在這方面的進展。

除了外部事件的影響以外,駕駛人的分心來自各式各樣不同的活動,包括與車上其他乘客交談、使用手機、吃喝東西、轉身安撫後座上的小孩、操作車載資訊娛樂系統、吸煙或者化?。根據美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)2013年底公佈的數字,在美國,2012年的高速公路死亡人數33,561人中,就有大約10%的人因為駕駛人某種程度的分心導致了車禍事故。

鑒於事態的嚴重性,各家汽車製造商和政府機構都希望找到一種有效的途徑,來因應駕駛人分心的問題,並確保駕駛人能維持?定的警惕狀態。透過更深入地瞭解駕駛人的行為及其正觀看的方向,將有助於確保注意力上的任何突然疏忽都不至於因為無法迅速反應即將發生的危險而使生命陷入危險。

駕駛的本質意味著駕駛人必須隨時適度地定期把視線從道路移開,以便檢查外後視鏡、車內後視鏡、油量表、里程計以及其他例行的監測任務。然而,這些快速的掃視與更長時間的駕駛人注意力中斷之間有很大區別。

早期嘗試對駕駛人注意力進行監測的方法通常依靠追蹤駕駛人的虹膜和眼臉運動。經實驗證明,這些所謂的‘眨眼感測器’與車道追蹤系統相互結合時,在防止駕駛人疲勞方面極具價值——因此,如果汽車駕駛人疲勞駕駛時,就可以立即作出回應。然而,它們也不夠先進,還不足以用於協助先進駕駛輔助系統(ADAS)判斷是否有必要作出緊急控制。此外,這種類型的感測器建置對於車輛來說是特定的,車廂尺寸或者儀錶板與座位的方位有任何差異,都會對感測系統擷取準確資料的能力產生重大影響。因此,每家製造商所生產的每種車款都需要有其特有版本的感測系統,從而影響了開發時間和總成本。

光學飛行時間(ToF)感測機制已經普遍用於遊戲產業了。其所採用的機制比較容易把握——紅外線(IR)光源投射出一束光束傳送到障礙物,隨後再朝ToF感測器進行反射。然後,感測器檢測到反射的紅外線訊號後,隨即將其與參考訊號進行比較。接著,它可讀出由於傳送所造成的相移,並提供到障礙物距離的輸出資料。因此便可以由此構造出3D影像。


ToF感測系統所需元件的原理圖

立體攝影機一直是即時3D成像應用的主要方法,但其應用在一定程度上受到構成感測器技術實體限制的阻礙。遺憾的是,立體攝影機很難檢測到具有一致色調的物體,而且在因應閉塞物件時也存在問題。根據實驗證明,要為立體攝影機組實現精密的校準也可能很困難,同樣的,分配足夠的資料處理能力也是如此。在結合高性能資料擷取和處理軟體共同作業時,基於ToF的成像系統會比立體攝影機系統呈現出更加有效的3D成像機制。

雖然ToF已經在現代遊戲機(例如微軟的Xbox One)中開始嶄露頭角,但也可能成功地應用到其他產業。如果能夠提供足夠的陽光穩定度(透過確定其頭部位置、身體姿勢等),我們可以將ToF感測系統建置在汽車的儀表板上,以便讓汽車的ADAS擷取與駕駛人意識狀態有關的重要資料。因此,我們就可以判斷,ADAS是否有必要採取行動,如執行自動緊急煞車,或者在駕駛人完全掌握情況下讓它更有效地決定最適當的反應。

透過最佳化佈局和應用創新的製程技術,汽車半導體製造商們已經能夠開發出支援極高動態範圍且具有高靈敏度(能以1~2%的典型景深精確度檢測相關場景細節)的多畫素影像感測元件。藉此,不僅解決了與陽光穩定度相關的問題,同時還能借鑒遊戲領域中的ToF技術,創建一個專為下一代汽車設計所使用的更高性能對應技術。


Melexis的MLX75023 ToF感測器

例如Melexis公司具備800nm至900nm(覆蓋近紅外區)光譜響應範圍的多畫素ToF感測器(圖1)。該感測器解析度為QVGA(320×240畫素),並且具有600fps的極快速原始畫面播放速率。在結合調節光源(以LED或雷射的形式)共同作業時,該感測器能夠擷取有關距離和反射率的詳細資訊。因此,它可用於連續監測駕駛人的意識,並透過Melexis技術合作夥伴SoftKinetic提供的先進IISU影像處理軟體來提高整體安全性。

該多畫素ToF感測器採用Melexis專有的汽車級CMOS混合訊號製程製造,提供最高解析度的3D感測器。其畫素尺寸超小,僅有15μm×15μm。其中各高動態範圍構成畫素支援高達120kLux的背景光源,因而能夠完全處理環境光的穩健性問題。兩個數位輸入用來控制畫素解調,可達到最高40MHz的頻率。一組類比雙端輸出整合了頻率高達50MHz的9位元畫素行和8位元畫素列的定址能力。MLX75023感測器採用尺寸為6.6mm×5.5mm的緊密晶片級玻璃BGA封裝,提供了許多不同的整合可能性。該產品經過AEC-Q100認證,使其相當適用於汽車部署,此外,它支援的工作溫度範圍為-40℃至+105℃。

ToF感測器已經展現其用於處理大量3D成像所需即時資料的最佳途徑,這歸功於其所提供的響應水準及其準確的檢測能力。透過提供強大的環境光穩健性,業界現在已經能夠將ToF技術應用在汽車環境中,從而實現任何可能性,以避免駕駛人注意力降低或分心。


即時ToF成像資料疊加先進3D影像處理軟體輸出





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