Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 介面技術
 
 
介面技術  

利用智慧型感測器提高汽車應用安全性

上網時間: 2007年04月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:先進駕駛輔助系統  ADAS  active safety  主動安全  sensor 

汽車是現代社會的重要交通運輸工具,能以低成本將貨物與人員運送到世界各地。然而汽車在日常生活中卻常造成意外或傷亡。根據世界衛生組織調查,1998年全世界有120萬人因車禍而喪生。車禍在1990年是全球第九大死亡原因,預計2020年會爬升為第三大死亡原因。

有鑒於此,世界各地的汽車製造商、零組件供應商和政府單位不斷努力開發並推廣能夠避免意外或降低事故嚴重性的主動安全先進駕駛輔助系統(ADAS)。分析師把先進駕駛輔助系統稱為2010年的最新技術,這套駕駛輔助系統能讓駕駛進一步察覺潛在危險,同時延長車道偏離警告系統(LDWS)、疲勞偵測和夜視等功能的反應時間。

一旦消費者瞭解先進駕駛輔助系統所能提供的更安全保障,他們的接受度就會增加,這也將帶動市場對先進駕駛功能的需求。豪華房車早已採用先進駕駛輔助系統,隨著這項技術的成熟並逐漸應用至大眾汽車市場,預期將可有效壓低製造成本。對汽車製造商來說,由於被動安全系統正迅速成為汽車的標準配備,他們可以利用主動安全與先進駕駛輔助系統實現產品差異化。

先進駕駛輔助系統

先進駕駛輔助系統主要功能並不是控制汽車,而是為駕駛人提供車輛的工作情形與週圍環境等相關資訊,並預先警告可能發生的危險狀況。

先進駕駛輔助系統使用各種感測器蒐集車輛與週圍環境的資料。資料蒐集完畢後,系統會利用物件偵測、辨識和追蹤處理技術評估各種威脅。交通號誌辨識系統以及車道偏離警告系統是兩個應用範例。車道偏離警告系統會偵測和追蹤汽車與車道的相對位置,並在汽車跨越相鄰車道時警告漫不經心的駕駛人。交通號誌辨識系統則會讀取交通號誌,提供最新的行車速限,讓駕駛知道他們正在通過某個特定區域。

系統通常需要藉由不同類型的感測器來蒐集環境資訊。舉例來說,車道偏離警告系統使用CMOS影像感測器,夜視系統則使用紅外線感測器,適應性定速控制通常使用雷達,停車輔助系統則會使用超音波。不同應用的細節雖有差異,處理過程卻都可分為資料擷取、前置處理和後置處理等三個階段。前置處理階段包括適用於整個影像的功能,因此資料量非常龐大,但結構相當有規則。包括影像變換、穩定、訊號加強,以及雜訊抑制、色彩轉換和移動分析等功能。後置處理階段包括特徵追蹤、場景解讀(scene interpretation)、系統控制和決策等(參考圖1)。

辨識、追蹤和評估與駕駛有關的物件是一套複雜程式。駕駛方式和狀態都會影響感測器蒐集的原始資料品質,還可能讓物件辨識並追蹤所需的重要細節變得模糊。駕駛人可能在大太陽、下雨、濃霧和下雪等各種氣候條件下開車,而他們的開車方式可能千變萬化、完全無法預測。更麻煩的是,所有的處理都必須即時完成,且延遲時間不能超過30ms。就算警告時間只耽誤半秒,也可能使原本能夠及時回應的駕駛人發生車禍。


圖1:無論採用哪種感測器蒐集環境資訊,基本上都會產生影像資料。

從資料擷取到採取行動之間的每個步驟都需要龐大的訊號處理運算,這使高效能成為主動安全與先進駕駛輔助系統能否精確和及時發揮作用的關鍵。目前已有專為汽車安全應用而設計和最佳化的DSP,例如TI的TMS320DM643x DaVinci處理器,可協助製造商加速開發主動安全與先進駕駛輔助系統。

動態彈性架構

除了高效能外,先進駕駛輔助系統還需要彈性架構以便支援各種功能。舉例來說,各國交通號誌所用的語言、字體、形狀和顏色都不相同。製造商需要彈性架構才能讓各個產品線儘可能重複使用IP,同時以符合成本效益的方式管理快速創新的市場發展過程。軟體開發是將創新付諸實現的最佳方法,DaVinci處理器的軟體可程式架構可提供開發人員所需的彈性,使他們能夠支援不斷改變的演算法。

以用來消除太陽光等駕駛影響因素的前置處理演算法為例,有些汽車供應商只採用一種演算法,有些則採用不同演算法來處理白天和夜晚的駕駛狀況。而在實際應用時,則可能需要許多不同的前置與後置處理演算法來應付各式各樣的駕駛狀況。系統還須能快速適應變化,例如車輛進入隧道後立即從白天駕駛切換成夜晚駕駛狀態。

車身安裝的各個感測器必須執行不同功能(參考圖2)。


圖2:車身的多個感測器會執行各種特定功能,包括行人偵測、夜視、車道偏離警告、停車輔助、死角偵測、疲勞偵測和自適應定速控制。

側向感測器負責死角偵測;前方感測器管理車輛、車道、交通號誌和行人辨識;汽車內部的感測器則執行乘客人數感測以及駕駛疲勞和意圖偵測。

另外,不同的感測器會處理不同類型的資料。有些交通號誌辨識演算法是依靠顏色,此時前方感測器就必須支援寬廣的色階。另一方面,灰階感測器對亮度的變化更敏感,空間解析度通常也能達到彩色感測器的兩倍。先進駕駛輔助系統的多數功能都要依賴很高的感測器靈敏度,因此比較適合採用灰階攝影機。同樣值得注意的是,先進駕駛輔助系統的影像感測器通常會提供更大的動態範圍,一般情形下每個畫素會超過8位元。

處理這些挑戰的最佳方法是在一顆DSP上執行多種演算法。舉例來說,前方影像感測器可以提供車道偏離警告與交通號誌辨識系統所需的影像資訊。

在最佳狀況下,一顆DSP就能執行所有的駕駛狀況前置處理和多種辨識作業,例如車道偏離警告與交通號誌辨識。這能減少晶片和故障點數目、提高系統可靠性並降低系統成本-這些技術進展都是汽車應用的重要推動力量。

最可靠的先進駕駛輔助系統還會協調車內所有主動安全次系統的動作。舉例來說,駕駛的視線方向會直接影響交通號誌警告的有效性。如果系統過早警告前方的停車號誌,那麼駕駛在聽到警告時可能還無法看到該號誌或開始減速,這種做法對駕駛沒有任何幫助,反而會造成困擾。因此在發出警告前,駕駛輔助系統應先蒐集交通號誌辨識系統和車內駕駛監視系統所傳來的資訊。如果駕駛監視系統認為駕駛正看著道路,就不需要匆忙發出停車號誌警告。

強大可靠的先進駕駛輔助系統甚至能評估複雜的駕駛情況。舉例來說,如果車輛快速接近另一部靜止不動或速度很慢的車輛,駕駛或許就需要快速變換車道。在這種情形下,暫時停止車道偏離警告可以避免影響駕駛變換車道。當然,如果死角警告系統發現旁邊有另一輛車,系統就應該恢復車道偏離警告。

SoC架構提高設計效率

今日的系統單晶片(SoC)架構把完整視訊/影像處理系統所需的全部週邊整合在一顆晶片中,進一步提高了效率。高度整合元件還提供豐富的週邊支援,讓系統可以容易連接到汽車系統的其他部份。舉例來說,系統單晶片可提供後視停車輔助等應用所需的直接視訊輸出。還能透過CAN、LIN或FlexRay等適當的匯流排直接連到汽車的主控系統。

系統單晶片架構不需ASIC也能提供特殊應用功能。只要執行方式正確,系統單晶片還能保留可程式軟體架構的彈性,這與ASIC的固定架構恰好相反。舉例來說,TI的DaVinci處理器包含一個強大的視訊前端,可為主處理器分擔重要的前置處理功能(參考圖3)。


圖3:TMS320DM6437數位媒體處理器結構圖。

具體而言,這個視訊前端提供一個影像大小調整電路(resizer),不需佔用DSP處理週期,就能對影像進行重新取樣(提高或降低取樣率)以便得到適當的解析度。影像大小調整是一項必要功能,因為物件相對於畫面大小會隨著汽車的接近而改變。

DaVinci視訊前端還包含直方圖功能,可提供每個視訊訊框的畫素亮度分佈。這個畫素亮度分佈資訊可用來判斷所擷取影像的畫質。如果影像太暗,DSP就能調整對比以提高處理精確度。這個前端還能在主處理器不介入的情況下執行色彩空間轉換。這些整合功能模組可大幅減輕處理器的運算負擔,使廠商能夠利用一顆DSP實現更多先進駕駛輔助系統加值功能。

系統單晶片架構設計也應能支援高效率移動資料。無論那一種視訊應用,只要資料的移動越頻繁,處理作業的延遲時間就越久。為了提高系統效能和充份利用第一層記憶體資源,開發人員通常只會對重要區域進行處理,這種做法使所需處理的影像區塊遠小於處理和評估整個影像。舉例來說,如果系統已經完成車道的辨識和追蹤,道路上方的天空就沒有任何值得關注的資料,此時即可忽略這個部份的影像。

為了支援這類資料移動,系統單晶片需要一個多通道和多執行緒的直接記憶體存取(DMA)引擎。DMA控制器應該支援各種不同的傳送模式(transfer geometries)和傳送序列。早期的DMA控制器(例如前一代TI晶片的EDMA2控制器)只能傳送2D資料,而且來源與目標必須共用相同的索引參數。相較下,DaVinci處理器的EDMA3控制器能支援獨立的來源與目標索引參數,並傳送3D資料。

除了視訊輸入與處理外,停車輔助等應用還需要視訊輸出。就算最終產品不需要視訊輸出,這個功能在研發和系統除錯階段也很有用。為了支援視訊輸出,DaVinci處理器包含一個由螢幕功能顯示(OSD)和視訊編碼器(VENC)組成的視訊處理後端。OSD引擎能處理兩個獨立的視訊視窗和兩個獨立的OSD視窗,視訊編碼器則提供4組類比視訊輸出以及各種格式的24位元數位輸出。

簡化開發作業

先進駕駛輔助系統是快速演進中的先進技術,因此廠商需要能簡化開發作業和迅速製造原型的工具。在這種情形下,先進駕駛輔助系統的演算法開發作業最適合使用C語言或建模軟體,例如Simulink或MATLAB。當然,一套工作系統不只需要演算法,因此擁有即時核心與週邊驅動程式等現成可用的軟體元件也很重要。另外,擁有現成的特定應用開發工具和演算法程式庫也很有幫助。這些軟體元件最多能省下數個月的先進駕駛輔助系統開發時間,並獲得DaVinci處理器支援。

最後,生產汽車應用產品的供應商都必須通過AEC-Q100認證,這套認證是汽車產業的半導體元件品質標準。除非廠商在發展解決方案時就已將這項規格列入考慮,否則要通過這項認證將很困難。儘管如此,供應商只要選擇DM643x DaVinci處理器之類的AEC-Q100相容元件,就能確保產品能成功達到汽車應用的品質目標。

今日的工程師和企業都有義務挺身而出推廣主動安全與先進駕駛輔助系統,以降低車禍傷亡人數。透過以彈性DSP架構為基礎的高效能系統單晶片、特殊應用開發工具和程式庫以及創新的演算法,汽車供應商與製造商將能推出擁有強大可靠的先進駕駛輔助系統。

作者:

Brooke Williams

汽車與機械視覺行銷經理

Zoran Nikolic

首席汽車與機械視覺系統架構師

Gaganjot Maur

汽車與機械視覺應用工程師

德州儀器




投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 利用智慧型感測器提高汽車應用安全性
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首