在車輛中整合感測器要考慮的6件事

作者 : Anne-Françoise Pelé,EE Times歐洲特派記者

在實現先進駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛車(AV)的感測技術時,可能永遠不會存在一種最有效的方法,因為每一家汽車製造商都會依據六項基本因素,決定如何以其獨特方法將感測器整合至未來的車輛中…

在實現先進駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛車(AV)的感測技術時,可能永遠不會存在一種最有效的方法,因為每一家汽車製造商都會依據六項基本因素,決定如何以其獨特方法將感測器整合至未來的車輛中。在AutoSens Brussels 2020線上會議閉幕前的一場專題討論,業界專家們就如何正確搭配使用各種感測器,以及如何確保設計不至於損害安全性進行了討論。

參與專題討論的業界專家包括汽車嵌入式產品供應商Valeo的視覺系統和ADAS資深專家Patrick Denny、富豪汽車(Volvo Car Corp.)技術主管Paul-Henri Matha、Sense Media Group執行董事Robert Stead,以及設計公司Astheimer Ltd設計總監Carsten Astheimer。筆者還與法國市場研究公司Yole Développement的技術和市場分析師Pierrick Boulay取得聯繫,瞭解Yole對汽車系統中各類感測器的應用有何見解。

 

圖1:汽車製造商依據六項基本因素將感測器整合於汽車中。

 

多少感測器才合適?

現在的車輛中採用了越來越多的感測器以有效解決安全問題。如今的車輛中有多少個感測器?到底需要多少個感測器才能進一步提高車輛自動駕駛的等級?Yole的Boulay告訴筆者,「如果將ADAS的感測器也考慮在內,如超音波、雷達、感測攝影機、視角攝影機和光達(LiDAR),估計一輛車有10~20個感測器,具體取決於車型。」當然,相較於低階或中階車款,在高階車款中嵌入的感測器更多。

感測器是為車輛實現高度自動化的關鍵,自動化的程度越高,所需要的感測器數量和類型都將隨之增加。「要實現高層級的自動化,預計要使用35~40個感測器。」Boulay說,「針對短距離、中距離和長距離等不同應用,感測器的選擇也有所不同。一個感測器不可能適合所有應用,每一種應用或場景都有不同的感測器規格與要求。」

不斷增加的感測器數量只是人們所看到的一小部份。感測器將產生巨量的資料,而系統受到了處理能力的嚴重限制。「未來,擁有足夠運算能力來處理從這些感測器所產生的龐大資料,將是一項十分重要的性能。」Boulay說,「採用Intel-Mobileye晶片的典型ADAS系統運算能力已實現了飛躍性進展,從0.25TOPS (高階筆記型電腦性能的10倍)到2.5TOPS (新型EyeQ4晶片),而自動駕駛車的運算能力已經超過了250TOPS。」最終,車輛的電氣/電子(E/E)架構需要從分散式架構轉變為採用網域控制站的集中式架構,以便能夠管理感測器原始資料的融合。」

那麼,感測器是不是越多越好呢?Boulay說:「有些人可能認為是這樣,但是出於成本或整合方面的考慮,汽車中感測器的數量並不會無止境地增加。」他預計用於車輛自動化的感測器數量最終將在某個時候穩定下來。「具體取決於軟體水準和公司有效處理大量資料的能力。如特斯拉(Tesla)等一些OEM至今尚未使用LiDAR,而是依賴感測器與人工智慧(AI)運算來實現高層級的車輛自動化。」

客觀地說,「有些OEM使用了更少的感測器,但是卻做得更好,差別就在軟體水準和運算能力上。」他補充。

最佳化感測器組合

車輛可能一會兒行駛於晴天,一會兒卻在雨中行駛。感測器需要持續監測不斷變化的外部環境。提高可用性的一個有效方法是部署冗餘的感測器,以因應可能發生的故障。Valeo的Denny在專題討論時說:「察看環境不能局限於某一種方法,當完全處於黑暗中或惡劣的天氣環境時,需要透過多種方式並使用各種功能來協同工作。」

在人類視力看不清的情況下,可以依靠感測器提供協助,由於感測器種類多,因而能讓車輛在所有氣候和光線條件下可靠地行駛。Boulay說:「攝影機在白天正常運作,但在夜間或雨霧情況下可能會變『盲』,而其他感測器則不受影響,所以即使車輛處於降級服務模式,仍然能夠行駛。」

感測器應置放在哪裡?

就像人類感官一樣,放置感測器的位置必須根據需要制定策略,才能持續反饋車輛周邊的情況。但具體放置在哪裡卻存在技術限制。例如,Denny指出,前照燈中的水汽凝結會妨礙LiDAR運作;在下雪或寒冷天氣時,霜凍可能導致感測器故障;紅外線感測器無法穿透玻璃,因此不能放在擋風玻璃後面;同樣地,在超音波感測器上塗漆可能改變其聲學特性。

Volvo的Matha說,感測器的功耗也是設計人員面臨的巨大挑戰。「每個感測器都要消耗1~10W的功率,實現ADAS功能的所有感測器消耗功率可能高達100W或200W,碳排放達到4g。因此我們必須降低功耗,例如,感測器也許不必一直保持工作狀態。」

熱管理是另一個要考慮的因素。Matha說,擋風玻璃後的溫度可能達到90°C,或許沒有哪一種感測器適合放在那裡。「但如果將感測器放在其他區域,如前照燈中,就需要冷卻系統,因此更複雜且成本高昂。」

專家指出,模擬和駕駛測試有助於確定感測器的最佳位置。Boulay說,「感測器的位置是由OEM的目標應用而決定的。就我們目前所看到的,車輛上建置LiDAR用於高速公路上自動駕駛,則LiDAR應位於中央位置,基本上與ADAS攝影機和長距離雷達對齊。對於其他應用,例如停車或在市區內行駛,這些LiDAR的位置則不相同,可能位於車輛的側邊或角落。」

別讓感測器降低車輛顏值

Matha說,Volvo的車子中目前整合了20種感測器,其中許多完全藏在裡面,從外面看不到。例如,Volvo XC90的前方停車攝影機位於散熱器的護柵中,車側的攝影機位於每個車門的後視鏡中,而後方攝影機則位於車牌上方。Matha說:「我們可以將感測器整合在車體內,並讓它們看起來很美觀。」

 

圖2:Volvo XC90的前置攝影機。(來源:Volvo)

 

 

但我們一定要把感測器隱藏起來嗎?能不能讓它們成為一個吸引人的亮點?

Astheimer認為,如果車子是智慧產品,那它就應該看起來很智慧,「而不是把所有東西都隱藏起來。」現在的感測器都很小,足以完全整合於車輛中且讓人幾乎察覺不到。但是,隨著完全自動駕駛的逐步實現,車輛開始自行駕駛,有些感測器將會「需要放置在極其顯眼的位置。」例如360° LiDAR將會需要完全的視野,且其位置不容受到影響。

更重要的是,Astheimer強調,設計人員和工程師需要共同努力,根據車輛的不同特性設計適用的感測器。Deliver-E是一款電動配送車原型,由英國的華威大學製造工程學院(Warwick Manufacturing Group;WMG)、華威大學(University of Warwick)和Astheimer共同開發,它將攝影機整合於車輛側面,並將LiDAR置於車尾部顯著位置。

那麼是否可以將所有感測器集中放在一個外部裝置?Boulay提到了Magneti Marelli的Smart Corner,可以將LiDAR、雷達、攝影機和超音波等感測器容納其中,並使用LED來提供光處理功能,如自動調整光束和數位光處理。他說:「OEM在製造過程中整合這些外部裝置可能會比較容易,但如果發生事故,保險公司或消費者修理或更換這些裝置的成本非常高。我們必須在整合、可修復性和成本之間找到一個平衡點。」

避免認知能力超載

人機介面(HMI)不僅連接了駕駛人和車輛,而且也將駕駛人與外界聯繫起來。但它也有風險,駕駛人會因豐富的功能分散注意力,從而漏讀重要的駕駛資訊。

 

圖3:Volta Trucks的Zero電動送貨車。(來源:Volta Trucks)

 

Astheimer由於參與Volta Trucks的Zero電動貨車設計,瞭解到加強駕駛人警覺的重要性。他說:「在倫敦,大型旅行車佔有率雖然不足車輛總數的4%,但因車禍而造成的行人和騎士死亡人數中,大型旅行車佔了50%以上。主要原因有兩個:無法直接看見周遭環境,以及環境狀況複雜超過其認知能力。

「超過認知負載是一個大問題。」Astheimer說,「我們應確保電子控制單元(ECU)和控制區域網路(CAN)系統讀取正確訊號,並以最清楚、最簡潔的方式顯示資訊,無論是透過觸覺、聲音還是視覺。」

讓汽車既安全又酷炫

Stead引用之前AutoSens會議中專題討論的專家評論,詢問「讓安全酷炫」(making safety cool)是否就是銷售連網汽車的關鍵。

「汽車安全性確實是我們的賣點。」Matha說:「客戶想要安全,而我們只能利用感測器來實現安全性。因此,我們要使用感測器打造出優雅迷人的汽車。」

還有另一個因素也需要考慮。用戶應該瞭解汽車的智慧水準,以便對道路使用者及周邊環境保持警覺。Astheimer表示:「讓車輛變得越來越安全,駕駛人慢慢就不需要擔心車輛的自動操作了。提高車輛的自主性,雖然是協助駕駛人簡化操作,但卻也讓困難的任務更加棘手。隨著車輛可為駕駛人做更多的事,也導致駕駛人的注意力越來越不易集中。」

Astheimer說,感測器以及感測器提供的資訊反饋,重點在於協助駕駛人對外界發生的事保持警醒,而不是讓他與外部世界脫離。

(參考原文:6 Considerations for Integrating Sensors in Vehicles,by Anne-Françoise Pelé)

 

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