從上世紀50年代早期的電動車窗到當今最新的汽車駕駛系統(tǒng)，豪華汽車所 具有的高端特性隨著時間的推移最終都應(yīng)用到中端和經(jīng)濟型汽車上，成為必備的電子和電氣系統(tǒng)。最近新出現(xiàn)的高級輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)技術(shù)也不例外。作為 一個例子，歐洲的福特福克斯汽車現(xiàn)在具備了自適應(yīng)巡航控制(ACC)、自動剎車和主動式車道保持等功能——所有這些特性以前都專屬于豪華汽車。即使是經(jīng)濟 型起亞汽車也安裝了后視攝像機。但是，隨著ADAS技術(shù)應(yīng)用到價格相對便宜的車輛上，這帶來了一個兩難的問題：需要以非常低的價格實現(xiàn)大量的計算資源。
ADAS技術(shù)能夠不僅僅應(yīng)用在豪華汽車上，部分原因是出于競爭的考慮，但并不是唯一因素。政府規(guī)章制度也是一個重要因素。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(jù)此，預(yù)計2018年車載攝像機將達到6千萬臺。
安裝了ADAS的車輛在保險上有折扣也是推動ADAS廣泛應(yīng)用的另一因素。這類優(yōu)惠有一定的統(tǒng)計意義。當駕駛員駕駛車輛開始偏離車道時，系統(tǒng)會發(fā)出告警，在夜間，系統(tǒng)也能夠增強駕駛員的能見度，從而避免了事故的發(fā)生，挽救了生命。
ADAS得到廣泛應(yīng)用的決定性因素還是成本。雖然ADAS技術(shù)越來越復(fù)雜，但是，傳感器和處理器技術(shù)的進步——在很少的元器件中集成多種功能，現(xiàn)在可以 支持工程師以中端甚至是經(jīng)濟型汽車能夠承受的價格來設(shè)計ADAS應(yīng)用。成本的降低以及通過功能集成來降低復(fù)雜度是推動ADAS技術(shù)在各類車輛中得以廣泛應(yīng) 用的關(guān)鍵因素。
ADAS功能的多樣性
在其所有預(yù)期中，ADAS技術(shù)也給汽車行業(yè) 帶來了很多挑戰(zhàn)。正如很多技術(shù)處于其早期階段一樣，ADAS應(yīng)用曾涉及到很多發(fā)展方向，并不能明確哪一方向最終會推動市場發(fā)展。撰寫本文時，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探測距離100米以外的物體。這一技術(shù)被稱為“眼睛視覺”，在2013款力獅和傲虎車型上得到了應(yīng)用。Denso公 司最近演示了困倦探測系統(tǒng)，使用紅外(IR)攝像機來觀察駕駛員的面部，確定駕駛員的眼睛是否張開，如果眼睛閉上，表明駕駛員可能進入了睡眠狀態(tài)。最 后，Aisin正在推出使用后視攝像機的車道探測系統(tǒng)——這是一種監(jiān)視車輛相對于車道標志線位置的高性價比方法，它結(jié)合GPS和道路地圖數(shù)據(jù)，確定車輛相 對于前方路況的當前位置。
下面詳細地介紹ADAS技術(shù)在汽車領(lǐng)域的具體應(yīng)用：
系統(tǒng)：車道偏離報警
傳感器：攝像機
當車輛離開其車道，或者接近道路邊緣時，LDW系統(tǒng)發(fā)出聲音報警或者動作報警(通過輕微的振動方向盤或者座椅來實現(xiàn))。當車輛速度超過一定閾值(例如， 大于55英里)，車輛沒有打開轉(zhuǎn)向信號燈時，這些系統(tǒng)會開始發(fā)揮作用。當車輛行駛，其相對于車道標志線的位置表明車輛有可能偏離車道時，需要通過攝像機系 統(tǒng)來觀察車道標志。雖然對于所有車輛制造商而言這些應(yīng)用需求是相似的，但是每一廠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(jié)構(gòu)來滿足各種不同類型的攝像機要求。需要采用靈活的硬件體系結(jié)構(gòu)來提供不同的實現(xiàn)選擇。
系統(tǒng)：自適應(yīng)巡航控制
傳感器：雷達
過去十年中，豪華汽車采 用了ACC技術(shù)，這一技術(shù)目前也在更廣泛的市場上得到了應(yīng)用。傳統(tǒng)的巡航控制技術(shù)設(shè)計用于保持車輛以恒定的車速行駛，與此不同，ACC技術(shù)使車速與交通狀 況相適應(yīng)，如果與前車距離太近，則會降速，在路況允許時，會加速到上限。這些系統(tǒng)通過使用安裝在車輛前部的雷達來實現(xiàn)。但是，由于雷達系統(tǒng)不能識別某一目 標的大小和形狀，而且其視場也相對較窄，因此，應(yīng)用時要結(jié)合攝像機。難點在于，目前所使用的攝像機和雷達傳感器還沒有標準配置。因此，還是需要靈活的硬件 平臺。
系統(tǒng)：交通標志識別
傳感器：攝像機
正如其名稱所示，交通標志識別(TSR)功能使用前向攝像機結(jié)合模式識別軟件，可以識別常見的交通標志(限速、停車、掉頭等)。這一功能會提醒駕駛員注 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標志等交通法規(guī)的可能，避免了違法左轉(zhuǎn)或者無意的其他交通違法行為，從而提 高了安全性。這些系統(tǒng)需要靈活的軟件平臺來增強探測算法，根據(jù)不同地區(qū)的交通標志來進行調(diào)整。
系統(tǒng)：夜視
傳感器：IR或者熱成像攝像機
夜視(NV)系統(tǒng)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輛大燈的視場范圍，因此，NV系統(tǒng)針對在前方道路上行駛的車輛提前發(fā)出報警，幫助駕駛員避免撞車事件的發(fā)生。
NV系統(tǒng)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型：主動式和被動式。
主動系統(tǒng)，也稱為近IR系統(tǒng)，帶電耦合器件(CCD)攝像機和IR燈源相結(jié)合，在顯示器上呈現(xiàn)黑白圖像。這些系統(tǒng)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(tǒng)能夠看清楚攝像機視場范圍內(nèi)的所有物體(包括沒有熱輻射的物體)，但是，在雨雪環(huán)境下，效率要大打折扣。被動系統(tǒng)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采集圖像。這些系統(tǒng)不會受到對面來車大燈的影響，也不會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(tǒng)的缺點在于圖像是顆粒狀的，功能受限于較溫暖的氣候狀況。而且，被動式系統(tǒng)只能探測有熱輻射的物體。被動式系統(tǒng)結(jié)合視頻分 析技術(shù)，可以清楚的顯示車輛前方道路上的物體，例如，行人等。在NV系統(tǒng)中，有多種體系結(jié)構(gòu)選擇，每一種方法都有其優(yōu)缺點。為提高競爭力，汽車生產(chǎn)商應(yīng)支 持多種攝像機傳感器，在通用、靈活的硬件平臺上實現(xiàn)這些傳感器。
系統(tǒng)：自適應(yīng)遠光控制
傳感器：攝像機
自適應(yīng)遠光控制(AHBC)是一種智能大燈控制系統(tǒng)，使用了攝像機來探測交通狀況(對面來車以及同向交通狀況)，根據(jù)這些狀況，調(diào)亮或者調(diào)暗遠光燈。 AHBC系統(tǒng)支持駕駛員盡可能在最大照亮距離上使用遠光，而不必在其他車輛出現(xiàn)時手動調(diào)暗大燈，不會分散駕駛員注意力，從而提高了車輛的安全性。在某些系 統(tǒng)中，甚至可以分別控制大燈，調(diào)暗一個大燈，而同時另一個大燈正常點亮。AHBC與LDW和TSR等前視攝像機系統(tǒng)是相輔相成的。這些系統(tǒng)不需要高分辨率 攝像機，某一款車輛如果已經(jīng)在ADAS應(yīng)用中采用了前視攝像機，那么這一特性的性價比會非常高。
系統(tǒng)：行人/障礙物/車輛探測(PD)
傳感器：攝像機、雷達、IR
行人(以及障礙物和車輛)探測(PD)系統(tǒng)完全依靠攝像機傳感器來深入感知周圍環(huán)境，例如，采用一臺攝像機，或者在更復(fù)雜的系統(tǒng)中采用立體攝像機。“類 別變量”(衣著、燈光、大小和距離)的差異會很大，背景復(fù)雜而且不斷變化，以及傳感器置于移動平臺(車輛)上等因素，導(dǎo)致很難確定移動中行人的視覺特征， 因此，采用IR傳感器能夠增強PD系統(tǒng)。雷達也可以增強車輛探測系統(tǒng)，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(xiàn)出眾，能夠測量車輛的行駛 速度。這一復(fù)雜的系統(tǒng)需要使用同時來自多個傳感器的數(shù)據(jù)。(后面會詳細討論這一被稱為傳感器融合的過程。)
系統(tǒng)：駕駛員困倦報警
傳感器：車內(nèi)IR攝像機
困倦報警系統(tǒng)監(jiān)視駕駛員的面部，測量其頭部位置、眼睛(張開/閉上)以及其他類似的報警指示。如果確定駕駛員有進入睡眠的跡象，或者看起來意識不清，該系統(tǒng)會發(fā)出報警。有些系統(tǒng)還監(jiān)視心率和呼吸。設(shè)想但是還沒有實現(xiàn)的功能包括使車輛靠近路邊行駛，最終靠邊停下來。
市場需要一個靈活的技術(shù)平臺
綜合以上功能來看，雖然很難詳細預(yù)測以上介紹的這些功能以及未來會應(yīng)用到什么程度，但是從技術(shù)角度看，有幾點是明確的：
目前還沒有一種單一的體系結(jié)構(gòu)能夠滿足新出現(xiàn)的各類應(yīng)用需求;需要采用靈活的平臺適應(yīng)市場發(fā)展趨勢，實現(xiàn)最新的功能，同時滿足成本、規(guī)劃和性能目標;要 滿足ADAS應(yīng)用的高性能需求，應(yīng)在軟件和硬件上達到均衡;系統(tǒng)使用多個不同類型的傳感器來完成安全相關(guān)任務(wù)，這類系統(tǒng)今后的發(fā)展會比較強勁。信息融合是 ADAS的核心技術(shù)
需要特別注意的是，大部分ADAS應(yīng)用需要對來自多個傳感器的多路信號進行處理和分析，包括，視頻攝像機、雷達、紅 外傳感器，以及今后可能出現(xiàn)的激光等其他傳感器信號。例如，危險探測不僅僅需要對來自多個攝像機的數(shù)據(jù)流進行集成和分析，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(shù)據(jù)。傳感器融合這一術(shù)語用于描述ADAS應(yīng)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。這是說明ADAS任務(wù)有多復(fù)雜的一個很好的例子。例如，Kalman濾波能夠集成視頻和雷達輸入信號，使用這些數(shù) 據(jù)來生成當前環(huán)境的快照。然后，它在這些快照上應(yīng)用名為“航位推測”的過程，根據(jù)物理條件，計算周圍環(huán)境“可能”會出現(xiàn)什么狀況。例如，它估算周圍車輛的 新位置，確定路邊的樹木沒有移動等。然后，Kalman濾波功能對比這兩類快照，在可信度基礎(chǔ)上，估算出應(yīng)采取哪些措施。例如，如果汽車使用了ACC，車頭距離太近，那么，可以減速，或者剎車。