智能汽車發(fā)展依賴傳感器技術

阮曉東

隨著汽車智能化程度的不斷提高，傳感器技術已經成為制約我國智能駕駛汽車發(fā)展的壁壘，我國高端傳感器亟待打破國外壟斷

智能化的發(fā)展讓現代汽車更加舒適和安全。智能化汽車的關鍵是快速獲得汽車發(fā)動、行駛和制動等過程中的關鍵性能參數，而這些關鍵參數的獲得依賴于高靈敏汽車傳感器的應用?，F階段，智能駕駛仍處于技術累計及產品革新階段，研發(fā)具有核心競爭力的傳感器產品及掌握核心關鍵技術成為企業(yè)布局智能駕駛行業(yè)的關鍵點。目前我國傳感器和芯片技術等關鍵核心零部件嚴重依賴跨國公司，隨著汽車智能化程度的不斷提高，傳感器技術已經成為制約我國智能駕駛汽車發(fā)展的壁壘，我國高端傳感器亟待打破國外壟斷。

智能汽車依賴傳感器技術

100年來都沒大變化的汽車，最近一年后正在以全新的面貌變化著。智能駕駛汽車，就是一個重要的發(fā)展方向。智能汽車在解決汽車尾氣排放、交通擁堵和交通事故頻發(fā)等問題上為人類帶來福音。

智能汽車通過在普通汽車的基礎上加入先進的傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，通過車載傳感系統和信息終端進行人、車、路等的智能信息交換，最終實現行車的環(huán)境感知、科學的規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛，直至最終的無人駕駛等功能。比如研發(fā)上最賣力的Google無人駕駛技術，汽車將不再需要司機，也不再需要方向盤、油門、剎車等，乘客只需報出目的地即可。

據悉，智能汽車涉及兩項關鍵技術：傳感器技術和輔助駕駛技術。傳感器類似于人的“眼睛”，比如攝像圖像傳感器、輪胎溫度壓力傳感器、光敏傳感器等。這些傳感器能感知汽車周圍的物體，特別是駕駛道路的車輛，行人以及紅綠燈等路況信息，并將這些信息傳送給汽車的“大腦”，即智能計算機系統進行數據分析和處理，做出駕駛判斷。

讓我們來看看特斯拉汽車上都裝備了哪些智能駕駛傳感器。

特斯拉汽車上安裝了20多個高精度的傳感器，這些傳感器設備主要用來進行汽車周邊的信息收集，并把收集的周邊環(huán)境數據傳送給車載計算機，由這個“大腦”來實現是否進行避讓、超車等。

當然，對于一些要求更高的車輛，則裝備了更為精良的傳感器系統。比如為了解決 “短視”的問題，谷歌無人智能汽車就是通安裝在車頂價值65000美元的激光傳感器來收集時時數據。另外有些汽車則采用更多種探測手段同時搜集道路信息的方式，比如紅外探測、短波雷達探測以及視頻監(jiān)測、超聲波等探測技術。以通用在凱迪拉克ATS-L、XTS等車型上使用的ESS強化安全策略II為例，通過紅外探測、短波雷達以及視頻監(jiān)測，不僅可以實現ACC主動巡航功能，也可以實現低速自動剎車、碰撞預警及緩解等功能。這些新的主動安全技術都在推動智能駕駛技術的發(fā)展。

當下，汽車正在經歷從功能性向智能化的發(fā)展轉變過程，電子化程度會越來越高，在汽車智能化趨勢下，處于車聯網與自動駕駛市場雙風口的傳感器市場也在逐漸升溫。

車載攝像頭成為“智能汽車之眼”

在眾多傳感器中，屬于視覺傳感器的車載攝像頭因為應用廣泛、成本合理的特性，逐漸成為智能汽車技術中使用最多和最常見的傳感器。由于自動駕駛的初級階段——ADAS已迎來高速成長期，前視車載攝像頭已經涉及到主動安全，未來是自動緊急剎車（AEB）、自適應巡航（ACC）等主動控制功能的信號入口，所以車載攝像頭不僅僅被認識是智能汽車的標準配件，還成為了“智能汽車之眼”。

由于車載攝像頭能夠顯著提升道路安全，因此各國的監(jiān)管機構和保險公司不斷鼓勵車載攝像頭的使用。比如，美國國家公路交通安全局就在前不久要求2018年5月1日以后生產的所有輕型車輛必須安裝倒車后視攝像頭。有研究機構預計，車載攝像頭全球出貨量將從2014年2800萬顆增長至2020年的8270萬顆。行業(yè)專家測算，到2020年車載攝像頭需求量將突破1.1億顆，平均每輛車裝配1顆以上。

中國的數據表明，2015年上半年我國車載攝像頭需求量為648萬顆，全年約為1300萬顆。未來5年隨著中國品牌汽車在智能駕駛上發(fā)力以及車載攝像頭環(huán)視功能的逐漸普及，我國攝像頭的市場需求將快速升溫。根據整車生產企業(yè)在ADAS的推進進度，車載攝像頭的市場將在2017年前后出現爆發(fā)式增長。

車載攝像頭按照應用領域可分為行車輔助（行車記錄儀、ADAS與主動安全系統）、駐車輔助（全車環(huán)視）與車內人員監(jiān)控。由于車載攝像頭的使用貫穿行駛到泊車全過程，因此對攝像頭工作時間與溫度有較高的要求。

另外，按照安裝位置，車載攝像頭又可分為前視、后視、側視以及車內監(jiān)控4部分，迄今為止運用最多的是前視以及后視攝像頭。不過，隨著ADAS系統普及率的提高以及人臉識別等技術運用于汽車電子領域，車內以及側視攝像頭將會得到更廣泛的應用。

目前，車載攝像頭產業(yè)鏈主要由日本和韓國、以色列等廠商掌控，其中為iPhone手機生產攝像頭的LG Innotek公司，從2013年開始生產汽車攝像頭。大陸、博世和Autoliv公司主宰了前置攝像機市場。據悉，其中模組工藝是技術難度最高的一環(huán)，也成為了其他企業(yè)進入前裝車載攝像頭市場的一大壁壘。

比如為特斯拉提供產品的Mobileye 是個以色列公司，專注于汽車安全技術，設計和生產汽車用的安全駕駛輔助系統，Mobileye 公司新推出一款汽車儀表盤攝像頭Mobileye 5系列，可以讓汽車實現智能緊急制動、自動測距巡航、行人識別、偏航提醒等功能。Mobileye 5系列的獨到之處則是先進的識別系統，可以識別路標、限速牌、行人，并在背面的LED屏幕上顯示，或是發(fā)送警報音提醒用戶避讓。據數據顯示，Mobileye 5系列可以降低39%的總體碰撞，并節(jié)省15%油耗。

目前，實現自動駕駛時全套ADAS功能將安裝6個以上攝像頭，高端汽車最多搭載8個攝像頭，可幫助實現可視化輔助泊車、緊急剎車等功能。根據三星手機攝像頭供應商、韓國最大汽車攝像頭制造商Mcnex公司介紹，未來，當攝像頭取代傳統的側視鏡，每輛汽車的車載攝像頭的數量有望上升至12個。

2015年，國內攝像頭企業(yè)開始大規(guī)模進軍車載高端攝像頭領域，可以說，中國車載攝像頭產業(yè)鏈才剛剛初顯雛形。

毫米波雷達正值爆發(fā)前夜

在所有的車用傳感器中，激光雷達精度最高，能夠滿足自動駕駛對精度的要求，但由于抗干擾性差且成本較高的缺點（單個激光雷達價格在10萬人民幣左右），尚不能廣泛的使用。而視覺傳感器與毫米波雷達傳感器則具有激光雷達所不具備的優(yōu)勢。

毫米波雷達通過雷達發(fā)射微波，微波遇到障礙物之后被反射回來，被雷達測速器接收，在短時間能夠計算出障礙物的大小及距離等特征。其優(yōu)點在于成本低，抗干擾性強，已經廣泛應用于ADAS系統。

毫米波雷達全天候特性使其在無人駕駛升級中的必備傳感器之一。高可靠性和直接測距使得毫米波雷達非常適合在AEB（自動剎車）和ACC（自適應巡航）中使用，AEB快速滲透將帶來毫米波雷達的旺盛需求。

與攝像頭、紅外線雷達相比，毫米波雷達不僅具有高距離分辨率、高角度分辨率、高速度分辨率，還具有不受惡劣天氣及極端光線影響的優(yōu)勢（表1）。

據悉，通過對汽車事故的調查統計分析，發(fā)現大約一半以上的事故是首尾相撞，這就是說有效的汽車防撞系統能夠對大約65%的事故發(fā)生起到阻止作用。同樣在高端汽車領域，人們越來越渴望高科技帶來的安全與便捷，結合信號處理技術實現汽車自主智能巡航、輔助泊車、汽車防撞雷達等各種系統已經改變了人們對傳統汽車電子的認識。

汽車毫米波雷達的典型應用有毫米波防撞雷達、自適應巡航、盲區(qū)檢測、輔助變道等功能。

自從德國奔馳汽車公司在1999年在S級高級轎車上面采用77GHz自主巡航控制系統（ACC）以來，越來越多的公司和供應商投入到汽車雷達系統研制、器件開發(fā)、和算法研究當中。隨著毫米波半導體器件成本降低、控制技術和信號處理技術的成熟，使得小體積、高性能的毫米波雷達的商用成為可能。

毫米波多波束雷達技術是現在很多公司研究發(fā)展的方向，這種雷達和多種傳感器結合，就可以監(jiān)測路邊情況、行車道的預測、對目標物體的識別與歸類等等。美國Millitech公司研制的應用于汽車防撞的毫米波多波束雷達，是一個較為先進的AICC系統。傳感器直徑145mm，深度為5mm，3束毫米波，束寬為2°，在100米的路面上可以分辨3.5米。天線部分采用了三凸透鏡、掃描反射鏡和傳輸反射鏡組件。

目前各個國家在頻段的選擇上各國所不同，歐洲和美國選擇的是對76～77GHz的集中研究，而日本則選用了60～61GHz的頻段，隨著世界范圍76～77G Hz毫米波雷達的廣泛應用，日本也逐漸轉入了76～77GHz毫米波雷達的開發(fā)。80年代初期以來，世界許多著名大學和研究機構，都被卷入到毫米波熱潮中。我國亦有100多個大學、研究所、工廠開發(fā)研究毫米波。

全球2020年有望超過1億顆需求量，國內有望超過1500萬顆需求量。毫米波雷達作為駕駛階段代表功能AEB的核心傳感器正值爆發(fā)前夜，而國產化也已經獲得突破。比如北汽無人駕駛汽車上裝載了國產77GHz毫米波雷達，其供應商是北京行易道科技有限公司，該公司也是我國第一家和主機廠合作的毫米波雷達公司。北京行易道科技研發(fā)的低成本77GHz毫米波雷達已經實現作用距離200米，是國內第一款上市產品。該產品已在2016北京國際車展北汽無人駕駛智能演示區(qū)內正式亮相，目前主要技術參數可以與國際領先企業(yè)德爾福的遠程雷達對標。2016年6月，行易道科技推出新的創(chuàng)新成果： 全球第一款77GHz成像雷達（防撞+SAR功能）目前已實現技術突破。

高端傳感器亟待打破國外壟斷

傳感器是一項需要積累的產業(yè)，測試非常嚴格，更需要政策的長期支持。

最近十年來，中國汽車傳感器的主要增長領域包括以下幾個方面：用于車輛動力學控制和安全氣囊的加速度計；用于傳動、剎車、冷卻、輪胎、燃油等方面的壓力傳感器；用于車輛動態(tài)控制、翻車報警和GPS后備的偏航速率傳感器；用于輪速以及凸輪軸、機軸、踏板位置敏感的位置傳感器；車廂環(huán)境監(jiān)控的濕度傳感器；日光、雨水和濕度傳感器；用于近距離障礙物檢測和避撞的測距傳感器。

但是在高端傳感器方面，以攝像頭、毫米波雷達、激光雷達為首的各類新型傳感器早已成為博世、法雷奧、德爾福、大陸等眾多外資零部件企業(yè)的重點布局領域。目前看，這些企業(yè)已經擁有成熟的技術和商業(yè)化應用的產品，甚至市場都基本占領。

更需要關注的是，外資企業(yè)推出零部件供應高度集成化，尤其在電子模塊領域。

“智能輔助駕駛系統，雷達、攝像頭等傳感系統，車載終端，車聯網通訊協議等關鍵共性技術沒有統一標準，阻礙了智能駕駛技術快速發(fā)展和配套設施建設。”中國汽車技術研究中心副主任吳志新說，我國企業(yè)智能汽車技術積累嚴重不足，關鍵技術研發(fā)滯后，電子元件、傳感器和芯片技術等關鍵核心零部件嚴重依賴跨國公司，車聯網技術及更高層次智能駕駛技術與美、日、歐差距較大，且車載終端長期定位在娛樂、導航和安防，與先進車輛控制和安全系統需求聯系不密切。

模塊化、集成化對產品的技術和工藝要求非常高，自主品牌很難短時間內與之競爭。而對于像ADAS等新興電子系統的模塊化供應產品，自主品牌零部件企業(yè)恐怕更是望塵莫及。

目前在政府部門引導下，我國正在構建智能汽車產業(yè)發(fā)展平臺和技術創(chuàng)新工程，加大在攝像頭、超聲波雷達、毫米級雷達等高性能傳感器，車聯網技術和相關核心芯片等方面的研發(fā)投入。目前南京隼眼已經在毫米波天線這個領域形成了自主的一些毫米波雷達專利技術。中國希望通過培育產業(yè)內和跨產業(yè)生態(tài)體系，引導車企、電子零部件企業(yè)、互聯網企業(yè)和信息企業(yè)間的上下游協作、優(yōu)勢互補和協同創(chuàng)新。

四維遠見一直在做車載雷達激光點云的數據處理研究，有了很不錯的成果。2016年6月，基于全球領先的中科院電子研究所的研發(fā)背景，行易道科技推出的全球第一款77GHz成像雷達（防撞+SAR功能）實現了技術突破。毫米波雷達方面，國內以華域汽車為代表的一部分企業(yè)在24Ghz雷達研發(fā)已有較多積累，產品即將問世，但77Ghz雷達突破仍然較難。自2015年開始，77GhzMMIC芯片逐漸對國內學術和民用放開，部分高校已經獲得相關芯片。東南大學是國家唯一的毫米波雷達重點實驗室，在國內毫米波雷達研發(fā)中走在前列。