挽救生命的傳感器：半導(dǎo)體如何改變汽車安全

Joseph Notaro

隨著世界上人口的增多和道路上行駛的車輛激增，交通安全的改善還不能很快實現(xiàn)。盡管自2000年以來死亡率已降低了一半以上，從每10萬輛車輛中的135例降低到64例，但死亡總數(shù)仍在繼續(xù)攀升。 今天，有94%的事故歸因于駕駛員的行為。

現(xiàn)在的汽車比以往任何時候都更安全。安全氣囊、強(qiáng)制安全帶以及車輛結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計的改進(jìn)讓駕駛員和乘客更有可能從撞車事故中離開。更好的制動和轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)，以及防抱死制動系統(tǒng)（ABS）或電子穩(wěn)定控制（ESC）等常見的創(chuàng)新，都依靠精確的傳感器來提高安全性，而先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）使得交通事故的可能性更低。隨著汽車變得更加自主，其目的是進(jìn)一步降低這種風(fēng)險。最終目標(biāo)是全自動駕駛，即“5級”，這可有效地消除人為錯誤。零傷亡愿景是一項多國計劃，其設(shè)想沒有道路交通事故導(dǎo)致死亡或重傷。改善汽車安全性的主要因素之一是提高汽車中電子器件的水平。例如，目前全球平均每輛汽車中有超過230個安森美半導(dǎo)體器件。

如果我們要實現(xiàn)零愿景，就不能自滿，還有許多工作要做。盡管汽車更安全了，但至少在發(fā)達(dá)國家，道路交通傷害仍然是5至29歲人群最普遍的死亡原因，根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）報告，每年因道路交通事故造成的死亡已達(dá)135萬人。

傳感器整合

二十年前，汽車中的所有傳感器都非常簡單，包含有一個測量油箱內(nèi)液位的燃油表，還有一個發(fā)動機(jī)溫度表，連同速度計和一些警告燈，也許還有轉(zhuǎn)速表，可能僅此而已。

如今，眾多電子傳感器正在幫助駕駛員以確保安全。例如，相機(jī)和成像傳感器有很多用途，包括ADAS、安全倒車和停車的后視圖以及車內(nèi)監(jiān)控。這意味著對于汽車制造商、整車廠商（OEM）和Tier-1來說，與具有廣泛產(chǎn)品的供應(yīng)商合作非常重要，以便他們可以為每種應(yīng)用選擇最佳的傳感器。傳感器還應(yīng)設(shè)計用于關(guān)鍵任務(wù)，并能夠在擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)運行。

性能也很重要。傳感器必須具有足夠高的分辨率以捕獲ADAS和其他系統(tǒng)的足夠細(xì)節(jié)，并且必須提供出色的圖像質(zhì)量以應(yīng)對黑暗、惡劣的天氣、眩光和其他問題。 例如，出色的動態(tài)范圍可以極大地改變從傳感器發(fā)送到ADAS系統(tǒng)處理器的圖像（見圖2）。 可以毫不夸張地說，這是生與死之間的區(qū)別，如果這意味著汽車可以更快地識別前方的問題。

除圖像傳感器外，雷達(dá)和激光雷達(dá)（LiDAR）是當(dāng)今汽車的必備工具。雷達(dá)可用于短距離、中距離和遠(yuǎn)距離應(yīng)用，例如躲避轉(zhuǎn)向、交匯點輔助和自適應(yīng)巡航控制，可望向前250米。對于每種使用情況，選擇合適的雷達(dá)收發(fā)器將確保最佳性能。

LiDAR補(bǔ)足雷達(dá)，其光子探測器能夠基于測量飛行時間（ToF）生成圖像以及3D地圖。這使LiDAR能夠提供高分辨率的深度數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)僅使用雷達(dá)或攝像機(jī)無法實現(xiàn)的目標(biāo)檢測能力。

實際上，最好的方案通常是在一種車輛中結(jié)合多種感知模式：成像、雷達(dá)和LiDAR，以及超聲波感知。使用多種類型的傳感器，它們的優(yōu)勢可以一起發(fā)揮作用，并且內(nèi)置了冗余。

付諸實踐 ：1億次

讓我們看一個示例系統(tǒng)：S U B A R U的EyeSight駕駛員輔助系統(tǒng)，使用安森美半導(dǎo)體的120萬像素AR0132AT CMOS圖像傳感器。EyeSight系統(tǒng)于2014年首次安裝在SUBARU的Levorg模型中，隨后又在Legacy、Forester、Impreza和SUBARU XV模型中提供。

EyeSight在其立體相機(jī)系統(tǒng)中使用圖像傳感器，以實現(xiàn)安全功能，包括自適應(yīng)巡航控制、車道保持輔助和搖擺警告、預(yù)碰撞制動和預(yù)碰撞油門管理。該系統(tǒng)已獲眾多獎項，包括日本新車評估計劃（JNCAP）的高級安全車三重加（ASV +++）最高評價。

現(xiàn)在，ADAS已成為一種主流技術(shù)，而不僅僅是高端汽車的保護(hù)。事實證明，安森美半導(dǎo)體已付運超過1億個AR0132AT圖像傳感器用于駕駛員輔助應(yīng)用，包括EyeSight。似乎沒有其他供應(yīng)商達(dá)到這種數(shù)量（并且在2018年，安森美半導(dǎo)體在用于駕駛員輔助的感知攝像頭擁有81%的市場份額），這表明了技術(shù)采用的規(guī)模。

駕駛時打瞌睡是交通事故的另一個主要原因。技術(shù)可以幫助監(jiān)控駕駛員的表現(xiàn)，并在他們似乎駕駛不穩(wěn)時發(fā)出警報或警告。 另一種選擇是使用基于攝像頭的系統(tǒng)來觀察駕駛員，并在發(fā)現(xiàn)疲勞跡象（如閉眼或頭部下垂）時觸發(fā)警報。例如，最近的演示系統(tǒng)集成了多個圖像傳感器，包括安森美半導(dǎo)體的AR0144AT 100萬像素傳感器，為運行人工智能（AI）軟件的車載系統(tǒng)提供圖像。

安全駕駛的未來

如今，僅美國就有28%的交通事故可以通過ADAS來防止，而安森美半導(dǎo)體的傳感器每年已經(jīng)挽救了8.1萬多條生命。這很好，但必須更好，我們將繼續(xù)努力改進(jìn)傳感器，并與合作伙伴合作，使汽車和道路更安全。成本也很重要；在低收入國家，交通事故的發(fā)生率要高得多，因此任何安全創(chuàng)新都應(yīng)該可以廣泛地負(fù)擔(dān)得起。

展望未來，我們還必須確保安全系統(tǒng)不僅能保護(hù)駕駛員和乘客，還需要幫助減少行人、摩托車手和騎自行車者的傷亡率。法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)正在認(rèn)識到這一點，例如歐洲新車評估計劃（EuroNCAP 2020），傳感器技術(shù)可以在保護(hù)弱勢道路使用者方面發(fā)揮重要作用。

行業(yè)的長期目標(biāo)必須是努力朝著零死亡、甚至零傷害和零事故的方向努力。這條路還有一段路要走，但我們正在努力盡快實現(xiàn)。