簡(jiǎn)述汽車(chē)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS的影像化趨勢(shì)

徐洋

摘要：汽車(chē)機(jī)電一體化作為機(jī)電一體化的分支，在近年的發(fā)展中得到了人們的廣泛認(rèn)知和重視。隨著對(duì)其廣泛應(yīng)用，讓汽車(chē)的安全性，舒適性和操控性上得到了極大的提高，推動(dòng)了汽車(chē)行業(yè)的跨越式發(fā)展。文章主要以高級(jí)輔助駕駛ADAS的影像化升級(jí)運(yùn)用與傳統(tǒng)輔助駕駛對(duì)比，分析影像化的必要性和趨勢(shì)性，對(duì)以后的輔助駕駛方向有一個(gè)更高的展望。

關(guān)鍵詞：高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng);雷達(dá)技術(shù);攝像頭技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0187-03

1? 概述

近年以來(lái)伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以及人們對(duì)機(jī)電一體化帶來(lái)的技術(shù)革新認(rèn)可度的逐年提高，使之在日常生產(chǎn)生活等諸多領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。縱觀(guān)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展歷史，從蒸汽時(shí)代到內(nèi)燃機(jī)時(shí)代，再?gòu)碾S后的電器時(shí)代發(fā)展到如今的信息時(shí)代，汽車(chē)的發(fā)展歷史完整的勾勒出機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)上的發(fā)展史，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS變得越來(lái)越人性化，各種駕駛輔助應(yīng)用，如：倒車(chē)影像、360度環(huán)視、自動(dòng)泊車(chē)、抬頭顯示HUD、車(chē)道監(jiān)視等等技術(shù)的應(yīng)用，使得機(jī)電一體化技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用不斷升級(jí)，使得人們的駕駛體驗(yàn)提高到一個(gè)新的平臺(tái)。

2? 機(jī)電一體化技術(shù)在汽車(chē)中應(yīng)用的幾個(gè)階段

按時(shí)間的順序來(lái)劃分，機(jī)電一體化技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用主要分為三個(gè)階段：第一階段是二十世紀(jì)六十到七十年代期間，機(jī)電一體化技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)為對(duì)汽車(chē)機(jī)械裝置的改善中，如電控燃油噴射、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向等技術(shù)的應(yīng)用中。第二階段是八十年代到九十年代期間，伴隨著集成電路的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其解決了機(jī)械裝置在初期難以實(shí)現(xiàn)的控制難題，大大提高了汽車(chē)行駛的安全性。第三階段是二十世紀(jì)末至今，隨著信息技術(shù)特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用不斷向自動(dòng)化、智能化發(fā)展，大大提高了人們對(duì)駕駛體驗(yàn)的舒適性。

3? 高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS的發(fā)展史

早在20世紀(jì)70年代，以美國(guó)、德國(guó)等傳統(tǒng)汽車(chē)制造強(qiáng)國(guó)為代表的國(guó)家就開(kāi)始對(duì)無(wú)人自動(dòng)駕駛汽車(chē)進(jìn)行了深入的可行性和實(shí)用性研究，并且取得了實(shí)質(zhì)的突破性進(jìn)展，雖然我國(guó)這方面研究相對(duì)于這些國(guó)家有著十余年時(shí)間的代差，但是也取得了不錯(cuò)的成績(jī)，例如90年初期由北理和國(guó)防科大等高校聯(lián)合研制的ATB-1無(wú)人車(chē)，行駛時(shí)可以達(dá)到時(shí)速21KM/H，而此測(cè)試車(chē)也標(biāo)志著中國(guó)無(wú)人駕駛正式起步。另外2014年由解放軍軍事交通學(xué)院研發(fā)的無(wú)人駕駛車(chē)輛在高速路上進(jìn)行了測(cè)試，其最高測(cè)試時(shí)速達(dá)到了110KM/H，并且在測(cè)試期間實(shí)現(xiàn)自主變道36次，一舉奪得“中國(guó)智能車(chē)未來(lái)挑戰(zhàn)賽”的冠軍。而2015年長(zhǎng)安實(shí)現(xiàn)了從重慶到北京的高速路無(wú)人駕駛測(cè)試，這進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有再到精的過(guò)程。提到自動(dòng)駕駛肯定要提到自動(dòng)駕駛的等級(jí)區(qū)分如表1。

由美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)和美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局聯(lián)合制定的自動(dòng)駕駛分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以分為如下階段：

L0階段：此階段主要功能為輔助駕駛系統(tǒng)。ADAS駕駛系統(tǒng)，主要有LDW、FCW、MOD、PCW等，這些輔助功能對(duì)駕駛起到輔助，提醒和警示作用，不干涉駕駛員的駕駛。

L1階段：此階段主要功能為干預(yù)行輔助駕駛。例如AEB，檢測(cè)前方的障礙物，并且提供剎車(chē)制動(dòng)，ACC，跟隨模仿前方車(chē)輛駕駛，保持安全距離。

L2階段：此階段主要功能為半自動(dòng)駕駛。例如LKA車(chē)道保持，人在良好交通情況下可以選擇性的自動(dòng)駕駛，人為駕駛為主，汽車(chē)自動(dòng)駕駛為輔。

L3階段：此階段主要功能為人車(chē)交互駕駛。汽車(chē)自動(dòng)駕駛，人參與指揮汽車(chē)行駛，以自動(dòng)駕駛為主，人為駕駛為輔。

L4階段：此階段主要功能為汽車(chē)全自動(dòng)駕駛：人不做任何只會(huì)或控制車(chē)輛駕駛，由車(chē)輛全自動(dòng)駕駛。

所以歸總各階段的功能我們可以得到一個(gè)按階段區(qū)分的表2。

綜合分析表1、表2，可以發(fā)現(xiàn)清晰勾勒出ADAS的發(fā)展進(jìn)程和由技術(shù)提升帶來(lái)的ADAS功能性更加完善，早期在ADAS中主要是被動(dòng)的報(bào)警式預(yù)警，當(dāng)檢測(cè)到潛在的危險(xiǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)出語(yǔ)音提示駕駛者注意異常情況，如倒車(chē)時(shí)障礙提示等。由于技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)式的干預(yù)就變得越來(lái)越常見(jiàn)，也使得ADAS的功能變得越來(lái)越完善。而技術(shù)的交替追趕主要體現(xiàn)在雷達(dá)和攝像頭技術(shù)的進(jìn)步，說(shuō)到視覺(jué)影像化必然就繞不過(guò)去雷達(dá)和攝像頭的發(fā)展歷史。

3.1 雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用

雷達(dá)在ADAS上的運(yùn)用較多的大致分為以下幾種如圖1所示：主要分為超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)三種雷達(dá)，超聲波雷達(dá)是頻率高于20000Hz的聲波，其優(yōu)點(diǎn)就是方向性好，穿透能力強(qiáng)，不過(guò)受干擾較大，范圍也只有1米左右，常見(jiàn)的倒車(chē)?yán)走_(dá)用的就是超聲波雷達(dá)。毫米波雷達(dá)是波長(zhǎng)1-10mm的電磁波，其帶寬大，分辨率高，天線(xiàn)不見(jiàn)尺寸小，能適應(yīng)惡劣環(huán)境。對(duì)霧霾、煙、灰塵的穿透能力強(qiáng)，能滿(mǎn)足除暴雨天氣以外的其他全天時(shí)氣候。而且由于軍用波段放開(kāi)限制以后，車(chē)場(chǎng)開(kāi)始用毫米波雷達(dá)波段達(dá)到77GHz頻段，所以按照現(xiàn)階段ADAS傳感器分類(lèi)毫米波雷達(dá)將77GHz工作頻率歸為長(zhǎng)距雷達(dá)，探測(cè)距離可以達(dá)到200米以上，但是探測(cè)角度只有20度左右。由于頻率高，電路設(shè)計(jì)和材料工藝難度較大。一般安裝在前保險(xiǎn)杠內(nèi)部。在ACC自適應(yīng)巡航方面使用的就是長(zhǎng)距雷達(dá)。另外傳統(tǒng)2.4GHz雷達(dá)被歸為短距雷達(dá)，如側(cè)方短距雷達(dá)工作頻率2.4GHz。覆蓋角度達(dá)到150度以上，但是探測(cè)距離較小，只有70米左右。其成本較低，但是體積較大。實(shí)際運(yùn)用到的有SAM盲區(qū)檢測(cè)，LCA變道輔助，RCW追尾碰撞預(yù)警等功能。最后一種激光雷達(dá)，其是以激光光束工作的雷達(dá)，它是發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)相比，有著很多優(yōu)點(diǎn)。激光雷達(dá)會(huì)自己描繪周?chē)h(huán)境的3D圖像，距離和速度分辨率等數(shù)據(jù)。在抗干擾方面相對(duì)于普通雷達(dá)而言有著較強(qiáng)的抗干擾能力，外界對(duì)普通雷達(dá)的干擾信號(hào)源能干擾激光雷達(dá)的不多，所以在日常使用時(shí)比較可靠，但是事情總有正反兩面性，激光雷達(dá)也有自己的缺點(diǎn)：第一就是貴，最普通的激光雷達(dá)需要幾十萬(wàn)起步;第二穿透能力差，在大雨、濃煙、霧霾等壞天氣下幾乎不能使用;第三，搜索范圍小，所以導(dǎo)致其探測(cè)效率沒(méi)有其他雷達(dá)高效。

3.2 攝像頭技術(shù)應(yīng)用

攝像頭技術(shù)方面一般分為單目和雙目攝像頭如表3所示，早期ADAS中普遍應(yīng)用的都是單目攝像頭，主要用于對(duì)目標(biāo)類(lèi)型的判斷和車(chē)道線(xiàn)的識(shí)別，而后由于算法的提高，ECU運(yùn)算能力的提高，以及成本的降低，不少中高端車(chē)型已經(jīng)開(kāi)始裝配雙目或者多目攝像頭，單目攝像頭的算法思路和工作原理為先識(shí)別物體然后進(jìn)行距離測(cè)量：首先通過(guò)圖像和數(shù)據(jù)庫(kù)中圖像匹配進(jìn)行識(shí)別，然后根據(jù)圖像大小和高度進(jìn)一步估算障礙與本車(chē)距離。在識(shí)別和估算的時(shí)候，都需要反復(fù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比判定。也就是說(shuō)如果想要識(shí)別某款車(chē)，就要建立這款車(chē)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，想要識(shí)別動(dòng)物就需要建立對(duì)應(yīng)動(dòng)物的數(shù)據(jù)庫(kù)。而雙目攝像頭的算法思路和工作原理是先對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行距離測(cè)量后再進(jìn)行識(shí)別確定：首先利用攝像頭的視差原理直接測(cè)量物體與車(chē)的距離，其原理和人眼類(lèi)似。也就是當(dāng)兩只眼睛看同一個(gè)物體時(shí)，由于存在視差，也就是單獨(dú)運(yùn)用左右眼觀(guān)察物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感官上的位移。運(yùn)用這種位移大小可以進(jìn)一步測(cè)量出目標(biāo)物體的距離。然后在物體識(shí)別時(shí)，雙目攝像頭仍然要利用單目一樣的原理算法，進(jìn)一步識(shí)別物體到底是什么?，F(xiàn)在主要能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)道偏離報(bào)警，車(chē)道保持，對(duì)行人和車(chē)輛的AEB等。除了單雙目攝像頭之外，現(xiàn)在還有多攝像頭組成一個(gè)視覺(jué)平臺(tái)。其平臺(tái)設(shè)計(jì)方案中會(huì)選用長(zhǎng)焦和廣角攝像頭與ADAS主攝像頭輔助配合，兼顧起對(duì)周?chē)h(huán)境以及遠(yuǎn)處物體的探測(cè)。當(dāng)然也有在環(huán)視平臺(tái)上疊加ADAS功能的情況。例如運(yùn)用環(huán)視平臺(tái)做車(chē)道偏離預(yù)警比運(yùn)用單目攝像頭實(shí)現(xiàn)該功能有著天然優(yōu)勢(shì)。在大雨天氣或者前方強(qiáng)光源影響視線(xiàn)的情況下，前視攝像頭有可能連車(chē)道都無(wú)法分辨，而環(huán)視攝像頭由于其斜向下的攝像角度且可以提供多個(gè)角度視角觀(guān)察，基本不會(huì)受到天氣原因引起的地面積水反光影響，功能和穩(wěn)定性上可以比前視攝像頭穩(wěn)定的多。但其也有不足之處需要考慮側(cè)向無(wú)車(chē)燈照射時(shí)攝像頭的夜間表現(xiàn)。

由于攝像頭受環(huán)境影響非常大，雨、雪、霧霾、沙塵都會(huì)使識(shí)別能力降低，并且在強(qiáng)光下受到干擾?，F(xiàn)在更多的是以攝像頭識(shí)別為主，雷達(dá)測(cè)量輔助的運(yùn)用模式如圖2所示。原理是先對(duì)圖像中的場(chǎng)景進(jìn)行道路以及障礙物或者各種特殊物體的分割，在分割基礎(chǔ)上進(jìn)行AI對(duì)比并對(duì)物體做出識(shí)別，再根據(jù)物體分割識(shí)別的結(jié)果，結(jié)合單目攝像頭對(duì)物體的測(cè)距算法就可以測(cè)量更遠(yuǎn)距離的物體，這樣我們就能將雙目攝像頭對(duì)圖像的浮點(diǎn)運(yùn)算類(lèi)似激光雷達(dá)的精準(zhǔn)測(cè)距及物體分割的優(yōu)點(diǎn)與視覺(jué)單元基于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)模型進(jìn)行物體分類(lèi)以及物體估距的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，建立出一套更好的3D視覺(jué)系統(tǒng)。

在最新一期的《2019年ADAS自動(dòng)駕駛市場(chǎng)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》中也分別從攝像頭的安裝增長(zhǎng)和雷達(dá)安裝增長(zhǎng)上做出了對(duì)比分析如圖3和圖4。

可以明顯的發(fā)現(xiàn)設(shè)想頭的安裝量在爆發(fā)式的增長(zhǎng)，2020年中國(guó)乘用車(chē)車(chē)載攝像頭前裝市場(chǎng)的裝車(chē)量達(dá)多達(dá)2000萬(wàn)枚，同比增長(zhǎng)接近15%。在前視攝像頭方面裝車(chē)量同比增長(zhǎng)28%，環(huán)視攝像頭方面裝車(chē)量同比增長(zhǎng)30%，而在雙目攝像頭的裝車(chē)量方面由于成本的不斷降低更是有著170%的驚人增長(zhǎng)。而乘用車(chē)毫米波雷達(dá)實(shí)際出貨量同比增長(zhǎng)僅為54%。而由于攝像頭的更多安裝，更加豐富了ADAS的功能，如：駕駛員困倦報(bào)警系統(tǒng)，夜視系統(tǒng)，自適應(yīng)遠(yuǎn)光控制系統(tǒng)，行人/障礙物/車(chē)輛探測(cè)系統(tǒng)等。為駕駛者提供更多的安全輔助保證。

4? 未來(lái)展望

現(xiàn)階段我們正處于汽車(chē)駕駛的部分自動(dòng)化和有條件的自動(dòng)化過(guò)渡階段，隨著國(guó)家發(fā)改委關(guān)于《只能汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》的印發(fā)，例如華為、騰訊等一批大的公司加入其中，對(duì)智能駕駛從軟件到硬件的性能大幅提升，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、視訊化，從而在2025年實(shí)現(xiàn)有條件自動(dòng)駕駛的智能汽車(chē)達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)，并且對(duì)實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)駕駛的智能汽車(chē)在特定環(huán)境下市場(chǎng)化應(yīng)用努力推進(jìn)，相信，隨著軟件算法，芯片算力，5G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)通信，硬件探測(cè)單元性能的提高到最終一期2035-2050規(guī)劃年，我們將實(shí)現(xiàn)從ADAS的輔助駕駛到完全的自動(dòng)駕駛過(guò)渡。

參考文獻(xiàn)：

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