無(wú)人駕駛的核心ADAS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

最近有關(guān)無(wú)人駕駛車輛的相關(guān)報(bào)導(dǎo)吸引了眾人的眼球，尤其是谷歌的實(shí)驗(yàn)汽車，在最大限度地降低人類駕駛員幫助的情況下，已經(jīng)自動(dòng)行駛了數(shù)千英里。

這些事件絕對(duì)令人印象深刻，并且將在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)對(duì)車輛操作和我們的駕駛體驗(yàn)產(chǎn)生革命性影響。不過(guò)，對(duì)于無(wú)人駕駛車輛的無(wú)限期待也容易使我們忽視了汽車廠商的大量短期開(kāi)發(fā)，而這些開(kāi)發(fā)對(duì)于改變駕駛行為同等重要。這些被統(tǒng)稱為高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 的開(kāi)發(fā)被設(shè)計(jì)用來(lái)使汽車更安全，逐步引入這些系統(tǒng)已對(duì)道路安全有所提升。此外，ADAS特性與功能代表最終將實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車所需的車輛感測(cè)、智能與控制。

ADAS技術(shù)存在于不同的主動(dòng)輔助級(jí)別，在引入這些技術(shù)時(shí)，它們所實(shí)現(xiàn)的功能有所重疊。駕駛員信息系統(tǒng)，比如說(shuō)簡(jiǎn)單后視攝像頭、全景影像顯示、以及盲點(diǎn)和車道偏離警報(bào)等，都提供相關(guān)信息，不過(guò)始終由駕駛員進(jìn)行掌控。部分自主系統(tǒng)，比如說(shuō)車道保持輔助和自適應(yīng)巡航控制，能夠使車輛在仔細(xì)定義的情況下，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行自我控制，但是駕駛員可以隨時(shí)介入，接管自動(dòng)控制。高度自主系統(tǒng)，其中包括自動(dòng)泊車管家或駕駛員監(jiān)視和接管，將在特定情況下完全控制車輛。這些較高級(jí)別的輔助等級(jí)采用更加基礎(chǔ)級(jí)別的技術(shù)，為無(wú)人駕駛、全自主汽車開(kāi)疆辟路。在這個(gè)級(jí)別上，不論駕駛座位上是否有人，車輛都能夠自主運(yùn)行。

雖然目前的實(shí)驗(yàn)顯示，針對(duì)無(wú)人駕駛汽車的必要技術(shù)已經(jīng)存在，但至少還需要十年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)全自主控制車輛的大量生產(chǎn)。然而，高級(jí)電子系統(tǒng)占用了自動(dòng)測(cè)試車輛的大部分空間，且其價(jià)格要比車輛本身的價(jià)格高出許多。要在大量生產(chǎn)的車輛中實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，這項(xiàng)技術(shù)必須更商業(yè)化、更小、更輕、并更易于負(fù)擔(dān)，這是一個(gè)需要一段時(shí)間才能逐步完成的過(guò)程。此外，克服法律和社會(huì)方面的障礙也都需要時(shí)間。明顯地，將路面上大量的車輛開(kāi)發(fā)、引入并轉(zhuǎn)換為無(wú)人駕駛將是一個(gè)革命性的過(guò)程，這一過(guò)程將通過(guò)許多代汽車的發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，ADAS完善了不同方面的自動(dòng)控制，首先是獨(dú)立子系統(tǒng)，然后是提高系統(tǒng)集成度，直到最后車輛才能夠自主駕駛。發(fā)展這些不同的輔助功能是汽車廠商的工作，他們寄望于德州儀器 (TI) 等半導(dǎo)體供應(yīng)商能夠提供創(chuàng)新技術(shù)和解決方案。由于ADAS技術(shù)變化很快，汽車制造商需要能夠提供額外性能、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增長(zhǎng)的解決方案，以及用最少的設(shè)計(jì)更改實(shí)現(xiàn)新特性集成的靈活性。ADAS和其它汽車系統(tǒng)還對(duì)制造組件提出了不尋常的挑戰(zhàn)，其中包括在極端溫度條件下運(yùn)行、滿足更高的質(zhì)量、可靠性和安全標(biāo)準(zhǔn)，并且符合嚴(yán)格的目標(biāo)成本。借助其在汽車電子產(chǎn)品方面的豐富創(chuàng)造經(jīng)驗(yàn)，TI能協(xié)助ADAS開(kāi)發(fā)人員提供優(yōu)化、完整的解決方案，來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并大幅減少組件數(shù)量。

ADAS的采用狀態(tài)與挑戰(zhàn)

如之前所述，目前汽車內(nèi)已具備某些ADAS特性，而另一些針對(duì)即將上市車型的特性還在開(kāi)發(fā)中。信息和警報(bào)系統(tǒng)已問(wèn)世數(shù)年，也逐漸發(fā)展成為目前常見(jiàn)的基本輔助功能。例如，許多近期的車型具有倒車輔助功能。超聲波和攝像頭能夠擴(kuò)展駕駛員的感知范圍，并且在有物體突然出現(xiàn)在汽車后方時(shí)自動(dòng)剎車。攝像頭和超聲波在車輛倒退時(shí)能觀察車輛后方情況。同樣地，現(xiàn)在很多駕駛員可以依靠自主加速和方向盤控制來(lái)將汽車保持在車道的中間，即使在車速不斷變化的情況下也能根據(jù)交通情況實(shí)現(xiàn)巡航。某些汽車將全景或環(huán)繞影像等ADAS信息特性與信息娛樂(lè)系統(tǒng)結(jié)合，為車主提供全新等級(jí)的“信息娛樂(lè)”。早期系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)引入了認(rèn)知能力，比如說(shuō)讀取街道標(biāo)志或者檢測(cè)汽車周圍的物體，而購(gòu)買者將會(huì)在未來(lái)幾年有更多的選擇。

按照人們已經(jīng)熟知的發(fā)展模式，這些最初在高端車型中出現(xiàn)的特性將會(huì)移轉(zhuǎn)到中端車型上，最終將普及于所有新車。就安全性而言，保險(xiǎn)公司、管理部門和立法機(jī)構(gòu)通常會(huì)參與其中，通過(guò)令人滿意的保險(xiǎn)金和法律授權(quán)來(lái)加快階段性的引入和實(shí)施過(guò)程。在某些情況下，對(duì)于解決法律責(zé)任追究問(wèn)題，還有更改現(xiàn)有需求來(lái)說(shuō)，立法是必要的。例如，目前的攝像頭和內(nèi)部顯示器可以替代外部后視鏡，不但能通過(guò)消除危險(xiǎn)盲點(diǎn)來(lái)提高安全性，更使汽車外形更加具有流線性，從而降低車輛油耗，減少碳排放。然而，現(xiàn)有安全標(biāo)準(zhǔn)往往要求必須配備后視鏡，因此必須更改相關(guān)法規(guī)來(lái)允許這些改良的替代方法。在法律框架內(nèi)的第一個(gè)改變就是允許攝像頭的使用，而非側(cè)視鏡—這種被稱為攝像頭監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)備已經(jīng)在少數(shù)幾個(gè)國(guó)家內(nèi)率先推出。以歐洲NCAP系統(tǒng)為例，NCAP系統(tǒng)已針對(duì)盲點(diǎn)監(jiān)視給出星級(jí)評(píng)定；而美國(guó)的NHTSA則要求所有新出廠的車輛，在2018年以前必須配備后視攝像頭。

隨著汽車與汽車之間，以及汽車與道路沿線的裝置之間開(kāi)始通信，安全性成為另一個(gè)關(guān)注焦點(diǎn)。雖然建立這些通信對(duì)于自動(dòng)車輛來(lái)說(shuō)很重要，，但仍然需要保護(hù)它們不受惡意攻擊。這些問(wèn)題在技術(shù)層面并非不能實(shí)現(xiàn)，但它們也無(wú)法在一夕之間就被法律和社會(huì)認(rèn)可，而汽車廠商必須遵守的功能安全性標(biāo)準(zhǔn)也需要被建立。制造商將需要依靠半導(dǎo)體和設(shè)備供應(yīng)商來(lái)來(lái)容易并快速地生產(chǎn)最終產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

發(fā)展ADAS特性

下列圖表標(biāo)示出某些現(xiàn)有或正在開(kāi)發(fā)中的重要ADAS創(chuàng)新；然而，這些領(lǐng)域隨著新想法的涌現(xiàn)而持續(xù)發(fā)展。所列出的每個(gè)自主控制等級(jí)為之后的自主功能提供技術(shù)支撐。也就是說(shuō)，信息系統(tǒng)也許是被動(dòng)地提供警示給駕駛員，但它們對(duì)于所有形式的自主功能也是不可或缺的組件。同樣地，基本主動(dòng)操作之后將會(huì)與高級(jí)控制和全自動(dòng)化操作整合。（這些級(jí)別大體上與國(guó)家公路交通安全管理局的車輛自動(dòng)駕駛5級(jí)分類相對(duì)應(yīng)，這些車輛自動(dòng)駕駛的基本級(jí)別由分類用車輛的功能數(shù)量來(lái)區(qū)分。）

信息和警報(bào)

?具有駕駛員顯示器的側(cè)方和后方攝像頭

?倒車輔助

?接近交叉路口警示

?車前和車后駕駛員視線受限區(qū)域的超聲波感測(cè)

?交通信號(hào)識(shí)別

?車道標(biāo)記檢測(cè)

?盲點(diǎn)警示

?夜間視覺(jué)

?能見(jiàn)度較差情況下，測(cè)定前方物體所在范圍

?車輛與車輛之間，和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信

?整個(gè)汽車和周圍空間的動(dòng)態(tài)顯示圖像

?駕駛員注意力分散時(shí)的駕駛室監(jiān)視和警示特定功能的自動(dòng)駕駛

?車道保持輔助，以保持在車道中央

?針對(duì)不斷變化交通情況下的自適應(yīng)巡航控制

?通過(guò)自動(dòng)剎車來(lái)避免碰撞

?自動(dòng)緊急剎車

?智能大燈輔助功能，為前方彎道照明，或避免使其他交通參與者短期致盲

組合功能自動(dòng)駕駛

?具有保持車道中間的自適應(yīng)巡航控制

?交通堵塞輔助

有限的自動(dòng)駕駛自動(dòng)化

?自動(dòng)停車/泊車輔助

?公路自動(dòng)駕駛

完全無(wú)人駕駛自動(dòng)化

ADAS發(fā)展的技術(shù)要求

ADAS技術(shù)的發(fā)展涉及數(shù)個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新。兩個(gè)重要的相關(guān)趨勢(shì)包括縮小傳感器、攝像頭和電子組件等單個(gè)組件的尺寸，并且將專用功能集成到更加綜合性的系統(tǒng)中。因?yàn)樾枰　⒏阋说慕M件來(lái)搭建用戶所能負(fù)擔(dān)的更大系統(tǒng)，這些趨勢(shì)之間是互為補(bǔ)充的。例如，用于車道保持輔助的前置攝像頭也可以用來(lái)偵測(cè)車輛前方物體、讀取交通信號(hào)或剎車來(lái)避免碰撞。然而，執(zhí)行更加復(fù)雜的ADAS功能不僅僅需要更多攝像頭和超聲波、LIDAR和雷達(dá)等傳感器的輸入，還需要將來(lái)自不同傳感器組件的數(shù)據(jù)融合在一起。數(shù)據(jù)融合可以克服單個(gè)傳感器解決方案的缺陷，并提供一定程度的冗余度。

圖1. 傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

更多的高分辨率傳感器和攝像頭全部都轉(zhuǎn)換為對(duì)高帶寬和高性能處理的要求。目前，ADAS使用了不同的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)和拓?fù)?。不論最終標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果如何，它對(duì)于減少接線以盡可能降低重量和縮短安裝時(shí)間來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵。同時(shí)必須降低延遲以確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的高效傳輸。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)可以讓視頻和其它數(shù)據(jù)、控制信號(hào)，甚至電源在單根電線上傳輸，大幅降低對(duì)重量和連接器尺寸的要求，從而縮小模塊本身的空間，以及裝配線路的重量。

視頻處理是ADAS技術(shù)發(fā)展的另外一個(gè)領(lǐng)域，處理由攝像頭產(chǎn)生的海量像素?cái)?shù)據(jù)所帶來(lái)的巨大工作量。首先，系統(tǒng)必須過(guò)濾和調(diào)節(jié)視頻圖像的順序，然后識(shí)別出所需的范圍。接下來(lái)，系統(tǒng)必須識(shí)別出停止標(biāo)志、行人和其它車輛等體，然后決定采取的任務(wù)。這些關(guān)鍵時(shí)間的每一個(gè)任務(wù)在縮短數(shù)據(jù)流的同時(shí)，也會(huì)增加運(yùn)算的復(fù)雜度。因此，從針對(duì)原始數(shù)據(jù)輸入的專用視頻信號(hào)處理，到針對(duì)物體掃描和識(shí)別的可編程信號(hào)處理，到針對(duì)影響車輛操作決策的高性能微處理器系統(tǒng)都需要異構(gòu)處理。圖像處理需要盡可能將最多的異構(gòu)處理組件組合在一起，連同將攝像頭數(shù)據(jù)提供給處理器的快速通信接口。

除了靈活通信和異構(gòu)處理，ADAS系統(tǒng)依賴集成、及自適應(yīng)電源管理。與大多數(shù)電子系統(tǒng)相比，汽車電壓的變化范圍更大，就溫度范圍、振動(dòng)和污染而言，周圍環(huán)境對(duì)器件運(yùn)行會(huì)造成很大的壓力。電源管理解決方案尤其重要，這不僅僅是因?yàn)樗鼈優(yōu)槠渌骷峁┛煽侩娫?，也是因?yàn)樗鼈優(yōu)橄到y(tǒng)提供有效保護(hù)而免于損壞。穩(wěn)健耐用的電源管理雖然不為使用者查覺(jué)，但系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員知道電源管理對(duì)于ADAS技術(shù)發(fā)展的絕對(duì)必要性。

提供針對(duì)ADAS要求的解決方案

ADAS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員可以仰賴TI為他們的技術(shù)需求提供解決方案。在需要ADAS技術(shù)的情況下，開(kāi)發(fā)人員需要?jiǎng)?chuàng)新解決方案來(lái)提供可負(fù)擔(dān)性、適應(yīng)變化的靈活性、滿足極端汽車運(yùn)行條件的可靠性，以及針對(duì)未來(lái)增長(zhǎng)的足夠性能。在汽車廠商工作的領(lǐng)域內(nèi)，用模擬和數(shù)字功能、深入的設(shè)計(jì)支持和可靠電源，增加這些高級(jí)集成和封裝能力。，TI已經(jīng)為全范圍產(chǎn)品的提供做好準(zhǔn)備，來(lái)支持汽車供應(yīng)商遵守這些需求和嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)；汽車廠商可以用這些產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)ADAS創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)。

專業(yè)化產(chǎn)品中最復(fù)雜的要求就是高性能應(yīng)用處理器；這個(gè)處理器是基于ADAS攝像頭的傳感器和數(shù)據(jù)融合，以及某些基于雷達(dá)特性的核心。這個(gè)被稱為TDAxx片上系統(tǒng)的解決方案集成了高效執(zhí)行這一異構(gòu)任務(wù)的廣泛功能。它專門為高級(jí)視覺(jué)處理和控制而設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)性能、功耗和成本有效性之間的最佳均衡（圖2）。TDA2x實(shí)現(xiàn)了高端ADAS視頻系統(tǒng)，而TDA3x則是針對(duì)入門級(jí)和空間受限的系統(tǒng)。

圖2. 隨著復(fù)雜度增加，專業(yè)視覺(jué)處理最大限度地增加了性能和效率。

這些產(chǎn)品集成了一個(gè)通用雙CortexTM-A15處理器，雙C66x DSP，以及一個(gè)可編程Vision AccelerationPac。Vision AccelerationPac中一個(gè)或多個(gè)專業(yè)嵌入式視覺(jué)引擎 (EVE) 使它能夠在單位耗電量下提供比RISC高7倍的計(jì)算性能。這使DSP和RISC內(nèi)核能夠處理專門用于ADAS任務(wù)的中高級(jí)算法。TI的創(chuàng)新包括一個(gè)視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)套件 (SDK) 來(lái)實(shí)現(xiàn)快速算法原型設(shè)計(jì)，以及與視頻捕捉、視頻預(yù)處理、視頻分析算法和視頻顯示相關(guān)的不同數(shù)據(jù)流的快速創(chuàng)建。

TI將外設(shè)集完全集成在TDAxx解決方案內(nèi)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和最大限度地減小空間占用，從而使傳感器數(shù)據(jù)融合更加便捷（圖2）。通信接口，特別是針對(duì)基于攝像頭系統(tǒng)（比如說(shuō)全景影像和倒車攝像頭）的接口，得益于TI最新一代FPD-Link III SerDes系列，這個(gè)產(chǎn)品系列將遠(yuǎn)程ADAS衛(wèi)星與中央控制模塊之間的連接簡(jiǎn)化為單根同軸電纜。由更小連接器和高集成度組件實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化接線和更小模塊確保了用于ADAS的不斷增長(zhǎng)的傳感器模塊數(shù)量不會(huì)對(duì)新出廠的汽車造成額外的成本和重量負(fù)擔(dān)。汽車系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，比如說(shuō)汽車千兆以太網(wǎng)，將需要不同類型通信解決方案開(kāi)發(fā)方面的深入專業(yè)知識(shí)。

不同電壓電平的異構(gòu)處理器功能在同一器件、和外部器件內(nèi)也會(huì)有不同的電壓需求。電源管理IC必須能夠在避免功率驟增和電壓瞬變的同時(shí)，從汽車的多變電池電源中提供穩(wěn)定、可靠電壓。TI先進(jìn)的電源管理技術(shù)和解決方案讓汽車電子組件開(kāi)發(fā)人員能夠?yàn)樗麄兊腁DAS系統(tǒng)選擇合適的電源管理器件。公司在汽車行業(yè)解決方案生成和創(chuàng)建方面積累了長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)為高性能處理、通信和電源管理產(chǎn)品提供了技術(shù)支持。

ADAS發(fā)展正在推動(dòng)汽車革命

雖然無(wú)人駕駛汽車仍在開(kāi)發(fā)中，高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)在我們身邊，其重要性正在快速增長(zhǎng)。當(dāng)前的型號(hào)正開(kāi)始突破信息和報(bào)警系統(tǒng)的范疇。然而，這些變化將會(huì)逐步遞增，隨著ADAS特性變得越來(lái)越小、更加易于集成、價(jià)格上也更加能令用戶接受。此外，這項(xiàng)技術(shù)不會(huì)自動(dòng)發(fā)展：必須要有與之相伴的法律和社會(huì)進(jìn)步。這些因素正在引領(lǐng)我們朝車輛自主駕駛邁進(jìn)，最終成功實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛車倆。

TI正在推動(dòng)ADAS創(chuàng)新，不斷縮小ADAS特性的尺寸、重量和花費(fèi)，與此同時(shí)，通過(guò)將之前獨(dú)立的功能集成在同一芯片或封裝內(nèi)，TI也在添加不斷增長(zhǎng)的功能性。高性能、異構(gòu)視頻處理、靈活通信接口、和高效、保護(hù)性的電源管理是其中3個(gè)最重要的技術(shù)進(jìn)步領(lǐng)域。TI技術(shù)進(jìn)步也正在實(shí)現(xiàn)針對(duì)模擬與數(shù)字技術(shù)、深入設(shè)計(jì)，以及生產(chǎn)支持的廣泛集成和封裝能力，這些能力在與汽車行業(yè)主要廠商之間的長(zhǎng)期合作中得以證明。所有這些技術(shù)進(jìn)步將推動(dòng)ADAS向前發(fā)展，并最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)車倆。