《 產業觀察 ｜ 自動駕駛與汽車半導體的(de)未來之路 》一文介紹了(le) Cadence 的(de)汽車峰會，本文將聚焦于無人(rén)駕駛車輛的(de)關鍵零件之一：感測器。
在 Cadence 汽車峰會上，Uhnder 的(de)首席執行官 Manju Hegde 對感測器進行了(le)精彩的(de)概述，重點介紹了(le)攝像頭、雷達和(hé)光(guāng)學雷達(簡稱光(guāng)達)等核心感測器的(de)零件。
感測器要求
Menju 列出了(le)關於感測器的(de)十一個關鍵要求：
1. |
感應範圍： |
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應能充分(fēn)適應車速。 |
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2. |
視野（FoV）： |
足夠寬闊以展示全景視野。這裡的(de)一部分(fēn)原因是由自動緊急制動規則—— AEB 2018 所驅動的(de)，而由於 2020 和(hé) 2022 對視野的(de)要求更高(gāo)，要求車輛能夠在交叉路口避免發生碰撞，因此現在需要更寬的(de) FoV。 |
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3. |
角度： |
角度檢測和(hé)解析度應滿足檢測相關特徵的(de)要求。這個問題在於雷達識別人(rén)類的(de)能力相對較弱（雷達對玻璃纖維帆船的(de)識別能力也(yě)相對較弱，所以人(rén)們在桅杆頂部設置了(le)一個特殊的(de)反射器）。 |
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4. |
速度： |
測量並解析移動物(wù)體的(de)速度。雷達可(kě)以做(zuò)到這一點，但大(dà)多(duō)數光(guāng)學雷達不能直接做(zuò)到這一點，它們可(kě)以透過測量一段時間內幀與幀之間的(de)差異來間接實現這點。 |
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5. |
分(fēn)類： |
雷達在這方面的(de)能力比較欠缺。美(měi)國軍方擁有每架敵方坦克和(hé)飛機的(de)雷達標記，並採用(yòng)了(le)機器學習。雷達在探測範圍內很難識別物(wù)體類型（樹、行人(rén)、汽車等）。 |
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6. |
顏色： |
顏色對交通(tōng)信號燈來說尤為重要，部分(fēn)色盲者隻能在距離交通(tōng)信號燈足夠近的(de)情況下(xià)通(tōng)過亮燈的(de)位置來進行判斷。 |
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7. |
信號處理(lǐ)用(yòng)度： |
從獲得(de)原始感測器資料到得(de)出「這是個小孩」或「這是一個消防栓」等結論，中間涉及大(dà)量的(de)信號處理(lǐ)和(hé)圖像分(fēn)類工作。 |
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8. |
運行： |
當所有照(zhào)明(míng)燈（日間和(hé)夜間行車燈）打開時，或在惡劣天氣中時，運行其全部功能面臨著巨大(dà)的(de)挑戰。 |
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9. |
惡劣天氣： |
雨(yǔ)、霧、雪(xuě)。即使是人(rén)類，在惡劣天氣狀況下(xià)也(yě)會遇到麻煩。 |
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10. |
幹擾： |
存在兩種幹擾類型，分(fēn)別是環境幹擾和(hé)其他(tā)感測器幹擾。攝像頭比人(rén)眼更容易因受到圖像信號幹擾而產生混亂。車上有多(duō)個雷達和(hé)光(guāng)學雷達單元。雷達發出的(de)信號通(tōng)常隨距離的(de)平方而減弱，並且返回的(de)反射波也(yě)會隨距離的(de)平方而減弱（從目標處開始計算(suàn)），因此雷達的(de)感應範圍是距離的(de)四次冪。因此，當一輛駛向我們的(de)汽車在 R2 處充滿雷達信號，而我們又正在 R4 對其進行探測時，就很容易因為幹擾而產生混亂。再加上每輛車可(kě)能有 4-6 個雷達，產生的(de)幹擾就更大(dà)了(le)。 |
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11. |
成本： |
關於何時可(kě)運用(yòng)無人(rén)駕駛汽車的(de)預測，部分(fēn)取決於成本。谷歌(gē) / Waymo 可(kě)以製造幾輛無人(rén)車在鳳凰城(chéng)行駛而不關心其成本，但降低感測器成本對批量生產至關重要。而降低成本最終還是需要依靠技術，才能將感測器運用(yòng)到售價 2 萬美(měi)元的(de)汽車中。 |
感測器類別
三種感測器類別分(fēn)別是視覺感測器（攝像頭）、雷達和(hé)光(guāng)學雷達。
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視覺感測器： |
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汽車所需的(de) CMOS 圖像感測器（CIS）與消費性電子產品不同（消費性電子產品所需的(de) CMOS 圖像感測器主要關注於製作好的(de)Instagram圖像）。汽車需要擁有高(gāo)動態範圍和(hé)更好的(de)低光(guāng)靈敏度的(de)圖像感測器，其應有更高(gāo)的(de)圖元、更低的(de)解析度、更快(kuài)的(de)回應時間，並能同時滿足在更高(gāo)和(hé)更低溫度下(xià)工作的(de)性能需求（智慧手機要適應口袋的(de)溫度，而汽車則需適應像沙漠和(hé)雪(xuě)山那樣的(de)極端氣候）。顯而易見，攝像頭有一個很大(dà)的(de)缺陷：即與人(rén)類在夜間行車時一樣，其視野受到車輛前照(zhào)燈的(de)限制。同時，攝像頭需要一直保持清潔，這是另外一個問題。 |
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光(guāng)學雷達： |
現在市面上有大(dà)量不同類型的(de)光(guāng)學雷達（甚至比利用(yòng)光(guāng)學雷達的(de)方式還多(duō)）。對於汽車而言，目前樣車使用(yòng)的(de)是機械掃描光(guāng)學雷達，但從長遠來看，使用(yòng) MEMS 微振鏡或光(guāng)學相控陣的(de)固態光(guāng)學雷達是重點發展目標。光(guāng)學雷達的(de)運用(yòng)存在一個小問題，即使用(yòng)波長為 850-940nm 的(de)近紅外光(guāng)雷達成本最低，但這種雷達會對眼睛造成傷害，且需要在有太陽光(guāng)的(de)環境中使用(yòng)。波長為 1550nm 的(de)雷達性能更高(gāo)，這種雷達的(de)許用(yòng)能量比近紅外光(guāng)雷達高(gāo) 5 個數量級（500,000 倍而不是 5 倍），所需的(de)太陽光(guāng)比近紅外光(guāng)雷達低 10 倍，但是成本十分(fēn)昂貴。其加分(fēn)項在於角度解析度很高(gāo)，但在遇到反光(guāng)性很差的(de)物(wù)體和(hé)霧 / 雨(yǔ) / 雪(xuě)天氣時也(yě)會出現問題；同時，清潔也(yě)是一個需要注意的(de)問題。 |
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雷達： |
目前所有的(de)雷達都使用(yòng)模擬 FMCW（調頻連續波）發送線性調頻脈衝，這種脈衝與接收到的(de)反射波混合，之後降低速度至基頻帶，再使用(yòng)低通(tōng)濾波器。有一個問題是，車上需要有多(duō)個雷達單元，但每次隻能有一個雷達單元發射信號，因此有必要進行時分(fēn)多(duō)工（基本上，每次隻有一個信號繞每個雷達旋轉）。 |
優勢和(hé)不足
以上是各個感測器類型的(de)蜘蛛圖。左方是雷達圖，中間是光(guāng)學雷達圖，右方是視覺感測器圖。
這些感測器都很重要，因為如果我們同時使用(yòng)這些感測器，那麼一種感測器的(de)優勢就可(kě)以彌補另一種感測器的(de)不足。雷達無法判斷交通(tōng)燈是紅色還是綠色，但是視覺感測器可(kě)以；視覺感測器在大(dà)霧天看不清楚，但雷達可(kě)以；諸如此類……但是這些感測器離人(rén)們的(de)需求仍有很大(dà)差距。
新一代雷達
「如果我們對雷達感測器進行改造會怎麼樣？今天的(de)雷達都是為探測大(dà)型目標而設計的(de)。現在，很多(duō)公司都在研究對雷達感測器進行改造這個問題。」 Manju 表示。
如果我們的(de)雷達具有更大(dà)的(de)感應範圍，更高(gāo)的(de)解析度（垂直和(hé)水(shuǐ)準方向），非常靈敏的(de)速度檢測，更好的(de)明(míng)暗目標比率和(hé)更強的(de)抗幹擾性，那麼將對現在的(de)雷達帶來極大(dà)改變，如上面的(de)蜘蛛圖所示。
更重要的(de)是，這將縮小與人(rén)類需求之間的(de)差距。事實上，這些改造將大(dà)大(dà)縮小這一差距，從而使光(guāng)學雷達具有邊際價值。對於快(kuài)速駕駛，車頭仍然需要安裝光(guāng)學雷達，以檢測道路上的(de)障礙物(wù)（如一塊木(mù)頭）；對於這類障礙物(wù)，雷達無法進行反射，而攝像頭也(yě)無法及時檢測。但是總體而言，所需的(de)光(guāng)學雷達數量會減少。
是新一代雷達將是一個絕佳的(de)解決方案：透過取消多(duō)個光(guāng)學雷達，我們將從成本上獲益。Menju 的(de)未來發展藍圖如下(xià)圖所示（綠色部分(fēn)代表 Unhder 正在開發的(de)雷達）：
溫度感測器
Owl Autonomous Imaging 公司的(de) Chuck Gershman 提出了(le)第四種感測器類型：溫度感測器。其一大(dà)優勢在於可(kě)以探測到活物(wù)，而且可(kě)以在白天和(hé)夜晚照(zhào)常工作，還能應對各種天氣狀況。
僅僅使用(yòng)光(guāng)學雷達並不能滿足我們的(de)需求，光(guāng)學雷達雖然能看到物(wù)體，但無法對此做(zuò)出判斷。此外，光(guāng)學雷達的(de)感應範圍在惡劣天氣下(xià)嚴重降低。特別是 905nm 的(de)光(guāng)學雷達，在霧和(hé)雨(yǔ)中會完全失去感應能力。貓頭鷹公司已研發出一款焦平面陣列（FPA）雙色探測器，並將其交付給空軍使用(yòng)。
正如 Chuck 在結束演講時所說的(de)：「我們的(de)感測器能直接看到活人(rén)。」
《華爾街(jiē)日報》關於感測器的(de)報導
《華爾街(jiē)日報》曾發表過一篇關於汽車感測器的(de)文章(zhāng)：
「在低能見度條件下(xià)，包括在日落之後，攝像頭在捕捉環境圖像方面效果不佳。然而，光(guāng)學雷達和(hé)雷達不受黑(hēi)暗的(de)影(yǐng)響，因為它們透過波長大(dà)於和(hé)小於可(kě)見光(guāng)的(de)各種電磁波收集有關環境的(de)資訊。」
其實，人(rén)眼也(yě)是如此工作的(de)。我們通(tōng)常透過在車輛前部放置高(gāo)強度可(kě)見波長光(guāng)源產生器，並查看其反饋回來的(de)內容來解決這個問題。而這些光(guāng)源產生器被稱為前照(zhào)燈。光(guāng)學雷達和(hé)雷達並非由於所使用(yòng)的(de)波長而不受到黑(hēi)暗的(de)影(yǐng)響，而是因為它們已經做(zuò)了(le)類似的(de)事情，發出電磁輻射脈衝，然後查看其回饋回來的(de)內容。
引用(yòng)一句話：
「滾珠軸承用(yòng)於將感測器固定在汽車頂部，而在不平坦的(de)路面上行駛會影(yǐng)響光(guāng)學雷達的(de)校準，並導緻滾珠軸承過度磨損。車輛遇到這些情況的(de)次數越多(duō)，光(guāng)學雷達感測器需要更換的(de)頻率就越高(gāo)。」
目前，放置於車頂上的(de)大(dà)型旋轉式光(guāng)學雷達並未被真正提議作為進行商業批量生產的(de)解決方案。它們的(de)成本比汽車的(de)其他(tā)零件都要高(gāo)，這些隻是實驗平臺。如上所述，若想進入經濟上可(kě)行的(de)商業生產，我們需要一個沒有滾珠軸承和(hé)其他(tā)配件的(de)固態光(guāng)學雷達解決方案。
譯文授權轉載出處
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