電氣化和ADAS中傳感器的發(fā)展

電氣化和ADAS中傳感器的發(fā)展

汽車的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是使用的傳感器越來越多。

在CASE趨勢(shì)下，傳感器主要應(yīng)用在兩個(gè)方面：電氣化和ADAS功能，后者包含自主、定位和車聯(lián)萬物（V2X）。增加傳感器是新的電氣/電子（E/E）系統(tǒng)架構(gòu)和ADAS系統(tǒng)發(fā)展的一部分。與排放控制一樣，政策法規(guī)也在推動(dòng)安全性能的改進(jìn)，歐盟新車安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)（NCAP）、美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）及歐盟均制定了相關(guān)法規(guī)。

為了實(shí)現(xiàn)汽車電氣化，越來越多的磁（電流）傳感器被用于電池監(jiān)控（電池管理系統(tǒng)）。EV的發(fā)展降低了對(duì)ICE的依賴，這可能會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的動(dòng)力總成壓力傳感器（監(jiān)測(cè)來自MAP、BAP、變速箱油和GPF等的壓力）產(chǎn)生不利影響，但這種情況長(zhǎng)遠(yuǎn)來看會(huì)得到改善。目前，具有混合動(dòng)力總成的HEV為傳統(tǒng)傳感器和新型傳感器的集成提供了最佳切入點(diǎn)，這些傳感器包括用于平視顯示器（HUD）的光傳感器、用于車輪扭矩的磁傳感器、用于里程表和導(dǎo)航的慣性傳感器、用于動(dòng)力總成監(jiān)控的壓力傳感器，以及用于電動(dòng)動(dòng)力總成的電流傳感器等。

除了電氣化，ADAS是促使所有類型的車輛中傳感器增加的另一個(gè)因素。為了賦予汽車更多的自主性，汽車需要發(fā)展其自身的情境感知能力。為此，車輛需要適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽?a target="_blank">仿真人類對(duì)環(huán)境的感知。

但是我們應(yīng)該清楚，消費(fèi)汽車市場(chǎng)中用于ADAS的傳感器套件與Waymo、Cruise等出行即服務(wù)（MaaS）業(yè)務(wù)模型中用于完全自主的傳感器大不相同。后者采用高成本、高性能、工業(yè)級(jí)傳感器和先進(jìn)的處理平臺(tái)，其成本和能耗都超過消費(fèi)類汽車一個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然其成本增加了，但技術(shù)相當(dāng)先進(jìn)，因而車主愿意承受。而對(duì)ADAS來說，關(guān)鍵則是以低成本提供優(yōu)良的性能。下面列出了一些重要的ADAS傳感器：

• 圖像傳感器：正成為ADAS中最重要的傳感器。攝像頭就像是汽車的眼睛，幾乎都采用了互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器。汽車攝像頭搭載率的不斷提高，有助于實(shí)現(xiàn)不同功能：

前視：從一個(gè)長(zhǎng)距離攝像頭發(fā)展到三個(gè)攝像頭，擴(kuò)大了視野，也擴(kuò)展了ADAS的作用范圍。

環(huán)視：從僅僅實(shí)現(xiàn)倒車和停車輔助功能的后置攝像頭，發(fā)展到環(huán)繞汽車的360°視野，可提供更好的情境感知能力（包括倒車、在狹窄空間停車、轉(zhuǎn)彎和其他操作）。

• 駕駛員監(jiān)控：根據(jù)歐盟NCAP 2025的規(guī)劃，駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)被提上日程（2020年開始），用來監(jiān)控駕駛員因飲酒、疲勞而引起的注意力分散和身體不適，以降低安全風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)還可以監(jiān)控乘客、檢測(cè)被遺留在車內(nèi)的孩子或動(dòng)物，以避免中暑等意外。雖然這種座艙監(jiān)控技術(shù)在市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位，但是也有其他技術(shù)與之競(jìng)爭(zhēng)，如熱傳感器、飛行時(shí)間（ToF）或雷達(dá)。

• 超聲波傳感器：可近距離檢測(cè)障礙物或行人，其主要功能是輔助停車和避免碰撞，也可用于座艙信息娛樂系統(tǒng)的手勢(shì)識(shí)別功能。當(dāng)然，也有與之競(jìng)爭(zhēng)的其他技術(shù)，如ToF攝像頭。

• 雷達(dá)：仍然是測(cè)量相對(duì)距離和速度的最佳傳感技術(shù)。過去幾年中，強(qiáng)制實(shí)施自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）在很大程度上推動(dòng)了雷達(dá)的發(fā)展?，F(xiàn)在，雷達(dá)技術(shù)不斷提高其角分辨率，相關(guān)廠商都在努力開發(fā)3D雷達(dá)（博世、大陸集團(tuán)已經(jīng)發(fā)布了相關(guān)產(chǎn)品）或4D成像雷達(dá)，以及單片微波集成電路（MMIC）解決方案。

• 激光雷達(dá)（LiDAR）：是最新進(jìn)入汽車生態(tài)系統(tǒng)的傳感器。激光雷達(dá)可以在黑暗中工作，并精確監(jiān)控周圍環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)更高級(jí)感知功能所需的傳感器。為了檢測(cè)物體深度，以及檢測(cè)近處和遠(yuǎn)處的物體，需要將ADAS攝像頭數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)有效融合。但是，對(duì)一級(jí)供應(yīng)商和OEM來說，集成激光雷達(dá)傳感器要比集成雷達(dá)和攝像頭復(fù)雜得多。為了更好地實(shí)現(xiàn)集成、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或降低成本，OEM還有很多工作要做。

紅外熱像儀/傳感器可以“看”到遠(yuǎn)紅外光譜（8~14μm），比較適合在暗光條件下工作。黃昏時(shí)因?yàn)楣饩€較弱，人類駕駛員開車會(huì)感到困難，ADAS攝像頭在陽光直射、深陰影和弱環(huán)境光條件下有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)問題。采用紅外傳感器可以檢測(cè)到生物和其他發(fā)熱物體散發(fā)的熱量，從而補(bǔ)充CMOS傳感器，改善汽車的安全功能。最大的熱像儀制造商FLIR一直提倡在ADAS中采用熱成像技術(shù)作為補(bǔ)充，還展示了這種技術(shù)在實(shí)現(xiàn)更有效的自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）和更好的行人檢測(cè)時(shí)具備的優(yōu)勢(shì)。

• 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收器：可以在數(shù)字地圖上定位車輛，并利用互連來增強(qiáng)ADAS功能，這些對(duì)ADAS具備情境感知能力至關(guān)重要。但是，在某些情況下（高樓林立的城市街道、隧道、樹下等），可能沒有GNSS信號(hào)。因此，它越來越多地與其他定位系統(tǒng)配合使用。

• 里程表傳感器：裝在車輪上，用于記錄截至最后一個(gè)已知位置的行駛距離。

• 慣性測(cè)量單元（IMU）：用于檢測(cè)慣性變化，根據(jù)最近的已知位置計(jì)算當(dāng)前位置。

上面列出的最后兩個(gè)傳感器是短距離感知的備用器件，當(dāng)GNSS不可用時(shí)可以幫助估算車輛的位置，從而始終保持高精度定位。

除了ADAS，汽車連接性和E/E（電氣/電子）架構(gòu)也在不斷變化。關(guān)于連接性，相關(guān)法規(guī)正推動(dòng)大多數(shù)國家/地區(qū)到2023年實(shí)現(xiàn)基于5.9GHz頻帶的通信，如基本的車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）通信以及車輛到車輛（V2V）通信。5G連接將在先進(jìn)的V2X中大顯身手。

電子/電氣架構(gòu)

E/E架構(gòu)一直以來都依賴多個(gè)不同的分布式汽車子系統(tǒng)，即電子控制單元（ECU）。通常每個(gè)ECU都提供一種功能，ECU之間幾乎沒有連接。這種方法目前在不太先進(jìn)的E/E架構(gòu)中仍然很普遍。但隨著傳感器數(shù)量和功能的增加，E/E架構(gòu)將越來越多地采用功能域的概念，如用于信息娛樂、舒適性、動(dòng)力總成、傳感和安全性的特定域控制器。

奧迪是第一個(gè)在汽車（A8車型zFAS模塊）中實(shí)現(xiàn)域控制器的OEM，其前置傳感器（即遠(yuǎn)距離雷達(dá)、前向ADAS攝像頭和激光雷達(dá)）都連接到該控制器。采用功能域控制器，ADAS等功能可以集成來自完全不同的傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并結(jié)合先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，做出低延遲的正確決策，從而避免發(fā)生碰撞或其他災(zāi)難性事故。

雷達(dá)和攝像頭在汽車中使用得越來越多，由此產(chǎn)生的營收有助于汽車行業(yè)從新冠疫情的危機(jī)中快速復(fù)蘇。預(yù)計(jì)2021年雷達(dá)市場(chǎng)的營收將超過2019年，在2025年達(dá)到91億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）19％。攝像頭市場(chǎng)的營收在2021年也將超過2019年，到2025年達(dá)到81億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率18％。但激光雷達(dá)市場(chǎng)的營收不會(huì)很高，因?yàn)槟壳爸挥幸患襉EM將這種傳感器作為一種選擇，而且還只是在部分車型中。其他OEM，例如寶馬和沃爾沃，預(yù)計(jì)將在未來幾年內(nèi)跟上，但其應(yīng)用仍將限于高端車型，因此數(shù)量也十分有限。在這種情況下，預(yù)計(jì)2025年激光雷達(dá)市場(chǎng)營收將達(dá)到17億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為113％。

文章來源：ednchina Pierrick Boulay

編輯：ymf