駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)提升安全性

圖源：Have a nice day/AdobeStock

車輛安全系統(tǒng)的效率近年來突飛猛進(jìn)。大多數(shù)駕駛了新車型的人會(huì)告訴你，如果沒有倒車影像、車道偏離預(yù)警、盲點(diǎn)檢測和自動(dòng)制動(dòng)功能，他們都不知道該怎樣開車。

負(fù)責(zé)歐洲車輛安全評(píng)級(jí)和測試的機(jī)構(gòu)（NCAP）有一個(gè)雄心勃勃的想法。2017年9月，他們發(fā)布了“邁向零傷亡愿景（Pursuit of Vision Zero）”的2025年路線圖，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)汽車零事故。大家可以想象一下汽車零事故的情景。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，每年有130多萬人死于交通事故，其中94%是人為失誤造成的。

使用ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)），就有可能實(shí)現(xiàn)零事故。汽車制造商正在向2級(jí)（L2）自動(dòng)駕駛邁進(jìn)，這個(gè)級(jí)別的自動(dòng)駕駛可以接管車道居中，提供自適應(yīng)巡航控制，還可執(zhí)行自動(dòng)剎車。這樣，駕駛員就可以將手和腳從方向盤和踏板上移開一小會(huì)兒。

但是，觸目驚心的證據(jù)表明，駕駛員使用部分自動(dòng)駕駛的時(shí)間越長，他們就越粗心大意。

現(xiàn)在我們有了DMS

駕駛員注意力監(jiān)控器也稱為駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS），曾一度被看成是“雞肋”。現(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到，它們是任何部分自動(dòng)駕駛車輛的絕對必要配置。當(dāng)駕駛員心不在焉時(shí)，DMS會(huì)發(fā)現(xiàn)并向他們發(fā)出警告。多年來，它已被用于全球商業(yè)卡車和運(yùn)輸車隊(duì)中，以檢測并減少與分心相關(guān)的車禍?zhǔn)录尶ㄜ囁緳C(jī)安全回到家人身旁，讓公司律師無案一身輕。NCAP已將駕駛員監(jiān)控確定為主要安全功能。自2020年以來，歐洲所有上路的新車都必須達(dá)到5星級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)。

還沒有哪項(xiàng)技術(shù)能夠確定某個(gè)人的思想是否專注于駕駛。但是，技術(shù)可以監(jiān)控人的目光、頭部姿勢或手的位置，以確保他們的行為與集中注意力進(jìn)行駕駛的人一致。這種技術(shù)到最近一直在迅速發(fā)展。圖像傳感器的靈敏度更高，照明控制成本更低，準(zhǔn)確度更高，處理采用的新型數(shù)字信號(hào)處理芯片利用了人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。

我們發(fā)現(xiàn)，讓人類駕駛員更安全，要比用技術(shù)取代人類駕駛員更容易、更快、更便宜。我們距離SAE 4級(jí)或5級(jí)自動(dòng)駕駛可能還有很長一段路要走。

如何實(shí)現(xiàn)DMS

駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）使用有濾光片的CMOS攝像頭，通常具有1至2百萬像素的分辨率，安裝在方向盤后面或上方靠近中央后視鏡的位置（或過去安裝車內(nèi)后視鏡的地方）。例如，攝像頭的圖像傳感器可以是安森美具有全局快門的8.467mm AR0135CS，這意味著它可以同時(shí)掃描圖像的整個(gè)區(qū)域。這種全局快門還確保了與脈沖光源同步。此款傳感器提供并行和串行數(shù)據(jù)接口，與前一代產(chǎn)品相比暗光性能卓越，暗電流低10倍，快門效率高4倍，并具有720p的高清圖像質(zhì)量。此款傳感器還有配套的評(píng)估套件。

該系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分是駕駛員面部的照明。這是用肉眼看不到的近紅外光實(shí)現(xiàn)的。使用紅外線可以不讓駕駛員分心，并有助于消除陽光或路燈等不可預(yù)測的外部影響。紅外光受太陽鏡的遮擋也相對較小。

控制場景照明中使用的LED對這項(xiàng)任務(wù)來說至關(guān)重要。由于紅外光也可能成為安全隱患，因此必須精心選擇光照的周期和頻率。安森美NCV7694 LED驅(qū)動(dòng)器可以使用單個(gè)外部MOSFET驅(qū)動(dòng)紅外LED燈串。這款芯片提供全面的人眼安全功能。這個(gè)驅(qū)動(dòng)IC的PWM輸出進(jìn)入到MOSFET，產(chǎn)生恒定LED電流。來自圖像傳感器的FLASH信號(hào)輸入啟動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)輸出，控制器確保正確的時(shí)間。

圖1：具有圖像傳感器和NCV7694近紅外安全控制器的
典型設(shè)計(jì)的系統(tǒng)示意圖（圖源：安森美）

NCV7694芯片擁有配套的評(píng)估/開發(fā)工具NCV7694-GEVB（圖2），其采用21mm x 21mm板卡的形式，有兩個(gè)可選擇的LED光源：NIR OSRAM SFH4725S或白色CREE XPGBWT-L1-0000-00G51。通過分流電阻器將默認(rèn)LED峰值電流設(shè)置為3A。這個(gè)套件僅用于光照評(píng)估，不包括圖像傳感器。

圖2：安森美的NCV7694-GEVB安全控制器照明評(píng)估板

（圖源：安森美）

系統(tǒng)的兩個(gè)LED光源須以適當(dāng)?shù)墓饩€照亮相應(yīng)區(qū)域。電燈通常安裝在圖像傳感器的任一側(cè)，所需的光量根據(jù)與司機(jī)的平均距離計(jì)算。

光源的波長通常為850nm或940nm。850nm的波長可能引起光源造成的“紅光”效應(yīng)，人眼將其感知為紅光閃爍。在940nm處，不會(huì)有紅光閃爍。但圖像的眩光可能更多一些。例如，OSRAM的SFH 4725AS 940nm NIR LED燈，其在1.5A和3.1V的順向電壓下提供1,350mW/sr的光功率密度。

攝像頭圖像數(shù)據(jù)由視覺處理器/DSP評(píng)估，或直接在車輛ADAS系統(tǒng)中評(píng)估。DMS可以實(shí)現(xiàn)的出色功能需要使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。如今，幾乎所有行業(yè)都使用人工智能系統(tǒng)來執(zhí)行提高效率的任務(wù)。在我們的案例中，沒有人工智能，DMS實(shí)際上寸步難行。人工智能先于機(jī)器學(xué)習(xí)，但機(jī)器學(xué)習(xí)（或深度學(xué)習(xí)）能讓其如虎添翼。

成像器/處理器可以“盯著”駕駛員，從眨眼頻率到駕駛員目光方向無所不包，甚至可以檢測人的眼睛是否睜開。處理器系統(tǒng)得出駕駛員分心或打瞌睡的結(jié)論，可用適當(dāng)?shù)木嫘盘?hào)提醒駕駛員，建議休息。DMS中使用的一些AI處理器是許多公司提供的各種高性能FPGA、DSP和專用ADAS處理器。

軟件注意事項(xiàng)

DMS的開發(fā)通常需要集成不同的計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)組件。機(jī)器學(xué)習(xí)算法是處理更多數(shù)據(jù)時(shí)可以調(diào)整自身以獲得更高性能的程序（數(shù)學(xué)和邏輯）。許多公司專門為DMS提供軟件開發(fā)套件（SDK），Smart Eye AB（瑞典）等一些公司宣稱不考慮硬件。PathPartner Technology（加利福尼亞州）等其他公司表示，它們可在一系列汽車級(jí)平臺(tái)上使用，包括ARM、Intel、NXP、AMD、Renesas和Broadcom。

來自Cipia（以色列）的Driver Sense是一款基于軟件的駕駛員DMS，適用于OEM和一級(jí)供應(yīng)商，據(jù)稱可針對處理提供精簡硬件要求，并將處理移植到高性價(jià)比的低端處理器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全面合規(guī)。Seeing Machines（澳大利亞）提供其FOVIO嵌入式駕駛員監(jiān)控引擎（e-DME）芯片和軟件。該系統(tǒng)目前用于通用汽車的Super Cruise駕駛員輔助功能和新款梅賽德斯奔馳S級(jí)和EQS轎車。它具有非常大的駕駛數(shù)據(jù)集，據(jù)說讓設(shè)計(jì)師能夠?qū)MS無縫集成到其ADAS和半自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中。

專注于汽車的微處理器公司還提供帶有人工智能（AI）、自動(dòng)深度學(xué)習(xí)功能和軟件開發(fā)工具包的DMS系統(tǒng)開發(fā)工具。這些公司通常希望能夠更深入地參與車輛的整個(gè)ADAS系統(tǒng)。針對特定處理器的汽車級(jí)軟件包使開發(fā)人員能夠?qū)⑵涓鞣N算法從開發(fā)環(huán)境無縫轉(zhuǎn)換到完整實(shí)現(xiàn)。

機(jī)器學(xué)習(xí)的“學(xué)習(xí)”部分意味著這些程序會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變它們處理數(shù)據(jù)的方式。實(shí)施機(jī)器學(xué)習(xí)通常從框架開始。標(biāo)準(zhǔn)框架有許多種。僅舉幾例：Google的TensorFlow、蒙特利爾大學(xué)使用NVIDA CUDA的PyTorch、加州大學(xué)伯克利分校人工智能實(shí)驗(yàn)室的Caffe、純粹用Python編寫的Chainer，以及Microsoft CNTK。它們中的大多數(shù)都支持Python和C++編程語言。

幾乎所有駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都需要通過ASIL-A級(jí)安全驗(yàn)證。ASIL是Automotive Safety Integrity Level（汽車安全完整性等級(jí)）的縮寫。這是ISO 26262道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)所定義的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)系統(tǒng)。ISO 26262確定了A、B、C和D四個(gè)ASIL等級(jí)。ASIL A代表最低的風(fēng)險(xiǎn)程度。ASIL是一項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)安全要求，軟件和硬件均涵蓋在內(nèi)。

結(jié)語

未來的DMS可能超越面部成像和分析，并結(jié)合面部識(shí)別來保障安全。它將能夠識(shí)別駕駛者，并自定義座椅位置、后視鏡、加熱和音樂等車輛設(shè)置。它還將防止除車主以外的任何人駕駛車輛。DMS還可集成生物識(shí)別傳感器，如心率監(jiān)測器和呼吸酒精測試器，以確保駕駛員應(yīng)有的警覺性和能力。

在SAE L5級(jí)自動(dòng)駕駛（無需駕駛員）到來之前，您的車輛使用的將是由ADAS和人共同控制的系統(tǒng)。誰來控制？駕駛員無疑要監(jiān)控自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，而自動(dòng)駕駛系統(tǒng)也必須要監(jiān)控駕駛員。

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