迎來(lái)“CASE”時(shí)代的汽車(chē)趨勢(shì)和技術(shù)課題(3) ～自動(dòng)駕駛和識(shí)別引擎～

本次作為迎來(lái)“CASE”時(shí)代的汽車(chē)趨勢(shì)和技術(shù)課題的第三次，我們將介紹面向?qū)嶋H應(yīng)用和實(shí)證實(shí)驗(yàn)突飛猛進(jìn)的自動(dòng)駕駛和掌控自動(dòng)駕駛“認(rèn)知”的識(shí)別引擎概要。

開(kāi)發(fā)和實(shí)證實(shí)驗(yàn)取得進(jìn)展的自動(dòng)駕駛功能

自動(dòng)駕駛功能愈來(lái)愈得到了實(shí)際應(yīng)用。2021年7月舉辦的東京奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)具有里程碑意義。除了已決定在選手村內(nèi)的移動(dòng)（循環(huán)線路）中引入自動(dòng)駕駛車(chē)輛(4級(jí))外，在羽田機(jī)場(chǎng)周?chē)脱睾８?a target="_blank">中心區(qū)域計(jì)劃進(jìn)行各種與自動(dòng)駕駛相關(guān)的實(shí)證實(shí)驗(yàn)。
自動(dòng)駕駛分為幾個(gè)級(jí)別，目前廣泛使用美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)(SAE)作為“SAE J3016”規(guī)定的6級(jí)(表1)。(在日本，政府發(fā)布的“官民ITS構(gòu)想和路標(biāo)圖2019”中總結(jié)了相同的定義)
檢測(cè)前方障礙物予以輔助制動(dòng)等所謂的ADAS(先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng))，一般屬于1級(jí)。此外，自適應(yīng)巡航控制和自動(dòng)車(chē)道保持的同步操作等2級(jí)功能也已得到實(shí)際應(yīng)用。雖然已經(jīng)出現(xiàn)配備3級(jí)功能的市售車(chē)，但由于法律完善的問(wèn)題，這種車(chē)輛尚未在日本國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售。

傳感器的主角是攝像頭、雷達(dá)和LiDAR(激光雷達(dá))

ADAS和自動(dòng)駕駛主要通過(guò)(A)認(rèn)知、(B)判斷、(C)操作這三個(gè)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)（駕駛員進(jìn)行駕駛也相同）。

其中，(A)識(shí)別是由傳感器和識(shí)別引擎(識(shí)別處理器)進(jìn)行的，除了對(duì)車(chē)輛前方的行人、自行車(chē)、迎面車(chē)、停放車(chē)輛、障礙物、車(chē)道、標(biāo)志、交通燈等進(jìn)行識(shí)別外，還對(duì)在車(chē)后和車(chē)側(cè)行駛的超越車(chē)輛、相鄰車(chē)道上的并行車(chē)輛等進(jìn)行適當(dāng)識(shí)別，并將該信息提供給后續(xù)的判斷功能。
作為傳感器，使用攝像頭、雷達(dá)、LiDAR等。

攝像頭

攝像頭包括單眼攝像頭、根據(jù)視差獲取深度信息的立體攝像頭(雙眼)、將立體攝像頭與不同焦距的單眼攝像頭組合而成的三眼攝像頭。按大致記載的順序感測(cè)精度提高，但成本也會(huì)隨之上升。
即使使用單眼攝像頭，如果自身的車(chē)輛在移動(dòng)，也可以根據(jù)某一幀及其后續(xù)幀的視差來(lái)弄清至行人或物體的距離。因此，低成本的單眼攝像頭現(xiàn)在仍被廣泛使用。

圖1 借助攝像頭拍攝到的障礙物檢測(cè)圖像

雷達(dá)(RADAR : RAdio Detection And Ranging)

LiDAR是一項(xiàng)輻射毫米波或微波，根據(jù)其反射來(lái)感測(cè)周?chē)娜?、物體的距離和位置的技術(shù)。幾年前，人們?cè)A(yù)測(cè)24GHz雷達(dá)將成為主流，但由于受電波頻段分配的制約，頻段窄至200MHz，所以人們將重點(diǎn)放在了可以使用4GHz左右的頻段也可以實(shí)現(xiàn)天線模塊小型化的77GHz頻段上。最近，還出現(xiàn)了使用低成本CMOS工藝的解決方案，毫無(wú)疑問(wèn)，它將成為未來(lái)的主流。

圖2 借助雷達(dá)拍攝到的障礙物檢測(cè)圖像

LiDAR (Light Detection and Ranging 或 Laser Imaging Detection and Ranging)

LiDAR是一種使用紅外激光取代電波的雷達(dá)。雖然它由于波長(zhǎng)比電波短，能夠獲得高分辨率，但它也面臨著易受雨和霧等氣象條件影響的課題。

圖3 借助LiDAR拍攝到的障礙物檢測(cè)圖像

由于各自的感測(cè)方式都有其優(yōu)缺點(diǎn) (表2)，因而也采用將兩種以上的技術(shù)融合(fusion) 起來(lái)的“傳感器融合”方式。譬如，據(jù)說(shuō)一輛擁有超過(guò)2級(jí)的先進(jìn)功能的豪華車(chē)，在車(chē)前、車(chē)側(cè)和車(chē)后總共配備了8個(gè)攝像頭和5個(gè)雷達(dá)。

由圖像處理加速器和推斷器構(gòu)成的識(shí)別引擎

識(shí)別引擎或圖像識(shí)別處理器根據(jù)來(lái)自攝像頭等傳感器的信息(圖像信息)識(shí)別前方和周?chē)鸂顩r。雖然已出現(xiàn)專用的ASSP和SoC，但也可使用通用的FPGA和GPU。特別是可以重寫(xiě)內(nèi)部邏輯電路的FPGA，適合于在試制中進(jìn)行算法驗(yàn)證。

識(shí)別引擎由以高性能處理器內(nèi)核為中心的各種圖像處理加速器構(gòu)成(圖4)。譬如，包括進(jìn)行圖像旋轉(zhuǎn)、放大或縮小的仿射變換加速器，白線識(shí)別所需的邊緣檢測(cè)加速器，獲取圖像亮度分布的直方圖加速器等。
為確保安全，識(shí)別處理必須在系統(tǒng)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，且必須將該識(shí)別結(jié)果傳遞給后續(xù)的判斷系統(tǒng)。因此，各自的處理是并行執(zhí)行的，而不是依序執(zhí)行的。
連接到識(shí)別引擎的內(nèi)存系統(tǒng)的性能也很重要，通常使用DDR2或DDR4等高速內(nèi)存。

圖4.識(shí)別引擎的概略方框圖

此外，近年來(lái)也安裝了深度學(xué)習(xí)（deep learning）的推斷器。目的是通過(guò)與傳統(tǒng)的匹配手法相結(jié)合來(lái)提高識(shí)別精度。
在不同的國(guó)家或地區(qū)、氣象條件、道路狀況下，將車(chē)輛行駛時(shí)收集到的大量攝像圖像和雷達(dá)圖像提供給高性能的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)(云等)以構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并作為推斷器安裝到識(shí)別引擎上。但是，由于高精確的推斷器需要大量的電路邏輯，關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)輕量化，包括減少位數(shù)和裁剪 (pruning) 等措施。

保證在高溫下運(yùn)行，抑制發(fā)熱是關(guān)鍵
在安裝由攝像單元、識(shí)別引擎等構(gòu)成的系統(tǒng)(ECU:電子控制單元)時(shí)應(yīng)予注意的是溫度。因高速處理大量數(shù)據(jù)而導(dǎo)致功率增大，零部件發(fā)熱使得整個(gè)ECU(電子控制單元)趨于高溫化。此外，該ECU一般安裝在靠近室內(nèi)后視鏡的背面，用于前方監(jiān)控。特別是在炎熱的夏天，車(chē)輛內(nèi)部會(huì)成為高溫，ECU即使從該狀態(tài)啟動(dòng)也必須正常工作。
需要選定溫度特性優(yōu)異、且在“電源電路的基礎(chǔ)知識(shí)(4)”中介紹的AEC (Automotive Electronics Council) 定義的0級(jí)和1級(jí)等工作溫度范圍廣的零部件。

為了抑制溫度升高，降低ECU本身的功耗也很重要。如果想提高識(shí)別引擎的性能，相應(yīng)地還需要更多的邏輯，功耗也會(huì)增大，所以需要選定一個(gè)均衡的解決方案。此外，在選定用于外圍電路的無(wú)源零部件、攝像頭(圖像傳感器)和DDR內(nèi)存時(shí)，還必須考慮功耗。

(2) 低電壓/大電流電源電路不可或缺
還需要注意電源。隨著識(shí)別引擎過(guò)程節(jié)點(diǎn)的微細(xì)化，內(nèi)核電壓已經(jīng)降至1.0V左右。假設(shè)功耗為10W，則需要準(zhǔn)備輸出為1.0V/10A的電源電路。如果額定電壓降低，則允許電壓范圍也會(huì)變窄，因此需要一個(gè)沒(méi)有變動(dòng)的穩(wěn)定的電源電路。

還需要注意安裝表面的電磁干擾。如果干擾疊加在攝像圖像或雷達(dá)圖像上，可能會(huì)導(dǎo)致識(shí)別錯(cuò)誤。需要適當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)電源(DC/DC轉(zhuǎn)換器)的開(kāi)關(guān)頻率，并設(shè)法使得電流隨著開(kāi)關(guān)操作切換的回路(熱回路)面積最小化。此外，在安裝包括圖像傳感器在內(nèi)的傳感器輸出的配線和模擬前端時(shí)，還需要使它們不易受外部噪波的影響。

另外，駕駛員負(fù)責(zé)駕駛至2級(jí)，但3級(jí)以上則由系統(tǒng)控制駕駛，因此，為了即使在電路和電源等發(fā)生故障（缺陷）的情況下也能保持安全性，必須進(jìn)行諸如使電力系統(tǒng)冗余化(雙重化)等方面的應(yīng)對(duì)。

深度學(xué)習(xí)的進(jìn)一步活用將促進(jìn)自動(dòng)駕駛

雖然需要解決法律完善和社會(huì)共識(shí)的問(wèn)題，但毫無(wú)疑問(wèn)，3級(jí)或4級(jí)等自動(dòng)駕駛功能在不久的將來(lái)將被投入實(shí)際應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，除了進(jìn)一步提升模式匹配等傳統(tǒng)技術(shù)外，深度學(xué)習(xí)肯定將是關(guān)鍵技術(shù)之一。找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城
另一方面，從電子產(chǎn)品的角度來(lái)看，兼顧識(shí)別引擎和感測(cè)系統(tǒng)的高性能化和低功耗化則將成為一個(gè)課題。如果提高性能，通常會(huì)導(dǎo)致功耗增加，發(fā)熱增大，電池的消耗也會(huì)加快。如何使性能和功率取得平衡似乎是未來(lái)的關(guān)鍵。

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審核編輯 黃宇