车辆设计中整合传感器要考虑的6件事

在实现先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶车(AV)的感测技术时，可能永远不会存在一种最有效的方法，因为每一家汽车制造商都会依据六项基本因素，决定如何以其独特方法将传感器整合至未来的车辆中。在 AutoSens Brussels 2020 在线会议闭幕前的一场专题讨论，业界专家们就如何正确搭配使用各种传感器，以及如何确保设计不至于损害安全性进行了讨论。
 
参与专题讨论的业界专家包括汽车嵌入式产品供货商 Valeo 的视觉系统和 ADAS 资深专家 Patrick Denny、富豪汽车(Volvo Car Corp.)技术主管 Paul-Henri Matha、Sense Media Group 执行董事 Robert Stead，以及设计公司 Astheimer Ltd 设计总监 Carsten Astheimer。笔者还与法国市场研究公司 Yole Développement 的技术和市场分析师 Pierrick Boulay 取得联系，了解 Yole 对汽车系统中各类传感器的应用有何见解。

图 1：汽车制造商依据六项基本因素将传感器整合于汽车中。

多少传感器才合适?

现在的车辆中采用了越来越多的传感器以有效解决安全问题。如今的车辆中有多少个传感器?到底需要多少个传感器才能进一步提高车辆自动驾驶的等级?Yole 的 Boulay 告诉笔者，“如果将 ADAS 的传感器也考虑在内，如超音波、雷达、感测摄影机、视角摄影机和光达(LiDAR)，估计一辆车有 10~20 个传感器，具体取决于车型。”当然，相较于低阶或中阶车款，在高阶车款中嵌入的传感器更多。
 
传感器是为车辆实现高度自动化的关键，自动化的程度越高，所需要的传感器数量和类型都将随之增加。“要实现高层级的自动化，预计要使用 35~40 个传感器。”Boulay 说，“针对短距离、中距离和长距离等不同应用，传感器的选择也有所不同。一个传感器不可能适合所有应用，每一种应用或场景都有不同的传感器规格与要求。”
 
不断增加的传感器数量只是人们所看到的一小部份。传感器将产生巨量的数据，而系统受到了处理能力的严重限制。“未来，拥有足够运算能力来处理从这些传感器所产生的庞大数据，将是一项十分重要的性能。”Boulay 说，“采用 Intel-Mobileye 芯片的典型 ADAS 系统运算能力已实现了飞跃性进展，从 0.25TOPS (高端笔记本电脑性能的 10 倍)到 2.5TOPS (新型 EyeQ4 芯片)，而自动驾驶车的运算能力已经超过了 250TOPS。”最终，车辆的电气 / 电子(E/E)架构需要从分布式架构转变为采用域控制器的集中式架构，以便能够管理传感器原始数据的融合。
 
那么，传感器是不是越多越好呢?Boulay 说：“有些人可能认为是这样，但是出于成本或整合方面的考虑，汽车中传感器的数量并不会无止境地增加。”他预计用于车辆自动化的传感器数量最终将在某个时候稳定下来。“具体取决于软件水平和公司有效处理大量资料的能力。如特斯拉(Tesla)等一些 OEM 至今尚未使用 LiDAR，而是依赖传感器与人工智能(AI)运算来实现高层级的车辆自动化。”
 
客观地说，“有些 OEM 使用了更少的传感器，但是却做得更好，差别就在软件水平和运算能力上。”他补充。
 
优化传感器组合

车辆可能一会儿行驶于晴天，一会儿却在雨中行驶。传感器需要持续监测不断变化的外部环境。提高可用性的一个有效方法是部署冗余的传感器，以因应可能发生的故障。Valeo 的 Denny 在专题讨论时说：“察看环境不能局限于某一种方法，当完全处于黑暗中或恶劣的天气环境时，需要透过多种方式并使用各种功能来协同工作。”
 
在人类视力看不清的情况下，可以依靠传感器提供协助，由于传感器种类多，因而能让车辆在所有气候和光线条件下可靠地行驶。Boulay 说：“摄影机在白天正常运作，但在夜间或雨雾情况下可能会变『盲』，而其他传感器则不受影响，所以即使车辆处于降级服务模式，仍然能够行驶。”
 
传感器应放置在哪里?

就像人类感官一样，放置传感器的位置必须根据需要制定策略，才能持续反馈车辆周边的情况。但具体放置在哪里却存在技术限制。例如，Denny 指出，前照灯中的水汽凝结会妨碍 LiDAR 运作;在下雪或寒冷天气时，霜冻可能导致传感器故障;红外线传感器无法穿透玻璃，因此不能放在挡风玻璃后面;同样地，在超音波传感器上涂漆可能改变其声学特性。
 
Volvo 的 Matha 说，传感器的功耗也是设计人员面临的巨大挑战。“每个传感器都要消耗 1~10W 的功率，实现 ADAS 功能的所有传感器消耗功率可能高达 100W 或 200W，碳排放达到 4g。因此我们必须降低功耗，例如，传感器也许不必一直保持工作状态。”
 
热管理是另一个要考虑的因素。Matha 说，挡风玻璃后的温度可能达到 90°C，或许没有哪一种传感器适合放在那里。“但如果将传感器放在其他区域，如前照灯中，就需要冷却系统，因此更复杂且成本高昂。”
 
专家指出，模拟和驾驶测试有助于确定传感器的最佳位置。Boulay 说，“传感器的位置是由 OEM 的目标应用而决定的。就我们目前所看到的，车辆上建置 LiDAR 用于高速公路上自动驾驶，则 LiDAR 应位于中央位置，基本上与 ADAS 摄影机和长距离雷达对齐。对于其他应用，例如停车或在市区内行驶，这些 LiDAR 的位置则不相同，可能位于车辆的侧边或角落。”
 
别让传感器降低车辆颜值

Matha 说，Volvo 的车子中目前整合了 20 种传感器，其中许多完全藏在里面，从外面看不到。例如，Volvo XC90 的前方停车摄影机位于散热器的护栅中，车侧的摄影机位于每个车门的后视镜中，而后方摄影机则位于车牌上方。Matha 说：“我们可以将传感器整合在车体内，并让它们看起来很美观。”

图 2：Volvo XC90 的前置摄影机。(来源：Volvo)

但我们一定要把传感器隐藏起来吗?能不能让它们成为一个吸引人的亮点?
 
Astheimer 认为，如果车子是智能产品，那它就应该看起来很智慧，“而不是把所有东西都隐藏起来。”现在的传感器都很小，足以完全整合于车辆中且让人几乎察觉不到。但是，随着完全自动驾驶的逐步实现，车辆开始自行驾驶，有些传感器将会“需要放置在极其显眼的位置。”例如 360° LiDAR 将会需要完全的视野，且其位置不容受到影响。
 
更重要的是，Astheimer 强调，设计人员和工程师需要共同努力，根据车辆的不同特性设计适用的传感器。Deliver-E 是一款电动配送车原型，由英国的华威大学制造工程学院(Warwick Manufacturing Group;WMG)、华威大学(University of Warwick)和 Astheimer 共同开发，它将摄影机整合于车辆侧面，并将 LiDAR 置于车尾部显著位置。
 
那么是否可以将所有传感器集中放在一个外部装置?Boulay 提到了 Magneti Marelli 的 Smart Corner，可以将 LiDAR、雷达、摄影机和超音波等传感器容纳其中，并使用 LED 来提供光处理功能，如自动调整光束和数字光处理。他说：“OEM 在制造过程中整合这些外部装置可能会比较容易，但如果发生事故，保险公司或消费者修理或更换这些装置的成本非常高。我们必须在整合、可修复性和成本之间找到一个平衡点。”
 
避免认知能力超载

人机接口(HMI)不仅连接了驾驶人和车辆，而且也将驾驶人与外界联系起来。但它也有风险，驾驶人会因丰富的功能分散注意力，从而漏读重要的驾驶信息。

图 3：Volta Trucks 的 Zero 电动送货车。(来源：Volta Trucks)

Astheimer 由于参与 Volta Trucks 的 Zero 电动货车设计，了解到加强驾驶人警觉的重要性。他说：“在伦敦，大型旅行车占有率虽然不足车辆总数的 4%，但因车祸而造成的行人和骑士死亡人数中，大型旅行车占了 50%以上。主要原因有两个：无法直接看见周遭环境，以及环境状况复杂超过其认知能力。
 
“超过认知负载是一个大问题。”Astheimer 说，“我们应确保电子控制单元(ECU)和控制局域网络(CAN)系统读取正确讯号，并以最清楚、最简洁的方式显示信息，无论是透过触觉、声音还是视觉。”
 
让汽车既安全又酷炫

Stead 引用之前 AutoSens 会议中专题讨论的专家评论，询问“让安全酷炫”(making safety cool)是否就是销售连网汽车的关键。
 
“汽车安全性确实是我们的卖点。”Matha 说：“客户想要安全，而我们只能利用传感器来实现安全性。因此，我们要使用传感器打造出优雅迷人的汽车。”
 
还有另一个因素也需要考虑。用户应该了解汽车的智能水平，以便对道路使用者及周边环境保持警觉。Astheimer 表示：“让车辆变得越来越安全，驾驶人慢慢就不需要担心车辆的自动操作了。提高车辆的自主性，虽然是协助驾驶人简化操作，但却也让困难的任务更加棘手。随着车辆可为驾驶人做更多的事，也导致驾驶人的注意力越来越不易集中。”
 
Astheimer 说，传感器以及传感器提供的信息反馈，重点在于协助驾驶人对外界发生的事保持警醒，而不是让他与外部世界脱离。