雷鋒網(wǎng) (公眾號：雷鋒網(wǎng)) 按：想在 2021/2022 年推出達到 Level 4/5 級別（SAE）的全自動駕駛汽車，冗余傳感器系統(tǒng)的大量應(yīng)用必不可少。眼下，半自動駕駛系統(tǒng)已經(jīng)用到了多種雷達和攝像頭系統(tǒng)，真正起到?jīng)Q定性作用的高分辨率長探測距離（300 米）便宜的激光雷達還處在設(shè)計開發(fā)的初級階段。在大多汽車行業(yè)專家看來，想要實現(xiàn)真正的全自動駕駛，雷達、攝像頭和激光雷達三套系統(tǒng)都必不可少。

本文探討了這三套系統(tǒng)的主要功能，它們各自的優(yōu)勢和劣勢及技術(shù)的發(fā)展程度。此外，本文還從制造商的角度討論了智能和成本優(yōu)化解決方案中半導(dǎo)體零部件的地位。

綜述

據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，自動駕駛的準(zhǔn)確定義其實現(xiàn)在依然懸而未決。如果一輛車搭載了巡航控制和限速功能，它可以稱得上自動駕駛嗎？當(dāng)然不能。不過如果車輛用到了自適應(yīng)巡航（ACC），且司機能短暫的將控制權(quán)交給車輛自己呢？

下圖中，我們給出了自動駕駛的不同分類方式，這是由不同組織或機構(gòu)制定的標(biāo)準(zhǔn)。

一般來說， Level 0 意味著沒有自動駕駛，司機要負責(zé)控制一切。

Level 1 則意味著車輛進階到了輔助駕駛階段，在行駛中輔助系統(tǒng)能為司機分擔(dān)不少任務(wù)（如 ACC）。

Level 2 意味著車輛進入半自動化狀態(tài)，不過司機需要全程監(jiān)控系統(tǒng)。同時，至少一個車載系統(tǒng)（如巡航控制和車道保持）實現(xiàn)全自動化。

Level 3 代表有條件的自動駕駛。司機需要時刻監(jiān)控系統(tǒng)并在關(guān)鍵時刻介入。當(dāng)然，一些安全功能也會在某些情況下自動介入。

Level 4 就是高級別的自動駕駛了，不過它無法覆蓋所有的駕駛情況（如惡劣氣候），且受到車輛操作設(shè)計的限制。不過，司機無需繼續(xù)監(jiān)控路況了。

Level 5 是自動駕駛的終極狀態(tài)，車輛能應(yīng)對任何狀況，司機們宣告徹底失業(yè)。

從現(xiàn)有情況來看，還沒有制造商能拿出 Level 3 以上的自動駕駛量產(chǎn)車。 不過，一些國家的立法機關(guān)則正在討論為 Level 3 自動駕駛汽車開綠燈，用戶最快將于 2020/2021 年在市場上買到此類車輛。

想要實現(xiàn) Level 1-5 級別的自動駕駛，到底需要哪些傳感器？這個問題我們已經(jīng)作了回答：攝像頭、激光雷達和雷達三套系統(tǒng)必不可少。

有些人會問，現(xiàn)在車上普遍用到的倒車?yán)走_以后還有用嗎？答案是否定的。不過，在 Level 1/2 上就用到的攝像頭和雷達系統(tǒng)依然是更高級別自動駕駛的先決條件。

車輛會用到各種不同的傳感器

現(xiàn)在的攝像頭系統(tǒng)普遍使用 CMOS 圖像傳感器，像素維持在 100-200 萬左右。單色或者立體相機與雷達系統(tǒng)配合使用，就能實現(xiàn)車速、車距、障礙物或移動物體輪廓的精準(zhǔn)探測。近程（24 GHz）和遠程（77 GHz）雷達則安裝在車輛前后以監(jiān)控交通情況，它們的可視范圍可覆蓋車輛前后幾厘米到幾百米的范圍。

在量產(chǎn)車中，激光雷達系統(tǒng)還很少見，由于產(chǎn)能低且價格昂貴，因此激光雷達技術(shù)的潛力還沒得到充分挖掘。

文章接下來的部分，我們將對上述提到的三大系統(tǒng)進行抽絲剝繭，它們的優(yōu)勢、劣勢，現(xiàn)在的開發(fā)狀態(tài)和未來的潛力都會一一提到，絕對不容錯過。

攝像頭

后置和 360 度攝像頭

攝像頭提供的清晰圖像不但能讓人類駕駛員看到更多細節(jié)，還非常適合作為自動駕駛汽車的輸入?yún)?shù)。后置和 360 度攝像頭能幫助司機再現(xiàn)車外的復(fù)雜環(huán)境。如今，2D 攝像頭已經(jīng)可以在中控屏上投射車外圖像甚至車輛的轉(zhuǎn)彎角度了，而豪華車上能提供虛擬和 3D 圖像的攝像頭正逐漸成為標(biāo)配。

要想提供栩栩如生的 3D 圖像，一般車輛至少要安裝 4-6 個攝像頭。 此外，系統(tǒng)軟件在處理圖像拼接問題時必須非常小心，否則很有可能丟失信息或者制造出奇怪的重影。

值得注意的是，無論是 2D 還是 3D 攝像頭，都需要搭載動態(tài)范圍超過 130 db 的圖像傳感器。如果連這樣的標(biāo)準(zhǔn)都達不到，在攝像頭遭受陽光直射時，就會短暫“瞎掉”。 眼下， 市場上最棒的圖像傳感器動態(tài)范圍可達 145 db ，同時 ISP 圖像信號處理器色深可達 24 bit，普通產(chǎn)品根本無法望其項背。

圖像傳感器還需要另一個重要參數(shù)，那就是光照強度。 市場上能買到最棒的圖像傳感器照度可達 1 mlx，幀率則為 30 幀/秒。

現(xiàn)在汽車上裝載的 后置和 360 度攝像頭系統(tǒng)一般采用集中式架構(gòu) ，這就意味著一個中央控制單元需要處理 4-6 個攝像頭傳來的原始數(shù)據(jù)。由于整個處理過程都在軟件中完成，因此處理器的性能必須相當(dāng)強悍，添加 FPGAs 成了硬件加速的最佳方案。不過，這也就意味著功耗會大幅提升。此外，現(xiàn)有數(shù)據(jù)壓縮方式的限制也讓數(shù)據(jù)存儲成了一大障礙。

既然集中式架構(gòu)有自己天然的劣勢，我們何不換一種方式？

攝像頭系統(tǒng)分類概覽

上圖就是一種新思路，圖像處理任務(wù)被分配給了攝像頭，隨后的數(shù)據(jù)則通過以太網(wǎng)傳輸?shù)杰囕v主機。這樣一來，圖像的聚合與再現(xiàn)就完成了。

2020 年以后，車載攝像頭系統(tǒng)大多數(shù)都會數(shù)字化。 現(xiàn)在的數(shù)字攝像頭系統(tǒng)則會接收原始數(shù)據(jù)，隨后將其處理并推送至顯示單元（如下圖所示）。

集中式圖像處理

如果是去中心化的處理方式，則會徹底消除攝像頭控制單元（ECU）的影響，讓智能攝像頭和主機獨立行事。 從細節(jié)上來說，這種方式也需要在攝像頭內(nèi)進行兩步處理（如下圖所示）。

處理過程要分兩步進行

第一步完全在智能攝像頭內(nèi)進行，整個過程會完成一些幾何轉(zhuǎn)換，如圖像畸變、重疊層的處理和圖像壓縮。此外，以太網(wǎng)的處理和串流也會同步進行。

第二步則發(fā)生在中央攝像頭模塊中，系統(tǒng)會進行視頻解碼，隨后通過中繼存儲器將圖像投射到屏幕上。

這種方式讓后置攝像頭能壓縮并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街鳈C。下圖就是一款高度集成后置智能攝像頭的技術(shù)細節(jié)。

未來智能攝像頭的應(yīng)用會將來自 4 顆攝像頭的視頻信號合并成 360 度視角的畫面（如下圖）。

前置攝像頭系統(tǒng)

這些攝像頭系統(tǒng)（中遠程）都是“火眼金睛“， 它的視野范圍覆蓋了車輛前部 100-275 碼（約合 91.44-251.46 米）的區(qū)域 。 它會利用算法自動探測物體，進行分類并判斷與車輛間的距離。 除了探測行人、自行車、機動車、馬路牙子、橋墩和隔離帶，算法還能看懂交通標(biāo)志和信號燈。

中程攝像頭會在十字路口、行人突然竄出和前方車輛緊急剎車時警告駕駛員。同時它還能肩負起交通標(biāo)志線和信號燈的探測任務(wù)。遠程攝像頭則負責(zé)識別交通標(biāo)志、控制車距和道路引導(dǎo)。

雖然前置攝像頭相當(dāng)重要，但它不需要進行色準(zhǔn)信號再生，因為該圖像傳感器只需提供直接的原始數(shù)據(jù)就行。一般來說，該系統(tǒng)還需要配備搭載 RCCC 矩陣的濾色器，因為它能提供比 RGB 濾色器更高的光照強度。

當(dāng)然，中程和遠程攝像頭也有區(qū)別，那就是它們的視場。中程攝像頭系統(tǒng)用到的水平視場為 70-120 度。未來的系統(tǒng)可能不會嚴(yán)格區(qū)分中程和遠程，僅通過光學(xué)系統(tǒng)就能完成切換。為了實現(xiàn)該目標(biāo)，未來的圖像傳感器 至少要升級到 700 萬像素以上。

雷達

以往的事故數(shù)據(jù)顯示，有 76% 的事故都單純由人的錯誤引發(fā)，而事故原因包含人的因素的更是高達 94%。

ADAS 系統(tǒng)需要雷達傳感器的支持，而雷達也是實現(xiàn)自動駕駛功能的一大功臣。值得一提的是， 雷達其實是個縮寫， 而其全稱 Radio Detection And Ranging 其實已經(jīng)說明了它的作用， 即 利用無線電波對物體進行探測和定位。

現(xiàn)在的雷達系統(tǒng)主要基于 24 GHz 或 77 GHz 兩個波段，其中 77 GHz 的優(yōu)勢主要在于距離和速度測定的準(zhǔn)確性，此外其角分辨率也更加精準(zhǔn)。同時，運行于該波段的雷達系統(tǒng)天線得以瘦身，干擾問題也更小。以下為近程雷達（SRR）應(yīng)用與中遠程雷達（MRR/LRR）應(yīng)用的主要區(qū)別。

其中近程雷達應(yīng)用包括：

• 盲點探測（盲點監(jiān)控）

• 車道和車道變更助手

• 用于碰撞預(yù)警和防撞功能的后置雷達

• 泊車輔助

• 交叉車流監(jiān)控

中遠程雷達應(yīng)用包括：

• 剎車輔助

• 緊急剎車

• 車距保持

SRR 應(yīng)用設(shè)計之初是為了替換超聲波傳感器并對高度自動駕駛提供輔助。因此，傳感器會被安裝在車輛四角。此外，車輛前部還會安裝用于遠程探測的前視傳感器。當(dāng)然，車輛每一邊還要安裝其他輔助傳感器。

理想狀態(tài)下，這些雷達傳感器會使用 79 GHz 頻段，帶寬則為 4 GHz。不過，現(xiàn)在的全球頻率規(guī)范只允許 77 GHz 頻段 + 1 GHz 帶寬。眼下，雷達微波單片集成電路（MMIC）的一個普通分區(qū)就配備了 3 個發(fā)射通道和 4 個接收通道。 業(yè)內(nèi)主要的爭論點是要不要在 MMIC 中集成基帶處理能力，要不要將精力集中在原始數(shù)據(jù)雷達傳感器上。

其區(qū)別在于基帶處理器能提供所謂的“目標(biāo)預(yù)判”，這就意味著它能輸出預(yù)先處理的數(shù)據(jù)，如未驗證的速度、距離、信號強度、探測到物體的水平角度和垂直角度等信息。原始數(shù)據(jù)雷達傳感器則能提供未過濾的原始數(shù)據(jù)，隨后交給 ECU 處理。下圖就是原始數(shù)據(jù)雷達傳感器的基本架構(gòu)。

原始數(shù)據(jù)雷達傳感器架構(gòu)

以上圖為例，基帶被整合進了雷達過程控制器中，而雷達傳感器會給過程控制器提供未過濾的原始數(shù)據(jù)。這種方案有多重優(yōu)勢，首先將基帶融合進過程控制器能節(jié)省空間和關(guān)聯(lián)成本。

其原因在于，在射頻應(yīng)用中制造商可以使用相對簡單的 CMOS 細線來替代經(jīng)過特殊優(yōu)化的新技術(shù)。

第二點優(yōu)勢主要涉及功率損耗問題， 雷達傳感器的功率損耗可以轉(zhuǎn)移到控制單元。由于控制器的空間比雷達傳感器大得多，因此控制功率損耗要簡單的多。

最后，由于整個過程中沒有過濾或壓縮，因此數(shù)據(jù)沒有損耗 ，信號處理和靈活性方面就增加了更多可能。對于原始數(shù)據(jù)雷達來說，數(shù)據(jù)速率也不是問題，因為數(shù)據(jù)可借助 MIPI CSI-2 通信接口（見下圖）進行傳輸。

MIPI CSI-2 通信接口

需要注意的是，該接口并不是什么新玩意，它已經(jīng)用在了視頻環(huán)繞系統(tǒng)中。同時，該架構(gòu)非常適合上圖中的原始數(shù)據(jù)雷達，因為通信接口包含了四條數(shù)據(jù)線，正好與接收器輸出接口一一對應(yīng)。此外，通訊接口的帶寬也與 1-1.5 Gbit/s 相匹配。

雷達傳感器的分塊還簡化了視頻的數(shù)據(jù)融合，雷達和未來的激光雷達數(shù)據(jù)也能受益，因為它們能使用相同的通訊接口（見下圖，MMIC 路線圖）。

MMIC 的開發(fā)需要一個前提條件，那就是專用的高頻技術(shù)，它能滿足需要的頻率（24 GHz 或 77 GHz），并提供相應(yīng)的輸出功率。

眼下，SiGe 異性雙極晶體管已經(jīng)用上了高頻技術(shù)，單片式 130 nm CMOS 處理器也用在了邏輯集成電路上。幾年前，ST 就用 BiCMOS9 技術(shù)生產(chǎn)了 24 GHz 的 MMIC。同時，用新型 BiCMOS9MW 技術(shù)生產(chǎn)的 77/79 GHz 基帶，CMOS 結(jié)構(gòu)寬度最低也超過了 130 nm。

未來，雷達系統(tǒng)頻段可能會升至 122 GHz ，ST 已經(jīng)為此準(zhǔn)備了 B55 技術(shù)。該技術(shù)讓 SiGe 異性雙極晶體管的傳輸頻率能超過 320 GHz。此外，在系統(tǒng)中融合 55 nm CMOS 數(shù)字邏輯也成了可能。

除了優(yōu)化后的 BiCMOS 技術(shù)，ST 還能通過自主開發(fā)的 FD-SOI 技術(shù)完成 SoC 整合。當(dāng)然，制程僅為 28 nm。下圖是 MMIC 的開發(fā)路線圖，24 GHz 頻段的最新產(chǎn)品是 A431 區(qū)塊，它搭載了 1 臺發(fā)射機和 3 臺接收機。路線圖上的 26 GHz 基帶零部件則專為美國市場開發(fā)。

MMIC 路線圖

路線圖上的 77/79 GHz 基帶零部件中，A770/A772 均處在開發(fā)狀態(tài)。下圖中的 A770 MMIC 無線電收發(fā)機已經(jīng)是集成度相當(dāng)高的解決方案了。

A770 77/79 GHz?無線電收發(fā)機架構(gòu)

A770 是一款單片式集成無線電收發(fā)機，適合中遠程應(yīng)用，它包含 3 臺發(fā)射機、4 臺接收機、1 臺可配置斜坡發(fā)生器、1 臺集成 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和 1 個 MIPI CSI II 接口。在應(yīng)用時，該區(qū)塊可以級聯(lián)更多的發(fā)射和接受頻段，其外殼采用陶瓷 EWLB 材質(zhì)制成，體積為 9 mm x 9 mm。

眼下，技術(shù)人員正在對集成了雷達和基帶功能的單片式 SoC 進行可行性測試。不過， 這種產(chǎn)品有優(yōu)勢也有劣勢，未來其前途如何恐怕還要經(jīng)過細致的市場研究和商業(yè)考量。

激光雷達

在汽車行業(yè)，激光雷達是個相對較新的系統(tǒng)，正越來越受歡迎。激光雷達制造商們正在不斷研發(fā)和改進自己的解決方案，誓要趕上 2020/2021 的關(guān)鍵時間節(jié)點。

那么到底什么是激光雷達？ 激光雷達依靠是激光而不是無線電波。除了激光發(fā)射器，這套系統(tǒng)還需要一個敏感的接收器。激光雷達系統(tǒng)能探測靜態(tài)和動態(tài)物體，并提供被探測物的 3D 圖像。

眼下，激光雷達已經(jīng)不是什么新鮮玩意，任何人都能從商店抱一臺回家，且精確度能滿足一般需要。不過， 想讓它克服一切環(huán)境因素（溫度、太陽輻射、黑夜、雨雪天）穩(wěn)定工作并不容易。此外，車載激光雷達還得能看 300 碼（約合 274 米）遠。最重要的是，這樣的產(chǎn)品必須能以市場可接受的價格和體積進行大規(guī)模量產(chǎn)。

激光雷達在工業(yè)和軍事領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用。不過，它畢竟是一種擁有 360 度全景視角的復(fù)雜機械透鏡系統(tǒng)。由于單個成本高達數(shù)萬美元，因此 激光雷達 暫時還不適合在汽車產(chǎn)業(yè)大規(guī)模部署。

如今，汽車市場開始流行兩大趨勢，它們均采用紅外激光雷達系統(tǒng)搭配 MEMS 系統(tǒng)（微型電機系統(tǒng)）， 不過一種激光雷達是旋轉(zhuǎn)的，另一種是固態(tài)的。

在詳細介紹這些技術(shù)的差別前，我們先來聊聊接收系統(tǒng)的問題。

接收系統(tǒng)的主要任務(wù)是認出激光雷達發(fā)出和從物體上反射回來的激光束。它們必須極端敏感，甚至能“抓到”單個光子。眼下，最先進的激光雷達 設(shè)備已經(jīng)用上了 SPAD（單光子雪崩二極管）技術(shù)。

其實這里用到的原理很簡單（見下圖），由于那些外形特殊的二極管PN結(jié)有偏差，因此一個光子就能引發(fā)二極管中的雪崩擊穿電流。二極管電流的突然升高會被相應(yīng)的電路“抓到”，它會輸出最新的數(shù)字信號以供進一步處理。

SPAD 傳感器單元的原理

下圖展示了使用 SPAD 傳感器單元進行測距的原理，其關(guān)鍵是激光脈沖從發(fā)射到反射再到接收整個過程的時間。

LiDAR 測距的原理

下面兩張圖詳細講述了兩種激光雷達的測量方式。

固態(tài) LiDAR 系統(tǒng)

MEMS LiDAR 系統(tǒng)

如果 MEMS 系統(tǒng)用上了微反射鏡，那么單獨的激光束就會以線型完成運動，隨后 SPAD 單元中的光學(xué)傳感器會對反射的光子進行評估。 一套系統(tǒng)想要滿足要求，其精度、壽命、適應(yīng)性和可靠性都必須禁得起考驗。 同時它還需要用到可更換的零部件。

其實乍一看，那種沒有可更換零部件的系統(tǒng)造起來并不難。 不過事實上，整套系統(tǒng)里有超過 100 個激光二極管，此外還有與其配套的大型接收器陣列。同時，激光二極管的脈沖寬度必須控制在納秒范圍內(nèi)，電流也只有幾安培，這對半導(dǎo)體驅(qū)動器來說絕對是個大挑戰(zhàn)。

當(dāng)然，兩套系統(tǒng)都還在開發(fā)之中。從半導(dǎo)體制造商的角度來看，這兩套系統(tǒng)用到的半導(dǎo)體都不難解決，不過 SPAD 陣列可不好實現(xiàn)。如果想把成本降到 100 美元，就必須用新工藝激活和控制激光二極管陣列。此外，與其配套使用的 MEMS 技術(shù)也正在開發(fā)中。

總結(jié)和展望

想達到 Level 3 及以上的自動駕駛，我們必須為車輛安裝至少三套傳感器系統(tǒng)：攝像頭、雷達和激光雷達。雖然必要的半導(dǎo)體、攝像頭、雷達傳感器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但 在技術(shù)和商業(yè)化問題上，激光雷達系統(tǒng)依然面臨巨大挑戰(zhàn)。

我們提到的系統(tǒng)到底誰能勝出現(xiàn)在很難預(yù)測，不過 從半導(dǎo)體的角度來看，固態(tài)激光雷達勝出的可能性最大。

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