徐洋

摘要：汽車機(jī)電一體化作為機(jī)電一體化的分支，在近年的發(fā)展中得到了人們的廣泛認(rèn)知和重視。隨著對其廣泛應(yīng)用，讓汽車的安全性，舒適性和操控性上得到了極大的提高，推動了汽車行業(yè)的跨越式發(fā)展。文章主要以高級輔助駕駛ADAS的影像化升級運(yùn)用與傳統(tǒng)輔助駕駛對比，分析影像化的必要性和趨勢性，對以后的輔助駕駛方向有一個更高的展望。

關(guān)鍵詞：高級駕駛輔助系統(tǒng);雷達(dá)技術(shù);攝像頭技術(shù)

中圖分類號：U463.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0187-03

1? 概述

近年以來伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以及人們對機(jī)電一體化帶來的技術(shù)革新認(rèn)可度的逐年提高，使之在日常生產(chǎn)生活等諸多領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用?？v觀汽車行業(yè)發(fā)展歷史，從蒸汽時代到內(nèi)燃機(jī)時代，再從隨后的電器時代發(fā)展到如今的信息時代，汽車的發(fā)展歷史完整的勾勒出機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用在汽車產(chǎn)業(yè)上的發(fā)展史，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，高級駕駛輔助系統(tǒng)ADAS變得越來越人性化，各種駕駛輔助應(yīng)用，如：倒車影像、360度環(huán)視、自動泊車、抬頭顯示HUD、車道監(jiān)視等等技術(shù)的應(yīng)用，使得機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用不斷升級，使得人們的駕駛體驗(yàn)提高到一個新的平臺。

2? 機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中應(yīng)用的幾個階段

按時間的順序來劃分，機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用主要分為三個階段：第一階段是二十世紀(jì)六十到七十年代期間，機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用主要體現(xiàn)為對汽車機(jī)械裝置的改善中，如電控燃油噴射、電動助力轉(zhuǎn)向等技術(shù)的應(yīng)用中。第二階段是八十年代到九十年代期間，伴隨著集成電路的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其解決了機(jī)械裝置在初期難以實(shí)現(xiàn)的控制難題，大大提高了汽車行駛的安全性。第三階段是二十世紀(jì)末至今，隨著信息技術(shù)特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用不斷向自動化、智能化發(fā)展，大大提高了人們對駕駛體驗(yàn)的舒適性。

3? 高級駕駛輔助系統(tǒng)ADAS的發(fā)展史

早在20世紀(jì)70年代，以美國、德國等傳統(tǒng)汽車制造強(qiáng)國為代表的國家就開始對無人自動駕駛汽車進(jìn)行了深入的可行性和實(shí)用性研究，并且取得了實(shí)質(zhì)的突破性進(jìn)展，雖然我國這方面研究相對于這些國家有著十余年時間的代差，但是也取得了不錯的成績，例如90年初期由北理和國防科大等高校聯(lián)合研制的ATB-1無人車，行駛時可以達(dá)到時速21KM/H，而此測試車也標(biāo)志著中國無人駕駛正式起步。另外2014年由解放軍軍事交通學(xué)院研發(fā)的無人駕駛車輛在高速路上進(jìn)行了測試，其最高測試時速達(dá)到了110KM/H，并且在測試期間實(shí)現(xiàn)自主變道36次，一舉奪得“中國智能車未來挑戰(zhàn)賽”的冠軍。而2015年長安實(shí)現(xiàn)了從重慶到北京的高速路無人駕駛測試，這進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了從無到有再到精的過程。提到自動駕駛肯定要提到自動駕駛的等級區(qū)分如表1。

由美國汽車工程師學(xué)會和美國國家公路交通安全管理局聯(lián)合制定的自動駕駛分級標(biāo)準(zhǔn)可以分為如下階段：

L0階段：此階段主要功能為輔助駕駛系統(tǒng)。ADAS駕駛系統(tǒng)，主要有LDW、FCW、MOD、PCW等，這些輔助功能對駕駛起到輔助，提醒和警示作用，不干涉駕駛員的駕駛。

L1階段：此階段主要功能為干預(yù)行輔助駕駛。例如AEB，檢測前方的障礙物，并且提供剎車制動，ACC，跟隨模仿前方車輛駕駛，保持安全距離。

L2階段：此階段主要功能為半自動駕駛。例如LKA車道保持，人在良好交通情況下可以選擇性的自動駕駛，人為駕駛為主，汽車自動駕駛為輔。

L3階段：此階段主要功能為人車交互駕駛。汽車自動駕駛，人參與指揮汽車行駛，以自動駕駛為主，人為駕駛為輔。

L4階段：此階段主要功能為汽車全自動駕駛：人不做任何只會或控制車輛駕駛，由車輛全自動駕駛。

所以歸總各階段的功能我們可以得到一個按階段區(qū)分的表2。

綜合分析表1、表2，可以發(fā)現(xiàn)清晰勾勒出ADAS的發(fā)展進(jìn)程和由技術(shù)提升帶來的ADAS功能性更加完善，早期在ADAS中主要是被動的報(bào)警式預(yù)警，當(dāng)檢測到潛在的危險時，會發(fā)出語音提示駕駛者注意異常情況，如倒車時障礙提示等。由于技術(shù)的發(fā)展，主動式的干預(yù)就變得越來越常見，也使得ADAS的功能變得越來越完善。而技術(shù)的交替追趕主要體現(xiàn)在雷達(dá)和攝像頭技術(shù)的進(jìn)步，說到視覺影像化必然就繞不過去雷達(dá)和攝像頭的發(fā)展歷史。

3.1 雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用

雷達(dá)在ADAS上的運(yùn)用較多的大致分為以下幾種如圖1所示：主要分為超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)三種雷達(dá)，超聲波雷達(dá)是頻率高于20000Hz的聲波，其優(yōu)點(diǎn)就是方向性好，穿透能力強(qiáng)，不過受干擾較大，范圍也只有1米左右，常見的倒車?yán)走_(dá)用的就是超聲波雷達(dá)。毫米波雷達(dá)是波長1-10mm的電磁波，其帶寬大，分辨率高，天線不見尺寸小，能適應(yīng)惡劣環(huán)境。對霧霾、煙、灰塵的穿透能力強(qiáng)，能滿足除暴雨天氣以外的其他全天時氣候。而且由于軍用波段放開限制以后，車場開始用毫米波雷達(dá)波段達(dá)到77GHz頻段，所以按照現(xiàn)階段ADAS傳感器分類毫米波雷達(dá)將77GHz工作頻率歸為長距雷達(dá)，探測距離可以達(dá)到200米以上，但是探測角度只有20度左右。由于頻率高，電路設(shè)計(jì)和材料工藝難度較大。一般安裝在前保險杠內(nèi)部。在ACC自適應(yīng)巡航方面使用的就是長距雷達(dá)。另外傳統(tǒng)2.4GHz雷達(dá)被歸為短距雷達(dá)，如側(cè)方短距雷達(dá)工作頻率2.4GHz。覆蓋角度達(dá)到150度以上，但是探測距離較小，只有70米左右。其成本較低，但是體積較大。實(shí)際運(yùn)用到的有SAM盲區(qū)檢測，LCA變道輔助，RCW追尾碰撞預(yù)警等功能。最后一種激光雷達(dá)，其是以激光光束工作的雷達(dá)，它是發(fā)射激光束探測目標(biāo)位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)相比，有著很多優(yōu)點(diǎn)。激光雷達(dá)會自己描繪周圍環(huán)境的3D圖像，距離和速度分辨率等數(shù)據(jù)。在抗干擾方面相對于普通雷達(dá)而言有著較強(qiáng)的抗干擾能力，外界對普通雷達(dá)的干擾信號源能干擾激光雷達(dá)的不多，所以在日常使用時比較可靠，但是事情總有正反兩面性，激光雷達(dá)也有自己的缺點(diǎn)：第一就是貴，最普通的激光雷達(dá)需要幾十萬起步;第二穿透能力差，在大雨、濃煙、霧霾等壞天氣下幾乎不能使用;第三，搜索范圍小，所以導(dǎo)致其探測效率沒有其他雷達(dá)高效。

3.2 攝像頭技術(shù)應(yīng)用

攝像頭技術(shù)方面一般分為單目和雙目攝像頭如表3所示，早期ADAS中普遍應(yīng)用的都是單目攝像頭，主要用于對目標(biāo)類型的判斷和車道線的識別，而后由于算法的提高，ECU運(yùn)算能力的提高，以及成本的降低，不少中高端車型已經(jīng)開始裝配雙目或者多目攝像頭，單目攝像頭的算法思路和工作原理為先識別物體然后進(jìn)行距離測量：首先通過圖像和數(shù)據(jù)庫中圖像匹配進(jìn)行識別，然后根據(jù)圖像大小和高度進(jìn)一步估算障礙與本車距離。在識別和估算的時候，都需要反復(fù)與數(shù)據(jù)庫中圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行對比判定。也就是說如果想要識別某款車，就要建立這款車對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，想要識別動物就需要建立對應(yīng)動物的數(shù)據(jù)庫。而雙目攝像頭的算法思路和工作原理是先對目標(biāo)物體進(jìn)行距離測量后再進(jìn)行識別確定：首先利用攝像頭的視差原理直接測量物體與車的距離，其原理和人眼類似。也就是當(dāng)兩只眼睛看同一個物體時，由于存在視差，也就是單獨(dú)運(yùn)用左右眼觀察物體時，會產(chǎn)生感官上的位移。運(yùn)用這種位移大小可以進(jìn)一步測量出目標(biāo)物體的距離。然后在物體識別時，雙目攝像頭仍然要利用單目一樣的原理算法，進(jìn)一步識別物體到底是什么。現(xiàn)在主要能夠?qū)崿F(xiàn)車道偏離報(bào)警，車道保持，對行人和車輛的AEB等。除了單雙目攝像頭之外，現(xiàn)在還有多攝像頭組成一個視覺平臺。其平臺設(shè)計(jì)方案中會選用長焦和廣角攝像頭與ADAS主攝像頭輔助配合，兼顧起對周圍環(huán)境以及遠(yuǎn)處物體的探測。當(dāng)然也有在環(huán)視平臺上疊加ADAS功能的情況。例如運(yùn)用環(huán)視平臺做車道偏離預(yù)警比運(yùn)用單目攝像頭實(shí)現(xiàn)該功能有著天然優(yōu)勢。在大雨天氣或者前方強(qiáng)光源影響視線的情況下，前視攝像頭有可能連車道都無法分辨，而環(huán)視攝像頭由于其斜向下的攝像角度且可以提供多個角度視角觀察，基本不會受到天氣原因引起的地面積水反光影響，功能和穩(wěn)定性上可以比前視攝像頭穩(wěn)定的多。但其也有不足之處需要考慮側(cè)向無車燈照射時攝像頭的夜間表現(xiàn)。

由于攝像頭受環(huán)境影響非常大，雨、雪、霧霾、沙塵都會使識別能力降低，并且在強(qiáng)光下受到干擾?，F(xiàn)在更多的是以攝像頭識別為主，雷達(dá)測量輔助的運(yùn)用模式如圖2所示。原理是先對圖像中的場景進(jìn)行道路以及障礙物或者各種特殊物體的分割，在分割基礎(chǔ)上進(jìn)行AI對比并對物體做出識別，再根據(jù)物體分割識別的結(jié)果，結(jié)合單目攝像頭對物體的測距算法就可以測量更遠(yuǎn)距離的物體，這樣我們就能將雙目攝像頭對圖像的浮點(diǎn)運(yùn)算類似激光雷達(dá)的精準(zhǔn)測距及物體分割的優(yōu)點(diǎn)與視覺單元基于對數(shù)據(jù)庫模型進(jìn)行物體分類以及物體估距的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，建立出一套更好的3D視覺系統(tǒng)。

在最新一期的《2019年ADAS自動駕駛市場發(fā)展藍(lán)皮書》中也分別從攝像頭的安裝增長和雷達(dá)安裝增長上做出了對比分析如圖3和圖4。

可以明顯的發(fā)現(xiàn)設(shè)想頭的安裝量在爆發(fā)式的增長，2020年中國乘用車車載攝像頭前裝市場的裝車量達(dá)多達(dá)2000萬枚，同比增長接近15%。在前視攝像頭方面裝車量同比增長28%，環(huán)視攝像頭方面裝車量同比增長30%，而在雙目攝像頭的裝車量方面由于成本的不斷降低更是有著170%的驚人增長。而乘用車毫米波雷達(dá)實(shí)際出貨量同比增長僅為54%。而由于攝像頭的更多安裝，更加豐富了ADAS的功能，如：駕駛員困倦報(bào)警系統(tǒng)，夜視系統(tǒng)，自適應(yīng)遠(yuǎn)光控制系統(tǒng)，行人/障礙物/車輛探測系統(tǒng)等。為駕駛者提供更多的安全輔助保證。

4? 未來展望

現(xiàn)階段我們正處于汽車駕駛的部分自動化和有條件的自動化過渡階段，隨著國家發(fā)改委關(guān)于《只能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》的印發(fā)，例如華為、騰訊等一批大的公司加入其中，對智能駕駛從軟件到硬件的性能大幅提升，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、視訊化，從而在2025年實(shí)現(xiàn)有條件自動駕駛的智能汽車達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)，并且對實(shí)現(xiàn)高度自動駕駛的智能汽車在特定環(huán)境下市場化應(yīng)用努力推進(jìn)，相信，隨著軟件算法，芯片算力，5G網(wǎng)絡(luò)無線通信，硬件探測單元性能的提高到最終一期2035-2050規(guī)劃年，我們將實(shí)現(xiàn)從ADAS的輔助駕駛到完全的自動駕駛過渡。

參考文獻(xiàn)：

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