相机和激光雷达是检测物体和测距的有效方法,通常用于避免碰撞。摄像头和激光雷达提供高分辨率成像,可以跟踪多个目标,但由于依赖光学设备,不能穿透固体物体,应用有限,不利的天气或光条件也会影响其性能。例如,镜头上的灰尘或土壤会严重影响其功能。相机和激光雷达侵犯隐私,价格昂贵[1],因此很可能被更划算的技术所取代。
超声传感器是一种技术含量低、无鲁棒性的解决方案,不支持成像或跟踪目标。
另一方面,2D雷达可以探测物体的位置、方向、距离和速度,这是一个典型的鲁棒和可扩展的解决方案,可以保护隐私。但仅基于几个发射天线和几个接收天线,波束有限,只能提供短距离覆盖,分辨率很低,视野小,无法生成图像。D雷达视野有限,主要集中在轴上,角分辨率低,不足以区分近距离目标。
道路交通事故造成的车辆乘客和交通弱势群体的死亡人数几乎相同。制造商选择的传感器必须满足不断改进的安全要求,以保护所有道路用户的生命安全。只有一种传感器技术整合了替代方案的所有优点,弥补了缺点。
4D成像雷达可以实时检测和跟踪车内外的人员和物体。与传统的雷达解决方案不同,4D多输入多输出成像雷达(MIMO)天线阵列,感知周围环境,分辨率高。D多个目标可以跟踪成像。D成像雷达将第四维速度与多普勒分析引起的波形畸变产生的另一维度(即速度)相结合,实现运动跟踪。
4D成像MIMO雷达系统从每个发射系统测量(Tx)从天线到目标,返回到每个接收器(Rx)天线的飞行时间处理形成许多椭圆点的数据。椭圆点阵的交叉部分(称为热点)表示目标在任何特定时刻的确切位置。
大型天线阵列可以同时准确检测和跟踪多个静态和/或动态目标。驾驶舱,4D成像雷达可检测乘员,区分儿童和成人,监视其生命体征并检测其姿势和位置。在车外,可以探测并跟踪其他车辆、障碍物和交通弱势群体。
因为不涉及光学器件,4D在所有光照和天气条件下,成像雷达具有很高的可靠性。4D成像雷达可靠地监控目标,如驾驶舱内的目标,而不需要驾驶员。4D成像雷达还可以探测墙壁和其他物体背后的目标,从而在街角提供可见性。在ADAS在车辆周围的安全应用方面,这是该技术的关键优势,如避免在交叉口发生碰撞、地下停车场停车和在黑暗小巷探测闯入者。
4D成像雷达始终保持隐私,这是整个汽车行业日益关注的问题,尤其是出租车或乘客不断变化的公共交通工具。领先的汽车制造商表示,他们遵守汽车消费者隐私保护原则6,使汽车摄像头成为最佳选择。
这些特性使4D成像雷达已成为提高汽车安全性、提高车辆意识、更好地保护乘客的理想技术。
Euro NCAP将从2023年[2]开始对车内儿童检测(CPD)评分是全球倡导防止汽车中暑的主要举措。世界各地的立法机构也在制定法律法规,以防止此类悲剧发生。
对于大多数司机来说,舱内安全也需要安全带和安全气囊。1960年至2012年 [3]预计安全带将挽救近3.3万条生命;据说安全气囊从1987年到2017年挽救了50.547条生命 [4]。
但由于传统的安全气囊安装不考虑身材或姿势,驾驶员离方向盘更近,受安全气囊冲击的风险更大。出于同样的原因,1990年至2008年,与安全气囊相关的死亡人数中,有90%是儿童。这说明在保护车内生命安全方面,根据身材来区分乘员是非常重要的。许多伤害病例也可以直接归因于安全带综合征 [5]这说明保护车内生命安全还有很长的路要走。
除了不断改进的技术,如减少安全气囊的危害外,这种情况几十年来一直没有改变。目前,基于重量的安全带传感器经常触发错误报警,因为这些传感器无法区分人和重量,而自动安全气囊也是基于重量的,容易失效,可靠性低。驾驶员和乘客应享受更高的安全标准,这可以通过改善乘客数据(描述乘客的形状和姿势)来实现。
目前车内儿童检测(CPD)主要限于间接感知系统[6],容易出现误报等情况。传统安全带提醒系统(SBR)同样,可靠的实时乘员数据也不支持低端CPD解决方案。在之前的错误报警后,一些系统只覆盖车辆的第二排座位,增加了驾驶员在紧急情况下忽略报警的风险。根据欧洲NCAP这些低端解决方案只能为汽车制造商赢得0.5-1.5分(满分为4分)。
提供更高水平的车内儿童检测(CPD)为了提高乘客的安全性,有必要重新评估汽车的生态系统。目前,汽车制造商不再将安全带、安全气囊等功能作为单独的组件,而是将其视为集中安全装置的组件,CPD系统安装在前面和中心。
下一代舱内感知技术内环境,下一代舱内感知技术的应用范围更广。这些技术包括:
在直接感知的基础上,检测在车内任何位置的儿童,利用实时乘员数据提高精确分类。
区分坐得很近的乘客,不受重物或儿童约束(CRS)发出误报。
确定每个乘客的位置、形状和姿势,并相应调整安全气囊的大小。(Out-of-Position, OOP)检测功能还可以避免前排乘客将脚放在仪表板上 上而引起的伤害。
使用精确的位置和尺寸数据来减少碰撞时的前向力。通过增强负载限制器的功能,将乘客胸部的压力降到最低。
事故发生后,向紧急服务发出报警,提供乘客人数、分类、呼吸和移动数据。
低功耗解决方案可以感知潜在入侵者在车辆周围的运动。
然而,舱内环境只是整体安全的一个方面。行业的重要使命是保护行人和骑自行车的人,避免与其他车辆碰撞。这也是4D成像雷达将成为应用趋势的另一个领域。
盲点探测(BSD)、变道辅助(LCA)、牵引控制以及车身电子稳定(ESP)其他系统也有同样的作用:通过最大限度地减少或消除人为错误来提高道路安全。这些系统近年来发挥了重要作用。没有配备ESP与车辆相比,配备ESP致命碰撞的可能性低于25% [8]。
目前,人们普遍认为ADAS是自动驾驶汽车的基础。ADAS解决方案 [9] 可防止40%的乘用车碰撞事故,减少37%的事故伤害和29%的事故死亡。
目前,基于4D成像雷达的ADAS应用分为四类:
超短距离雷达用于停车场(uSRR)
短距离雷达用于停车场和城市低速行驶(SRR)
中距离雷达用于城市高速行驶(MRR)
长距离雷达用于高速公路驾驶和高速公路驾驶(LRR)
提供全场景所需的性能,ADAS传感器必须提供水平和垂直的宽视野。仰角组件对于深度感知、车辆检测高度障碍物和高架标志的能力至关重要。
另一个要求是高分辨率:接近车辆的交通弱势群体,特别是在城市和拥挤的停车场,行人会突然出现在车辆之间Scooter可能出现在车辆盲区。
除了精确的探测,最好的ADAS该功能还要求传感器区分静态障碍物,如分隔物、路牙和停放车辆,以及不同类型的交通弱势群体、驾驶车辆或其他危险情况。
标准2D雷达不足以处理需要高角度分辨率的复杂情况。更先进的激光雷达传感器可以满足分辨率要求,但在黑暗和恶劣天气条件下会有局限性,严重影响其整体功能。此外,由于价格高,激光雷达传感器并不总是可扩展的,因此经济型车型无法实现基于激光雷达的安全性。
4D支持成像雷达uSRR、SRR、MRR和LRR应用程序。在低速条件下,提供先进的停车辅助功能;在高速条件下,辅助盲点探测(BSD)、自动紧急制动(AEB)、前后碰撞预警(FCW/RCW)前后交通穿行提示(FCTA/RCTA)等功能。
4D成像雷达技术也非常适合两轮车,这对典型的高风险道路使用者来说是个好消息。根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA),摩托车发生致命事故的可能性是汽车的五倍。为了保护摩托车骑手,高级驾驶员辅助系统(ARAS)主要包括三个功能:
当有明显的碰撞危险时,该功能既可以探测障碍物,也可以评估潜在撞击的严重性。计算所需的安全距离和路径,提供即时警告,从而可以实现减速和躲避。
为保护摩托车骑车人避免在路口发生侧面碰撞,并保护人行横道上的行人,侧面传感器与正面传感器配合使用,可探测可能与摩托车碰撞的目标。这些传感器还有助于实现交通穿行提示(CTA)并覆盖事故多发点,例如道路和隧道入口的狭窄路段。
由于盲区存在,换道是任何车辆最危险的操作之一。为实现更安全的车道变更,后向传感器会探测摩托车附近其他车辆的速度和位置,评估风险并警告骑手。
4D成像雷达提供高分辨率和宽视角,可完全支持上述所有功能,ADAS和ARAS工程师无需依靠昂贵的技术和复杂的基础设施。
为尽可能多的车辆配备可靠的传感器便可最大限度的保护生命安全。但传统行业仅添加安装传感器支持每个新应用的方法是不切实际、不经济且不可持续的。
部分是由于踏板车Scooter和其他两轮车的指数级增长普及[10],这增加了汽车和弱势道路使用者之间发生碰撞的风险,并产生了对新安全协议的需求。
10年内,电子产品将占汽车成本的50%,高于目前的30%[11]。因此,汽车制造商和一级供应商的利润率预计将下降一半[12]。
满足日益严苛的安全标准所需的总成本已占到车辆价值的20%,包括每个指定传感器的价格,以及相关的布线、ECU和功耗。
目前大多数汽车制造商都是按照全球汽车战略运营的,车企还必须考虑到安全法规的差异所带来的成本,据计算,在美国和欧盟销售的所有汽车的成本都超过40亿美元 [13]。
大量相互关联的系统也增加了设计的复杂性。和任何机器一样,运动部件越多,故障的可能性就越大。现代汽车的电子生态系统越来越复杂,增加了产品发布延迟、意外成本甚至达不到规格的风险。
量产(SOP)计划是一个特别关注的领域。创建和监视新集成SOP非常耗时和昂贵。当多个供应商参与到复杂的集成中时,交叉布线的几率就会呈指数级增长。
“每个应用一个传感器”的传统模式加剧了这些问题,不再具有可持续性,导致汽车制造商寻求新的战略,以确保合规性的同时降低复杂性并降低成本。
就单芯片平台而言,一个传感器能同时支持多种应用,这是由于在富点云成像上具有超凡的分辨率和超宽的视野。此类平台大大减少了传感器和相关SOP程序的总数量,降低了直接和间接成本,同时支持众多尖端安全功能。
[1] http://www2.cio.com.au/article/658542/self-driving-car-development-stalled-by-chaotic-market-sensor-technology/
[2] https://europe.autonews.com/automakers/child-detection-safety-technology-may-get-mandate
[3] https://www.nhtsa.gov/seat-belts/seat-belts-save-lives#:~:text=A%20NHTSA%20study%20of%20lives,assemblies%2C%20and%20electronic%20stability%20control
[4] https://www.nhtsa.gov/equipment/air-bags#:~:text=From%201987%20to%202017%2C%20frontal,your%20first%20line%20of%20defense
[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2210261216000262
[6] https://www.consumerreports.org/car-safety/auto-industry-agrees-to-put-rear-seat-reminder-systems-in-most-new-carsby-2025/
[7] https://www.autoblog.com/2020/01/27/x-ray-injuries-feet-on-car-dashboard/?guccounter=1#:~:text=If%20you%20ride%20with%20your,So%3A%20Seatbelt%20on.&text=of%20their%20car.,Airbags%20deploy%20between%20100%20%26%20220%20MPH.,knees%20through%20your%20eye%20sockets.
[8] https://ec.europa.eu/transport/road_safety/specialist/knowledge/esave/esafety_measures_known_safety_effects/electronic_stability_control_en
[9] https://aaafoundation.org/potential-reduction-in-crashes-injuries-and-deaths-from-large-scale-deployment-of-advanced-driverassistance-systems/
[10] https://www.bloomberg.com/news/articles/2020-08-27/how-big-was-2019-s-scooter-boom-and-what-s-next#:~:text=Scoot-er%20ridership%20increased%20from%2038.5,36.5%20million%20to%2040%20million
[11] https://www.statista.com/statistics/277931/automotive-electronics-cost-as-a-share-of-total-car-cost-worldwide/
[12] https://www.automotivemanufacturingsolutions.com/suppliers/tearing-profits-apart-how-tier-1-automotive-suppliers-can-miti-gate-shrinking-margins/39815.article
[13] https://www.cargroup.org/wp-content/uploads/2017/02/Potential-Cost-Savings-and-Additional-Benefits-of-Conver-gence-of-Safety-Regulations-between-the-United-States-and-the-European-Union.pdf