ADAS应用发展趋势与系统需求

ADAS应用发展趋势与系统需求

胡婧

江淮汽车集团股份有限公司商务车研究所安徽合肥230601

摘要：先进驾驶辅助系统（AdvancedDriverAssistantSys⁃tem），简称ADAS，是利用安装于汽车上的各种传感器，在行驶过程中收集车内外的数据、辨识静态和动态物体，进行运算和分析并反馈给驾驶者，以帮助驾驶者察觉可能发生的危险，提高安全性的主动安全技术。ADAS技术被普遍认为是实现自动驾驶的过程性技术，其发展对于提高道路安全性以及实现未来智能驾驶是非常关键的一环。

关键词：ADAS应用；发展趋势；系统需求；

随着汽车工业的高速发展，汽车也越来越安全智能化。根据中华人民共和国国家统计局最新统计数据表明，2012年我国民用汽车拥有量10933．09万辆，交通事故死亡人数59997人，受伤人数224327人。另外，根据世界卫生组织(WHO)的预测，道路交通伤害在全球疾病或受伤死亡原因排名中将不断上升，2030年将成为第五大死亡原因。车辆安全技术不仅是各大汽车制造商的企业良心，也是各大主机厂竞争制胜的销量卖点。

一、ADAS技术概况

ADAS并非一个单一的技术，根据Wiki百科的定义，它包括了导航系统、实时交通、电子警察、车联网、自适应巡航、车道偏移报警系统等17个系统。从产业结构上来说，ADAS的实现需要依靠以下三个方面：（1）传感器，常用的包括摄像头、雷达和超声波，通过传感器探测车辆状态的变化。其中以摄像头和雷达组合方式最多，因为这两项技术可以实现功能的互补，提高传感效率和准确性。（2）处理单元，针对传感器收集的数据进行分析，通过算法发出控制的指令。可以认为算法是ADAS系统的关键性因素。（3）控制单元，输出控制信号，发出预警或对干预信号，未来会逐渐进化到对车辆的自动控制[1]。随着汽车的普及率不断提高，全球范围内交通事故的发生率一直居高不下。不论从经济市场发展的角度，还是从社会人文的角度来看，如何降低事故频率、减轻事故伤害都是一个非常重要的问题。在国家层面上，美国、欧盟、日本等都有安全法规出台，强制汽车安装驾驶辅助系统。因而，近年来ADAS的技术发展十分迅速，无论是如大陆基团这样的传统汽车零部件供应商，还是如mobileye这样的致力于算法和芯片技术研究的后起之秀，都在这方面作出了大量的研究工作。另一方面，随着互联网技术的不断发展，近年来智能驾驶的概念频频被业界提及，从国外的特斯拉到国内的北汽、百度都已经对无人车做了尝试性的研究。可以说，随着技术的发展，汽车行业正面临着巨大的技术变革和市场机遇。

二、ADAS应用发展趋势

1.车道偏离报警(使用传感器：摄像机)：当车辆离开自己的车道或者接近道路边缘时，车道偏离报警系统发出声音报警或者动作报警(通过轻微的振动方向盘或者座椅来实现)。当车辆速度超过一定阈值(例如时速超过80公里)而车辆没有打开转向信号灯时，这些系统会开始发挥作用。在车辆行驶过程中实现这一功能需要通过摄像机系统来观察车道标志，虽然对于所有车辆制造商而言这些应用需求是相似的，但是每一厂商都采用了不同的方法，或者使用一台前视摄像机、一台后视摄像机，或者双路/立体前视摄像机。由于这一原因，很难采用一种硬件体系结构来满足各种不同类型的摄像机要求，需采用灵活的硬件体系结构来提供不同的实现选择。自适应巡航控制(使用传感器：雷达)：十年前，豪华汽车开始采用自适应巡航控制技术，这一技术目前也在更广泛的市场上得到了应用。传统的巡航控制技术设计用于保持车辆以恒定的车速行驶，与之不同，自适应巡航控制技术使车速与交通状况相适应，如果与前车距离太近则会降速，在路况允许时，会加速到上限。这些系统通过使用安装在车辆前部的雷达来实现。但是，由于雷达系统不能识别某一目标的大小和形状，而且其视场也相对较窄，所以应用时要结合摄像机。系统设计难点在于目前所使用的摄像机和雷达传感器还没有标准配置，因此还是需要灵活的硬件平台。

2.交通标志识别(使用传感器：摄像机)：正如名称所示，交通标志识别(TSR)功能使用前向摄像机结合模式识别软件，可以识别常见的交通标志(如限速、停车、掉头等)。这一功能会提醒驾驶员注意前面的交通标志，以便驾驶员遵守这些标志。TSR功能降低了驾驶员不遵守停车标志等交通法规的可能，避免了违法左转或者无意的其他交通违法行为，从而提高了驾驶安全性。这些系统需要灵活的软件平台来增强探测算法，根据不同地区的交通标志来进行调整。

3.夜视(使用传感器：红外或热成像摄像机)：夜视(NV)系统帮助驾驶员在很暗的条件下识别物体，这些物体一般超出了车辆大灯的视场范围，NV系统可针对前方道路上行驶的车辆提前发出报警，帮助驾驶员避免撞车事件的发生。NV系统使用各种摄像机传感器和显示器，具体与生产商有关，但一般都属于两种基本类型：主动式和被动式。主动系统也称为近红外系统，CCD摄像机和红外灯源相结合，在显示器上呈现黑白图像。这种系统的分辨率很高，图像质量也非常好，其典型的可视范围是150米。它能够看清楚摄像机视场范围内的所有物体(包括没有热辐射的物体)，但是在雨雪环境下效果要大打折扣。被动系统不使用外部光源，而是依靠热成像摄像机，利用物体自然热辐射来采集图像。这种系统不会受到对面来车大灯的影响，也不会受到恶劣天气状况的影响，其探测范围达到300米至1,000米。这种系统的缺点在于图像是颗粒状的，功能受限于气候状况，而且被动式系统只能探测有热辐射的物体。将被动式系统结合视频分析技术，可以清楚显示车辆前方道路上的物体如行人。在NV系统中，有多种体系结构选择，每一种方法都有其优缺点。为提高竞争力，汽车生产商应支持多种摄像机传感器，在通用、灵活的硬件平台上应用这些传感器。

3.自适应远光控制(使用传感器：摄像机)：自适应远光控制(AHBC)是一种智能大灯控制系统，使用摄像机来探测交通状况(对面来车以及同向交通状况)，根据这些状况，调亮或者调暗远光灯。AHBC系统支持驾驶员尽可能在最大照亮距离上使用远光，而不必在其他车辆出现时手动调暗大灯，不会分散驾驶员注意力，从而提高了车辆的安全性。在某些系统中，甚至可以分别控制大灯，例如调暗一个大灯，而同时另一个大灯正常点亮。AHBC与车道偏离报警和交通标志识别等前视摄像机系统是相辅相成的，它不需要高分辨率摄像机，某款车辆如果已经在ADAS应用中采用了前视摄像机，那么这一特性的性价比会非常高。

4.行人/障碍物/车辆探测(使用传感器：摄像机、雷达、红外)：行人以及障碍物和车辆探测(PD)系统完全依靠摄像机传感器来深入感知周围环境，采用一台摄像机或者在更复杂的系统中采用立体摄像机。这类应用的“类别变量”(衣着、灯光、大小和距离)差异会很大，背景复杂而且不断变化，再加上传感器置于移动平台(车辆)上，将导致很难确定移动中行人视觉特征，因此采用红外传感器能够增强PD系统。另外雷达也可以增强车辆探测系统，它提供很好的距离测量功能，在恶劣天气条件下性能表现出众，能够测量车辆的行驶速度。由此可见，这一复杂系统需要同时使用来自多个传感器的数据。

5.驾驶员困倦报警(使用传感器：车内红外摄像机)：困倦报警系统监视驾驶员的面部，测量其头部位置、眼睛(张开/闭上)以及其他类似的报警指示。如果确定驾驶员有进入睡眠的迹象，或者看起来意识不清，该系统会发出报警，有些系统还监视心率和呼吸。已有设想但是还没有实现的功能包括使车辆靠近路边行驶，最终靠边停下来。

三、应用需求

1.灵活的高性能技术平台。虽然很难详细预测上面这些功能未来的发展，以后会应用到什么程度，但是从技术角度看，有几点是明确的。首先，没有一种单一的体系结构能够满足新出现的各类应用需求；其次，需要采用灵活的平台适应市场发展趋势，实现最新的功能，同时满足成本、规划和性能目标；第三，要满足ADAS应用的高性能需求，应在软件和硬件上达到均衡；最后，系统可能使用多个不同类型的传感器来完成安全相关任务，这类系统今后的发展会比较强劲。特别是最后一点，大部分ADAS应用需要对来自多个传感器的多路信号进行处理和分析，包括视频摄像机、雷达、红外传感器，以及今后可能出现的激光等其他传感器信号，例如危险探测不仅仅需要对来自多个摄像机的数据流进行集成和分析，而且对于全天候各种天气条件下的应用，还必须采用雷达数据。ADAS应用中不同信号的集成又被称为传感器融合。处理信号融合这一难题的一种算法解决方案是卡尔曼滤波，它集合了很多种算法，这是说明ADAS任务复杂性的一个很好例子。卡尔曼滤波能够集成视频和雷达输入信号，使用这些数据生成当前环境的快照，然后在这些快照上应用名为“航位推测”的过程，根据物理条件计算周围环境“可能”是什么状况，包括估算周围车辆的位置、确定路边的树木有没有移动等等。最后，滤波功能对比这两类快照，在可信度基础上估算出应采取哪些措施。例如汽车当使用了自适应巡航控制，车头距离太近时车辆就可以减速或者刹车。

2.ECU的角色。控制这些过程的电子设备集成到发动机控制单元(ECU)中，这些系统最初应用到汽车是为了通过控制燃油喷射、点火时间、怠速等功能，满足环境标准要求，而现在这些系统的功能越来越多。一般而言，分别开发这些功能(如雷达和摄像机)并逐个集成到车辆中，会导致由多个ECU完成多种功能。从成本的角度看，这并不是理想的方法。更好的方法是将很多传感器的输出连接至一个处理单元，进行传感器融合，以便更可靠地理解车辆状况，在软件中开发相应的应对策略。但是这一集成方法所需要的计算能力已经远远超出了中端车辆的成本预算，为能够同时满足性能与成本需求，像软件一样灵活，很多体系结构采用了现场编程阵列(FPGA)技术。FPGA和传统集成电路的不同在于，FPGA离开工厂后是可编程的。这意味着可以对其进行修改，在设计/产品周期后期也能满足最新传感器独特的输出格式要求，以及最新的计算算法或者规范要求，因此非常适合应用于各种体系结构，可以在最后一刻应用到最新的特性。Altera低成本Cyclone系列FPGA完全能够适用于汽车领域，支持工程师将传感器接口、图像处理、通信接口和分析等多种功能集成到单片硅器件中，减少了ECU系统的元器件数量，降低了复杂度。AlteraFPGA采用了硬件加速功能来处理高清视频(720扫描线/30帧/s)数据流，以及下一代传感器的77GHz输入。与完全将这些算法集成到硬件中不同，AlteraFPGA的高性能硬件和软件可编程特性确保了能够满足ADAS应用严格的25ms至30ms延时要求。AlteraFPGA不但在技术上非常出众，而且缩短了设计周期，支持OEM和一线品牌生产商尽快将ADAS应用推向市场，不需要大幅度改动硬件就能够突出产品优势，从而进一步增强产品竞争力。此外，Altera还提供简单方便的专用集成电路(ASIC)引脚兼容移植途径，降低了整个产品生命周期的成本。

3.无人驾驶。自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置、ADAS系统和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何外界主动的控制下，自动安全地行驶机汽车。无人驾驶系统的组成由智能感知设备和智能控制系统构成，其中智能感知设备是由各种硬件组成，而智能控制系统是由各种软件组成。硬件主要包括激光测距仪、车载雷达、视频摄像头、微型传感器、GPS导航定位和电脑资料库等。软件主要包括自动巡航/主动巡航、智能刹车辅助、车道偏离/保持、自动泊车、路边识别和碰撞预警等。自动驾驶汽车，又称无人驾驶汽车，区别与其他普通汽车的主要不同点有:第一，根据自身大致位置及路径规划，可以采用现有的GPS和电子地图，位置能够精确到10米左右，也就能够判断自己所处的大概位置，比如某条街道。第二，探测汽车的周围环境，比如行人、车辆、路况、障碍物等，建立周边环境关系，这是目前研究的关键技术。第三，根据汽车获取的周边环境情况，给汽车执行机构下达转弯、加速减速指令。

四、未来发展

1.从功能型向智能型过渡。在汽车技术的序参量开始从人-车交互演进为车-车交互之际，汽车产品也从单一作为人类生理功能延展而存在的功能型转向充分实现互联互通并替代人为操作的智能型。在这个技术的跃迁中，在这次序参量的更迭中，实现汽车自动驾驶是未来的目标。目前，市场上已经建立的无人驾驶主流技术体系是ADAS系统（高级驾驶辅助系统），ADAS系统是利用安装于车上的传感器及摄像头，对车内、车外的环境数据进行动态的、静态的识别、侦测和追踪从而让驾驶人员能够在短时间内察觉危险的一系列技术。ADAS系统包括行人及交通标志识别、车道偏离警告（LDW）、电子稳定控制辅助功能、弯道警告、自适应巡航控制辅助功能（ACC）、疲劳驾驶探测（DFM）、防碰撞系统和调节前灯方向等技术。

2.加速智能化到来：跨国并购与产业整合当前，我国ADAS系统的开发方兴未艾，但这一解决方案在欧洲已经得到广泛推广并开始得到政府的强制安装。为了能够在短期内追赶发达国家和地区，通过跨国并购和产业整合“引进、消化、吸收、再创新”是可行的方案，引进ADAS解决方案具有下列优势：首先，由于市场的需求和技术的发展带来ADAS系统的成本降低，这将导致ADAS系统在国内的装配率提高，逐渐从中高端汽车市场向整个市场过渡，这将是我国汽车行业大为改观；随着市场需求的不断提高，一些系统供应商预计会将部分生产转移到中国；其次，国内汽车厂商随着ADAS解决方案的普及也将纷纷开发自己的ADAS技术。通过ADAS系统的引入，国内汽车产品将为之改观。重要的是，国内相关企业也会在该解决方案引入的同时抓紧时机发展自身的产品和技术。我国汽车产业将在短期内向智能化大踏步前进。

ADAS得到广泛应用的决定性因素还是其成本。虽然ADAS技术越来越复杂，但是传感器和处理器技术的进步(在很少的元器件中集成多种功能)现在可以支持工程师以中端甚至是经济型汽车能够承受的价格来设计ADAS应用。成本的降低以及通过功能集成来降低复杂度是推动ADAS技术在各类车辆中得以广泛应用的关键因素。

参考文献：

[1]陈慧,徐建波.智能汽车技术发展趋势[J].中国集成电路,2014,11.

[2]陈赟，章娅玮，陈龙.传感器技术在无人驾驶汽车中的应用和专利分析[J].功能材料与器件学报，2016，20(1).

[3]徐可,徐楠,全球视野下的智能网连汽车发展路径,中国工业评论,2015(09).