在車輛中整合傳感器要考慮的6件事
參與專題討論的業界專家包括汽車嵌入式產品供貨商 Valeo 的視覺系統和 ADAS 資深專家 Patrick Denny、富豪汽車(Volvo Car Corp.)技術主管 Paul-Henri Matha、Sense Media Group 執行董事 Robert Stead，以及設計公司 Astheimer Ltd 設計總監 Carsten Astheimer。筆者還與法國市場研究公司 Yole Développement 的技術和市場分析師 Pierrick Boulay 取得聯系，了解 Yole 對汽車系統中各類傳感器的應用有何見解。
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圖 1：汽車制造商依據六項基本因素將傳感器整合于汽車中。
多少傳感器才合適?
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現在的車輛中采用了越來越多的傳感器以有效解決安全問題。如今的車輛中有多少個傳感器?到底需要多少個傳感器才能進一步提高車輛自動駕駛的等級?Yole 的 Boulay 告訴筆者，“如果將 ADAS 的傳感器也考慮在內，如超音波、雷達、感測攝影機、視角攝影機和光達(LiDAR)，估計一輛車有 10~20 個傳感器，具體取決于車型。”當然，相較于低階或中階車款，在高階車款中嵌入的傳感器更多。
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傳感器是為車輛實現高度自動化的關鍵，自動化的程度越高，所需要的傳感器數量和類型都將隨之增加。“要實現高層級的自動化，預計要使用 35~40 個傳感器。”Boulay 說，“針對短距離、中距離和長距離等不同應用，傳感器的選擇也有所不同。一個傳感器不可能適合所有應用，每一種應用或場景都有不同的傳感器規格與要求。”
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不斷增加的傳感器數量只是人們所看到的一小部份。傳感器將產生巨量的數據，而系統受到了處理能力的嚴重限制。“未來，擁有足夠運算能力來處理從這些傳感器所產生的龐大數據，將是一項十分重要的性能。”Boulay 說，“采用 Intel-Mobileye 芯片的典型 ADAS 系統運算能力已實現了飛躍性進展，從 0.25TOPS (高端筆記本電腦性能的 10 倍)到 2.5TOPS (新型 EyeQ4 芯片)，而自動駕駛車的運算能力已經超過了 250TOPS。”最終，車輛的電氣 / 電子(E/E)架構需要從分布式架構轉變為采用域控制器的集中式架構，以便能夠管理傳感器原始數據的融合。
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那么，傳感器是不是越多越好呢?Boulay 說：“有些人可能認為是這樣，但是出于成本或整合方面的考慮，汽車中傳感器的數量并不會無止境地增加。”他預計用于車輛自動化的傳感器數量最終將在某個時候穩定下來。“具體取決于軟件水平和公司有效處理大量資料的能力。如特斯拉(Tesla)等一些 OEM 至今尚未使用 LiDAR，而是依賴傳感器與人工智能(AI)運算來實現高層級的車輛自動化。”
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客觀地說，“有些 OEM 使用了更少的傳感器，但是卻做得更好，差別就在軟件水平和運算能力上。”他補充。
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優化傳感器組合
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車輛可能一會兒行駛于晴天，一會兒卻在雨中行駛。傳感器需要持續監測不斷變化的外部環境。提高可用性的一個有效方法是部署冗余的傳感器，以因應可能發生的故障。Valeo 的 Denny 在專題討論時說：“察看環境不能局限于某一種方法，當完全處于黑暗中或惡劣的天氣環境時，需要透過多種方式并使用各種功能來協同工作。”
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在人類視力看不清的情況下，可以依靠傳感器提供協助，由于傳感器種類多，因而能讓車輛在所有氣候和光線條件下可靠地行駛。Boulay 說：“攝影機在白天正常運作，但在夜間或雨霧情況下可能會變『盲』，而其他傳感器則不受影響，所以即使車輛處于降級服務模式，仍然能夠行駛。”
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傳感器應放置在哪里?
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就像人類感官一樣，放置傳感器的位置必須根據需要制定策略，才能持續反饋車輛周邊的情況。但具體放置在哪里卻存在技術限制。例如，Denny 指出，前照燈中的水汽凝結會妨礙 LiDAR 運作;在下雪或寒冷天氣時，霜凍可能導致傳感器故障;紅外線傳感器無法穿透玻璃，因此不能放在擋風玻璃后面;同樣地，在超音波傳感器上涂漆可能改變其聲學特性。
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Volvo 的 Matha 說，傳感器的功耗也是設計人員面臨的巨大挑戰。“每個傳感器都要消耗 1~10W 的功率，實現 ADAS 功能的所有傳感器消耗功率可能高達 100W 或 200W，碳排放達到 4g。因此我們必須降低功耗，例如，傳感器也許不必一直保持工作狀態。”
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熱管理是另一個要考慮的因素。Matha 說，擋風玻璃后的溫度可能達到 90°C，或許沒有哪一種傳感器適合放在那里。“但如果將傳感器放在其他區域，如前照燈中，就需要冷卻系統，因此更復雜且成本高昂。”
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專家指出，模擬和駕駛測試有助于確定傳感器的最佳位置。Boulay 說，“傳感器的位置是由 OEM 的目標應用而決定的。就我們目前所看到的，車輛上建置 LiDAR 用于高速公路上自動駕駛，則 LiDAR 應位于中央位置，基本上與 ADAS 攝影機和長距離雷達對齊。對于其他應用，例如停車或在市區內行駛，這些 LiDAR 的位置則不相同，可能位于車輛的側邊或角落。”
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別讓傳感器降低車輛顏值
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Matha 說，Volvo 的車子中目前整合了 20 種傳感器，其中許多完全藏在里面，從外面看不到。例如，Volvo XC90 的前方停車攝影機位于散熱器的護柵中，車側的攝影機位于每個車門的后視鏡中，而后方攝影機則位于車牌上方。Matha 說：“我們可以將傳感器整合在車體內，并讓它們看起來很美觀。”
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圖 2：Volvo XC90 的前置攝影機。(來源：Volvo)
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但我們一定要把傳感器隱藏起來嗎?能不能讓它們成為一個吸引人的亮點?
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Astheimer 認為，如果車子是智能產品，那它就應該看起來很智慧，“而不是把所有東西都隱藏起來。”現在的傳感器都很小，足以完全整合于車輛中且讓人幾乎察覺不到。但是，隨著完全自動駕駛的逐步實現，車輛開始自行駕駛，有些傳感器將會“需要放置在極其顯眼的位置。”例如 360° LiDAR 將會需要完全的視野，且其位置不容受到影響。
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更重要的是，Astheimer 強調，設計人員和工程師需要共同努力，根據車輛的不同特性設計適用的傳感器。Deliver-E 是一款電動配送車原型，由英國的華威大學制造工程學院(Warwick Manufacturing Group;WMG)、華威大學(University of Warwick)和 Astheimer 共同開發，它將攝影機整合于車輛側面，并將 LiDAR 置于車尾部顯著位置。
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那么是否可以將所有傳感器集中放在一個外部裝置?Boulay 提到了 Magneti Marelli 的 Smart Corner，可以將 LiDAR、雷達、攝影機和超音波等傳感器容納其中，并使用 LED 來提供光處理功能，如自動調整光束和數字光處理。他說：“OEM 在制造過程中整合這些外部裝置可能會比較容易，但如果發生事故，保險公司或消費者修理或更換這些裝置的成本非常高。我們必須在整合、可修復性和成本之間找到一個平衡點。”
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避免認知能力超載
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人機接口(HMI)不僅連接了駕駛人和車輛，而且也將駕駛人與外界聯系起來。但它也有風險，駕駛人會因豐富的功能分散注意力，從而漏讀重要的駕駛信息。
圖 3：Volta Trucks 的 Zero 電動送貨車。(來源：Volta Trucks)
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Astheimer 由于參與 Volta Trucks 的 Zero 電動貨車設計，了解到加強駕駛人警覺的重要性。他說：“在倫敦，大型旅行車占有率雖然不足車輛總數的 4%，但因車禍而造成的行人和騎士死亡人數中，大型旅行車占了 50%以上。主要原因有兩個：無法直接看見周遭環境，以及環境狀況復雜超過其認知能力。
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”超過認知負載是一個大問題。“Astheimer 說，”我們應確保電子控制單元(ECU)和控制局域網絡(CAN)系統讀取正確訊號，并以最清楚、最簡潔的方式顯示信息，無論是透過觸覺、聲音還是視覺。“
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讓汽車既安全又酷炫
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Stead 引用之前 AutoSens 會議中專題討論的專家評論，詢問”讓安全酷炫“(making safety cool)是否就是銷售連網汽車的關鍵。
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”汽車安全性確實是我們的賣點。“Matha 說：”客戶想要安全，而我們只能利用傳感器來實現安全性。因此，我們要使用傳感器打造出優雅迷人的汽車。“
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還有另一個因素也需要考慮。用戶應該了解汽車的智能水平，以便對道路使用者及周邊環境保持警覺。Astheimer 表示：”讓車輛變得越來越安全，駕駛人慢慢就不需要擔心車輛的自動操作了。提高車輛的自主性，雖然是協助駕駛人簡化操作，但卻也讓困難的任務更加棘手。隨著車輛可為駕駛人做更多的事，也導致駕駛人的注意力越來越不易集中。“
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Astheimer 說，傳感器以及傳感器提供的信息反饋，重點在于協助駕駛人對外界發生的事保持警醒，而不是讓他與外部世界脫離。
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