從上世紀50年代早期的電動車窗到當(dāng)今最新的汽車駕駛系統(tǒng)，豪華汽車所具有的高端特性隨著時間的推移最終都應(yīng)用到中端和經(jīng)濟型汽車上,，成為必備的電子和電氣系統(tǒng),。最近新出現(xiàn)的高級輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)技術(shù)也不例外,。作為一個例子,，歐洲的福特?？怂蛊嚞F(xiàn)在具備了自適應(yīng)巡航控制(ACC),、自動剎車和主動式車道保持等功能——所有這些特性以前都專屬于豪華汽車,。即使是經(jīng)濟型起亞汽車也安裝了后視攝像機,。但是，隨著ADAS技術(shù)應(yīng)用到價格相對便宜的車輛上,，這帶來了一個兩難的問題：需要以非常低的價格實現(xiàn)大量的計算資源,。

    ADAS技術(shù)能夠不僅僅應(yīng)用在豪華汽車上，部分原因是出于競爭的考慮,，但并不是唯一因素,。政府規(guī)章制度也是一個重要因素。例如,，在美國,，國家高速運輸安全管理局正在制定強制安裝后視攝像機的政策[來源：http://www.newsday.com/classifieds/cars/backup-cameras-likely-mandated-for-2014-1.3599178]，據(jù)此,，預(yù)計2018年車載攝像機將達到6千萬臺,。EC將于2015年強制實施高級緊急剎車系統(tǒng)和車道偏離報警(LDW)系統(tǒng)。[source: [http://www.interregs.com/spotlight.php?id=84]

    安裝了ADAS的車輛在保險上有折扣也是推動ADAS廣泛應(yīng)用的另一因素,。這類優(yōu)惠有一定的統(tǒng)計意義,。當(dāng)駕駛員駕駛車輛開始偏離車道時，系統(tǒng)會發(fā)出告警,，在夜間,，系統(tǒng)也能夠增強駕駛員的能見度，從而避免了事故的發(fā)生,，挽救了生命,。

    ADAS得到廣泛應(yīng)用的決定性因素還是成本。雖然ADAS技術(shù)越來越復(fù)雜，但是,，傳感器和處理器技術(shù)的進步——在很少的元器件中集成多種功能,，現(xiàn)在可以支持工程師以中端甚至是經(jīng)濟型汽車能夠承受的價格來設(shè)計ADAS應(yīng)用。成本的降低以及通過功能集成來降低復(fù)雜度是推動ADAS技術(shù)在各類車輛中得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素,。

功能的多樣性

    在其所有預(yù)期中,，ADAS技術(shù)也給汽車行業(yè)帶來了很多挑戰(zhàn),。正如很多技術(shù)處于其早期階段一樣,，ADAS應(yīng)用曾涉及到很多發(fā)展方向，并不能明確哪一方向最終會推動市場發(fā)展,。撰寫本文時,，日立公司關(guān)注于采用兩臺前向攝像機多路傳感器方法來探測距離100米以外的物體。這一技術(shù)被稱為“眼睛視覺”,，在2013款力獅和傲虎車型上得到了應(yīng)用,。Denso公司最近演示了困倦探測系統(tǒng)，使用紅外(IR)攝像機來觀察駕駛員的面部,，確定駕駛員的眼睛是否張開,，如果眼睛閉上，表明駕駛員可能進入了睡眠狀態(tài),。最后,，Aisin正在推出使用后視攝像機的車道探測系統(tǒng)——這是一種監(jiān)視車輛相對于車道標志線位置的高性價比方法，它結(jié)合GPS和道路地圖數(shù)據(jù),，確定車輛相對于前方路況的當(dāng)前位置,。

    本文會更詳細地介紹ADAS技術(shù)迅速在更廣闊的市場上得以應(yīng)用。

系統(tǒng)：車道偏離報警

傳感器：攝像機

    當(dāng)車輛離開其車道,，或者接近道路邊緣時,，LDW系統(tǒng)發(fā)出聲音報警或者動作報警(通過輕微的振動方向盤或者座椅來實現(xiàn))。當(dāng)車輛速度超過一定閾值(例如,，大于55英里),，車輛沒有打開轉(zhuǎn)向信號燈時，這些系統(tǒng)會開始發(fā)揮作用,。當(dāng)車輛行駛,，其相對于車道標志線的位置表明車輛有可能偏離車道時，需要通過攝像機系統(tǒng)來觀察車道標志,。雖然對于所有車輛制造商而言這些應(yīng)用需求是相似的,，但是每一廠商都采用了不同的方法，使用一臺前視攝像機,，一臺后視攝像機,，或者雙路/立體前視攝像機。出于這一原因,，很難采用一種硬件體系結(jié)構(gòu)來滿足各種不同類型的攝像機要求,。需要采用靈活的硬件體系結(jié)構(gòu)來提供不同的實現(xiàn)選擇,。

系統(tǒng)：自適應(yīng)巡航控制

傳感器：雷達

    過去十年中，豪華汽車采用了ACC技術(shù),，這一技術(shù)目前也在更廣泛的市場上得到了應(yīng)用,。傳統(tǒng)的巡航控制技術(shù)設(shè)計用于保持車輛以恒定的車速行駛，與此不同,，ACC技術(shù)使車速與交通狀況相適應(yīng),，如果與前車距離太近，則會降速,，在路況允許時,，會加速到上限。這些系統(tǒng)通過使用安裝在車輛前部的雷達來實現(xiàn),。但是,，由于雷達系統(tǒng)不能識別某一目標的大小和形狀，而且其視場也相對較窄,，因此,，應(yīng)用時要結(jié)合攝像機。難點在于,，目前所使用的攝像機和雷達傳感器還沒有標準配置,。因此，還是需要靈活的硬件平臺,。

系統(tǒng)：交通標志識別

傳感器：攝像機

    正如其名稱所示,，交通標志識別(TSR)功能使用前向攝像機結(jié)合模式識別軟件，可以識別常見的交通標志(限速,、停車,、掉頭等)。這一功能會提醒駕駛員注意前面的交通標志,，以便駕駛員遵守這些標志,。TSR功能降低了駕駛員不遵守停車標志等交通法規(guī)的可能，避免了違法左轉(zhuǎn)或者無意的其他交通違法行為,，從而提高了安全性,。這些系統(tǒng)需要靈活的軟件平臺來增強探測算法，根據(jù)不同地區(qū)的交通標志來進行調(diào)整,。

系統(tǒng)：夜視

傳感器：IR或者熱成像攝像機

    夜視(NV)系統(tǒng)幫助駕駛員在很暗的條件下識別物體,。這些物體一般超出了車輛大燈的視場范圍，因此,，NV系統(tǒng)針對在前方道路上行駛的車輛提前發(fā)出報警,，幫助駕駛員避免撞車事件的發(fā)生。 

     NV系統(tǒng)使用各種攝像機傳感器和顯示器，具體與生產(chǎn)商有關(guān),，但一般都屬于兩種基本類型：主動式和被動式,。

·主動系統(tǒng)，也稱為近IR系統(tǒng),，帶電耦合器件(CCD)攝像機和IR燈源相結(jié)合,，在顯示器上呈現(xiàn)黑白圖像。這些系統(tǒng)的分辨率很高,，圖像質(zhì)量也非常好,。其典型的可視范圍是150米。這些系統(tǒng)能夠看清楚攝像機視場范圍內(nèi)的所有物體(包括沒有熱輻射的物體),，但是,，在雨雪環(huán)境下,，效率要大打折扣,。

·被動系統(tǒng)不使用外部光源，而是依靠熱成像攝像機,，利用物體自然熱輻射來采集圖像,。這些系統(tǒng)不會受到對面來車大燈的影響，也不會受到惡劣天氣狀況的影響,，其探測范圍達到300米至1000米,。這些系統(tǒng)的缺點在于圖像是顆粒狀的，功能受限于較溫暖的氣候狀況,。而且,，被動式系統(tǒng)只能探測有熱輻射的物體。被動式系統(tǒng)結(jié)合視頻分析技術(shù),，可以清楚的顯示車輛前方道路上的物體,，例如，行人等,。

    在NV系統(tǒng)中,，有多種體系結(jié)構(gòu)選擇，每一種方法都有其優(yōu)缺點,。為提高競爭力,，汽車生產(chǎn)商應(yīng)支持多種攝像機傳感器，在通用,、靈活的硬件平臺上實現(xiàn)這些傳感器,。

系統(tǒng)：自適應(yīng)遠光控制

傳感器：攝像機

    自適應(yīng)遠光控制(AHBC)是一種智能大燈控制系統(tǒng)，使用了攝像機來探測交通狀況(對面來車以及同向交通狀況),，根據(jù)這些狀況,，調(diào)亮或者調(diào)暗遠光燈。AHBC系統(tǒng)支持駕駛員盡可能在最大照亮距離上使用遠光，而不必在其他車輛出現(xiàn)時手動調(diào)暗大燈,，不會分散駕駛員注意力,，從而提高了車輛的安全性。在某些系統(tǒng)中,，甚至可以分別控制大燈,，調(diào)暗一個大燈，而同時另一個大燈正常點亮,。AHBC與LDW和TSR等前視攝像機系統(tǒng)是相輔相成的,。這些系統(tǒng)不需要高分辨率攝像機，某一款車輛如果已經(jīng)在ADAS應(yīng)用中采用了前視攝像機,，那么這一特性的性價比會非常高,。

系統(tǒng)：行人/障礙物/車輛探測(PD)

傳感器：攝像機、雷達,、IR

    行人(以及障礙物和車輛)探測(PD)系統(tǒng)完全依靠攝像機傳感器來深入感知周圍環(huán)境,，例如，采用一臺攝像機,，或者在更復(fù)雜的系統(tǒng)中采用立體攝像機,。“類別變量”(衣著、燈光,、大小和距離)的差異會很大,，背景復(fù)雜而且不斷變化，以及傳感器置于移動平臺(車輛)上等因素,，導(dǎo)致很難確定移動中行人的視覺特征,，因此，采用IR傳感器能夠增強PD系統(tǒng),。雷達也可以增強車輛探測系統(tǒng),，它提供很好的距離測量功能，在惡劣的天氣條件下,，性能表現(xiàn)出眾,，能夠測量車輛的行駛速度。這一復(fù)雜的系統(tǒng)需要使用同時來自多個傳感器的數(shù)據(jù),。(后面會詳細討論這一被稱為傳感器融合的過程,。)

系統(tǒng)：駕駛員困倦報警

傳感器：車內(nèi)IR攝像機

    困倦報警系統(tǒng)監(jiān)視駕駛員的面部，測量其頭部位置,、眼睛(張開/閉上)以及其他類似的報警指示,。如果確定駕駛員有進入睡眠的跡象，或者看起來意識不清,，該系統(tǒng)會發(fā)出報警,。有些系統(tǒng)還監(jiān)視心率和呼吸,。設(shè)想但是還沒有實現(xiàn)的功能包括使車輛靠近路邊行駛，最終靠邊停下來,。

需求：靈活的高性能技術(shù)平臺

    雖然很難詳細預(yù)測這些功能的未來發(fā)展,，以后會應(yīng)用到什么程度，但是,，從技術(shù)角度看,，有幾點是明確的：

·沒有一種單一的體系結(jié)構(gòu)能夠滿足新出現(xiàn)的各類應(yīng)用需求。

·需要采用靈活的平臺適應(yīng)市場發(fā)展趨勢,，實現(xiàn)最新的功能,，同時滿足成本、規(guī)劃和性能目標,。

·要滿足ADAS應(yīng)用的高性能需求,，應(yīng)在軟件和硬件上達到均衡。

·系統(tǒng)使用多個不同類型的傳感器來完成安全相關(guān)任務(wù),，這類系統(tǒng)今后的發(fā)展會比較強勁,。

信號融合

   需要特別注意的是，大部分ADAS應(yīng)用需要對來自多個傳感器的多路信號進行處理和分析,，包括,，視頻攝像機、雷達,、紅外傳感器，以及今后可能出現(xiàn)的激光等其他傳感器信號,。例如,，危險探測不僅僅需要對來自多個攝像機的數(shù)據(jù)流進行集成和分析，而且,，如果要用在全天候各種天氣條件下,，還必須采用雷達數(shù)據(jù)。傳感器融合這一術(shù)語用于描述ADAS應(yīng)用中不同信號的集成,。

    處理信號融合這一難題的一種算法解決方案是Kalman濾波,，它集合了很多種算法。這是說明ADAS任務(wù)有多復(fù)雜的一個很好的例子,。例如,，Kalman濾波能夠集成視頻和雷達輸入信號，使用這些數(shù)據(jù)來生成當(dāng)前環(huán)境的快照,。然后,，它在這些快照上應(yīng)用名為“航位推測”的過程，根據(jù)物理條件,，計算周圍環(huán)境“可能”會出現(xiàn)什么狀況,。例如,，它估算周圍車輛的新位置，確定路邊的樹木沒有移動等,。然后,，Kalman濾波功能對比這兩類快照，在可信度基礎(chǔ)上,，估算出應(yīng)采取哪些措施,。例如，如果汽車使用了ACC,，車頭距離太近,，那么，可以減速,，或者剎車,。

ECU的角色

    控制這些過程的電子設(shè)備集成到發(fā)動機控制單元(ECU)中。這些系統(tǒng)最初應(yīng)用到汽車中是為了通過控制燃油噴射,、點火時間,、怠速等功能，滿足環(huán)境標準要求,，而現(xiàn)在這些系統(tǒng)的功能越來越多了,。一般而言，分別開發(fā)這些功能(例如,，雷達和攝像機),，逐個集成到車輛中，導(dǎo)致由多個ECU完成多種功能,。從成本的角度看,，這并不是理想的方法。更好的方法是,，將很多傳感器的輸出連接至一個處理單元,，進行傳感器融合，更可靠的理解車輛的狀況,，在軟件中開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)對策略,。但是，這一集成方法所需要的計算能力已經(jīng)遠遠超出了中端車輛的成本預(yù)算,。為能夠同時滿足性能,、成本需求，象軟件一樣靈活,，很多體系結(jié)構(gòu)采用了現(xiàn)場編程陣列(FPGA)技術(shù),。

    FPGA和傳統(tǒng)集成電路的不同在于，F(xiàn)PGA離開工廠后是可編程的,。這意味著,，可以對其進行修改,，在設(shè)計/產(chǎn)品周期后期，滿足最新傳感器獨特的輸出格式要求,，以及最新的計算算法或者規(guī)范要求,，因此，非常適合應(yīng)用于各種體系結(jié)構(gòu),，在最后一刻應(yīng)用新特性,。

    Altera低成本Cyclone®系列FPGA完全能夠適用于汽車領(lǐng)域，支持工程師將傳感器接口,、圖像處理,、通信接口和分析等多種功能集成到單片硅片器件中，減少了典型ECU體系結(jié)構(gòu)的元器件數(shù)量,，降低了復(fù)雜度,。Altera FPGA采用了硬件加速功能來處理高清晰視頻的720p30 (720掃描線，每秒30幀)數(shù)據(jù)流,，以及下一代傳感器的77-GHz輸入,。與完全將這些算法集成到硬件中不同，Altera® FPGA的高性能硬件和軟件可編程特性確保了能夠滿足ADAS應(yīng)用嚴格的25至30-ms延時要求,。

    Altera FPGA不但在技術(shù)上非常出眾,，而且縮短了設(shè)計周期，支持OEM和Tier 1生產(chǎn)商盡快將ADAS應(yīng)用推向市場,，不需要大幅度改動硬件就能夠突出產(chǎn)品優(yōu)勢,，從而進一步增強了商業(yè)價值。此外,，Altera還提供簡單方便的專用集成電路(ASIC)引腳兼容移植途徑,，降低了整個產(chǎn)品生命周期的成本。

總結(jié)

    當(dāng)今全球汽車市場的競爭和法規(guī)壓力促使生產(chǎn)商在其車輛中靈活的采用ADAS技術(shù),。Altera FPGA靈活的結(jié)合了技術(shù)和性能指標，是滿足這些目標要求的理想器件,。