攝像頭、雷達(dá)、高分辨率 3D 瞬動(dòng)激光雷達(dá)（Flash Lidar）等各類傳感設(shè)備的組合，將成為傳感器套件中的關(guān)鍵部分，可為用戶提供車輛四周的 360°環(huán)視視野。

為了模仿人類駕駛員在駕駛過程中的眾多行為，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要集成大量非常復(fù)雜的技術(shù)。如今，為了能夠360 度觀測(cè)車輛四周的情況，每輛車都需要安裝一組由多個(gè)傳感器組成的傳感器陣列?？焖?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)可以將必要數(shù)據(jù)發(fā)送至電子控制單元，協(xié)助車輛在轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速和減速方面進(jìn)行決策。

為了在未來的移動(dòng)出行解決方案市場(chǎng)占得先機(jī)，汽車廠商、一級(jí)供應(yīng)商和其他供應(yīng)商正在與孜孜不倦的創(chuàng)業(yè)公司和“行業(yè)攪局者“展開激烈競(jìng)爭(zhēng)，其中也包括蘋果 (Apple) 和谷歌 (Google) 等科技巨頭，但有時(shí)也會(huì)選擇與這些公司合作。

他們獲勝的關(guān)鍵在于以下技術(shù)領(lǐng)域：

業(yè)界正朝著模塊化和可擴(kuò)展的多域控制器穩(wěn)步前進(jìn)，以便管理日益復(fù)雜的傳感器數(shù)據(jù)輸入和處理。

處理能力

處理器可分析傳感器的數(shù)據(jù)輸入，進(jìn)而做出轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速、減速等決定，未來必將取得重大進(jìn)展?，F(xiàn)階段的安全系統(tǒng)主要會(huì)大量采用傳統(tǒng)的多核處理器，具體參與的廠商包括恩智浦 (NXP)、英飛凌 (Infineon)、瑞薩 (Renesas)、意法半導(dǎo)體 (ST Microelectronics) 和英特爾 (Intel) 等。然而，未來自動(dòng)化系統(tǒng)帶來的極端挑戰(zhàn)，將對(duì)現(xiàn)有的處理技術(shù)提出更高要求。

英偉達(dá) (Nvidia) 的每個(gè)高度并行圖形處理單元 (GPU) 都擁有數(shù)千個(gè)小型處理內(nèi)核，近些年來開始在汽車行業(yè)嶄露頭角。這種 GPU 單元非常適合同時(shí)完成多項(xiàng)任務(wù)，例如同步分析來自多個(gè)傳感器的像素輸入。最近，英偉達(dá)推出專門針對(duì) SAE 3 級(jí)到 5 級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的Pegasus 多芯片平臺(tái)。Pegasus 模塊的尺寸與車輛牌照相仿，但卻可以實(shí)現(xiàn)每秒 320 萬億次的數(shù)據(jù)中心級(jí)處理能力。

目前已被英特爾收購(gòu)的 Mobileye 也開發(fā)了一款專門的圖像處理器。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 可用于制造專用并行設(shè)備，主要生產(chǎn)廠家包括賽靈思 (Xilinx)、英特爾 (nee Altera)、萊迪思半導(dǎo)體（LatticeSemiconductor）和 美高森美（Microsemi） 等。FPGA 允許設(shè)計(jì)人員基于具體任務(wù)打造性能最佳的定制芯片。恩智浦和瑞薩等主流供應(yīng)商已獲得 Tensilica 的可編程技術(shù)許可，目前已經(jīng)開始將應(yīng)用范圍從信息娛樂系統(tǒng)擴(kuò)展到安全系統(tǒng)。

不過，傳統(tǒng) CPU 并不會(huì)就此退出歷史舞臺(tái)。CPU 的優(yōu)勢(shì)在于順序處理技術(shù)，可以協(xié)助將經(jīng)過各類專用處理器（位于傳感器或 ECU 單元內(nèi)部）處理過的傳感器數(shù)據(jù)融合起來，這對(duì)系統(tǒng)的決策能力至關(guān)重要。

如今，大多數(shù)系統(tǒng)都有自己的獨(dú)立處理器，比如車道偏離或自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)都內(nèi)置了處理器，也就是這些大型控制單元很可能會(huì)收集所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并判斷將如何為車輛導(dǎo)航。這種需求將給處理器的內(nèi)核性能、時(shí)鐘頻率和低功耗預(yù)算提出更高要求，特別是在電動(dòng)汽車應(yīng)用中。

車載攝像頭的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，推動(dòng)了生產(chǎn)效率的提升和規(guī)模的擴(kuò)大。圖示為麥格納公司密歇根州Holly 攝像頭工廠生產(chǎn)的傳感器線路板。

雷達(dá)和攝像頭

熟練的人類駕駛員僅靠自己的眼睛和簡(jiǎn)單的后視鏡幫助，即可做到安全駕駛，但自動(dòng)駕駛車輛將需要多達(dá) 30 個(gè)傳感器，才能達(dá)到人類駕駛員的水平。具體來說，這些傳感器有的面向前方，共同識(shí)別前進(jìn)道路及可能障礙物，其他的傳感器則將面向車輛的各個(gè)方向，共同繪制 360 度環(huán)視視野。

目前，雷達(dá)組件市場(chǎng)主要由恩智浦和意法半導(dǎo)體等成熟芯片制造商占領(lǐng)，而這些公司的主要業(yè)務(wù)之一是將微控制器和雷達(dá)設(shè)備匹配起來。此外，亞諾半導(dǎo)體 (Analog Device) 和瑞薩 (Renesas) 以及 Imec 和英飛凌等合作伙伴，也在進(jìn)行類似的整合。例如，在 IHS Markit 的拆解中，我們可以看到來自德爾福的 77-GHz 雷達(dá)傳感器采用了英飛凌的接收器和發(fā)射器裝置，及 TI 的應(yīng)用處理器。目前，這款雷達(dá)傳感器已經(jīng)用于 2015 款沃爾沃 XC90。此外，德爾福的另一項(xiàng)前沿 RaCam 雷達(dá) + 視覺傳感技術(shù)也使用了英飛凌基于 SiGe HBT 的接收器和發(fā)送器。

Oculii、Omniradar 和 Artsys360 等幾家初創(chuàng)企業(yè)，正在試圖在雷達(dá)領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟。博世 (Bosch)、采埃孚 (ZF)、德爾福 (Delphi) 等絕大多數(shù)一級(jí)供應(yīng)商也開始在安全系統(tǒng)中使用雷達(dá)技術(shù)。

這些公司中的絕大多數(shù)還在研發(fā)攝像頭技術(shù)。目前來看，英特爾旗下的 Mobileye 公司在攝像頭領(lǐng)域占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)，旗下 EyeQ3 視頻處理器已經(jīng)成功登陸德爾福的 RaCam 傳感解決方案。麥格納國(guó)際 (Magna International)、博世 (Bosch)、法雷奧 (Valeo)、大陸 (Continental)和電裝 (Denso) 等多家公司也開始將目光轉(zhuǎn)向視覺系統(tǒng)。另外，敏視 (Stonkam) 等中國(guó)制造商，及松下汽車系統(tǒng) (PanasonicAutomotiveSystems) 和安全氣囊巨頭 Autoliv 都紛紛大舉進(jìn)軍攝像頭系統(tǒng)領(lǐng)域。

基于 AI 和攝像頭的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于 SAE 2級(jí)至 4 級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

司機(jī)警覺性監(jiān)控和駕駛室感應(yīng)系統(tǒng)，是攝像頭技術(shù)另一項(xiàng)穩(wěn)步增長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景。經(jīng)過通用汽車凱迪拉克 (Cadillac) SuperCruise 系統(tǒng)的驗(yàn)證，這些技術(shù)對(duì)于 SAE 2 級(jí)到 4 級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。科技合作是這個(gè)新興供應(yīng)領(lǐng)域的核心。目前，電裝已經(jīng)與硅谷技術(shù)公司 Xperia 展開合作，希望借力后者的 FotoNation 部門，補(bǔ)充圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)力。電裝公司早在 2014 年就開始為越野卡車和大型旅游巴士提供駕駛員狀態(tài)監(jiān)視器。該系統(tǒng)采用了一款駕駛艙攝像頭，可捕捉駕駛員的面部圖像，并采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，通過檢測(cè)駕駛員的面部，確定駕駛員的疲憊程度。

目前，攝像頭和雷達(dá)將相互配合以識(shí)別物體。另外，當(dāng)固態(tài)設(shè)備能夠達(dá)到汽車產(chǎn)業(yè)的要求時(shí)，汽車制造商還大概率將增加激光雷達(dá)，使信號(hào)發(fā)送區(qū)域可以相互覆蓋。這種設(shè)計(jì)可以杜絕誤報(bào)警的可能性，盡最大可能提供障礙物識(shí)別信息。此外，車輛還采用了多雷達(dá)的設(shè)計(jì)，以提供 3D 觀測(cè)功能。未來，24-GHz 雷達(dá)可能會(huì)被帶寬更寬的 77-GHz 產(chǎn)品取代，從而滿足行業(yè)對(duì)高精度 3D 圖像的需求。值得說明的是，先進(jìn)的信號(hào)發(fā)送和接受技術(shù)，也可以協(xié)助雷達(dá)識(shí)別物體，而不是僅能提供距離信息。

提高分辨率是攝像頭性能優(yōu)化的關(guān)鍵內(nèi)容。更高的分辨率可以增加清晰度，有助于擴(kuò)大攝像頭的監(jiān)測(cè)范圍，幫助系統(tǒng)及時(shí)識(shí)別遠(yuǎn)距離目標(biāo)。今天最主流的 200 到400 萬像素?cái)z像頭，未來將會(huì)被 800 到 1000 萬像素的產(chǎn)品所取代。

隨著車上的傳感器數(shù)量越來越多，這些傳感器發(fā)送給控制器的數(shù)據(jù)量也急劇增加。數(shù)據(jù)集成處理器可以解決這一問題，但該解決方案并未得到行業(yè)的普遍認(rèn)可。明導(dǎo) (Mentor Graphics) 嵌入式系統(tǒng)部門總經(jīng)理 Glenn Perry 表示：“在傳感器中增加一個(gè)處理器，會(huì)導(dǎo)致延遲產(chǎn)生，并增加我們材料清單的長(zhǎng)度。SAE 5 級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要采用大量的激光雷達(dá)、雷達(dá)和攝像頭，這種設(shè)計(jì)思路的成本太高，還將占用大量的計(jì)算能力，因此可能根本行不通?！?/p>

通用汽車公司購(gòu)買了 Strobe 公司的超緊湊型調(diào)頻 (FM) 激光雷達(dá)技術(shù)（原型如圖所示，大小可參考與旁邊中性筆的對(duì)比），數(shù)據(jù)處理速度高于常規(guī)ToF激光雷達(dá)。通用汽車下屬子公司Cruise Automation的目標(biāo)是將固態(tài)激光雷達(dá)的成本降低至每部 100 美元以下。

激光雷達(dá)

許多汽車工程經(jīng)理認(rèn)為，激光雷達(dá)傳感技術(shù)結(jié)合了激光和攝像頭優(yōu)勢(shì)，是 SAE 5 級(jí)自動(dòng)駕駛必不可少的組成部分。激光雷達(dá)的工作原理和普通雷達(dá)相仿，主要通過發(fā)射激光測(cè)算目標(biāo)的距離。具體來說，激光雷達(dá)將發(fā)出激光，并記錄激光反射回來所需的時(shí)間，進(jìn)而測(cè)算雷達(dá)與障礙物之間距離。這種技術(shù)不受天氣影響，將成為攝像頭的有力補(bǔ)充。

目前，多家小型公司都在打造機(jī)電激光雷達(dá)系統(tǒng)，但基本都以固態(tài)激光雷達(dá)為主，以達(dá)到汽車級(jí)可靠性標(biāo)準(zhǔn)。汽車行業(yè)對(duì)激光雷達(dá)的興趣絕非隨口說說，而是實(shí)打?qū)嵉啬贸隽舜罅客顿Y。舉幾個(gè)例子，德爾福、福特和采埃孚（ZF）分別投資了 Innoviz Technologies、Velodyne 和 Ibeo 公司。德爾福和戴姆勒還共同投資了 Quanergy 公司。大陸集團(tuán)收購(gòu)了 Advanced Scientific Concepts；ADI 公司則收購(gòu)了 Vescent Photonics。2017 年 10 月，通用汽車的自動(dòng)化技術(shù)子公司克魯斯自動(dòng)化 (Cruise Automation) 也收購(gòu)了一家正在埋頭開發(fā)下一代激光雷達(dá)傳感器的小型公司 Strobe。

Gruise公司的老板 KyleVogt 曾在一篇博文中寫道，如果可以將整個(gè)傳感器系統(tǒng)集成至單芯片上，工程師們就可以將每部汽車激光雷達(dá)的成本降低“99％”。

目前，一些激光雷達(dá)芯片已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，但主要應(yīng)用仍以“車道偏離預(yù)警”等短距離測(cè)距為主。大多數(shù)正在研發(fā)中的汽車級(jí)固態(tài)激光雷達(dá)都希望可以在 200 到 300 米（656 到 984 英尺）的距離內(nèi)提供高分辨率圖像，進(jìn)而允許車輛盡早識(shí)別行駛方向上的障礙物。

“分辨率至關(guān)重要，”VelodyneLidar 公司 CTO Anand Gopalan 表示，“如果你希望‘看清’遠(yuǎn)處的小目標(biāo)，比如輪胎碎片等，那就必須提供足夠的激光強(qiáng)度。這樣才能準(zhǔn)確捕捉到這些小型目標(biāo)，并及時(shí)采取避讓措施?！?/p>

架構(gòu)

架構(gòu)是無人駕駛汽車成為現(xiàn)實(shí)的先決條件，需要保證眾多零部件的協(xié)同工作：比如如何收集傳感器數(shù)據(jù)，如何將這些數(shù)據(jù)融合起來形成環(huán)視視野，如何在車輛中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分享，如何進(jìn)行決策，如何進(jìn)行交叉檢查等等。

由于電子系統(tǒng)可以根據(jù)車輛周圍的情況做出判斷，因此軟件將發(fā)揮重要作用。同時(shí)硬件性能必須足夠強(qiáng)大，才能及時(shí)完成運(yùn)算，進(jìn)而避免事故發(fā)生。目前，車輛的系統(tǒng)硬件和軟件通常由同一個(gè)供應(yīng)商提供，不過隨著汽車開放系統(tǒng)架構(gòu) (AUTOSAR) 的發(fā)展壯大，軟硬件系統(tǒng)的獨(dú)立性也將有所提高。未來，隨著汽車制造商開始不斷尋求更好的自動(dòng)駕駛軟件，這種趨勢(shì)可能會(huì)隨之加速。

采埃孚（ZF）自動(dòng)駕駛團(tuán)隊(duì)首席工程經(jīng)理Karl-Heinz Glander 表示：“現(xiàn)在大多數(shù)人都明白，硬件和軟件應(yīng)該是相互獨(dú)立的，這樣才能方便第三方軟件的使用。OEM可以自由選擇同蘋果、谷歌這樣的純軟件公司，或是像英偉達(dá)或 Mobileye 這樣的芯片公司合作，找到最符合公司利益的搭配?！?/p>

目前，系統(tǒng)架構(gòu)面臨的關(guān)鍵問題之一，在于系統(tǒng)的運(yùn)算能力應(yīng)集中在一個(gè)強(qiáng)大的 ECU 中，還是分散在系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。許多 ADAS 系統(tǒng)選擇將獨(dú)立處理器分散各個(gè)智能傳感器中。這樣一來，傳感器的數(shù)據(jù)在發(fā)送至中央處理器前，可以先在傳感器內(nèi)進(jìn)行初步處理，這樣一來可以降低中央控制器的壓力，二來還可以減輕汽車通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸壓力。然而，還有一些系統(tǒng)架構(gòu)師更傾向于將系統(tǒng)的全部計(jì)算能力集中在中央ECU 中，所有數(shù)據(jù)全部不加處理，直接傳送至中央處理器，從而避免在傳感器中增加獨(dú)立處理器的需求。事實(shí)上，一些OEM可能會(huì)將這兩種思路結(jié)合起來，即仍采用中央處理器的設(shè)計(jì)，但在部分“智能”傳感器中增加獨(dú)立處理器，完成部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作，其他“普通”處理器將原始數(shù)據(jù)傳送回ECU 即可。

事實(shí)上，軟件系統(tǒng)幾乎不可能全面預(yù)測(cè)無人駕駛車輛在道路上可能遇到的各種情況，并預(yù)先設(shè)計(jì)如何進(jìn)行反應(yīng)。

在此背景下，允許車輛“邊跑邊學(xué)”的人工智能技術(shù)則被提上了日程。人工智能所需的投資規(guī)模非常龐大，目前已在語(yǔ)音識(shí)別和圖像分析方面取得了重大進(jìn)展。

德爾福的 V2V 控制器已應(yīng)用于凱迪拉克。

通訊

如果車輛能夠共享信息，則可以獲得車載傳感器無法獲得的信息。舉個(gè)例子，車輛的傳感器可能無法“看到”前方有一輛被大貨車完全擋住的小橋車，但車輛通信技術(shù)則可將這個(gè)信息通報(bào)出來。車輛與基礎(chǔ)設(shè)施間的通信有助于提升交通運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性。這些信息無疑將成為自動(dòng)駕駛汽車的法寶，但具體部署仍然面臨諸多質(zhì)疑和挑戰(zhàn)。

多年來，NHTSA 和汽車制造商一直致力于開發(fā)專用短程通信 (DSRC) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但目前仍沒有具體實(shí)施的消息。有觀點(diǎn)認(rèn)為，除非強(qiáng)制執(zhí)行，否則廠商根本不會(huì)采用 DSRC 系統(tǒng)。目前，凱迪拉克已經(jīng)部署了 V2V 技術(shù)，但其他汽車廠商還并沒有動(dòng)靜。

雖然監(jiān)管機(jī)構(gòu)還在反復(fù)思量有關(guān)安全性的各種問題，但汽車和手機(jī)供應(yīng)商已經(jīng)開始設(shè)計(jì)基于 5G網(wǎng)絡(luò)的 V2X 通信技術(shù)。5G 通信的實(shí)現(xiàn)日期和實(shí)際性能仍不能確定，但只要成本可以降下來，則可能會(huì)成為大多數(shù)車型的選擇。5G 技術(shù)可以解決 V2X 系統(tǒng)面臨的眾多挑戰(zhàn)，包括不需要實(shí)時(shí)通訊性能的路面黑冰通知等。

對(duì)于一些與自動(dòng)駕駛汽車轉(zhuǎn)向或制動(dòng)有關(guān)的警告，DSRC 具備的低延遲優(yōu)勢(shì)非常關(guān)鍵。DSRC 的性能已經(jīng)在大量車輛的公路測(cè)試中有所體現(xiàn)，因此一旦 NHTSA或幾個(gè)主要支持機(jī)構(gòu)出面推進(jìn)，DSRC通信技術(shù)將在乘用車和商用車中得到快速推廣。雖然一些 5G 支持者認(rèn)為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)完全可以取代 DSRC 技術(shù)，但更多人認(rèn)為這兩者可能必須共同發(fā)揮作用。

意法半導(dǎo)體業(yè)務(wù)發(fā)展高級(jí)首席工程師 Raed Shatara 表示：“業(yè)界應(yīng)該呼吁協(xié)作，在不犧牲安全的情況下實(shí)現(xiàn)這兩種技術(shù)的共存。回顧過去，F(xiàn)M 并沒有取代 AM，HD 也并沒有取代 AM 或 FM，衛(wèi)星收音機(jī)不能取代 AM、FM 或 HD?，F(xiàn)在，這些技術(shù)的身影還都存在于汽車中。”

無論借助哪種技術(shù)，汽車通信的成果將逐步成熟。要實(shí)現(xiàn) V2X 通信的前提是車輛必須具備發(fā)送/接受消息的能力，而裝配 V2X 系統(tǒng)的車輛需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完全取代以前的汽車。此外，還必須說明的是，這些次級(jí)系統(tǒng)目前還很難驗(yàn)證，車輛接收到消息到底是來自其他通過驗(yàn)證的車輛，還是來自黑客，因而很多安全功能還無法提供。