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电气化和ADAS中传感器的发展

2021-03-17 Pierrick Boulay,Dimitrios Damianos,Milan Rosina,To 阅读:
汽车的另一个发展趋势是使用的传感器越来越多。在CASE趋势下,传感器主要应用在两个方面:电气化和ADAS功能,后者包含自主、定位和车联万物(V2X)。

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电气化和ADAS中传感器的发展

汽车的另一个发展趋势是使用的传感器越来越多。RgKednc

在CASE趋势下,传感器主要应用在两个方面:电气化和ADAS功能,后者包含自主、定位和车联万物(V2X)。增加传感器是新的电气/电子(E/E)系统架构和ADAS系统发展的一部分。与排放控制一样,政策法规也在推动安全性能的改进,欧盟新车安全评鉴协会(NCAP)、美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)及欧盟均制定了相关法规。RgKednc

为了实现汽车电气化,越来越多的磁(电流)传感器被用于电池监控(电池管理系统)。EV的发展降低了对ICE的依赖,这可能会对传统的动力总成压力传感器(监测来自MAP、BAP、变速箱油和GPF等的压力)产生不利影响,但这种情况长远来看会得到改善。目前,具有混合动力总成的HEV为传统传感器和新型传感器的集成提供了最佳切入点,这些传感器包括用于平视显示器(HUD)的光传感器、用于车轮扭矩的磁传感器、用于里程表和导航的惯性传感器、用于动力总成监控的压力传感器,以及用于电动动力总成的电流传感器等。RgKednc

除了电气化,ADAS是促使所有类型的车辆中传感器增加的另一个因素。为了赋予汽车更多的自主性,汽车需要发展其自身的情境感知能力。为此,车辆需要适当的传感器来仿真人类对环境的感知。RgKednc

但是我们应该清楚,消费汽车市场中用于ADAS的传感器套件与Waymo、Cruise等出行即服务(MaaS)业务模型中用于完全自主的传感器大不相同。后者采用高成本、高性能、工业级传感器和先进的处理平台,其成本和能耗都超过消费类汽车一个数量级。虽然其成本增加了,但技术相当先进,因而车主愿意承受。而对ADAS来说,关键则是以低成本提供优良的性能。下面列出了一些重要的ADAS传感器:RgKednc

  • 图像传感器正成为ADAS中最重要的传感器。摄像头就像是汽车的眼睛,几乎都采用了互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。汽车摄像头搭载率的不断提高,有助于实现不同功能:

前视:从一个长距离摄像头发展到三个摄像头,扩大了视野,也扩展了ADAS的作用范围。RgKednc

环视:从仅仅实现倒车和停车辅助功能的后置摄像头,发展到环绕汽车的360°视野,可提供更好的情境感知能力(包括倒车、在狭窄空间停车、转弯和其他操作)。RgKednc

驾驶员监控:根据欧盟NCAP 2025的规划,驾驶员监控系统被提上日程(2020年开始),用来监控驾驶员因饮酒、疲劳而引起的注意力分散和身体不适,以降低安全风险;同时还可以监控乘客、检测被遗留在车内的孩子或动物,以避免中暑等意外。虽然这种座舱监控技术在市场上占主导地位,但是也有其他技术与之竞争,如热传感器、飞行时间(ToF)或雷达。RgKednc

  • 超声波传感器可近距离检测障碍物或行人,其主要功能是辅助停车和避免碰撞,也可用于座舱信息娱乐系统的手势识别功能。当然,也有与之竞争的其他技术,如ToF摄像头。
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  • 雷达仍然是测量相对距离和速度的最佳传感技术。过去几年中,强制实施自动紧急制动(AEB)在很大程度上推动了雷达的发展。现在,雷达技术不断提高其角分辨率,相关厂商都在努力开发3D雷达(博世、大陆集团已经发布了相关产品)或4D成像雷达,以及单片微波集成电路(MMIC)解决方案。
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  • 激光雷达(LiDAR)是最新进入汽车生态系统的传感器。激光雷达可以在黑暗中工作,并精确监控周围环境,是实现更高级感知功能所需的传感器。为了检测物体深度,以及检测近处和远处的物体,需要将ADAS摄像头数据和激光雷达数据有效融合。但是,对一级供应商和OEM来说,集成激光雷达传感器要比集成雷达和摄像头复杂得多。为了更好地实现集成、进行数据处理或降低成本,OEM还有很多工作要做。
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  • 红外热像仪/传感器可以“看”到远红外光谱(8~14µm),比较适合在暗光条件下工作。黄昏时因为光线较弱,人类驾驶员开车会感到困难,ADAS摄像头在阳光直射、深阴影和弱环境光条件下有时也会出现问题。采用红外传感器可以检测到生物和其他发热物体散发的热量,从而补充CMOS传感器,改善汽车的安全功能。最大的热像仪制造商FLIR一直提倡在ADAS中采用热成像技术作为补充,还展示了这种技术在实现更有效的自动紧急制动(AEB)和更好的行人检测时具备的优势。
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  • 全球导航卫星系统(GNSS)接收器可以在数字地图上定位车辆,并利用互连来增强ADAS功能,这些对ADAS具备情境感知能力至关重要。但是,在某些情况下(高楼林立的城市街道、隧道、树下等),可能没有GNSS信号。因此,它越来越多地与其他定位系统配合使用。
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  • 里程表传感器装在车轮上,用于记录截至最后一个已知位置的行驶距离。
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  • 惯性测量单元(IMU)用于检测惯性变化,根据最近的已知位置计算当前位置。

上面列出的最后两个传感器是短距离感知的备用器件,当GNSS不可用时可以帮助估算车辆的位置,从而始终保持高精度定位。RgKednc

除了ADAS,汽车连接性和E/E(电气/电子)架构也在不断变化。关于连接性,相关法规正推动大多数国家/地区到2023年实现基于5.9GHz频带的通信,如基本的车辆到基础设施(V2I)通信以及车辆到车辆(V2V)通信。5G连接将在先进的V2X中大显身手。RgKednc

电子/电气架构

E/E架构一直以来都依赖多个不同的分布式汽车子系统,即电子控制单元(ECU)。通常每个ECU都提供一种功能,ECU之间几乎没有连接。这种方法目前在不太先进的E/E架构中仍然很普遍。但随着传感器数量和功能的增加,E/E架构将越来越多地采用功能域的概念,如用于信息娱乐、舒适性、动力总成、传感和安全性的特定域控制器。RgKednc

奥迪是第一个在汽车(A8车型zFAS模块)中实现域控制器的OEM,其前置传感器(即远距离雷达、前向ADAS摄像头和激光雷达)都连接到该控制器。采用功能域控制器,ADAS等功能可以集成来自完全不同的传感系统的数据,并结合先进的神经网络计算,做出低延迟的正确决策,从而避免发生碰撞或其他灾难性事故。RgKednc

雷达和摄像头在汽车中使用得越来越多,由此产生的营收有助于汽车行业从新冠疫情的危机中快速复苏。预计2021年雷达市场的营收将超过2019年,在2025年达到91亿美元,复合年增长率(CAGR)19%。摄像头市场的营收在2021年也将超过2019年,到2025年达到81亿美元,复合年增长率18%。但激光雷达市场的营收不会很高,因为目前只有一家OEM将这种传感器作为一种选择,而且还只是在部分车型中。其他OEM,例如宝马和沃尔沃,预计将在未来几年内跟上,但其应用仍将限于高端车型,因此数量也十分有限。在这种情况下,预计2025年激光雷达市场营收将达到17亿美元,复合年增长率为113%。RgKednc

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