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FPGA在未来智能汽车应用

发布时间:2017-08-21
众所周知,在过去50年时间里,安全带、前置气囊、安全带预紧器、防抱死制动(ABS)以及侧边气囊等汽车安全系统的应用大大降低了汽车事故的伤亡率。现在,汽车生产商在汽车安全方面付出更多努力,特别是在汽车驾驶辅助系统方面做出了许多创新。驾驶辅助(DA)技术在进一步提高安全性的同时还将带来革命性的崭新驾驶体验。包括工具、IP和芯片在内的FPGA平台将在实现这一诱人前景的过程中扮演关键角色。

赛灵思公司汽车系统架构师和驾驶辅助专家Paul Zoratti表示:“汽车生产商在汽车中集成的驾驶辅助系统可以帮助司机做得更好。驾驶辅助系统能够以报警等形式为司机提供多种信息,帮助司机在任何情况下做出更准确的选择,从而使驾驶更安全。”

得益于电子技术的发展以及OEM厂商在此基础上的创新,驾驶辅助系统的能力相当强大,而未来的潜力更是令人惊叹。

关注汽车电子行业的Semicast公司首席分析师Colin Barnden认为,汽车生产商和一级供货商以及研究人员对驾驶辅助系统的研究已有几十年的时间,但只是在过去的10年多时间里,电子系统和设计技术才发展到足够高的水平,OEM厂商才欣然接受并将其配置于汽车内。Barnden表示:“驾驶辅助系统在如此短的时间里取得如此大的发展确实令人感到惊奇。”

目前,OEM厂商及其供应商,甚至零配件电子控制单元(ECU)制造商都正在提供及设计多种驾驶辅助系统(见图1)。驾驶辅助系统可以帮助司机更快更好地停车,与前车保持安全距离,还可以通知司机他们此前可能无法看到的危险,并帮助他们安全地更换车道。

 

许多此类系统在几年前出现时还都是相当简单的技术。但OEM厂商很快就发展出更复杂的系统,而现在又在将这些系统集成为“传感器融合技术”,即融合多种驾驶辅助系统,每个系统独立工作,但都使用源于相同的共享传感器的输出。这样就可以为司机提供更精确的周边环境信息,帮助他们做出更准确的决定,并提供更安全更丰富的驾驶体验。要实现这些,就需要更强大的高级计算技术。这也是FPGA平台可以大展身手的地方。

停车系统的快速演化

大约10年前,OEM厂商推出了第一代辅助驾驶系统——倒车辅助系统。倒车辅助系统包括安装在车尾的一系列传感器,可通过超声波或雷达信号测量与车后物体的距离。在司机倒车时,传感器通常会发出“哔哔”的提醒声,且提醒声的频率会随着汽车离障碍物距离的缩短而增加。当汽车离障碍物的距离小于四英寸时,提醒声会变成固定音调的报警音。

Barnden表示:“这一功能非常有用,特别是当驾驶大型车辆(如载货车)的时候。但这只是最基本的系统,实际上并没有集成智能功能,所有工作和判断仍然必须由司机完成。当汽车靠近其他物体时,系统会发出警报,但最终还得由司机决定是继续倒车还是停下来。”

倒车辅助系统是部署最广泛的系统,也是OEM供货批量最大的驾驶辅助系统。2007年,汽车生产商在欧洲生产的500万辆汽车中以及在美国生产的200万辆汽车中均安装了倒车辅助系统,全球的总安装量约为1000万。也就是说,2007年生产的汽车中大约6辆车中有1辆安装了倒车辅助系统。“我预计这一数字在所有地区还会进一步增长,因为这一功能既有用又简单,并且还不贵。”Barnden说。

OEM厂商将这一技术向前推进了一步,增加了智能系统从而创造出被称为停车辅助(Park Assist)的新驾驶辅助系统。安装在汽车后号牌附近的摄像头可连接至司机座位前面的导航显示系统,倒车时,导航系统会自动激活摄像头,这样司机就能看到汽车距离后面的物体到底有多近。有些系统还能进行一些基本的图像识别,并在屏幕上显示一些可视线索,这样司机就可以获得应该何时打轮等信息。

Barnden指出,奔驰和宝马等OEM厂商在5年前就开始在其最高端的车型中提供停车辅助系统。现在,这一技术更多地出现在更为主流的车型中,特别是 SUV,因为司机很难通过向背后看或从后视镜中确定车后的障碍。Barnden表示,2007年售出的汽车中配有停车辅助系统的共有100万辆。

下一代系统则是自动停车,凌志(Lexus)汽车在几年前就率先在其LS系列豪华车型中安装了自动停车系统。

在自动停车系统中,几个近身传感器(包括超声波传感器和摄像头)遍布车身周围。当司机倒车时,系统会检查本车与其它停放车辆之间的距离,并报告空间是否足够。实际上,系统还可以做更多工作。根据司机的最终判断和确定的方向,自动停车系统会完成剩下的所有任务,自动将车停放好。

Barnden表示:“司机只需按动一个按键,汽车就会自动停好,这确实令人着迷。也许你认为能够自动停车的汽车是20或25年以后的事情,但今天的 OEM厂商就已经做到了。”

停车辅助系统能够全方位地对车身周围进行测量,并迅速计算每一边与其它物体的距离。“这个系统能够了解停车时的操作步骤,是因为设计师已经将停车算法编程入系统中。因此,系统知道应当向哪个方向打轮,相对于后面的车辆应当如何向前移动,以及停车所需的所有参数。”Barnden补充道。

在这方面,日本的OEM厂商比世界其它地方提前3到5年,但欧洲的汽车生产商也已开始采用停车辅助系统。“这一功能在美国并不普遍,但毫无疑问,它最终也会流行起来。”Barnden表示。最初应用于高端汽车的停车辅助系统正逐渐应用于较小的日本和欧洲汽车,并且在城市中非常流行,因为大城市中很难寻找到宽敞的停车空间。

Barnden认为:“更令人惊奇的是,停车辅助系统非常可靠,并且特别精确,这令人难以置信。”随着这一技术越来越常见,司机很可能将会越来越相信停车辅助系统要比自己停车更好。

Barnden解释道:“如果交给计算机一项相对独立的任务,那么计算机通常做得比人要好。” 然而,驾驶辅助系统的关键特点之一是司机在控制汽车方面具有最终决定权,具有比自动系统更高的优先控制权。 

汽车巡航控制的快速演化

过去10年时间里,驾驶辅助应用中快速发展的另一个领域是汽车巡航控制。

OEM厂商提供标准巡航控制功能已经有几十年的时间,但这些系统并不具备智能性。在传统的汽车巡航控制方式下,用户可通过按键设定汽车的速度。但是,如果司机不够专注,汽车就将保持这一速度,从而有可能驶向路边或直接撞向前面的车辆或物体。

大约8年前,奔驰开始在其S级汽车中安装被称为自动巡航控制的智能驾驶辅助系统,利用前向雷达来测量与前车之间的距离。司机按下按钮,选择他们希望与前车保持2秒、3秒或更长时间的行车间距(headway),然后,系统会自动调节速度,以保持指定的行车间距。

Barnden表示最近推出的第二代自动巡航控制系统实际上还可以控制制动。“如果前面的车减速而离你的车太近,系统会稍微刹车以保持设定的2秒或3秒的安全车距。”

同样,如果前面的车辆缓慢前行,自动巡航控制系统也会减速慢行,始终保持与前车的安全距离。

Barnden认为,尽管这种系统比传统的巡航控制更为高级一些,但根据驾驶辅助系统的标准,此类自动巡航控制仍然只是众多基本高级系统中的一个。更先进的自动巡航控制系统还可以帮助发动机安全地处理停停走走(stop-and-go)的情况,可适应快速的速度变化,并始终保持合理的距离。实际上,有些系统现在就可以做到这一点了。

2007年,OEM厂商售出了100万辆配有自动巡航控制系统的汽车。Barnden预期随着这一技术的大众化部署,这一数字会大幅增长,特别是在欧洲和日本。

实际上,OEM和供应商已经在加快研发结合了摄像头与雷达系统的第三代自动巡航控制系统,保证汽车在其车道上的速度,并且还可以预测因为其它车辆并道所带来的危险(如靠得太近)。

Barnden说:“第三代系统增加了更多智能性,能够更好地预测前面的危险离你有多远。根据这些数据,系统还可以确定在何种情况下可以忽略这种危险,或者是发出报警信号并采取预防性措施以避免撞车。”

夜视系统与威胁评估

驾驶辅助系统的另一个发展领域是帮助司机更清晰地看清前方的路况。

一个基本的例子是夜视。此类系统通常采用红外照明或热成像技术的摄像头,并利用汽车的导航系统向司机显示热敏感或红外图像。夜视系统对于夜间及时分辨并避免撞上行人和动物非常有用。由于夜视技术目前成本尚高,因此OEM通常仅在其最高端车辆(如奔驰S级和宝马7系列)中才提供这一系统。然而,随着技术的演化,夜视系统将会逐渐进入主流车辆。

OEM厂商2007年在全球范围内售出了约80万辆配有夜视系统的汽车。Barnden预期2015年这一数字将会增长到300万辆。 

车道偏离报警系统

驾驶辅助系统的另一应用是车道偏离报警系统。

OEM厂商提供的盲点探测系统利用位于汽车侧面或后端的雷达传感器或摄像头来监视是否有其它车辆接近司机的盲点。如果有,系统会显示报警灯通知司机,这样就可以减少司机回头的时间,从而让他们更好地集中于前方路况。

Barnden正在观察盲点探测系统是否会形成新的市场。他指出,2007年汽车行业售出的装备有盲点探测系统的汽车约为30万辆。通常,OEM厂商仅在高端车型中提供此类系统,如奥迪Q7豪华版SUV。

Barnden认为,将盲点探测系统与其它驾驶辅助系统相结合,将会变得更具吸引力。例如,如果司机分神察看盲点区域的情况时,自动巡航控制系统会检测到速度下降并做相应调整。

Barnden说:“这也是为什么驾驶辅助系统如此有趣的原因,所有这一切结合起来将会大大改变驾驶体验,为司机提供有用的建议。”
Barnden认为另一项新兴的驾驶辅助技术——车道偏离报警系统颇具潜力,而且FPGA在这些系统中的应用也前景可观。

车道偏离报警系统通常采用安装在后视镜上的摄像模块来收集前方道路的图像。Barnden说:“系统中通常采用DSP(近来也更多地采用FPGA)进行算术运算,识别路面的白色车道线,帮助司机确定所处的车道。如果司机犯困或忙于调节收音机频道时汽车突然转向另一车道,系统会发出声音报警、轻摇司机座位或振动方向盘来提醒司机。”

如果司机在更换车道前打了转向灯,那么系统不会发出警报。因此,这一技术不仅可以在司机意外偏离车道时进行报警,还可以促使司机养成良好的驾驶习惯。

目前,OEM厂商在其最高端车型(如标志雪铁龙、宝马、凯迪拉克和别克)中安装了车道偏离报警系统,2007年,这些车型售出了不到100万辆。 Barnden说:“作为增长最快的应用之一,未来十年内配备这一系统的汽车将会增长到1700万辆。预计到2015年会有1/4的汽车采用这一技术。”

与车道偏离报警系统类似,另一项新兴的驾驶辅助技术——标志识别(sign recognition)也采用前视摄像头来读取道路两侧的交通标志。Barnden表示:“假如系统看到一个限速标志并检测到汽车刚刚驶过该标志,那么就会在仪表盘的显示屏上显示当前区域限速30mph。系统也会显示司机没有注意到的标志,如‘红灯禁止右转’等。”

Barnden认为,交通标志识别系统仍然处于开发阶段,在推向市场之前仍然必须克服一些挑战。 例如,如果驾车经过一系列非常靠近的标志,系统必须决定优先显示什么标志。一块路标可能显示“限速35mph”,而另一块则显示“前方有滑坡”,很明显,系统应当优先显示更紧急的标志。

Barnden表示:“这一技术非常有用。驾驶辅助系统可以将信息提供给司机,但驾车的责任仍然在司机本人。” 

未来:FPGA平台推动传感器融合

尽管在过去10年时间里,驾驶辅助系统在所有这些方面的发展都很迅速,但专家认为真正的创新才刚刚开始。事实上,负责设计驾驶辅助系统和其它汽车电子系统的设计人员正在致力于将所有这些功能结合起来。例如,利用一组传感器完成多项任务,并将它们与汽车中的其它ECU相连。这样就可以降低系统成本以及系统连接的布线复杂性,从而降低燃料消耗。最终,汽车会变得更舒适并且更环保。

整合这些先进系统的关键是采用FPGA平台。许多使用超声波、雷达和摄像头传感器技术的第一代和第二代系统都依赖于DSP、或DSP与FPGA的组合来完成驾驶辅助系统所需要的快速计算。但是,随着驾驶辅助系统变得更为复杂,特别是开发人员寻求利用一组传感器来完成多项驾驶辅助系统任务,专家认为,仅采用 DSP的系统无法高效地完成工作。因此,FPGA的作用将得到扩展。

例如,赛灵思公司的Zoratti认为,将基本的车道偏离报警系统扩展为可同时实现交通标志识别和前方车灯识别的系统需要强大的计算能力以及高级算法开发。

Zoratti指出:“目前,DSP足以胜任基本系统的计算任务。但随着系统的发展,特别是要利用同样的传感器完成多项功能并实现与其它系统的互连时,DSP的处理能力就不够了。FPGA的并行处理资源可以提供一种具备成本效益、可扩展性和灵活性的解决方案(见图2)。”

 

根据分析师Barnden的说法,传感器与前视摄像头的结合需求更为迫切。前视摄像头通常安装在汽车后视镜上,从前挡风玻璃处探出。目前,OEM可利用前视摄像头实现车道偏离报警功能。但他们希望在未来的汽车中能将这一摄像头与雷达传感器结合起来,同时完成自动巡航控制、交通标志识别、夜视以及车道偏离功能,当然,未来可能还包括车道保持功能。

利用一个摄像头为多个驾驶辅助系统提供图像则需要高级计算能力。在系统板上采用多个分立的DSP会令设计臃肿,需要更多连接线,并可能引发延迟和可靠性问题。Zoratti 表示,OEM厂商可以利用FPGA平台的并行资源来完成需要几片DSP来执行的工作,从而获得成本效益、可扩展能力和灵活性都更高的基于FPGA的传感器融合系统。

他还说:“目前的车道偏离报警系统可以采用分辨率为640×480的VGA摄像头,但当面对标志识别等应用时,系统很快将需要两倍以上的分辨率。DSP器件无法满足所需的数据处理能力。当讨论多种功能时,每种功能可能需要不同的处理算法,这也是FPGA能够提供强大价值的地方。”

他继续说道:“ASIC可能是一个选择,但问题是,在大多数情况下,市场仍然处于孕育期,无法准确预料最终哪种算法会胜出。FPGA提供了所需的计算能力、灵活性和可扩展能力,因为您可以现在利用FPGA完成设计,并在未来根据特定车型的需求调整其需要的具体功能。这是一种基于平台的设计,可以进行修改以适用于不同的型号,甚至不同的系列。投资一个平台,然后就可以根据需要进行灵活的扩展,激活或禁止某些功能。”

在帮助设计人员快速实现驾驶辅助系统创新的过程中,开发工具和IP扮演着关键的角色。赛灵思公司及其合作伙伴为众多基于FPGA的高级驾驶辅助应用提供了先进的IP模块(见图3)。

 

在将技术从DSP或基于其它IC的驾驶辅助系统转向采用赛灵思汽车平台FPGA的众多企业中,TRW汽车集团旗下的TRW Conekt公司以及Ibeo 汽车传感器有限公司(Ibeo Automobile Sensor GmbH)是两个很好的例子。

TRW Conekt公司基于摄像头的车道偏离报警系统刚刚投入生产,目前正在开发整合了车道偏离报警和自动巡航控制的系统。当前系统中的前视摄像头位于后视镜后。Conekt公司首席电子工程师Martin Thompson说:“当遇到车道标志时,如果汽车太靠近这些标志,系统会触发电子方向盘系统,方向盘会轻微振动来提醒司机,司机的感觉就像是汽车在轻擦路边的石头。系统可以帮助司机在疲劳或注意力不集中时避免车道偏离。”

TRW系统的核心是经过Conekt编程的XA Spartan-3E250 FPGA,它负责执行边缘检测和特征抽取等底层图像处理。产品中还采用了一个外部微控制器,Thompson表示,这个微控制器未来可能会被集成到 FPGA中。

位于后视镜后方的这一系统可以识别分隔车道的白线,并估算前方道路的几何形状以及汽车在车道内的位置,即相对于车道的角度以及车道的弯曲情况。 Thompson说:“这为车道偏离报警系统提供了所需的信息。未来,这些信息可与来自自动巡航控制雷达的数据相结合,用于跟踪本车道内的其它车辆。”

此外,Conekt的工程师正在开发视频障碍检测功能。“雷达非常适合测量距离,但并不适合测量横向位置,视频则正相反。我们可以确定相对于车的宽度和角度,并将这些信息与雷达距离测量相融合。”Thompson说。 

他又补充道:“利用视频信息,我们还可以对目标进行分类,例如判断车前的物体是行人还是自行车。同样,视频-雷达融合系统也可以动态地区分车辆是轿车还是卡车。跟踪系统可利用这些评估信息来改进自己的行为。”

Thompson指出,在一个系统中融合雷达和摄像头传感器还有很多其它优点。雷达不会受到降雨、降雪和雾天的影响,而视频则能更好地显示出司机的实际可视范围,从而帮助司机根据当前的天气和能见度情况来估算安全的行驶速度。

未来某个时候,融合产品还会使现有的碰撞缓和系统受益。如果事故看起来不可避免,系统会激活安全带预紧器、灌注气囊,并启动刹车,以尽可能提前释放碰撞能量。此外还可以起到防止碰撞的功能。当司机无法采取行动时,汽车可以自动启动一些措施(如方向控制和刹车等)以避免撞车。“然而,这可能还需要等些时候。”Thompson说。

Ibeo汽车传感器有限公司也在其高级驾驶辅助系统中采用了赛灵思FPGA平台。公司销售总监Mario Brumm说,已有十年历史的Ibeo公司开发了一款激光扫描装置,与相关软件配合,就可以检测车身周围包括其它车辆、行人以及自行车在内的环境,测量他们的位置和速度。Ibeo开发的这一系统可以在高速行驶时支持自动巡航控制并在交通阻塞时提供驾驶辅助。在关键时刻,比如有个孩子出现在车前时,传感器会触发刹车动作来避免事故。

Brumm说:“我们开发了硬件和软件,但我们认为未来几年时间里,软件会变得越来越重要。我们推向市场的一些传感器已经可以支持单一应用,但我们从开始树立的目标就是利用一个传感器支持多项应用。FPGA在我们的设计中是非常重要的器件。”

在采用FPGA之前,Ibeo利用的是一款模拟芯片。Brumm说:“我们可以利用它来测量远达80米的距离。但对于自动巡航控制来说,这还不够,尤其是在德国,在那里人们喜欢高速驾驶。客户希望能够测量200米远的距离,这样的话,利用原来的模拟系统是不可能的,因此我们想利用数字方法来完成核心测量。”

特别的,原来的模拟系统在传感器可检测的面积和宽度等方面的可视范围也非常有限。Brumm说:“在模拟系统中,信号噪声较大,因此我们只能分辨80米以内的对象。在新的FPGA系统中,大型轿车或卡车的可视距离将可达到350米。对于激光扫描系统来说,这真是非常好的性能。而这主要得益于数字测量技术,系统因此可以检测到非常低的能量。此类系统首先将用于豪华车,如奔驰S级和宝马7系列。但我们的主要目标是降低成本,使这些技术能够更广泛地应用于所有汽车。”

Brumm认为,将激光技术和视频相融合具有很大潜力。他说:“数字摄像头技术很不错,你可以亲眼看到发生的事情,但它也有一些缺点。例如,摄像头无法在黑暗的环境中工作,因此设计人员需要采用夜视技术进行改进,但这样做成本会比较高。而且,数字摄像头通常比激光技术需要更强大的数据处理能力。而激光则不会受到环境光线或者雾天的影响。”

但同样的,摄像头也可以避免激光扫描器的一些问题。例如,激光扫描器在区分行人和树木时就有困难,但是将激光扫描和视频摄像结合起来就可以同时获得两种传感器的优点。例如,如果看起来汽车将撞到大树,那么系统会发送信息给其它传感器以保护司机。但如果汽车将要撞上的是行人,那么就会发送信息给其它传感器以帮助保护潜在的受害者,比如激活汽车底部或外壳上的气囊。

在售后安装的驾驶辅助系统方面,FPGA也可以发挥重要作用。例如,PLX Devices公司开发的首款产品——供汽车爱好者使用的可定制多功能计量器就采用了赛灵思FPGA平台。而后,该公司又开发了一款主流消费产品 Kiwi。这款产品能够以轻松的方式帮助司机监控燃料效率,赛灵思器件同样是该设计的核心。 

终端市场和责任约束

过去10年时间里,工程师在开发更为先进的驾驶辅助系统方面取得了长足的进展。但汽车市场中的所有人都明白,传感器融合过程的每一步都需要认真细致的工作,需要考虑到为司机提供的真正价值以及所在地区的责任约束。

本文所采访的几位专家,包括Barnden、Zoratti、Brumm 和 Thompson都指出,欧洲和日本生产商之所以能在驾驶辅助系统开发方面领先,原因之一在于法律责任在美国是一个更为严肃的问题,这也是为什么欧洲和日本消费者更容易成为早期使用者,而汽车生产商在美国推出新功能时则会谨慎得多。

本文讨论的大多数驾驶辅助系统具备的仅仅是辅助功能,其目的是为司机提供更多信息,但最终还要由司机本人负责做出正确的决定,也就是说,责任在司机。当然,可以预见的是,随着先进传感器融合技术的发展,许多此类系统将会直接与安全系统相连。

有些人认为,驾驶辅助系统的快速演化可能是迈向汽车行业自动驾驶梦想的关键一步。未来某一天,可能就在不远的将来,汽车将可以自动驾驶,从而缓解交通拥挤、降低燃料消耗,并大幅减少交通伤亡。

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