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在汽车应用中通过高性能技术提高安全性

发布时间:2020-07-21 18:30:14 阅读: 来源:浴袍厂家

汽车分析师认为,主动安全系统与 高级驾驶辅助系统(ADAS)将成为 2010 年的顶级新技术,不仅能进一步避免事故的发生,即便发生事故,也能显著降低事故的严重性。车道偏离预警系统 (LDWS)、睡意检测以及夜视技术等将成为今后五年内高速发展的应用领域,预计复合年均增长率 (CAGR) 将超过 50%(资料来源:《2004 至 2013 年车载半导体预测:安全性与便捷性电子技术将成为发展的关键》第 10 页)。

本文引用地址:在进行市场营销时,应积极向消费者宣传上述系统的优势,预计他们将非常乐于接受这种新技术,进而需求也会相应增长。对于汽车 OEM 厂商而言,在引擎、被动安全系统以及信息娱乐设备已成为当前智能化汽车的标准设备之际,主动安全系统与 ADAS 还能作为产品差异化的增值亮点。凭借其达芬奇技术 (DaVinci) 与专为车载安全应用设计而精心优化的最新 TMS320DM643x 处理器,TI 为 OEM 厂商带来了可帮助他们向当前市场快速推出主动安全与 ADAS 解决方案的先进技术。

主动安全与ADAS系统基础

不过,主动安全系统与 ADAS 并不是完全无需驾驶人员干预就能完全控制汽车的保护技术,而是要为驾驶人员提供车辆周边的操作和环境条件的相关信息,以提高汽车的整体安全性。通常说来,这些系统会发出适当的预警,警告驾驶人员可能存在潜在危险,不过在特定条件下,主动安全系统也能自行做出干预,比方说自适应巡航控制等。主动安全系统目前仅在豪华轿车中处于早期实施阶段,预计今后该技术将普遍用于各类汽车中,随着技术的不断普及和成熟,规模经济效益将日益突显。

举例来说,当前正处于开发阶段以及已在汽车中部署的主动安全系统包括车道偏离预警、线内行驶辅助 (lane keep assistance)、交通标志识别、盲区检测和睡意检测等。众多主动安全系统均采用图像传感器来收集可视数据。这些数据经过处理后,可提取出对象检测与对象跟踪所需的相关特性。

在各种 ADAS 应用中,我们可采用不同类型的传感器来收集环境信息:盲区检测系统通常采用红外传感器或图像传感器,自适应巡航控制采用雷达 (RADAR)或激光雷达 (LIDAR),而超生传感器则用于泊车辅助,等等。交通标志识别应用通常采用正向彩色图像传感器 (forward facing color image sensor)。灰度图像传感器 (Grayscale image sensor) 对光较为敏感,更多用于其他应用。某些主动安全应用中的图像传感器,其动态范围每像素超过 8 位。对于高级应用而言,每种应用的数据处理过程都比较类似,其中包括数据捕获、准备处理数据、执行专用处理、评估结果,最后再采取行动(如图 1 所示)。

举例来说,在实施车道偏离预警时,系统需要识别道路标线并跟踪其位置。若汽车没打转向灯就越线的话,那么系统会对驾驶人员做出提醒。同样,交通标志识别系统采用图像传感器捕获的数据来检测并识别各种标志类别。例如,驾驶人员遇到限速 65 MPH 的标志牌时可以加速,但遇到停止路标时就不能加速。睡意检测应用要求较高的计算强度,如果驾驶人员手握方向盘打上了瞌睡,那么就会发出警报。

根据所需不同类型的安全功能,我们应在车内配备多种类型的传感器,以提高整体覆盖面。举例来说,车道偏离功能要用到前视和后视传感器收集的数据,交通标志识别系统要用到前视传感器,睡意检测则用到在车内安装的正对着驾驶人员的传感器。

不过,识别、跟踪并评估驾驶对象是一种非常复杂的工作。驾驶条件会有各种各样的差别,区别极大,这会影响传感器数据收集的质量。举例来说,上述系统必须支持日夜工作,不管汽车快速还是慢速行驶,是变线还是在大晴天、雨天、雾天、雪天等各种天气条件下行驶,都要良好发挥作用,而上述各种情况都可能造成驾驶条件评估所需重要细节的模糊。此外,所有处理工作必须实时完成,处理时延不能超过 30 ms。警报若有半秒钟的时延,则可能决定生死,要么驾驶人员能成功避开,要么就会发生车祸。

车内安装的传感器会针对汽车的内外部环境提供局部图像。车上安装的每部传感器都能提供一定的信息。我们必须综合协调车中的所有主动安全和 ADAS 系统。尽管许多功能可以进行独立评估,但在更多情况下,只有综合考虑所有传感器提供的信息,才能得出更准确的风险评估。设计上述系统的部分挑战在于,不仅要确定是否发出警报信号,还要确定何时发出。

举例来说,不妨设想一下汽车逐渐离开所行驶的车道时的情况,这是变线时肯定要发生的,驾驶人员不希望在路上每次变线时打了转向灯后都会接到警报。不过,如果驾驶人员现在没有看着路面情况,比方说睡意检测功能发现驾驶人员头朝向侧面或者向前点头,那么车道偏离功能发出警报的可能性就会加大。显然,如果驾驶人员正关注着路面可能发生危险的情况,那么对预警效率会有直接的影响,即警报就不用那么快发出。此外还能支持许多其他情况:比方说汽车快速接近在当前车道上停止或减速的汽车时,可能需要快速变线,要是这时不发出车道偏离预警可能就会导致驾驶人员难以成功完成变线操作。不过,如果盲区识别功能检测到车左侧还有其他车辆的话,则系统就会禁止变线。

主动安全系统的每个阶段都要求大量的信号处理资源。总体说来,系统需要高性能的实时处理功能为驾驶人员提供准确而及时的协助。考虑到这一任务在信号处理方面的要求,数字信号处理器 (DSP) 不失为最高效、最高性能以及最低成本的主动安全系统实施方案。

单芯片架构的优势

由于多级主动安全和 ADAS 系统都密切协作,共同处理大量数据,因此我们应在单个处理器上运行多个应用。举例来说,正向图像传感器捕获到的视频可同时用于车道偏离警告和交通标志识别。在单个 DSP 上同时处理多种算法的能力不仅减少了时延,而且减少了所需的芯片数量,从而减少了故障点,提高了系统可靠性,降低了系统成本,这些都是在开发鲁棒性汽车应用时的关键因素。

TI 已设计出 TMS320DM643x 器件来满足高性能要求,并尽可能降低系统成本。TMS320DM643x 器件采用达芬奇技术,并配套提供完整的开发环境及软件,有助于加速产品开发与部署,有望在 2007 年年初推出。

要想开发出鲁棒性较高的主动安全系统,其关键要求就是灵活性。随着各个公司不断改进算法,算法的实施应当更为方便。可编程软件架构为开发人员提供了这种灵活性和高性能,而这正是固定 ASIC 实施所无法企及的。可编程处理器还为开发新技术提供了理想的平台,因为软件技术更便于创新技术开发与部署。

极度灵活性

灵活性在管理主动安全系统技术在全球产品线中的知识产权转移方面也发挥着重要作用。举例来说,各国之间的交通标志会略有不同。欧洲国家的车速限制交通标志是一个红色的圆圈,而美国的则是长方形的。

高效的识别技术有助于将交通标志高效转换并压缩为基本的数据库。可编程处理器使开发人员能在标志库和基本数据库间进行切换。对众多应用来说,最方便的做法就是将标志库和基本数据库存储在闪存存储器中,这样,当前处于工作状态的基本数据库就能与闪存存储器中的标志库内容适当切换,满足汽车跨国行驶的要求。

可编程 DSP 具备动态灵活性,这提高了整体处理准确性与性能。我们可能用到多种预处理算法和后处理算法,具体取决于特定的环境和条件。举例来说,一些 OEM 厂商选用一种算法来应对所有的环境条件;而其他厂商则可能采用一种算法来处理白天阳光明媚的环境,另一种算法来处理夜间驾驶环境。

不过,驾驶环境可能瞬息万变,比方说车辆穿过隧道行驶,这时系统必须快速进行自适应调整。达芬奇开发环境进一步提高了软件可编程性,不仅能够简化开发,加速产品上市进程,而且还使开发人员能用 C 语言创建应用,以及通过高级编程环境加快新算法的原型设计。此外,TI 还提供成熟稳健的框架,其为开发人员集成了 DSP/BIOS实时内核和系统驱动程序等重要的软件组件。

TI 业界领先的开发环境、功能强大的专用工具以及广泛而丰富的图像库还可为开发人员提供综合而全面的技术,帮助他们将开发时间缩短达数月之久。DM643x 达芬奇处理器能够与 TI 业经验证的 TMS320C64x DSP 核心实现后向兼容,不仅能支持基于达芬奇技术的设计,充分发挥现有软件 IP 的作用,同时还展现了 TI 在保持 TMS320DM64x 系列器件稳定性方面所做的不懈努力,TI 业界领先的开发环境、功能强大的专用工具以及广泛而丰富的图像库还可为开发人员提供综合而全面的技术,帮助他们将开发时间缩短达数月之久。DM643x 达芬奇处理器能够与 TI 业经验证的 TMS320C64x DSP 核心实现后向兼容,不仅能支持基于达芬奇技术的设计,充分发挥现有软件 IP 的作用,同时还展现了 TI 在保持 TMS320DM64x 系列器件稳定性方面所做的不懈努力,以确保汽车 OEM 厂商能在今后持续利用达芬奇技术进行新产品的开发。

达芬奇技术为数字视频应用提供了不可多得的专用处理器,将数字信号处理技术与视频加速器技术进行了完美集成。基于达芬奇技术的 DM643x 处理器可在同一芯片上提供所有必须的处理功能,并且这些处理器还与所有外设进行了集成,可实现整套视频/影像处理系统所需的全部功能。因此,开发人员不用再为如何让不同组件协作而花费宝贵的时间,因为各种组件已经实现了高度集成。

达芬奇效应

举例来说,TMS320DM6437 处理器为关键处理功能提供了功能强大的视频前端,同时还提供视频后端,可显示处理后的图像,比方说泊车辅助监控以及夜视应用等(请参见图 2)。从外设角度来说,三种 DM643x 器件具备集成的高端 CAN 控制器以及 SPI 和 UART 外设,这样就能与任何汽车系统的 CAN 或 LIN 总线相结合。由于支持 DDR2 存储器,因此还提高了可最大化系统性能的吞吐量。

此外,DM643x 处理器还提供了专为主动安全与 ADAS 应用而精心优化的功能。例如,视频端口前端具备若干个预处理数据块,可承担主处理器的处理工作,从而就能在同一颗 DSP 上增加更多的增值主动安全功能。具体说来,前端提供了一个图像缩放块,能对图像进行放大或缩小,无需占用 CPU 循环就能将图像调整至适当的分辨率,从而满足图像某个部分(所需区域)缩放到预定义大小的要求。

TMS320DM643x 处理器的视频端口前端支持 BT656、YcrCb 或 Bayer 格式。TMS320DM6435 与 TMS320DM6437 处理器上的视频端口前端还提供柱状图,可显示捕获帧的像素强度分布情况。利用柱状图信息,DSP 可调节对比度,从而提高识别精确度。视频端口前端还支持从 Bayer 到 YcrCrb 的色域转换,从而使 TMS320C64x+ DSP 内核可以集中精力去处理其它任务。

视频处理涉及大量数据。处理器的片上存储器资源有限,因此必须进行有效管理,以使整体时延最小化,特别是在多种算法并行工作并共享可用资源时更要注意。

开发人员可采用快速的二级高速缓存和增强型 DMA (EDMA) 来解决有关区域的问题,从而减轻存储器资源的负担。在需要数据前通过 EDMA 预加载内部存储器,从而减少 CPU 访问外部存储器造成的开销。

DM643x 处理器的 EDMA 3.0 版能执行三维数据传输。其前身 EDMA 2.0 版上的端口只能支持二维传输。如果只需将图像的一部分从源存储器传输至目的存储器,那么二维 DMA 传输就足够了。如果需要传输图像的多个部分,那么三维 DMA 就非常关键了。因此,在外部存储器和片上存储器间传输多个所需区域时,三维传输就非常重要,可直接提高效率。

DM643x 处理器支持多种不同的配置,同时通过采用达芬奇技术,进一步扩展了其产品系列,这也带来了增值效果。利用这种可扩展的器件,开发人员能选择用高性能的大存储设备来进行设计,以简化开发工作,在验证设计理念后,则可采用较低端的设备,满足不同性价比的优化设计要求。

最后,DM643x 达芬奇器件还通过了 AEC-Q100 认证,这对希望在汽车应用中采用其产品的 OEM 厂商来说是至关重要的,它确保了可接受的每百万缺陷率 (DPPM) 标准。支持达芬奇技术的 DM643x 架构是一种全新的设计,确保 OEM 厂商能满足高标准的 AEC-Q100 规范要求。

TI 认为,工程师和业界领袖必须不断前进,推出适当的技术,并通过进一步加大主动安全系统和 ADAS 在汽车产业的推广应用力度,帮助其减少交通事故的死亡率。有关领域的发展还必须与向消费者的宣传相结合,让他们清楚地了解技术优势。TI对创新充满着热情,为客户提供所需的关键技术和组件,满足不断上升的主动安全系统和 ADAS 的应用需求,随着上述技术的推广,不断减少交通事故和死亡率。TI为创新型软硬件和工具进行了大量投资,近期还组建了专门开发主动安全系统和 ADAS 技术的小组,并继续保持其业界领先地位,长期致力于汽车安全和汽车产业的发展。

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