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    智能駕駛「進階」必選項?車圈巨頭都在布局這種「新型」傳感器

    本文作者:韓永昌 編輯:伍文靚 2022-05-30 19:02
    導語:常見于測體溫的紅外熱傳感技術,正在加速上車。

    智能駕駛「進階」必選項?車圈巨頭都在布局這種「新型」傳感器

    “自動駕駛若再想向前發展,就得添加新的傳感器?!庇腥巳绱苏f道。

    據統計,中國近年來每年都會發生將近20萬起交通事故,其中60%均發生在夜間,造成的死亡人數占比達50%。

    即便目前車輛上已配備了十數個傳感器,也不能解決所有夜間場景的安全問題,特斯拉的多次重大交通事故均在夜間發生。夜間行駛的安全保障成為了自動駕駛不可繞過的話題之一。

    如果現有的傳感器都不能保障夜間諸多場景的行駛安全,那應如何解決這個問題?

    據新智駕了解,包括但不限于廣汽埃安、長城、長安、東風、一汽紅旗等車企,以及Waymo、滴滴等自動駕駛巨頭都在推進紅外傳感器上車。

    繼激光雷達與4D毫米波雷達之后,紅外熱成像傳感器,正逐漸被推到自動駕駛領域的臺前。

    極端天氣優勢明顯

    就廣汽埃安的相關車型而言,“紅外傳感器將會安裝在前保險杠車牌上方,視場角為水平45*垂直37,與當前ADAS攝像頭相當,對人的探測距離為90米,車輛為120米?!睆V汽埃安智駕負責人說道。

    智能駕駛「進階」必選項?車圈巨頭都在布局這種「新型」傳感器

    圖源:廣汽埃安

    這并非紅外傳感技術在汽車行業中的首次應用。早在2000年,凱迪拉克 DeVille便將紅外夜視系統搭載上車,該車也是全球量產車中第一輛裝配紅外技術的車型。

    彼時紅外傳感器只是在燃油車上一個選配的小部件。隨著時間的推移,自動駕駛成為了汽車領域的熱門話題。在多種落地場景中,紅外傳感器可全天候工作,不受極端天氣影響等優勢也愈發凸顯出來。

    2019年起,紅外傳感器開始進入自動駕駛領域:

    • 2019年,瑞典汽車零部件供應商Veoneer公司宣布,為世界領先的某汽車制造商的L4級自動駕駛汽車提供最新車載熱成像系統NV4,這是汽車制造商首次決定在自動駕駛汽車上使用紅外傳感器。

    • 2020年12月,Zoox發布了首款純電動無人駕駛汽車,該汽車便搭載了熱像儀。

    • 2021年5月,ADASTEC在其flowride.ai自動駕駛平臺集成了兩顆熱像儀,重點提升了對道路、道路附近以及公交車站等所有易受傷害的道路使用者的探測和安全。

    今年,自動駕駛領域對紅外傳感器的關注度有增無減,不僅前文所述的廣汽埃安等車企將對紅外傳感器有所應用,幾何伙伴、深向科技(DeepWay)、踏歌智行等公司也正在對紅外進行布局。

    紅外傳感器在自動駕駛領域的應用開始初現苗頭,其主要優勢有三:

    • 第一,夜間識物。紅外利用生命體熱輻射成像,彌補“雷達+攝像頭”依賴形狀識別能力不足,即便在夜間無光源,完全黑暗的情況下也能清晰辨別行人,動物及車輛。

    智能駕駛「進階」必選項?車圈巨頭都在布局這種「新型」傳感器

    • 第二,穿透霧靄。紅外波長長于可見光,大氣穿透能力更強,成像不受霧霾、沙塵等惡劣天氣影響,因此在粉塵嚴重的礦區及常有大霧的港口,紅外傳感器可不受影響正常識物。

    智能駕駛「進階」必選項?車圈巨頭都在布局這種「新型」傳感器

    • 第三,無懼眩光。紅外只接收中長波信息,不接收可見光波段信息,在防眩光方面紅外傳感器具有天然優勢。

    智能駕駛「進階」必選項?車圈巨頭都在布局這種「新型」傳感器

    除了上述優勢,紅外傳感器在ADAS場景應用中也愈發重要。在前方碰撞預警(FCW )、自適應巡航控制(ACC)、變道輔助系統(LCA )、行人碰撞預警(PCW)、自動泊車(AP),泊車輔助(PA)等諸多行泊車功能上紅外傳感器均可起到輔助效果。

    紅外傳感器還可對車輛起到檢測作用。通過實時監測目標物體的溫度分布情況,更快速、更準確地診斷出汽車設計、結構等方面的相關缺陷,從而用于制動系統故障診斷、車身氣密性檢測、車窗加熱絲檢測、汽車排氣管檢測等。

    紅外傳感器當然也有一些先天缺陷,如圖像紋理信息較少等。另外,紅外傳感器若長時間朝向太陽,則會對芯片造成一定程度的灼傷。在夏季,建筑物的溫度與人體溫度可能會趨同,紅外傳感器的圖像會有一定幾率無法辨別行人及障礙物,這時則需要圖像處理算法來對圖像進行處理進而辨別目標。

    整體上來說,紅外傳感器在黑暗、霧靄、沙塵等場景下的特殊優勢是現階段的傳感器組合所不具備的。

    在多位業內人士看來,目前能用的傳感器都已經上車了,自動駕駛若再想向前發展,就得添加新的傳感器,紅外傳感器也就成為了行業的新選擇。

    技術層面初步成熟

    追根溯源,紅外傳感器技術的發展始于美國,并長期運用在軍事領域。由于軍事敏感性及探測器技術壁壘較高,具備核心技術的少數國家長期實行技術封鎖甚至禁運,使紅外傳感器成本居高不下。

    經過數十年的發展,我國已逐漸攻克關鍵技術,并形成了一條完整的產業鏈。不管是上游的材料、芯片設計制造、探測器封裝,中游以機芯集成與整機、系統生產廠商,還是下游具體應用我國均有覆蓋。睿創微納,高德紅外,??低暤绕髽I也在這個過程中逐漸崛起。

    現階段紅外傳感器在自動駕駛領域中的應用雖然不多,但其原理并不復雜。

    一個紅外傳感器的核心零部件包括鏡頭、探測器、后續電路及圖像處理軟件。

    紅外傳感器先利用探測器把將進入鏡頭的紅外輻射轉變為電信號,信號的大小可反映出紅外輻射的強弱,隨后用后續電路將電信號進行放大和處理,再通過圖像處理軟件處理后得到電子視頻信號,進而得到可見圖像。

    智能駕駛「進階」必選項?車圈巨頭都在布局這種「新型」傳感器

    紅外輻射即紅外線,是一種不可見光。自然界中,所有高于絕對零度(-273℃)的物體都在不斷輻射紅外線,其能量大小與物體表面溫度和材料特性直接相關——溫度越高,紅外線能量越大。

    早期搭載紅外夜視系統的車型,其價格均在百萬級別,如奧迪A8L、奔馳S級及寶馬7系等。彼時國內的紅外技術尚不成熟,車載紅外夜視系統成本十分高昂。

    拉姆達夜視CEO周殿清認為,成本是掣肘紅外傳感器上車的關鍵?!耙惶赘咝阅芗t外傳感器的成本甚至高于普通汽車的發動機加變速箱的成本?!?/p>

    想要降低成本,需要在封裝技術和像元尺寸上進行突破。

    封裝技術是應用于探測器的一項核心技術,它是紅外傳感器中技術壁壘最高及成本占比最高的環節,封裝成本可以占到探測器成本的30%-50%以上。

    目前可選擇的封裝方式有金屬封裝、陶瓷封裝及晶圓級封裝三種。其中,晶圓級封裝更受推崇,雖然技術難度大,但集成效果好,可減小探測器的封裝體積,并能使封裝成本大幅下降,滿足車載紅外傳感器小型化、低成本的需求。

    近年來,我國企業在封裝技術上不斷進行突破,睿創微納相關負責人告訴新智駕:“當前大規模量產的紅外傳感器是以12μm陶瓷封裝和晶圓級封裝為主,車規級紅外傳感器采用的均是晶圓級封裝技術并且可以實現量產?!?/p>

    據睿創微納2021年年報顯示,其金屬封裝和陶瓷封裝紅外探測器年產能達80萬只,晶圓級封裝紅外探測器年產能則達到260萬只。

    另外一個降低成本的關鍵是像元尺寸,紅外探測器像元尺寸對于制造成本的影響主要體現在兩方面:

    • 其一:像元尺寸的縮小可以在不影響圖像質量的前提下,使相應的鏡頭尺寸縮小,小尺寸的鏡頭成本更低。

    • 其二:像元尺寸的縮小將可以減少芯片面積,從而提高單位晶圓面積上的芯片產量。企業可以在同一塊晶圓上可以切割出更多的芯片,進而降低成本。

    隨著技術進一步發展,國產紅外芯片的像元尺寸正從14μm、12μm、10μm不斷縮小。在這方面,我國已經走在了世界前列,并且睿創微納已經攻克了8μm紅外探測器芯片。

    紅外探測器國產化、晶圓級封裝逐步成熟、像元尺寸變小,諸多因素讓紅外傳感器的成本已經下探到了上車的條件,并且也滿足了車載的高分辨率及輕量化的需求。

    睿創微納相關負責人還表示:“車載紅外傳感器的幀頻已經可以達到50-60幀,而激光雷達只有10-20幀,通常在自動駕駛多傳感器融合時,為了配合激光雷達的幀數,其他高幀頻的傳感器會進行降頻處理?!?/p>

    也就是說,在技術層面紅外傳感器已經走到了初步搭載上車的階段。

    規模上車仍需等待

    既然紅外傳感器技術已經逐步成熟,那車企為何遲遲不用?

    就像馬斯克認為只有傻瓜才會用激光雷達一樣,紅外傳感器的應用其實也存在著分歧。

    一些看衰紅外傳感器的言論認為,紅外傳感器只在特定場景才不可或缺,多少有“雞肋”之嫌。

    而堅定的支持者則表示,紅外傳感器可以有效彌補現階段傳感器的不足,上車是必然趨勢。

    其實,如果在安全冗余的角度來看,紅外傳感器的存在一點也不“多余”。建立完備的安全冗余機制是實現高級別自動駕駛的必要環節,車輛上也有一些零部件只有在特定條件下才啟動工作。

    現階段自動駕駛安全系統中的主力傳感器有三:可見光攝像頭、毫米波雷達與激光雷達。這三種傳感器的組合已經能解決大部分場景的感知問題,但夜晚,雨霧,霧霾等惡劣天氣場景仍力有不逮。

    也正是在這些場景中行駛安全隱患較大,由于照明不良、能見度差等因素導致駕駛員對路況的漏判和錯判而引發交通事故的例子不勝枚舉。據統計,晚上的交通量雖比白天減少了約60%,但有40%的致命性車禍都發生在夜間。

    在這些特殊場景下,紅外傳感器可以對現階段的傳感器組合進行彌補,其不受環境光照影響,防眩光等優勢可以為駕駛員的安全再添一層保障。

    因此,在不少業內人士的觀點中,紅外傳感器對于自動駕駛而言并非“雞肋”,而是“剛需”。正如安全冗余的基本概念所述,要“制定雙重甚至多重措施來預防事故”。

    至于目前為何還未上車,原因大概有兩個。第一個原因還在于成本,第二個則是技術路線的問題。

    前文已經提到,封裝技術的進步與像元尺寸縮小已經讓紅外傳感器的成本初步下探到了上車的條件。

    廣汽埃安智駕相關負責人向新智駕透露:“常規的車規級紅外傳感器價格在2000-4000元不等,部分廠商的價格可以下探到2000以內。若是碰撞導致外部元器件受損,維修費用可能要300-500元?!?/p>

    盡管單價算不上便宜,但睿創微納告訴我們,紅外傳感器的使用壽命最長能達到10年以上。

    若想成本再降一步,則要看需求上能否形成規模效應。

    2020年以前,除了在影視劇里見到紅外傳感技術,人們在現實生活場景中鮮有觸及。

    2020年后,受新冠疫情影響,地鐵,車站等公共場所的溫度監測成為常態化要求,紅外設備才在日常生活場景中隨處可見。我們最常見到的手持測溫槍,也是對紅外熱成像技術的應用體現之一。

    如今,紅外測溫儀器已經成為了疫情防控必需品,隨著需求上升,其成本也有所下降。周殿清直言:“像我們做后裝市場的,疫情后采購紅外設備已經便宜不少了?!?/p>

    下一步,則要看汽車市場能否對紅外傳感器形成規?;男枨?,進而帶動成本再降。

    第二個原因則是關于技術路線的討論。

    從可見光攝像頭,毫米波雷達及激光雷達的上車順序來看,車載傳感器的發展路線為先集中力量攻關“普遍性”的問題,再考慮“特殊性”的情況。

    即先保障白天及光線充足的多數行駛場景下的行車安全,再針對夜間及惡劣天氣等少數行駛場景進行安全冗余設計。

    周殿清告訴新智駕:“當激光雷達上車之后,大約90%的路況均可有效勘測,而剩下的10%是激光雷達配合可見光解決不了的,這10%的路況才需要用到紅外傳感器?!?/p>

    睿創微納技術部負責人同樣認為,“目前行業還停留在采用激光雷達+可見光攝像頭解決白天問題的階段?!?/p>

    不僅僅是乘用車,現階段其他自動駕駛企業猛攻的礦區、港口、貨運等細分落地場景,已經涉及到了不同程度的夜間作業。

    從滴滴、AutoX、文遠知行的Robotaxi夜間路測,再到元戎啟行宣布進軍夜間同城貨運等,均可看出自動駕駛領域“夜間行駛”的需求之強烈。而夜間行駛的安全問題,則讓紅外傳感器成為了不可或缺的一角。

    結語

    一個傳感器上車,絕不是簡單的安裝與使用的問題。大量的路測數據,與其他傳感器如何配合作業及安全與隱私等諸多因素均需要設計周全。

    因此,即便2021年起已經有車企對外采購紅外傳感器,現階段基本上也都處于測試狀態,真正搭載上車并大規模上市并不是短時間內能夠做到的。

    至于其何時能夠大規模上車,“最早也要2024年?!庇腥祟A測道。

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