人工智能时代汽车传感器的现状与展望

陈天殷

（美国亚派克机电（杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

1 新时代需要新型传感器

众所周知，人工智能时代的发展速度取决于数据的规模和采集能力，而众多的数据采集，主要依靠传感器。

随着收集数据需求的增长，汽车行业、各个门类产业自动化生产线所装载的传感器数量剧增。权威部门依据年复合增长率（CAGR， Compound annual growth rate ）15%预计，车载传感器市场会从2016年的82亿美元的规模递增至2025年的290亿美元，即9年翻近3.5倍。

汽车的控制系统早已快速进入电子控制时代，而传感器应用技术作为基石，是电子控制系统中极为重要的。进入人工智能时代，汽车传统的传感器正逐步被淘汰，智能化、微型化、多功能化和集成化的新型传感器正被奉为圭臬。

1.1 ADAS系统

眼下能达到的实际水平还仅是高级驾驶辅助系统（ADAS），而ADAS仅是汽车智能控制的初级阶段，被视为实现无人驾驶的前提。从ADAS到全自动驾驶汽车还有一段复杂漫长的路要走。ADAS以传感器作为起点，其应具备的功能与要求如图1所示。ADAS的处理程序总是由传感器开始，最终到制动器，如图2所示。

可将ADAS技术应用分为3个类别，见表1。各开发商的专用器件面向ADAS专业平台须具有感知、识别、理解和控制的功能，采用深度神经网络处理器的架构能与合作方（汽车制造商）集成，根据开发商的深度学习算法专用设计，运算时效相对通用平台有数量级的提升，实现L3级别的自动控制。

图1 ADAS传感器应具备的功能与要求

图2 始于传感器终于制动器的ADAS系统

其他功能的硬件还有车距检测预警、前车起动提醒、溜车提醒、北斗高精度定位、车载热点、云电子狗和语言导航等。

表1 ADAS技术应用

1.2 汽车的图像传感器

汽车正在向着一台安全联网的自动驾驶机器人快速演进，它能够感测环境、进行思考，且会自主采取应对客观环境的措施，安全行驶到达目的地——这需要摄像头、雷达、视觉传感器来工作。配备5～8个视频摄像头是ADAS系统所必需的。

当前，全景摄像头正迅速普及，成为各型乘用车和SUV的标准配置。车辆前方及后置全景倒车摄像头需要高灵敏度和快速响应以帮助监测交叉路口，避免碰撞。所有全景摄像头的组合为紧急制动辅助系统、自适应巡航控制系统、盲点检测、倒车盲点报警系统、车道偏离报警/自动车道保持，即时提供可靠信息。ADAS还将支持交通标识识别系统，协助永不超越速度限制的要求。

今天已惯于将车载雷达、视觉摄像头和激光雷达系统皆纳入自动驾驶车辆的传感器体系的范畴。常见的先进辅助驾驶有两家领先的公司：特斯拉运用视觉摄像头实现高速公路上的自动驾驶；而谷歌为力求精确，首先依靠激光雷达和3D地图数据，并由雷达系统来负责探测其他车辆和障碍物。系统由车载导航系统，并由GPS和TMC（Traffic Movement Control，交通控制频道）提供交通实时信息。

相关自动驾驶汽车的传感器体系，例如运用图像处理IP核汇集传感器获得的大量数据，传递至传感器数据处理融合模块的器件里，集成了丰富的IP资源。CPU具有强大的实时图像处理的中央控制功能，今天每秒处理百万级的机器语言指令数MIPS已达到3～5百万。

汽车图像传感器具有微光、动态范围宽广等卓越性能，更因其先进的图像处理能力，极大提高行车安全，也提升了用户驾乘安全自信和舒适性的体验。预测表明，自2014至2018年，汽车CMOS传感器市场的生产收益规模的CAGR将达28%以上，正是因为它在ADAS里涵盖自适应巡航控制、正向碰撞报警、车道偏离报警、自适应前照灯控制、交通信号识别、行人检测、盲点检测、夜视等，也包括视觉应用，如前视、后视、俯视、倒车影像、全景泊车影像车镜取代等；而车舱之内，疲劳驾驶监控、乘客监控仪表板、控制安全气囊系统和行车记录仪（DVR）皆包括其中。

图像的成像品质取决于图像传感器如下6项品质因素。

1）高动态范围（HDR≥120dB）的特性。保证在强光和弱光宽阔的光线范围及黑暗和强光照对比度大的情况下能清晰呈现场景细节，有足够高的图像信息精确度，因而安全性得以提升。如白天200 lux（勒克斯）至夜晚9.5 lux的照度，体现出极佳的DR-Pix像素技术。

2）在微光条件下有更高的能见度。“在暗处能够洞察一切”是传感器制造商为之奋斗的目标。优良的微弱光线性能能提高在暗夜或光线亮度微弱情况下行车的安全。可支持暗至10lux的工况下有卓越的能见度。

3）广角鱼眼畸变校正（DEWARP）。车载影像传感器虽因应用广角鱼眼镜头而具有宽阔的视野，达到180°的场景覆盖，但图像信息会造成自中心到边角一些规律性的失真，需采用DEWARP技术对这些视频图像进行实时校正修复，将图像展平复原，避免倒车转向时的事故隐患，ASX广角鱼眼畸变校正前后的图像对比如图3所示。

图3 ASX广角鱼眼畸变校正前后的图像对比

4）图像有高达4层及以上精准的叠加功能，能为显示系统提供更多的倒车泊车信息。做到缩放、延伸、右视、两版左/右视、三联式画面和倒车动态辅助线，需经图像传感器和图像处理辅助系统级芯片（SoC）结合运用。该功能可辅助驾驶员更清晰地洞察周围环境，降低事故发生率，确保安全。SoC皆为全集成。

5）分辨率和像素达VGA：3.75～5.6 μm；帧频常选用60 fp/s，朝高清趋势靠近。

6）自- 40～+105℃宽阔的工作温度范围。

目前在业界常见的图像传感器尺寸皆为英制，以1/5～1/4英寸为多。这些器件还具备减少LED闪烁（LFM）的尖端技术，给ADAS的应用奠定了一个新基准。LFM技术能消除汽车照明及交通信号灯的LED光照高频闪烁，使交通信号灯阅读算法在所有光照条件下皆可正常工作。LFM克服了由LED前照灯或后照灯在传感器视场中对场景误判的失察。如安森美的AR0231AT图像传感器具备高达4重曝光的HDR，有出色的噪声性能，可捕捉大于120 dB的动态范围；并可同步支持多个摄像机，便于在汽车应用中可有多个传感器节点，且能通过简单的双线串行接口做到用户可编程。还有多路接口，如移动产业处理器接口MIP、高速串行像素接口HiSP和并行接口等。另一卓越的特性还有：由用户控制的黑电平控制或可选自动化，支持扩频时钟输入以及提供可选用的多色滤波阵列。

正是具备上述6项卓越功能的图像传感器使整体优势更加显著。连同车舱内性能卓越的疲劳驾驶监控、乘员和仪表板监控的全局快门方案，皆需符合汽车电子资格认证测试AEC-Q100。为持续推动传感器新品研发，满足市场趋势和客户需求，提高分辨率，增加接口，符合国际标准化组织ISO 26262中安全完整性能等级ASIL评估。如安森美半导体公司（ON Semiconductor）的AR0321AT便是支持ASIL B级合规的230百万像素CMOS图像传感器。

汽车安装摄像机既是迅猛发展的车联网实施的基础，也是为了消除汽车传统车镜视野盲区，降低交通事故率。

1.3 汽车雨量传感器

汽车在下雨下雪的天气状况下行车时，装置在挡风玻璃后的雨量传感器会检测到下雨与否和雨量大小的信息，向ECU传送。雨量传感器是工作在红外波段的光学传感器，由一组发送二极管（LED发光二极管）与接收的光电二极管构成。接收二极管交替接收来自发射二极管在挡风玻璃上的各组反射光。当各组反射光数量相同，接收电路无电压输出；而当有雨滴或雪花降落在雨量传感器感受的敏感区域，反射光便会不均衡，引起产生某一时钟频率之电压信息，输出数字脉冲。脉冲的个数指示雨滴的数量；而脉冲的周期指示雨滴的尺寸。玻璃上雨量越大，反射回来的光线就越少，ECU依此来控制雨刷速度。上述属于红外散射式雨量传感器。

雨量传感器传递给ECU的信息，还被用来控制天窗系统的自动关闭，自动调整前照灯的明暗度、远近和宽度。图4为雨量传感器在工作。

图4 雨量传感器在工作

另一种雨量传感器是电容式雨量传感器，是依据水和玻璃介电常数有着40倍巨大差异（水介电常数80，玻璃为2）的原理而设计的。常见的是将两条状的金属极板平行放入挡风玻璃的内外两层之间，挡风玻璃处于干燥、潮湿或浸湿各种不同程度时，会反映出各不相同的介电常数。这种雨量传感器有较高的灵敏度，缺点是雨刷长期工作会影响金属涂层的牢度，时效性较差，影响使用面。

1.4 24 GHz防撞雷达传感器

通过发射24.125 GHz厘米波波段的微波，来判断前方物体的大小、距离和移动速度，避免与前方车辆或物体相撞。雷达波频率可调节的范围在50 kHz左右，精度达mm级别。

若辅以车联网的实现，车辆间能相互交流信息，了解周围近处汽车的行驶方向、速度等信息，利用计算机算法和预测模式，甚至可知晓临近车辆驾驶员的驾车水平和习惯。传感器还能协助驾驶员绕过障碍物进行探测。

1.5 激光雷达传感器

激光雷达（LiDAR）的目标识别精度和分辨率极高，但造价昂贵，是一种利用发射一系列波长905 nm的脉冲激光来测定目标距离的传感器技术系统，能精确判定目标物体的尺寸与形状。现正由笨重的机械旋转扫描装置向集成多元件更小尺寸的固态单元发展，也降低一直高昂的制造成本。

汽车应用中的雷达和LiDAR（激光雷达）传感器皆为在同一器件上整合多元件的雷达芯片模组。

LiDAR和雷达不同，LiDAR通过发射一系列脉冲激光，然后测量激光反射回来的飞行时间，再利用这些数据创建周围环境的3D高分辨率地图。图5为大陆集团最先进的ADAS激光雷达SRL1，图6是Velodyne公司目前的主力LiDAR产品。

图5 大陆集团最先进的ADAS激光雷达SRL1

LiDAR所采用的核心组件包括激光二极管、光电探测器及处理单元等。凭藉GaN（氮化镓）器件极高的开关速度、高电压和高电流性能，激光器每次脉冲的时间更短，发射的光子数量就更多，以获取更优质的3D高分辨率地图。LiDAR系统中另一关键组件是光电二极管，它是将光信号转换为电信号的半导体器件。LiDAR应用中，眼下主要有4类光电二极管：pin光电二极管、单光子雪崩二极管（SPAD）、硅光电倍增管（SiPMs）和雪崩光电二极管（APD）。

LiDAR、雷达和图像传感器是未来自动驾驶汽车的核心支柱。

2 传感器技术在汽车上的应用现状

传感器是汽车电子控制系统的信息来源，因而它是车辆电子控制系统的基础关键部件。普通的一辆家用轿车会装有数十到近百个传感器，而豪华轿车上的传感器200个以上！这些用于汽车的传统传感器依功能分有压力传感器、电流传感器、电容传感器、位置传感器、速度传感器和温度传感器等6类。

传统的车辆传感器不仅应用于动力总成系统，也在车身、底盘/安全系统发挥着不可或缺的作用。车辆运行中，发动机运转工况、底盘工况、车速、燃油与各种介质的温度压力流量等信息依一定规律转换成可测定的电信号，经过处理输入器件或装置，以保证汽车处于最佳的工作状态，改善燃油经济性、降低污染排放、提高安全性和舒适度以及整车综合性能。传感器在汽车上应用的布局如图7所示。

图7 传感器在汽车上应用的布局

2.1 动力系统中的传感器

下面介绍发动机电子控制中的8类传感器。

1）压力传感器。在动力总成系统中，在变速器燃油、润滑油油路系统里，气缸内压、气缸负压、涡轮式发动机的升压比等皆需压力传感器来测量其气体或流体的压力，还有柴油共轨（高压油泵、压力传感器和电子控制单元ECU共同组成闭环系统）、GDI燃油输送、废气再循环系统EGR和柴油微粒滤清器DPF等的压力。制动液和乘客监测系统的质量或压力等安全应用也需压力传感器。测量进气歧管绝对压力，提供发动机的负荷信息。

由于应用检测的环境恶劣，无论是电容性还是压阻性皆要求传感器元件与信号处理芯片分隔两处。如压阻应变片技术方案原理基于电阻电桥，4个应变片附着于一片薄膜上，组成薄膜式压力传感器。可测量高达2 800 bar的压力，其输出信号≤10 mV。而包括机械输出、热输出、容差和应变系数误差等的系统误差，总误差可达到100% FSR（满量程，Full Scale Range）。故处理电路必须低漂移、高精度，具备基于增益、失调、线性度和温度等相关的多变量补偿。压力传感器除适应恶劣环境外，还需较高的电磁兼容性和诊断功能。

2）电流传感器和电容传感器。电流传感器在改善燃油经济性和能源管理等领域大有作为。用来精确控制电磁阀在燃油喷射系统和自动变速器里自身的工作位置，精确地监控电机的工作电流。在恶劣的工作环境里实现高精度、高带宽（高达500 kHz）、低失调（失调≤5 mV，失调漂移≤ 20 μV）、宽共模电压范围（≤65 V）、宽工作温度范围（高达125℃）等优点。

电容传感器于环境变化极为敏感，故需具备极高的分辨率和精度，可做出自适应调整的共模电容，良好的抗电磁干扰能力也是必不可少的。在燃油液位/品质传感器、湿度传感器、雨帘探测器和无钥匙进入的门禁系统的接近电容器等处，电容传感器都有应用，这皆是因为它有低系统成本、低功耗和不同形状的可行性等优势。

3）位置与速度传感器。用于检测发动机转速、曲轴的转角位置、节气门开度和车速等。在EPS和直流无刷电机、永磁同步电机（BLDC/PMSM）控制应用里，位置和速度的测量皆需要高响应速度（达1～10 ms级）、高精度（达到0.1°）、良好的稳定性和低漂移，并有诊断功能。

凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器统称为相位传感器，检测发动机配气的相位是发动机点火时刻的主要判据。由结构和波形来区分，有磁电式和霍尔元件式两种。发动机进气门和排气门根据发动机工作循环节点开闭的时刻所对应的曲轴转角称为配气相位角。配气相位的精准直接影响发动机的动力性、经济性和环保性。

4）温度传感器。检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度及催化温度等。有变速器控制的汽车中，因有严峻的高温环境，电子器件必须具备足够宽的工作温度范围和高精度。典型的温度范围是-40～150 ℃，特殊情况下要求175 ℃，并能达到±2 ℃，甚至±1 ℃的精度作为基本保障。

5）气体浓度传感器。主要是氧传感器检测车体内气体与废气的排放，测定发动机排气中氧气含量，判断燃油燃烧是否完全。实现以过量空气系数λ=1为目标的闭环控制，以保证三元催化转换器中的HC、CO和NOx这3种污染物皆有较大的转化效率。冷车怠速运转时，发动机所排放的CO、HC达到峰值，氧传感器传递信息让其在15 s内进入闭环控制，降低阻抗，缩小加热区，启动新的温控系统，改善低温性能。

6）流量传感器。发动机的空气流量和燃油流量等。空气流量的测量用于发动机控制系统确立燃烧条件，控制空燃比、起动点火等。

7）爆震传感器。用于测定发动机机体的震动，通过调整点火提前角，避免发动机发生爆震。由检测发动机机体的震动值、燃烧的噪声值或气缸的压力来实现，有磁致伸缩型、压电型等数种。

8）机油粘度传感器。有压电式和振动式两种。是通过液体所传递的切变波形来测量机油的粘度，以确保最佳的润滑性能。

2.2 底盘的传感器

底盘的传动、行驶、转向和制动4系皆有各种传感器。1）变速器传动系有车速传感器、加速踏板位置传感器、油温和水温传感器等。

2）悬架控制系有车速传感器、节气门位置传感器、加速度传感器、车身高度传感器、转向盘转角传感器等。悬架控制系的连续阻尼控制系统ADC由4个控制单元、CAN、4个车轮控制加速度传感器、4个车身垂直加速度传感器和4个阻尼器比例阀架构组成，以对汽车悬挂元件特性进行干预、调节，来实现汽车动力的控制。信息的数据运算得出每个车轮悬挂阻尼器的最佳阻尼系数，然后自动调整车高，对车辆姿势变化进行抑制，以使操纵可靠性、车辆乘坐舒适性、行车稳定性得到控制。

3）动力转向系有车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器和油压传感器等。转向系统EPS、AFS和RWS皆是由驾驶员发出指令，由传感器感知路面情况，通过网络传递给电子控制器与执行器。

4）制动防抱死系统有轮速传感器、车速传感器、碰撞传感器和转向盘转向传感器等。2.3 车身控制的传感器

车身控制传感器用于提高安全性、舒适性和可靠性。如自动空调系统的温度传感器、风量传感器、湿度传感器、日照光照传感器等。用于亮度控制的光传感器，用于倒车控制的超声波传感器或激光传感器，用于安全气囊的加速度传感器（碰撞传感器）判定是否引爆充气元件使气囊瞬间快速充气，用于门禁控制的车速传感器，用于车距测定的距离传感器，用于消除驾驶员视觉盲区的图像传感器等。

导航系统有判定汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪、转向盘转角传感器和车速传感器等。

3 人工智能时代的汽车传感器

今天，即使入门级的汽车亦有大量电子器件，如图8所示。这些自动化的功能为汽车的安全性、舒适性做出了宝贵的贡献。

图8 汽车的大量电子器件

自动驾驶技术本质是利用若干技术绕过障碍物，自动转向控制速度并遵守交通规则，实现人工智能自主驾驶。而所需的仅是传感器、视频摄像头和处理计算机三大部件。

视频摄像头安装在前挡风玻璃和后视镜之间，或置于车轮罩拱之上、之中，以读取路标、限速标志和交通灯信息，并监视障碍物；处理计算机包含配有若干图形处理器和多核计算机的处理站，分析处理来自各类传感器的信息数据，对转向盘、加速及制动等执行机构进行控制。而传感器是一切信息的本源。

汽车行业正在迅速接近ADAS向自动驾驶的转折点，而通过该转折点的关键是传感器的有效融合，车辆各系统连接在一起，做出于安全至关重要而又极复杂的决策，避免可能提升导致事故的错误冗余能力。

新材料、新工艺、新技术的创新应用和传感器件新产品的开发，乃至新的传感理论的研究都极大地推动汽车传感器于汽车电子控制系统应用的飞速发展。人工智能时代自动驾驶技术日臻成熟的需求，形成了汽车传感器微型集成、数字化、多功能和智能化的4个特点。汽车传感器降低功耗、缩小体积、缩短响应时间、提高精度、提高可靠性、降低成本是总的趋向。

在微电子机械系统（MEMS）的基础上发展半导体集成电路技术，微型传感器便是将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理器利用微机械加工技术集成封装于同一芯片之上。微型集成电路式的传感器不仅体积缩小、功耗大幅降低、价格成本低廉，便于规模生产，亦显著提高测试精度。多功能是指一个器件经专项融合具备多功能多用途，一个传感器可检测两个或两个以上的理化特性参数，减少器件的数量，亦提升了可靠性。智能化涵盖着传感器与大规模集成电路相结合，内设CPU，必要时还植入神经网络和相关算法，兼具人工智能功能，从而降低和简化ECU的工作量，缩减其体积，亦降低成本。

带有微处理器是智能传感器的特点，兼具检测、判断和信息处理等多项功能，能确定传感器的工作状态，对测量的信息数据作出修正，以减少温度、电磁干扰等环境因素引起的误差，完善数据及其处理，由软件来克服硬件难以处理解决的问题，如电磁兼容性、环境污染干扰。

图9是两种基恩士（Keyece Co.）的数显传感器，它是利用法拉第定律来测定导电液体的流量。老式的传统电磁式流量传感器皆是采用与检验管内部液体接触的电极来检测液体的电动势，从而感知流量。FD-M型全贯穿非接触式流量传感器如图10所示，此系列是通过静电电容来测定管道内部液体的流量。

图9 两种基恩士（Keyece Co.）的数显传感器

图10 FD-M型全贯穿非接触式流量传感器

创新视觉与基于摄像头的图形处理（IP）、车联网（IoT）、人工智能（AI）和机器学习（ML）皆是无人驾驶车辆的基础。智能传感器和车联网摄像头等正伴随人工智能的发展，充分发挥算法+芯片融合的优势，实现更卓越的即时响应，增强可靠性，更安全地运行。

4 结语

传感器是车辆电子控制的基础元件，是提高汽车动力性、操控性、经济性、安全性和排放性能的信息源头。没有先进的传感器，就没有现代化的汽车。传感器在智能汽车中是举足轻重的基础环节，增强完善供给体系，进一步加大中国汽车传感器研发投入和产品的战略规划布局，跻身世界智能化汽车舞台的光荣任务正落在我们这代人的肩上。