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智能驾驶「进阶」必选项?车圈巨头都在布局这种「新型」传感器

作者:韩永昌 编辑:伍文靓
2022/05/30 19:02

智能驾驶「进阶」必选项?车圈巨头都在布局这种「新型」传感器

“自动驾驶若再想向前发展,就得添加新的传感器。”有人如此说道。

据统计,中国近年来每年都会发生将近20万起交通事故,其中60%均发生在夜间,造成的死亡人数占比达50%。

即便目前车辆上已配备了十数个传感器,也不能解决所有夜间场景的安全问题,特斯拉的多次重大交通事故均在夜间发生。夜间行驶的安全保障成为了自动驾驶不可绕过的话题之一。

如果现有的传感器都不能保障夜间诸多场景的行驶安全,那应如何解决这个问题?

据新智驾了解,包括但不限于广汽埃安、长城、长安、东风、一汽红旗等车企,以及Waymo、滴滴等自动驾驶巨头都在推进红外传感器上车。

继激光雷达与4D毫米波雷达之后,红外热成像传感器,正逐渐被推到自动驾驶领域的台前。

极端天气优势明显

就广汽埃安的相关车型而言,“红外传感器将会安装在前保险杠车牌上方,视场角为水平45*垂直37,与当前ADAS摄像头相当,对人的探测距离为90米,车辆为120米。”广汽埃安智驾负责人说道。

智能驾驶「进阶」必选项?车圈巨头都在布局这种「新型」传感器

图源:广汽埃安

这并非红外传感技术在汽车行业中的首次应用。早在2000年,凯迪拉克 DeVille便将红外夜视系统搭载上车,该车也是全球量产车中第一辆装配红外技术的车型。

彼时红外传感器只是在燃油车上一个选配的小部件。随着时间的推移,自动驾驶成为了汽车领域的热门话题。在多种落地场景中,红外传感器可全天候工作,不受极端天气影响等优势也愈发凸显出来。

2019年起,红外传感器开始进入自动驾驶领域:

今年,自动驾驶领域对红外传感器的关注度有增无减,不仅前文所述的广汽埃安等车企将对红外传感器有所应用,几何伙伴、深向科技(DeepWay)、踏歌智行等公司也正在对红外进行布局。

红外传感器在自动驾驶领域的应用开始初现苗头,其主要优势有三:

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智能驾驶「进阶」必选项?车圈巨头都在布局这种「新型」传感器

除了上述优势,红外传感器在ADAS场景应用中也愈发重要。在前方碰撞预警(FCW )、自适应巡航控制(ACC)、变道辅助系统(LCA )、行人碰撞预警(PCW)、自动泊车(AP),泊车辅助(PA)等诸多行泊车功能上红外传感器均可起到辅助效果。

红外传感器还可对车辆起到检测作用。通过实时监测目标物体的温度分布情况,更快速、更准确地诊断出汽车设计、结构等方面的相关缺陷,从而用于制动系统故障诊断、车身气密性检测、车窗加热丝检测、汽车排气管检测等。

红外传感器当然也有一些先天缺陷,如图像纹理信息较少等。另外,红外传感器若长时间朝向太阳,则会对芯片造成一定程度的灼伤。在夏季,建筑物的温度与人体温度可能会趋同,红外传感器的图像会有一定几率无法辨别行人及障碍物,这时则需要图像处理算法来对图像进行处理进而辨别目标。

整体上来说,红外传感器在黑暗、雾霭、沙尘等场景下的特殊优势是现阶段的传感器组合所不具备的。

在多位业内人士看来,目前能用的传感器都已经上车了,自动驾驶若再想向前发展,就得添加新的传感器,红外传感器也就成为了行业的新选择。

技术层面初步成熟

追根溯源,红外传感器技术的发展始于美国,并长期运用在军事领域。由于军事敏感性及探测器技术壁垒较高,具备核心技术的少数国家长期实行技术封锁甚至禁运,使红外传感器成本居高不下。

经过数十年的发展,我国已逐渐攻克关键技术,并形成了一条完整的产业链。不管是上游的材料、芯片设计制造、探测器封装,中游以机芯集成与整机、系统生产厂商,还是下游具体应用我国均有覆盖。睿创微纳,高德红外,海康威视等企业也在这个过程中逐渐崛起。

现阶段红外传感器在自动驾驶领域中的应用虽然不多,但其原理并不复杂。

一个红外传感器的核心零部件包括镜头、探测器、后续电路及图像处理软件。

红外传感器先利用探测器把将进入镜头的红外辐射转变为电信号,信号的大小可反映出红外辐射的强弱,随后用后续电路将电信号进行放大和处理,再通过图像处理软件处理后得到电子视频信号,进而得到可见图像。

智能驾驶「进阶」必选项?车圈巨头都在布局这种「新型」传感器

红外辐射即红外线,是一种不可见光。自然界中,所有高于绝对零度(-273℃)的物体都在不断辐射红外线,其能量大小与物体表面温度和材料特性直接相关——温度越高,红外线能量越大。

早期搭载红外夜视系统的车型,其价格均在百万级别,如奥迪A8L、奔驰S级及宝马7系等。彼时国内的红外技术尚不成熟,车载红外夜视系统成本十分高昂。

拉姆达夜视CEO周殿清认为,成本是掣肘红外传感器上车的关键。“一套高性能红外传感器的成本甚至高于普通汽车的发动机加变速箱的成本。”

想要降低成本,需要在封装技术和像元尺寸上进行突破。

封装技术是应用于探测器的一项核心技术,它是红外传感器中技术壁垒最高及成本占比最高的环节,封装成本可以占到探测器成本的30%-50%以上。

目前可选择的封装方式有金属封装、陶瓷封装及晶圆级封装三种。其中,晶圆级封装更受推崇,虽然技术难度大,但集成效果好,可减小探测器的封装体积,并能使封装成本大幅下降,满足车载红外传感器小型化、低成本的需求。

近年来,我国企业在封装技术上不断进行突破,睿创微纳相关负责人告诉新智驾:“当前大规模量产的红外传感器是以12μm陶瓷封装和晶圆级封装为主,车规级红外传感器采用的均是晶圆级封装技术并且可以实现量产。”

据睿创微纳2021年年报显示,其金属封装和陶瓷封装红外探测器年产能达80万只,晶圆级封装红外探测器年产能则达到260万只。

另外一个降低成本的关键是像元尺寸,红外探测器像元尺寸对于制造成本的影响主要体现在两方面:

随着技术进一步发展,国产红外芯片的像元尺寸正从14μm、12μm、10μm不断缩小。在这方面,我国已经走在了世界前列,并且睿创微纳已经攻克了8μm红外探测器芯片。

红外探测器国产化、晶圆级封装逐步成熟、像元尺寸变小,诸多因素让红外传感器的成本已经下探到了上车的条件,并且也满足了车载的高分辨率及轻量化的需求。

睿创微纳相关负责人还表示:“车载红外传感器的帧频已经可以达到50-60帧,而激光雷达只有10-20帧,通常在自动驾驶多传感器融合时,为了配合激光雷达的帧数,其他高帧频的传感器会进行降频处理。”

也就是说,在技术层面红外传感器已经走到了初步搭载上车的阶段。

规模上车仍需等待

既然红外传感器技术已经逐步成熟,那车企为何迟迟不用?

就像马斯克认为只有傻瓜才会用激光雷达一样,红外传感器的应用其实也存在着分歧。

一些看衰红外传感器的言论认为,红外传感器只在特定场景才不可或缺,多少有“鸡肋”之嫌。

而坚定的支持者则表示,红外传感器可以有效弥补现阶段传感器的不足,上车是必然趋势。

其实,如果在安全冗余的角度来看,红外传感器的存在一点也不“多余”。建立完备的安全冗余机制是实现高级别自动驾驶的必要环节,车辆上也有一些零部件只有在特定条件下才启动工作。

现阶段自动驾驶安全系统中的主力传感器有三:可见光摄像头、毫米波雷达与激光雷达。这三种传感器的组合已经能解决大部分场景的感知问题,但夜晚,雨雾,雾霾等恶劣天气场景仍力有不逮。

也正是在这些场景中行驶安全隐患较大,由于照明不良、能见度差等因素导致驾驶员对路况的漏判和错判而引发交通事故的例子不胜枚举。据统计,晚上的交通量虽比白天减少了约60%,但有40%的致命性车祸都发生在夜间。

在这些特殊场景下,红外传感器可以对现阶段的传感器组合进行弥补,其不受环境光照影响,防眩光等优势可以为驾驶员的安全再添一层保障。

因此,在不少业内人士的观点中,红外传感器对于自动驾驶而言并非“鸡肋”,而是“刚需”。正如安全冗余的基本概念所述,要“制定双重甚至多重措施来预防事故”。

至于目前为何还未上车,原因大概有两个。第一个原因还在于成本,第二个则是技术路线的问题。

前文已经提到,封装技术的进步与像元尺寸缩小已经让红外传感器的成本初步下探到了上车的条件。

广汽埃安智驾相关负责人向新智驾透露:“常规的车规级红外传感器价格在2000-4000元不等,部分厂商的价格可以下探到2000以内。若是碰撞导致外部元器件受损,维修费用可能要300-500元。”

尽管单价算不上便宜,但睿创微纳告诉我们,红外传感器的使用寿命最长能达到10年以上。

若想成本再降一步,则要看需求上能否形成规模效应。

2020年以前,除了在影视剧里见到红外传感技术,人们在现实生活场景中鲜有触及。

2020年后,受新冠疫情影响,地铁,车站等公共场所的温度监测成为常态化要求,红外设备才在日常生活场景中随处可见。我们最常见到的手持测温枪,也是对红外热成像技术的应用体现之一。

如今,红外测温仪器已经成为了疫情防控必需品,随着需求上升,其成本也有所下降。周殿清直言:“像我们做后装市场的,疫情后采购红外设备已经便宜不少了。”

下一步,则要看汽车市场能否对红外传感器形成规模化的需求,进而带动成本再降。

第二个原因则是关于技术路线的讨论。

从可见光摄像头,毫米波雷达及激光雷达的上车顺序来看,车载传感器的发展路线为先集中力量攻关“普遍性”的问题,再考虑“特殊性”的情况。

即先保障白天及光线充足的多数行驶场景下的行车安全,再针对夜间及恶劣天气等少数行驶场景进行安全冗余设计。

周殿清告诉新智驾:“当激光雷达上车之后,大约90%的路况均可有效勘测,而剩下的10%是激光雷达配合可见光解决不了的,这10%的路况才需要用到红外传感器。”

睿创微纳技术部负责人同样认为,“目前行业还停留在采用激光雷达+可见光摄像头解决白天问题的阶段。”

不仅仅是乘用车,现阶段其他自动驾驶企业猛攻的矿区、港口、货运等细分落地场景,已经涉及到了不同程度的夜间作业。

从滴滴、AutoX、文远知行的Robotaxi夜间路测,再到元戎启行宣布进军夜间同城货运等,均可看出自动驾驶领域“夜间行驶”的需求之强烈。而夜间行驶的安全问题,则让红外传感器成为了不可或缺的一角。

结语

一个传感器上车,绝不是简单的安装与使用的问题。大量的路测数据,与其他传感器如何配合作业及安全与隐私等诸多因素均需要设计周全。

因此,即便2021年起已经有车企对外采购红外传感器,现阶段基本上也都处于测试状态,真正搭载上车并大规模上市并不是短时间内能够做到的。

至于其何时能够大规模上车,“最早也要2024年。”有人预测道。

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