新兴的汽车车内传感解决方案确保安全性和舒适性

作者： Andreas Pellkofer and Gopal Karnam

汽车座舱传感是一个快速发展的领域，使用传感器和智能算法的组合具有一系列应用。

如今，有两个关键方面推动了车内传感技术的发展。

首先，正在实施提高乘员安全性的法规。Euro NCAP 标准和欧盟委员会 （EC） 法规都要求到 2022 年使用驾驶员监控系统 （DMS），美国国家运输安全委员会 （NTSB） 建议在半自动驾驶汽车中使用 DMS。2021 年已经需要手动开/关检测 （HOD） 系统，以满足联合国关于车道保持辅助系统 （LKAS） 的立法 （R79）。此外，到2022年，儿童存在检测系统将成为美国的强制性要求。随着这项即将出台的立法，DMS和乘员传感功能将成为L2+及以上驾驶辅助平台的标准功能。

第二个关键方面是提高乘客的舒适度，例如，通过情感感知。原始设备制造商已经意识到这是一个差异化因素，并将使用领先的创新技术来解决这个问题。

DMS 如何减少欧盟交通死亡人数

安全

欧洲运输安全委员会 （ETSC） 计算出，2019 年欧盟每百万居民中有 51 人在道路交通事故中丧生，其中 95% 的病例是由人为因素引起的：驾驶员失误、分心、嗜睡、压力或疲劳。1欧盟委员会宣布了一项重要的一揽子交通安全举措，其目标是“到2030年将道路死亡和重伤减少50%，到2050年实现零愿景”。

如今，DMS已经支持其他高级驾驶辅助系统（ADAS）。例如，LKAS通常与HOD系统结合使用，以检测驾驶员在方向盘上的手。系统会通知驾驶员在需要时收回控制权。此外，DMS还提供了新功能来检测驾驶员的健康状况并确保足够的注意力水平。

生命体征监测（VSM）技术的引入，如心电图（ECG）或皮肤电活动（EDA→皮肤阻抗），提供了感知驾驶员健康和压力水平的能力，以便在潜在问题出现之前避免它们。例如，如果VSM系统检测到驾驶员由于困倦或疲劳而无法控制汽车，ADAS可以使汽车进入安全状态（减速，转向紧急车道或停止汽车）。

安慰

确保出色的驾驶员和乘客体验比以往任何时候都更加重要。它提供了创新的机会，提高了品牌知名度并确保客户忠诚度。客户不断增长的期望使 OEM 有责任添加提供这种增强体验的功能。个性化和先进的人机界面（HMI）概念（直观的车辆）正在成为用户体验的关键组成部分。原始设备制造商可以通过实施独特的舒适功能来增强其品牌。这些可能是基于驾驶员情绪和精神状况的自动气候控制或环境光调节。免接触式HMI系统允许驾驶员进行交互，而无需驾驶员将手从方向盘上移开。除了语音操作系统，使用眼动追踪技术的更精确的DMS继续缩小与传统触摸界面的差距。差异化和客户忠诚度推动了对增强用户体验的需求。

应用

车内传感涵盖了广泛的应用。图 1 和图 2 显示了应用示例。

驾驶员监控满足了法规要求，具有HOD系统等功能，并正在成为未来汽车中作为标准部署的强制性解决方案。

生命体征监测也是一个新兴功能，不仅可以解决具有健康意识的驾驶员，还可以通过监控驾驶员的健康、压力水平、幸福感和操作车辆的适应性来解决人口老龄化趋势。

生物识别身份验证不仅为个性化体验提供支持，例如座椅和方向盘位置以及首选的信息娱乐设置，而且还通过验证车辆驾驶员的能力提供安全性。

另一个重要的安全应用是乘员感应。这确保了如果乘客意外被锁定在车内，驾驶员将立即收到通知，并能够检测乘客的数量和年龄。当紧急救援人员到达事故发生之前，可以将这些数据与紧急呼叫（eCall）系统相结合，从而获得其他信息。

乘员感应的一个特殊用例是儿童存在检测，这将成为（取决于地区）强制性要求。

先进的HMI和手势控制提供了增强的用户体验（见图2）。手势可以执行简单的功能，例如跳过音轨，而不是搜索并按下主控制区域上的按钮。

如何应对这些应用

当我们查看这些应用时，无论是从它们的物理位置（见图3）、舒适性与安全性方面，还是从它们需要提供的解决方案来看，很明显，单一的传感解决方案无法解决所有问题。需要具有不同传感模式的传感器融合。需要解决安全性和舒适性应用的结合问题。需要将多种技术结合起来并协同工作，以实现不断提高安全性和舒适性要求的目标。

技术

飞行时间 （ToF） 技术

飞行时间（ToF）相机是关键技术之一，可以解决前面描述的几种应用，提供图像和深度数据。

位于仪表板或车顶的ToF相机可用于DMS，例如眼动追踪。ToF已经在高级OEM生产，用于先进的HMI和手势控制，最佳位置是在车顶控制台。ToF提供了一个出色的解决方案，不仅可以检测孩子的存在，还可以检测他们的身体位置。您可以看到需要传感器的不同位置才能使视线到达后座（如图 3 中的紫色所示）。

随着图像传感技术的进步，ToF因其更小的外形尺寸、宽动态范围的传感以及在阳光直射下工作的能力而成为首选的深度传感方法。高分辨率距离测量和中分辨率强度图像（环境光不敏感的2D有效亮度图像）的组合是ToF独有的。ADI公司的ToF传感器具有市场上最高的分辨率（100万像素），可实现更宽视场的相机。虽然许多视觉应用都可以使用2D相机实现，但3D（深度）信息提供了额外的鲁棒性。对于舒适应用，这意味着更好的用户体验，而对于安全应用，这是关键的差异化因素。

由于机舱内会有多个摄像头支持不同的用例，因此摄像头必须支持干扰消除，以减少深度测量中的误差。这些挑战必须在系统层面解决，ADI正在积极探索这一领域，巧妙地混合了硬件和软件元件。

对于生物识别身份验证，ToF可以提供非常安全的解决方案，这使得欺骗系统变得非常困难，正如其他实现所证明的那样。

ToF领域的ADI技术包括ToF成像仪（ADSD3100）、激光驱动器（ADSD3000）和功率稳压器（ADP5071）。

车载摄像头巴士（C2B）

为了连接不同的摄像头，无论是2D成像仪还是3D ToF，ADI还提供专用的汽车摄像头链接技术，车载摄像头巴士（C2二™）.C2B是一种低成本解决方案，可传输高达200万像素的摄像头数据以及来自安装在车内或车外的摄像头的控制信息。

阻抗检测

ADI提供多种VSM解决方案，并与软件合作伙伴密切合作，为心率变异性、压力等功能提供整体系统解决方案。AD5941W是一款集成解决方案，适用于HOD和EDA测量。

阻抗检测提供了一种强大而可靠的解决方案，不仅可以检测方向盘上的手，还可以检测抓地力的质量，这是一个关键要求。还可以提供手在方向盘上的位置。EDA 信息可用于检测驱动程序的当前压力级别。

ADI在多个行业从事该技术研究，在这一领域拥有丰富的专业知识。AD5933高精度阻抗转换器目前用于汽车中的HOD。AD5941W在单个器件中支持多个HOD区域。

心电图学

ADI将阻抗检测元件与高精度心电图放大器AD8232W相结合，提供仅由两个元件组成的完整VSM解决方案。ECG和EDA可以监测驾驶员的健康状态，但ECG也可用于处理生物识别认证应用。

结论

汽车行业正在采用先进的车内传感应用来提高驾驶员和乘客的安全性。消费者要求在用户体验和个性化舒适度方面不断创新。传感器融合是准确而强大的 L2+/L3 驾驶员辅助解决方案所必需的。ADI在满足该市场的检测需求方面处于有利地位，并通过ToF算法（手势控制、眼动追踪等）和VSM（例如ECG分析）的硬件和软件算法合作伙伴生态系统来支持这些要求。

审核编辑：郭婷