-- 作者：wangxinxin
-- 發布時間：2010-11-20 8:55:22
-- 基于FPGA平臺的駕駛輔助應用加速發展
眾所周知，在過去50年時間里，安全帶、前置氣囊、安全帶預緊器、防抱死制動（ABS）以及側邊氣囊等汽車安全系統的應用大大降低了汽車事故的傷亡率。現在，汽車生產商在汽車安全方面付出更多努力，特別是在汽車駕駛輔助系統方面做出了許多創新。駕駛輔助（DA）技術在進一步提高安全性的同時還將帶來革命性的嶄新駕駛體驗。包括工具、IP和芯片在內的FPGA平臺將在實現這一誘人前景的過程中扮演關鍵角色。
賽靈思公司汽車系統架構師和駕駛輔助專家Paul Zoratti表示：“汽車生產商在汽車中集成的駕駛輔助系統可以幫助司機做得更好。駕駛輔助系統能夠以報警等形式為司機提供多種信息，幫助司機在任何情況下做出更準確的選擇，從而使駕駛更安全。”
得益于電子技術的發展以及OEM廠商在此基礎上的創新，駕駛輔助系統的能力相當強大，而未來的潛力更是令人驚嘆。
關注汽車電子行業的Semicast公司首席分析師Colin Barnden認為，汽車生產商和一級供貨商以及研究人員對駕駛輔助系統的研究已有幾十年的時間，但只是在過去的10年多時間里，電子系統和設計技術才發展到足夠高的水平，OEM廠商才欣然接受并將其配置于汽車內。Barnden表示：“駕駛輔助系統在如此短的時間里取得如此大的發展確實令人感到驚奇。”
目前，OEM廠商及其供應商，甚至零配件電子控制單元（ECU）制造商都正在提供及設計多種駕駛輔助系統（見圖1）。駕駛輔助系統可以幫助司機更快更好地停車，與前車保持安全距離，還可以通知司機他們此前可能無法看到的危險，并幫助他們安全地更換車道。
許多此類系統在幾年前出現時還都是相當簡單的技術。但OEM廠商很快就發展出更復雜的系統，而現在又在將這些系統集成為“傳感器融合技術”，即融合多種駕駛輔助系統，每個系統獨立工作，但都使用源于相同的共享傳感器的輸出。這樣就可以為司機提供更精確的周邊環境信息，幫助他們做出更準確的決定，并提供更安全更豐富的駕駛體驗。要實現這些，就需要更強大的高級計算技術。這也是FPGA平臺可以大展身手的地方。
停車系統的快速演化
大約10年前，OEM廠商推出了第一代輔助駕駛系統——倒車輔助系統。倒車輔助系統包括安裝在車尾的一系列傳感器，可通過超聲波或雷達信號測量與車后物體的距離。在司機倒車時，傳感器通常會發出“嗶嗶”的提醒聲，且提醒聲的頻率會隨著汽車離障礙物距離的縮短而增加。當汽車離障礙物的距離小于四英寸時，提醒聲會變成固定音調的報警音。
Barnden表示：“這一功能非常有用，特別是當駕駛大型車輛（如載貨車）的時候。但這只是最基本的系統，實際上并沒有集成智能功能，所有工作和判斷仍然必須由司機完成。當汽車靠近其他物體時，系統會發出警報，但最終還得由司機決定是繼續倒車還是停下來。”
倒車輔助系統是部署最廣泛的系統，也是OEM供貨批量最大的駕駛輔助系統。2007年，汽車生產商在歐洲生產的500萬輛汽車中以及在美國生產的200萬輛汽車中均安裝了倒車輔助系統，全球的總安裝量約為1000萬。也就是說，2007年生產的汽車中大約6輛車中有1輛安裝了倒車輔助系統。“我預計這一數字在所有地區還會進一步增長，因為這一功能既有用又簡單，并且還不貴。”Barnden說。
OEM廠商將這一技術向前推進了一步，增加了智能系統從而創造出被稱為停車輔助（Park Assist）的新駕駛輔助系統。安裝在汽車后號牌附近的攝像頭可連接至司機座位前面的導航顯示系統，倒車時，導航系統會自動激活攝像頭，這樣司機就能看到汽車距離后面的物體到底有多近。有些系統還能進行一些基本的圖像識別，并在屏幕上顯示一些可視線索，這樣司機就可以獲得應該何時打輪等信息。
Barnden指出，奔馳和寶馬等OEM廠商在5年前就開始在其最高端的車型中提供停車輔助系統。現在，這一技術更多地出現在更為主流的車型中，特別是SUV，因為司機很難通過向背后看或從后視鏡中確定車后的障礙。Barnden表示，2007年售出的汽車中配有停車輔助系統的共有100萬輛。
下一代系統則是自動停車，凌志（Lexus）汽車在幾年前就率先在其LS系列豪華車型中安裝了自動停車系統。
在自動停車系統中，幾個近身傳感器（包括超聲波傳感器和攝像頭）遍布車身周圍。當司機倒車時，系統會檢查本車與其它停放車輛之間的距離，并報告空間是否足夠。實際上，系統還可以做更多工作。根據司機的最終判斷和確定的方向，自動停車系統會完成剩下的所有任務，自動將車停放好。
Barnden表示：“司機只需按動一個按鍵，汽車就會自動停好，這確實令人著迷。也許你認為能夠自動停車的汽車是20或25年以后的事情，但今天的OEM廠商就已經做到了。”
停車輔助系統能夠全方位地對車身周圍進行測量，并迅速計算每一邊與其它物體的距離。“這個系統能夠了解停車時的操作步驟，是因為設計師已經將停車算法編程入系統中。因此，系統知道應當向哪個方向打輪，相對于后面的車輛應當如何向前移動，以及停車所需的所有參數。”Barnden補充道。
在這方面，日本的OEM廠商比世界其它地方提前3到5年，但歐洲的汽車生產商也已開始采用停車輔助系統。“這一功能在美國并不普遍，但毫無疑問，它最終也會流行起來。”Barnden表示。最初應用于高端汽車的停車輔助系統正逐漸應用于較小的日本和歐洲汽車，并且在城市中非常流行，因為大城市中很難尋找到寬敞的停車空間。
Barnden認為：“更令人驚奇的是，停車輔助系統非常可靠，并且特別精確，這令人難以置信。”隨著這一技術越來越常見，司機很可能將會越來越相信停車輔助系統要比自己停車更好。
Barnden解釋道：“如果交給計算機一項相對獨立的任務，那么計算機通常做得比人要好。” 然而，駕駛輔助系統的關鍵特點之一是司機在控制汽車方面具有最終決定權，具有比自動系統更高的優先控制權。
汽車巡航控制的快速演化
過去10年時間里，駕駛輔助應用中快速發展的另一個領域是汽車巡航控制。
OEM廠商提供標準巡航控制功能已經有幾十年的時間，但這些系統并不具備智能性。在傳統的汽車巡航控制方式下，用戶可通過按鍵設定汽車的速度。但是，如果司機不夠專注，汽車就將保持這一速度，從而有可能駛向路邊或直接撞向前面的車輛或物體。
大約8年前，奔馳開始在其S級汽車中安裝被稱為自動巡航控制的智能駕駛輔助系統，利用前向雷達來測量與前車之間的距離。司機按下按鈕，選擇他們希望與前車保持2秒、3秒或更長時間的行車間距（headway），然后，系統會自動調節速度，以保持指定的行車間距。
Barnden表示最近推出的第二代自動巡航控制系統實際上還可以控制制動。“如果前面的車減速而離你的車太近，系統會稍微剎車以保持設定的2秒或3秒的安全車距。”
同樣，如果前面的車輛緩慢前行，自動巡航控制系統也會減速慢行，始終保持與前車的安全距離。
Barnden認為，盡管這種系統比傳統的巡航控制更為高級一些，但根據駕駛輔助系統的標準，此類自動巡航控制仍然只是眾多基本高級系統中的一個。更先進的自動巡航控制系統還可以幫助發動機安全地處理停停走走（stop-and-go）的情況，可適應快速的速度變化，并始終保持合理的距離。實際上，有些系統現在就可以做到這一點了。
2007年，OEM廠商售出了100萬輛配有自動巡航控制系統的汽車。Barnden預期隨著這一技術的大眾化部署，這一數字會大幅增長，特別是在歐洲和日本。
實際上，OEM和供應商已經在加快研發結合了攝像頭與雷達系統的第三代自動巡航控制系統，保證汽車在其車道上的速度，并且還可以預測因為其它車輛并道所帶來的危險（如靠得太近）。
Barnden說：“第三代系統增加了更多智能性，能夠更好地預測前面的危險離你有多遠。根據這些數據，系統還可以確定在何種情況下可以忽略這種危險，或者是發出報警信號并采取預防性措施以避免撞車。”
夜視系統與威脅評估
駕駛輔助系統的另一個發展領域是幫助司機更清晰地看清前方的路況。
一個基本的例子是夜視。此類系統通常采用紅外照明或熱成像技術的攝像頭，并利用汽車的導航系統向司機顯示熱敏感或紅外圖像。夜視系統對于夜間及時分辨并避免撞上行人和動物非常有用。由于夜視技術目前成本尚高，因此OEM通常僅在其最高端車輛（如奔馳S級和寶馬7系列）中才提供這一系統。然而，隨著技術的演化，夜視系統將會逐漸進入主流車輛。
OEM廠商2007年在全球范圍內售出了約80萬輛配有夜視系統的汽車。Barnden預期2015年這一數字將會增長到300萬輛。
車道偏離報警系統
駕駛輔助系統的另一應用是車道偏離報警系統。
OEM廠商提供的盲點探測系統利用位于汽車側面或后端的雷達傳感器或攝像頭來監視是否有其它車輛接近司機的盲點。如果有，系統會顯示報警燈通知司機，這樣就可以減少司機回頭的時間，從而讓他們更好地集中于前方路況。
Barnden正在觀察盲點探測系統是否會形成新的市場。他指出，2007年汽車行業售出的裝備有盲點探測系統的汽車約為30萬輛。通常，OEM廠商僅在高端車型中提供此類系統，如奧迪Q7豪華版SUV。
Barnden認為，將盲點探測系統與其它駕駛輔助系統相結合，將會變得更具吸引力。例如，如果司機分神察看盲點區域的情況時，自動巡航控制系統會檢測到速度下降并做相應調整。
Barnden說：“這也是為什么駕駛輔助系統如此有趣的原因，所有這一切結合起來將會大大改變駕駛體驗，為司機提供有用的建議。”
Barnden認為另一項新興的駕駛輔助技術——車道偏離報警系統頗具潛力，而且FPGA在這些系統中的應用也前景可觀。
車道偏離報警系統通常采用安裝在后視鏡上的攝像模塊來收集前方道路的圖像。Barnden說：“系統中通常采用DSP（近來也更多地采用FPGA）進行算術運算，識別路面的白色車道線，幫助司機確定所處的車道。如果司機犯困或忙于調節收音機頻道時汽車突然轉向另一車道，系統會發出聲音報警、輕搖司機座位或振動方向盤來提醒司機。”
如果司機在更換車道前打了轉向燈，那么系統不會發出警報。因此，這一技術不僅可以在司機意外偏離車道時進行報警，還可以促使司機養成良好的駕駛習慣。
目前，OEM廠商在其最高端車型（如標志雪鐵龍、寶馬、凱迪拉克和別克）中安裝了車道偏離報警系統，2007年，這些車型售出了不到100萬輛。Barnden說：“作為增長最快的應用之一，未來十年內配備這一系統的汽車將會增長到1700萬輛。預計到2015年會有1/4的汽車采用這一技術。”
與車道偏離報警系統類似，另一項新興的駕駛輔助技術——標志識別（sign recognition）也采用前視攝像頭來讀取道路兩側的交通標志。Barnden表示：“假如系統看到一個限速標志并檢測到汽車剛剛駛過該標志，那么就會在儀表盤的顯示屏上顯示當前區域限速30mph。系統也會顯示司機沒有注意到的標志，如‘紅燈禁止右轉’等。”
Barnden認為，交通標志識別系統仍然處于開發階段，在推向市場之前仍然必須克服一些挑戰。 例如，如果駕車經過一系列非常靠近的標志，系統必須決定優先顯示什么標志。一塊路標可能顯示“限速35mph”，而另一塊則顯示“前方有滑坡”，很明顯，系統應當優先顯示更緊急的標志。
Barnden表示：“這一技術非常有用。駕駛輔助系統可以將信息提供給司機，但駕車的責任仍然在司機本人。”
未來：FPGA平臺推動傳感器融合
盡管在過去10年時間里，駕駛輔助系統在所有這些方面的發展都很迅速，但專家認為真正的創新才剛剛開始。事實上，負責設計駕駛輔助系統和其它汽車電子系統的設計人員正在致力于將所有這些功能結合起來。例如，利用一組傳感器完成多項任務，并將它們與汽車中的其它ECU相連。這樣就可以降低系統成本以及系統連接的布線復雜性，從而降低燃料消耗。最終，汽車會變得更舒適并且更環保。
整合這些先進系統的關鍵是采用FPGA平臺。許多使用超聲波、雷達和攝像頭傳感器技術的第一代和第二代系統都依賴于DSP、或DSP與FPGA的組合來完成駕駛輔助系統所需要的快速計算。但是，隨著駕駛輔助系統變得更為復雜，特別是開發人員尋求利用一組傳感器來完成多項駕駛輔助系統任務，專家認為，僅采用DSP的系統無法高效地完成工作。因此，FPGA的作用將得到擴展。
例如，賽靈思公司的Zoratti認為，將基本的車道偏離報警系統擴展為可同時實現交通標志識別和前方車燈識別的系統需要強大的計算能力以及高級算法開發。
Zoratti指出：“目前，DSP足以勝任基本系統的計算任務。但隨著系統的發展，特別是要利用同樣的傳感器完成多項功能并實現與其它系統的互連時，DSP的處理能力就不夠了。FPGA的并行處理資源可以提供一種具備成本效益、可擴展性和靈活性的解決方案（見圖2）。”
根據分析師Barnden的說法，傳感器與前視攝像頭的結合需求更為迫切。前視攝像頭通常安裝在汽車后視鏡上，從前擋風玻璃處探出。目前，OEM可利用前視攝像頭實現車道偏離報警功能。但他們希望在未來的汽車中能將這一攝像頭與雷達傳感器結合起來，同時完成自動巡航控制、交通標志識別、夜視以及車道偏離功能，當然，未來可能還包括車道保持功能。
利用一個攝像頭為多個駕駛輔助系統提供圖像則需要高級計算能力。在系統板上采用多個分立的DSP會令設計臃腫，需要更多連接線，并可能引發延遲和可靠性問題。Zoratti 表示，OEM廠商可以利用FPGA平臺的并行資源來完成需要幾片DSP來執行的工作，從而獲得成本效益、可擴展能力和靈活性都更高的基于FPGA的傳感器融合系統。
他還說：“目前的車道偏離報警系統可以采用分辨率為640×480的VGA攝像頭，但當面對標志識別等應用時，系統很快將需要兩倍以上的分辨率。DSP器件無法滿足所需的數據處理能力。當討論多種功能時，每種功能可能需要不同的處理算法，這也是FPGA能夠提供強大價值的地方。”
他繼續說道：“ASIC可能是一個選擇，但問題是，在大多數情況下，市場仍然處于孕育期，無法準確預料最終哪種算法會勝出。FPGA提供了所需的計算能力、靈活性和可擴展能力，因為您可以現在利用FPGA完成設計，并在未來根據特定車型的需求調整其需要的具體功能。這是一種基于平臺的設計，可以進行修改以適用于不同的型號，甚至不同的系列。投資一個平臺，然后就可以根據需要進行靈活的擴展，激活或禁止某些功能。”
在幫助設計人員快速實現駕駛輔助系統創新的過程中，開發工具和IP扮演著關鍵的角色。賽靈思公司及其合作伙伴為眾多基于FPGA的高級駕駛輔助應用提供了先進的IP模塊（見圖3）。
在將技術從DSP或基于其它IC的駕駛輔助系統轉向采用賽靈思汽車平臺FPGA的眾多企業中，TRW汽車集團旗下的TRW Conekt公司以及Ibeo 汽車傳感器有限公司（Ibeo Automobile Sensor GmbH）是兩個很好的例子。
TRW Conekt公司基于攝像頭的車道偏離報警系統剛剛投入生產，目前正在開發整合了車道偏離報警和自動巡航控制的系統。當前系統中的前視攝像頭位于后視鏡后。Conekt公司首席電子工程師Martin Thompson說：“當遇到車道標志時，如果汽車太靠近這些標志，系統會觸發電子方向盤系統，方向盤會輕微振動來提醒司機，司機的感覺就像是汽車在輕擦路邊的石頭。系統可以幫助司機在疲勞或注意力不集中時避免車道偏離。”
TRW系統的核心是經過Conekt編程的XA Spartan?-3E250 FPGA，它負責執行邊緣檢測和特征抽取等底層圖像處理。產品中還采用了一個外部微控制器，Thompson表示，這個微控制器未來可能會被集成到FPGA中。
位于后視鏡后方的這一系統可以識別分隔車道的白線，并估算前方道路的幾何形狀以及汽車在車道內的位置，即相對于車道的角度以及車道的彎曲情況。Thompson說：“這為車道偏離報警系統提供了所需的信息。未來，這些信息可與來自自動巡航控制雷達的數據相結合，用于跟蹤本車道內的其它車輛。”
此外，Conekt的工程師正在開發視頻障礙檢測功能。“雷達非常適合測量距離，但并不適合測量橫向位置，視頻則正相反。我們可以確定相對于車的寬度和角度，并將這些信息與雷達距離測量相融合。”Thompson說。
他又補充道：“利用視頻信息，我們還可以對目標進行分類，例如判斷車前的物體是行人還是自行車。同樣，視頻-雷達融合系統也可以動態地區分車輛是轎車還是卡車。跟蹤系統可利用這些評估信息來改進自己的行為。”
Thompson指出，在一個系統中融合雷達和攝像頭傳感器還有很多其它優點。雷達不會受到降雨、降雪和霧天的影響，而視頻則能更好地顯示出司機的實際可視范圍，從而幫助司機根據當前的天氣和能見度情況來估算安全的行駛速度。
未來某個時候，融合產品還會使現有的碰撞緩和系統受益。如果事故看起來不可避免，系統會激活安全帶預緊器、灌注氣囊，并啟動剎車，以盡可能提前釋放碰撞能量。此外還可以起到防止碰撞的功能。當司機無法采取行動時，汽車可以自動啟動一些措施（如方向控制和剎車等）以避免撞車。“然而，這可能還需要等些時候。”Thompson說。
Ibeo汽車傳感器有限公司也在其高級駕駛輔助系統中采用了賽靈思FPGA平臺。公司銷售總監Mario Brumm說，已有十年歷史的Ibeo公司開發了一款激光掃描裝置，與相關軟件配合，就可以檢測車身周圍包括其它車輛、行人以及自行車在內的環境，測量他們的位置和速度。Ibeo開發的這一系統可以在高速行駛時支持自動巡航控制并在交通阻塞時提供駕駛輔助。在關鍵時刻，比如有個孩子出現在車前時，傳感器會觸發剎車動作來避免事故。
Brumm說：“我們開發了硬件和軟件，但我們認為未來幾年時間里，軟件會變得越來越重要。我們推向市場的一些傳感器已經可以支持單一應用，但我們從開始樹立的目標就是利用一個傳感器支持多項應用。FPGA在我們的設計中是非常重要的器件。”
在采用FPGA之前，Ibeo利用的是一款模擬芯片。Brumm說：“我們可以利用它來測量遠達80米的距離。但對于自動巡航控制來說，這還不夠，尤其是在德國，在那里人們喜歡高速駕駛。客戶希望能夠測量200米遠的距離，這樣的話，利用原來的模擬系統是不可能的，因此我們想利用數字方法來完成核心測量。”
特別的，原來的模擬系統在傳感器可檢測的面積和寬度等方面的可視范圍也非常有限。Brumm說：“在模擬系統中，信號噪聲較大，因此我們只能分辨80米以內的對象。在新的FPGA系統中，大型轎車或卡車的可視距離將可達到350米。對于激光掃描系統來說，這真是非常好的性能。而這主要得益于數字測量技術，系統因此可以檢測到非常低的能量。此類系統首先將用于豪華車，如奔馳S級和寶馬7系列。但我們的主要目標是降低成本，使這些技術能夠更廣泛地應用于所有汽車。”
Brumm認為，將激光技術和視頻相融合具有很大潛力。他說：“數字攝像頭技術很不錯，你可以親眼看到發生的事情，但它也有一些缺點。例如，攝像頭無法在黑暗的環境中工作，因此設計人員需要采用夜視技術進行改進，但這樣做成本會比較高。而且，數字攝像頭通常比激光技術需要更強大的數據處理能力。而激光則不會受到環境光線或者霧天的影響。”
但同樣的，攝像頭也可以避免激光掃描器的一些問題。例如，激光掃描器在區分行人和樹木時就有困難，但是將激光掃描和視頻攝像結合起來就可以同時獲得兩種傳感器的優點。例如，如果看起來汽車將撞到大樹，那么系統會發送信息給其它傳感器以保護司機。但如果汽車將要撞上的是行人，那么就會發送信息給其它傳感器以幫助保護潛在的受害者，比如激活汽車底部或外殼上的氣囊。
在售后安裝的駕駛輔助系統方面，FPGA也可以發揮重要作用。例如，PLX Devices公司開發的首款產品——供汽車愛好者使用的可定制多功能計量器就采用了賽靈思FPGA平臺。而后，該公司又開發了一款主流消費產品Kiwi。這款產品能夠以輕松的方式幫助司機監控燃料效率，賽靈思器件同樣是該設計的核心。
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