隨著汽車自動駕駛、電動化、網聯化的發展，汽車上的各種傳感器需求也越來越多，從最早的超聲波雷達，到現在的毫米波雷達，激光雷達；從以前的倒車影像攝像頭，到做自動駕駛輔助用的高分辨率攝像頭；從以前的傳感器主要集中在車輛前后部，到現在遍布整個汽車周圍，可以說，未來的汽車，本身就會是一個行走的大傳感器。
最好的例證如2021上海車展期間，華為和ARCFOX極狐發布的聯名款新車—極狐阿爾法S 華為HI版，該車就搭載有3顆96線車規級激光雷達，6個毫米波雷達，12個攝像頭，13個超聲波雷達，同時擁有算力可達400Tops的華為自研芯片，據稱可達到L3/L4階自動駕駛水平。試駕的視頻刷屏全網。視頻中，車內駕駛員對車輛進行完全脫手脫腳的情況下，進行了自動駕駛測試。即便是在兩側停滿各種車輛的擁擠道路上，車輛能自動預留出足夠通過的空間，躲避對象來車及非機動車和人物等，宛如一個嫻熟的司機。因此可以看出，隨著自動駕駛的不斷發展，需要車輛能夠即時自動檢測其外部環境，因此對不同類型傳感器的需求越來越多。起初，這些傳感器是為某些特定功能而設計的，分布于車身四周并獨立工作。但隨著傳感器越來越多，傳感器之間的相互集成或者傳感器和車燈之間的集成將非常有意義。光線雨水傳感器：用傳感器發出的紅外光來分析擋風玻璃的能見度和水滴的影響。UPA（輔助泊車超聲波傳感器）：近程超聲波傳感器通過發射超聲波并分析通過障礙物反射的信號，從而檢測車輛前后與障礙物之間的距離，并將數據傳輸至處理器進行計算處理，在顯示器上顯示相應的圖像或數據，或者由報警器發出警報。它們用于輔助泊車系統已經超過10年，是自動泊車功能的基礎之一。根據車輛的等級，您可以在一輛車周圍找到多達16個超聲波傳感器，它們通常位于保險杠或擋泥板上。可視攝像頭：根據不同功能要求可以使用不同類型的攝像頭；比如近景攝像頭用于輔助泊車，而遠景攝像頭則用于車道檢測或行人檢測、限速識別、自動遠光甚至ADB遠光燈。根據其功能不同，可視攝像頭通常裝在前后保險杠上、自動門把手后或前格柵附近，以進行短距離攝像。如果需要遠程攝像，則前擋風玻璃后面是最佳位置，因為可以用雨刮來清洗它們，而且由于安裝高度的原因，它的遠景范圍也會更好。毫米波雷達：目前主要用于盲點探測，有時也用于自動巡航控制，根據不同的解決方案，它們的工作頻率從20到100千兆赫，盲點的范圍通常為30米，自適應巡航控制ACC為200米。盲點的當前安裝位置一般在翼子板上，允許適當的可視角度。激光雷達“光探測和測距”：是一種主動式遠程傳感器，它用對人眼安全的脈沖紅外激光照射目標，用傳感器測量反射脈沖，掃描距離、速度、角度和物體寬度。激光雷達測繪和精確檢測可與其他傳感器集成，能夠對車輛周圍的環境進行分析和預測，用于自動駕駛或主動安全系統，如自適應巡航（ACC）、自動緊急制動（AEB）、防抱死制動系統（ABS）等。激光雷達也有兩種類型：機械旋轉式掃描激光雷達和無任何運動部件的固態激光雷達（SSL）。兩者的性能有所不同，由于機械掃描激光雷達通常會掃描200米以內，150°的水平視角范圍（FoV），而固態激光雷達SSL的檢測距離更短，水平視角范圍只有機械掃描激光雷達FOV的一半。當然我們還可以添加其他類型傳感器，雖然這些傳感器還未實際車載使用，例如基于紅外光束的短距離探測器。從光學角度看，這些傳感器和激光雷達類似，只是使用不同的波長。我們還可以考慮未來車間通信（C2C）的可見光雷達，其光學性能和攝像頭相似。如今，大多數傳感器在車上都是可見的。當然一方面，現在的車廠也希望用這些傳感器，來給用戶傳達一種高端智能的感覺。但是隨著輔助泊車系統的普及，前視攝像頭的市場份額正在急劇增加，激光雷達也開始逐步量產。在不久的將來，傳感器將變得越來越平常，因此不一定需要安裝在車身可見處。相反，將它們集成到車燈系統中，成為造型的一部分將非常有意義。可以把它們裝在單獨的透鏡模組中，甚至隱藏在前燈飾圈后將會很酷。由于車燈中使用的材料大多是熱塑性材料，雷達作為一種不可見光傳感器，在車燈設計中，是很容易地集成的。例如下圖馬瑞利展示的車燈集成展示樣件。此外，當傳感器、激光雷達或攝像頭安裝在遠近光支架上時，其探測范圍會隨著車身姿態角一起變動。從而在加載或加速/制動情況下還能保持其性能。這是集成遠程傳感器的一個巨大優勢。同時通過適當的集成方案，甚至可以選擇裝或者不裝傳感器，以區別車輛的不同配置，而且無需對車輛外觀進行任何更改，例如自動泊車或自適應巡航ACC，從而簡化了車廠的工作，因為大多數車型都會有好幾個配置的車燈版本，這種選擇方式正好適合多配置方案的車輛。而如果車廠考慮在前格柵或自動門把手中集成攝像頭，則需要帶或不帶攝像頭的兩個版本的產品，從而增加了復雜性。同樣，如果在生命周期內有版本變動，則僅需對車燈進行小改型，而不會對車輛的其他車身零部件進行額外的改動。在目前的整車架構中，車燈和傳感器是分別安裝的，因此都必須進行獨立的密封設計，使其防水、耐高壓清洗和其他化學藥品，同時要有通風系統使熱量和水汽能夠散發出去。如果我們把車燈和傳感器集成在一個殼體內，就可以減少設計、加工和制造殼體的數量。從這個角度來看，在車燈內集成傳感器將顯著的節省成本。在車燈和傳感器面臨的各種技術問題中，由于電氣連接不良或松動而導致的電氣故障是最嚴重的問題，這會直接帶來行車安全問題。因此工程師總會千方百計的減少產品中的連接器數量。顯然，集成正是迎合這個趨勢，當然設計師也應避免使用過于復雜的連接器。車燈集成傳感器之后，由于車燈和傳感器共用一個連接器，因此減化了車廠裝配線上的操作。更加有利的是，因為只有一個殼體安裝在車身上，減少了打螺釘的次數，以及每次安裝調整車燈和傳感器的時間。傳感器集成到車燈里，相當于在傳感器前面多加了一個車燈的透明面罩，而透明面罩會降低傳感器的性能。一般車燈PC透鏡的穿透率為90%，攝像機的性能也會同比例的降低；而對于激光雷達系統，它取決于被探測物體的反射率。對于一般的行人來說，反射率為6.3%左右，反射信號的衰減可以忽略不計。此外，車燈透明面罩的形狀也可根據傳感器不同而進行設計優化，以避免來回光束的變形或扭曲。同時，由于目前幾乎所有的傳感器外面已經有了一個保護的玻璃透鏡，而這個玻璃透鏡同樣會吸收10%的光，如果集成在車燈內，則可以去掉這個保護玻璃透鏡，將大大減少光傳輸的影響。當然傳感器有可能受到其它車燈光學模塊發出的光的影響。因此必須進行全局光學優化，考慮不同元器件的特性，比如光學模組、擋板、外面罩、傳感器等等。現如今的車燈造型越來越扁平化，車燈的開口尺寸越來越小。市面上已經有了非常薄的薄透鏡模塊，當前開發的遠近光模組尺寸已降至15 mm甚至以下。尾燈也同樣如此，各種類型的光導大量使用，使不同的尾燈功能可以交織在一起。乍一看，可能會認為減少了傳感器的安裝空間。當然這種結論也沒有錯，但是我們同時也要看到，由于車燈的扁平化，車燈周圍的空間會相應的增多，而且光學模組和驅動器的體積也將持續的變小，從而為傳感器騰出空間。同時，正在開發的微型化固態激光雷達也為集成提供了另外一個解決方案。由于傳感器也有功耗，會在車燈內增加散熱，可能會降低其性能，或提前使遠近光模組降級。攝像頭的功耗一般為3瓦，機械激光雷達為7-15瓦，固態激光雷達為2-4瓦。因此，機械激光雷達的影響最大，可以占到車燈總功率的30%，并顯著提高車燈內的溫度，相對來說，攝像頭和固態激光雷達的影響將很小。溫度升高對車燈系統的不同零部件和傳感器都有影響，比如遠近光模組、PCB板、驅動、電機等。如果不進行設計優化，也不進行系統保護，則前大燈內的溫度可能會更高，有降低傳感器性能甚至超過其極限工作溫度的風險。因此必須從一開始就把車燈當成一個完整的系統來設計，而不僅僅是對零部件進行單獨設計，傳感器和車燈的設計團隊之間需要緊密合作，因為傳感器也是一個熱源，需要集成進行散熱冷凝的仿真模擬。由于熱效應的影響，電磁干擾增加的風險有2種，從傳感器到車燈零部件或者從車燈零部件到傳感器。因此在項目的早期階段必須進行緊密合作，以分析所有約束條件，優化電路布局，同時增加電磁干擾屏障，以使車燈設計更加符合造型風格。還有一個更加重要的問題需要考慮，即發生交通事故時車燈更換的復雜性和成本。當然大家都不希望增加更換車燈時的成本，可以提前設想的一個解決方案是，設計一個打開燈殼后蓋取出傳感器或者在車燈內設置一個“可維修區域”，當然這種方案會使更換變得復雜，而且每次都需要對傳感器進行調整和校準。在前面的所有考慮因素之外，還有一個非常重要的因素是電子系統架構。如今，車燈已不僅僅是一個零件，而是嵌入了大量的電子元器件，是整車復雜電子系統的一部分，同時接收來自不同系統的信息。這種情況隨著智能車燈的普及會越來越多，比如數字前大燈和顯示屏后尾燈。如果再將傳感器集成在車燈內，將使車燈在某些情況下成為一個獨立的自主智能系統，給駕駛員提供更多智能的支持。而且由于所有部件從一開始就集成設計，在一個大燈系統內，使用共同的電子架構，因此電子系統可靠性更高，成本更低，對整個車身電子系統也有好處。現在我們把所有傳感器的內容歸納一下，總結在上面的表中，來對比分析各種傳感器集成的優缺點。總的說來，最方便集成的是固態激光雷達SSL，集成后大多數的雷達性能都能得到提升。近景攝像頭集成也大有好處，當然取決于所需的水平視角。而對于像機械激光雷達系統來說，集成對散熱的挑戰較大，但并非不可實現。而對于遠景攝像頭和UPA，集成在車燈內的意義不大。車燈集成傳感器是自動駕駛趨勢的一種必然結果，各家燈廠相關研究都在緊鑼密鼓的進行中，相信很快就能看到實車上市。為促進智能車燈行業的發展，艾邦智能汽車俱樂部搭建有智能車燈微信群，歡迎主機廠，配套供應商，光源，半導體，材料，設備等企業加入微信群。 | | |
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https://www.aibang360.com/m/100082原文始發于微信公眾號（智能汽車俱樂部）：車燈與傳感器的集成
