攝像頭、雷達、高分辨率3D瞬動激光雷達（FlashLidar）等各類傳感設備的組合，將成為傳感器套件中的關(guān)鍵部分，可為用戶提供車輛四周的360°環(huán)視視野。

為了模仿人類駕駛員在駕駛過程中的眾多行為，自動駕駛系統(tǒng)需要集成大量非常復雜的技術(shù)。如今，為了能夠360度觀測車輛四周的情況，每輛車都需要安裝一組由多個傳感器組成的傳感器陣列。快速網(wǎng)絡可以將必要數(shù)據(jù)發(fā)送至電子控制單元，協(xié)助車輛在轉(zhuǎn)向、制動、加速和減速方面進行決策。

為了在未來的移動出行解決方案市場占得先機，汽車廠商、一級供應商和其他供應商正在與孜孜不倦的創(chuàng)業(yè)公司和“行業(yè)攪局者“展開激烈競爭，其中也包括蘋果(Apple)和谷歌(Google)等科技巨頭，但有時也會選擇與這些公司合作。

他們獲勝的關(guān)鍵在于以下技術(shù)領域：

業(yè)界正朝著模塊化和可擴展的多域控制器穩(wěn)步前進，以便管理日益復雜的傳感器數(shù)據(jù)輸入和處理。

處理能力

處理器可分析傳感器的數(shù)據(jù)輸入，進而做出轉(zhuǎn)向、制動、加速、減速等決定，未來必將取得重大進展?，F(xiàn)階段的安全系統(tǒng)主要會大量采用傳統(tǒng)的多核處理器，具體參與的廠商包括恩智浦(NXP)、英飛凌(Infineon)、瑞薩(Renesas)、意法半導體(STMicroelectronics)和英特爾(Intel)等。然而，未來自動化系統(tǒng)帶來的極端挑戰(zhàn)，將對現(xiàn)有的處理技術(shù)提出更高要求。

英偉達(Nvidia)的每個高度并行圖形處理單元(GPU)都擁有數(shù)千個小型處理內(nèi)核，近些年來開始在汽車行業(yè)嶄露頭角。這種GPU單元非常適合同時完成多項任務，例如同步分析來自多個傳感器的像素輸入。最近，英偉達推出專門針對SAE3級到5級自動駕駛系統(tǒng)的Pegasus多芯片平臺。Pegasus模塊的尺寸與車輛牌照相仿，但卻可以實現(xiàn)每秒320萬億次的數(shù)據(jù)中心級處理能力。

目前已被英特爾收購的Mobileye也開發(fā)了一款專門的圖像處理器?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)可用于制造專用并行設備，主要生產(chǎn)廠家包括賽靈思(Xilinx)、英特爾(neeAltera)、萊迪思半導體（LatticeSemiconductor）和美高森美（Microsemi）等。FPGA允許設計人員基于具體任務打造性能最佳的定制芯片。恩智浦和瑞薩等主流供應商已獲得Tensilica的可編程技術(shù)許可，目前已經(jīng)開始將應用范圍從信息娛樂系統(tǒng)擴展到安全系統(tǒng)。

不過，傳統(tǒng)CPU并不會就此退出歷史舞臺。CPU的優(yōu)勢在于順序處理技術(shù)，可以協(xié)助將經(jīng)過各類專用處理器（位于傳感器或ECU單元內(nèi)部）處理過的傳感器數(shù)據(jù)融合起來，這對系統(tǒng)的決策能力至關(guān)重要。

如今，大多數(shù)系統(tǒng)都有自己的獨立處理器，比如車道偏離或自適應巡航控制系統(tǒng)都內(nèi)置了處理器，也就是這些大型控制單元很可能會收集所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并判斷將如何為車輛導航。這種需求將給處理器的內(nèi)核性能、時鐘頻率和低功耗預算提出更高要求，特別是在電動汽車應用中。

車載攝像頭的指數(shù)級增長，推動了生產(chǎn)效率的提升和規(guī)模的擴大。圖示為麥格納公司密歇根州Holly攝像頭工廠生產(chǎn)的傳感器線路板。

雷達和攝像頭

熟練的人類駕駛員僅靠自己的眼睛和簡單的后視鏡幫助，即可做到安全駕駛，但自動駕駛車輛將需要多達30個傳感器，才能達到人類駕駛員的水平。具體來說，這些傳感器有的面向前方，共同識別前進道路及可能障礙物，其他的傳感器則將面向車輛的各個方向，共同繪制360度環(huán)視視野。

目前，雷達組件市場主要由恩智浦和意法半導體等成熟芯片制造商占領，而這些公司的主要業(yè)務之一是將微控制器和雷達設備匹配起來。此外，亞諾半導體(AnalogDevice)和瑞薩(Renesas)以及Imec和英飛凌等合作伙伴，也在進行類似的整合。例如，在IHSMarkit的拆解中，我們可以看到來自德爾福的77-GHz雷達傳感器采用了英飛凌的接收器和發(fā)射器裝置，及TI的應用處理器。目前，這款雷達傳感器已經(jīng)用于2015款沃爾沃XC90。此外，德爾福的另一項前沿RaCam雷達+視覺傳感技術(shù)也使用了英飛凌基于SiGeHBT的接收器和發(fā)送器。

Oculii、Omniradar和Artsys360等幾家初創(chuàng)企業(yè)，正在試圖在雷達領域站穩(wěn)腳跟。博世(Bosch)、采埃孚(ZF)、德爾福(Delphi)等絕大多數(shù)一級供應商也開始在安全系統(tǒng)中使用雷達技術(shù)。

這些公司中的絕大多數(shù)還在研發(fā)攝像頭技術(shù)。目前來看，英特爾旗下的Mobileye公司在攝像頭領域占據(jù)主要優(yōu)勢，旗下EyeQ3視頻處理器已經(jīng)成功登陸德爾福的RaCam傳感解決方案。麥格納國際(MagnaInternational)、博世(Bosch)、法雷奧(Valeo)、大陸(Continental)和電裝(Denso)等多家公司也開始將目光轉(zhuǎn)向視覺系統(tǒng)。另外，敏視(Stonkam)等中國制造商，及松下汽車系統(tǒng)(PanasonicAutomotiveSystems)和安全氣囊巨頭Autoliv都紛紛大舉進軍攝像頭系統(tǒng)領域。

基于AI和攝像頭的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，對于SAE2級至4級自動駕駛技術(shù)的實現(xiàn)至關(guān)重要。

司機警覺性監(jiān)控和駕駛室感應系統(tǒng)，是攝像頭技術(shù)另一項穩(wěn)步增長的應用場景。經(jīng)過通用汽車凱迪拉克(Cadillac)SuperCruise系統(tǒng)的驗證，這些技術(shù)對于SAE2級到4級自動駕駛系統(tǒng)的安全運行至關(guān)重要?？萍己献魇沁@個新興供應領域的核心。目前，電裝已經(jīng)與硅谷技術(shù)公司Xperia展開合作，希望借力后者的Fotonation部門，補充圖像識別技術(shù)實力。電裝公司早在2014年就開始為越野卡車和大型旅游巴士提供駕駛員狀態(tài)監(jiān)視器。該系統(tǒng)采用了一款駕駛艙攝像頭，可捕捉駕駛員的面部圖像，并采用計算機視覺技術(shù)，通過檢測駕駛員的面部，確定駕駛員的疲憊程度。

目前，攝像頭和雷達將相互配合以識別物體。另外，當固態(tài)設備能夠達到汽車產(chǎn)業(yè)的要求時，汽車制造商還大概率將增加激光雷達，使信號發(fā)送區(qū)域可以相互覆蓋。這種設計可以杜絕誤報警的可能性，盡最大可能提供障礙物識別信息。此外，車輛還采用了多雷達的設計，以提供3D觀測功能。未來，24-GHz雷達可能會被帶寬更寬的77-GHz產(chǎn)品取代，從而滿足行業(yè)對高精度3D圖像的需求。值得說明的是，先進的信號發(fā)送和接受技術(shù)，也可以協(xié)助雷達識別物體，而不是僅能提供距離信息。

提高分辨率是攝像頭性能優(yōu)化的關(guān)鍵內(nèi)容。更高的分辨率可以增加清晰度，有助于擴大攝像頭的監(jiān)測范圍，幫助系統(tǒng)及時識別遠距離目標。今天最主流的200到400萬像素攝像頭，未來將會被800到1000萬像素的產(chǎn)品所取代。

隨著車上的傳感器數(shù)量越來越多，這些傳感器發(fā)送給控制器的數(shù)據(jù)量也急劇增加。數(shù)據(jù)集成處理器可以解決這一問題，但該解決方案并未得到行業(yè)的普遍認可。明導(MentorGraphics)嵌入式系統(tǒng)部門總經(jīng)理GlennPerry表示：“在傳感器中增加一個處理器，會導致延遲產(chǎn)生，并增加我們材料清單的長度。SAE5級自動駕駛系統(tǒng)需要采用大量的激光雷達、雷達和攝像頭，這種設計思路的成本太高，還將占用大量的計算能力，因此可能根本行不通?！?/p>

通用汽車公司購買了Strobe公司的超緊湊型調(diào)頻(FM)激光雷達技術(shù)（原型如圖所示，大小可參考與旁邊中性筆的對比），數(shù)據(jù)處理速度高于常規(guī)ToF激光雷達。通用汽車下屬子公司CruiseAutomation的目標是將固態(tài)激光雷達的成本降低至每部100美元以下。

激光雷達

許多汽車工程經(jīng)理認為，激光雷達傳感技術(shù)結(jié)合了激光和攝像頭優(yōu)勢，是SAE5級自動駕駛必不可少的組成部分。激光雷達的工作原理和普通雷達相仿，主要通過發(fā)射激光測算目標的距離。具體來說，激光雷達將發(fā)出激光，并記錄激光反射回來所需的時間，進而測算雷達與障礙物之間距離。這種技術(shù)不受天氣影響，將成為攝像頭的有力補充。

目前，多家小型公司都在打造機電激光雷達系統(tǒng)，但基本都以固態(tài)激光雷達為主，以達到汽車級可靠性標準。汽車行業(yè)對激光雷達的興趣絕非隨口說說，而是實打?qū)嵉啬贸隽舜罅客顿Y。舉幾個例子，德爾福、福特和采埃孚（ZF）分別投資了InnovizTechnologies、Velodyne和Ibeo公司。德爾福和戴姆勒還共同投資了Quanergy公司。大陸集團收購了AdvancedScientificConcepts；ADI公司則收購了VescentPhotonics。2017年10月，通用汽車的自動化技術(shù)子公司克魯斯自動化(CruiseAutomation)也收購了一家正在埋頭開發(fā)下一代激光雷達傳感器的小型公司Strobe。

Gruise公司的老板KyleVogt曾在一篇博文中寫道，如果可以將整個傳感器系統(tǒng)集成至單芯片上，工程師們就可以將每部汽車激光雷達的成本降低“99％”。

目前，一些激光雷達芯片已經(jīng)進入市場，但主要應用仍以“車道偏離預警”等短距離測距為主。大多數(shù)正在研發(fā)中的汽車級固態(tài)激光雷達都希望可以在200到300米（656到984英尺）的距離內(nèi)提供高分辨率圖像，進而允許車輛盡早識別行駛方向上的障礙物。

“分辨率至關(guān)重要，”VelodyneLidar公司CTOAnandGopalan表示，“如果你希望‘看清’遠處的小目標，比如輪胎碎片等，那就必須提供足夠的激光強度。這樣才能準確捕捉到這些小型目標，并及時采取避讓措施?！?/p>

架構(gòu)

架構(gòu)是無人駕駛汽車成為現(xiàn)實的先決條件，需要保證眾多零部件的協(xié)同工作：比如如何收集傳感器數(shù)據(jù)，如何將這些數(shù)據(jù)融合起來形成環(huán)視視野，如何在車輛中實現(xiàn)數(shù)據(jù)分享，如何進行決策，如何進行交叉檢查等等。

由于電子系統(tǒng)可以根據(jù)車輛周圍的情況做出判斷，因此軟件將發(fā)揮重要作用。同時硬件性能必須足夠強大，才能及時完成運算，進而避免事故發(fā)生。目前，車輛的系統(tǒng)硬件和軟件通常由同一個供應商提供，不過隨著汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)(AUTOSAR)的發(fā)展壯大，軟硬件系統(tǒng)的獨立性也將有所提高。未來，隨著汽車制造商開始不斷尋求更好的自動駕駛軟件，這種趨勢可能會隨之加速。

采埃孚（ZF）自動駕駛團隊首席工程經(jīng)理Karl-HeinzGlander表示：“現(xiàn)在大多數(shù)人都明白，硬件和軟件應該是相互獨立的，這樣才能方便第三方軟件的使用。OEM可以自由選擇同蘋果、谷歌這樣的純軟件公司，或是像英偉達或Mobileye這樣的芯片公司合作，找到最符合公司利益的搭配?！?/p>

目前，系統(tǒng)架構(gòu)面臨的關(guān)鍵問題之一，在于系統(tǒng)的運算能力應集中在一個強大的ECU中，還是分散在系統(tǒng)的各個組成部分。許多ADAS系統(tǒng)選擇將獨立處理器分散各個智能傳感器中。這樣一來，傳感器的數(shù)據(jù)在發(fā)送至中央處理器前，可以先在傳感器內(nèi)進行初步處理，這樣一來可以降低中央控制器的壓力，二來還可以減輕汽車通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸壓力。然而，還有一些系統(tǒng)架構(gòu)師更傾向于將系統(tǒng)的全部計算能力集中在中央ECU中，所有數(shù)據(jù)全部不加處理，直接傳送至中央處理器，從而避免在傳感器中增加獨立處理器的需求。事實上，一些OEM可能會將這兩種思路結(jié)合起來，即仍采用中央處理器的設計，但在部分“智能”傳感器中增加獨立處理器，完成部分數(shù)據(jù)處理工作，其他“普通”處理器將原始數(shù)據(jù)傳送回ECU即可。

事實上，軟件系統(tǒng)幾乎不可能全面預測無人駕駛車輛在道路上可能遇到的各種情況，并預先設計如何進行反應。

在此背景下，允許車輛“邊跑邊學”的人工智能技術(shù)則被提上了日程。人工智能所需的投資規(guī)模非常龐大，目前已在語音識別和圖像分析方面取得了重大進展。

德爾福的V2V控制器已應用于凱迪拉克。

通訊

如果車輛能夠共享信息，則可以獲得車載傳感器無法獲得的信息。舉個例子，車輛的傳感器可能無法“看到”前方有一輛被大貨車完全擋住的小橋車，但車輛通信技術(shù)則可將這個信息通報出來。車輛與基礎設施間的通信有助于提升交通運輸系統(tǒng)的安全性。這些信息無疑將成為自動駕駛汽車的法寶，但具體部署仍然面臨諸多質(zhì)疑和挑戰(zhàn)。

多年來，NHTSA和汽車制造商一直致力于開發(fā)專用短程通信(DSRC)技術(shù)標準，但目前仍沒有具體實施的消息。有觀點認為，除非強制執(zhí)行，否則廠商根本不會采用DSRC系統(tǒng)。目前，凱迪拉克已經(jīng)部署了V2V技術(shù)，但其他汽車廠商還并沒有動靜。

雖然監(jiān)管機構(gòu)還在反復思量有關(guān)安全性的各種問題，但汽車和手機供應商已經(jīng)開始設計基于5G網(wǎng)絡的V2X通信技術(shù)。5G通信的實現(xiàn)日期和實際性能仍不能確定，但只要成本可以降下來，則可能會成為大多數(shù)車型的選擇。5G技術(shù)可以解決V2X系統(tǒng)面臨的眾多挑戰(zhàn)，包括不需要實時通訊性能的路面黑冰通知等。

對于一些與自動駕駛汽車轉(zhuǎn)向或制動有關(guān)的警告，DSRC具備的低延遲優(yōu)勢非常關(guān)鍵。DSRC的性能已經(jīng)在大量車輛的公路測試中有所體現(xiàn)，因此一旦NHTSA或幾個主要支持機構(gòu)出面推進，DSRC通信技術(shù)將在乘用車和商用車中得到快速推廣。雖然一些5G支持者認為移動網(wǎng)絡完全可以取代DSRC技術(shù)，但更多人認為這兩者可能必須共同發(fā)揮作用。

意法半導體業(yè)務發(fā)展高級首席工程師RaedShatara表示：“業(yè)界應該呼吁協(xié)作，在不犧牲安全的情況下實現(xiàn)這兩種技術(shù)的共存。回顧過去，F(xiàn)M并沒有取代AM，HD也并沒有取代AM或FM，衛(wèi)星收音機不能取代AM、FM或HD?，F(xiàn)在，這些技術(shù)的身影還都存在于汽車中?！?/p>

無論借助哪種技術(shù)，汽車通信的成果將逐步成熟。要實現(xiàn)V2X通信的前提是車輛必須具備發(fā)送/接受消息的能力，而裝配V2X系統(tǒng)的車輛需要很長時間才能完全取代以前的汽車。此外，還必須說明的是，這些次級系統(tǒng)目前還很難驗證，車輛接收到消息到底是來自其他通過驗證的車輛，還是來自黑客，因而很多安全功能還無法提供。