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博客專欄

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智能座艙 | 法規加持,艙內傳感之雷達模塊和ToF攝像頭市場如何變化?

發布人:傳感器技術 時間:2024-04-02 來源:工程師 發布文章


隨著向電動汽車的轉變,最終用戶越來越不關心發動機馬力等傳統汽車參數,而是更加看重智能內飾功能。這一趨勢迫使主機廠不斷加大力度增強車內體驗,從而為其產品增加更大的價值,并將其與競爭者區分開來。


歐洲NCAP等法規的推出使駕駛員監控系統(DMS)獲得了青睞,正在從一種豪華功能變為一種新的規范。截至2024年初,由于成本相對較低,大多數DMS都使用2D近紅外(NIR)攝像頭,采用率預計將越來越高,成為DMS的主要賦能技術。


從主機廠競爭力角度看,為進一步實現差異化,手勢控制、兒童在場檢測(CPD)和安全帶檢測等先進功能也日漸應用,尤其是在中高端車型中。目前,3D飛行時間(ToF)攝像頭是DMS廣泛采用的技術,沃爾沃和特斯拉等正在將其集成于客艙雷達模塊。


IDTechEx從市場和技術的角度分析了艙內傳感的現狀,并給出了發展趨勢和機遇的指引。


有望增長11倍的巨大市場


艙內傳感即內部監控系統(IMS),包括DMS和乘客檢測系統(OMS)。前者采用NIR攝像頭、電容式/扭矩方向盤傳感器等;后者則采用ToF攝像頭和雷達等,主要用于眼動追蹤、腦電圖(EEG)/心電圖(ESG)等生命體征監測和手勢識別。


IMS功能劃分


其中的眼動追蹤傳感器基于以下幾種技術:機器視覺NIR攝像頭、激光掃描MEMS、基于事件的視覺和電容式傳感。


眼動追蹤傳感器類別


IDTechEx高級技術分析師Yulin Wang預計,到2034年,全球艙內傳感市場將超過85億美元,機會源于即將出臺的法規和創新智能座艙功能的推動,將使DMS和OMS的采用率呈上升趨勢。在監管授權推動下,預計DMS將被迅速和廣泛的采用。雖然OMS也在快速增長,但中期仍將主要應用于中高端車型中。艙內傳感的迅速崛起為硬件供應商(傳感器、芯片、Tier1等)及軟件解決方案供應商提供了巨大商機。


伴隨自動駕駛能力,特別是自動駕駛級別的不斷提高,以及歐洲NCAP和《歐盟通用安全條例》等地區法規即將實施,強制要求使用DMS,包括DMS和OMS的全球車內傳感市場預計將從2020年到2034年增長11倍。


相關法規日漸加強


根據《歐盟通用安全條例》,自2024年年中起,所有屬于M(客)類和N(貨)類的新造車輛都必須配備先進的駕駛員分心警告系統(ADDW),以監測駕駛員眼睛運動,并在檢測到分心跡象時發出警告。對此,幾家主機廠迅速做出了回應。早在2019年,寶馬X5就已搭載駕駛員注意力攝像頭,觀察其眼睛睜開和頭部位置,以評估駕駛員參與程度。


事實上,DMS并非是一個新概念,傳統DMS通常依賴從車輛收集信息的被動技術,如車道保持和駕駛持續時間及轉向傳感器,誤報率很高。而ADDW法規規定了向主動監測駕駛員眼球運動過渡,標志著從被動技術向基于視覺的主動技術轉變。


DMS傳感器套件從L1到L4的演變


除了歐洲,其他主要地區也有類似法規。例如,國際汽車制造商協會和美國汽車制造商聯盟都承諾到2025年建立標準化的后座提醒系統。中國交通運輸部也發布了《交通運輸部辦公廳關于推廣應用智能視頻監控報警技術的通知》,明確提出加強駕駛員安全的要求。


DMS和OMS詳解


DMS可實時監控和分析駕駛員,為計算機視覺算法提供數據。其主要目的是檢測疲勞、分心、嗜睡、憤怒或其他可能影響駕駛的情緒狀態,幫助系統采取適當措施來提高安全性。


評估駕駛員嗜睡或疲勞程度有幾種現成的方法:


一是頭部和視線追蹤:監測駕駛員的頭部位置和注意力水平,識別嗜睡、分心或傷病跡象,并提供警告,讓駕駛員注意力重新集中于道路。先進的系統還可以調整汽車設置,以匹配駕駛員的眼睛,增強舒適性和安全性。


二是面部分析:提取駕駛員面部的有價值信息,包括年齡、性別和情緒,并以各種方式提高安全性和舒適性,如檢測憤怒并進行相應干預,識別兒童存在以防止中暑事件,以及根據情緒個性化機艙設置。



三是人臉識別:只允許經驗證的個人訪問,降低汽車被盜風險;當經身份驗證的人進入車輛時,系統可以記住并恢復駕駛員偏好,自動調整座椅位置、后視鏡和娛樂選擇等設置。


DMS技術大致分為兩類:主動/直接監測和被動/間接監測。被動技術依賴車輛信息,如駕駛時長和車道保持等參數,以評估駕駛員疲勞程度,往往會出現更多誤報,不太適合DMS應用。隨著計算機視覺和人工智能(AI)技術的出現,以及需要眼動追蹤的高級駕駛員嗜睡警告(ADDW)的要求,近年來基于視覺的DMS等主動方法日益凸顯。它依賴安裝在轉向柱或A柱或其他位置的NIR攝像頭來檢測駕駛員生物特征,包括眼球運動、頭部運動、打哈欠、使用手機和吸煙,以評估其當前狀況。


被動/間接監測與主動/直接監測的區別


許多技術都可以實現DMS,如基于視覺的傳感器、基于生物特征的參數、電容傳感器、力和扭矩傳感器等。到目前為止,已經采用了基于視覺的傳感器、力/扭矩傳感器等方法,如方向盤旋轉、車道偏離和不規則加油門。例如本田駕駛員注意力監測平臺、捷豹路虎駕駛員狀態監測、梅賽德斯-奔馳注意力輔助、沃爾沃警報控制和大眾疲勞檢測。


目前的ADAS搭載了車道保持輔助(LKA)及離手檢測(HOD)功能,但傳統扭矩傳感器有很多問題,容易失效。為了解決這些問題,電容傳感是一種可行技術。它通過檢測駕駛員的手吸收的電荷與方向盤接觸時方向盤電容的變化來監測駕駛員對方向盤的抓握。這項技術只需一個連接方向盤內置傳感器的芯片。


電容傳感是一種成熟的技術,已在觸摸屏和觸摸傳感按鈕等中應用多年。由于其在座椅和方向盤中的潛力,截至2023年,一些試點項目和車輛使用了電容傳感器。


基于電容的傳感


OMS具有重要信號監測和手勢控制等先進功能,主要使用ToF攝像頭和/或雷達,例如理想L9的ToF攝像頭和沃爾沃EX90的雷達模塊。美國聯邦通信委員會(FCC)等法規要求在新車中安裝兒童在場檢測系統,OMS的應用將越來越多。


不同主機廠的傳感方法實例


主機廠搭載的車內傳感器


就OMS而言,系統需要依賴雷達、ToF傳感器等。通用汽車、日產等主機廠已將OMS集成到車輛中。NIR也為OMS提供了潛力,可以實現后座乘客監測等任務。這些系統還可以對車輛座艙進行實時調整,在發生事故時禁用較小乘客的安全氣囊或對車輛內部進行預調節。


相比之下,其他一些技術,如EEG和ESG監測仍處于形成階段。


截至2023年,DMS和OMS最常見的三種技術是NIR攝像頭、ToF攝像頭和雷達,每種傳感器都有優缺點。


每種傳感器的優缺點


是用雷達還是用攝像頭?


從客艙監控傳感器的分類可以看到當前主機廠采用的傳感器類型分布。截至2023年,38%主機廠使用NIR傳感器,33%使用3D ToF和2D NIR傳感器組合。并非主機廠所有的車型都搭載了這些傳感器,例如,沃爾沃EX90只在部分車型采用了車內雷達模塊。


主機廠采用的傳感器分布


2023年,DMS的主導技術仍然是2D NIR成像傳感器(如CCD傳感器等),并與LED照明和其他組件(透鏡、芯片等)結合。不過,對高級功能日益增長的需求,如占用檢測、增強安全功能(如兒童和寵物檢測)及手勢控制的集成,推動了對3D數據的需求。在OMS中收集3D信息的兩種有前途的傳感器是雷達和3D ToF攝像頭。


目前,ToF攝像頭和雷達模塊的市場份額相對均衡。IDTechEx預計,平衡將在未來持續下去,尚未確定其中一方具有重大技術或成本優勢。因此,這些傳感器的選擇通常取決于主機廠的偏好及當地法規。


先來看雷達,二十多年來,其在高級駕駛員輔助系統(ADAS)中發揮了重要作用。利用調頻連續波(FMCW)編碼系統的無線電波,雷達可以準確地測量視野內物體的距離和相對速度。不過,從歷史上看,雷達模塊主要用于外部,而不是車內應用。


現在奠定ADAS基礎功能的雷達技術已在客艙中使用,如手勢識別。有了額外的深度信息,雷達也將是DMS和OMS的理想選擇,可以提供座椅加熱開啟、安全帶警報檢測、智能安全氣囊展開、留守生命警告、自動空調系統等信息。


雷達可以測量亞毫米分辨率距離,通過測量身體微小運動(如呼吸)檢測是否有人占據座位,還具有檢測乘客生命體征的巨大潛力。


車內雷達的工作頻率范圍為60GHz至64GHz,屬于無許可證ISM頻段,探測距離通常在0.4米到2米,可有效覆蓋內部空間。特斯拉官方最近表示,其Cybertruck電動皮卡搭載了OMS雷達模塊,包括兒童在場檢測和安全帶提醒等功能。


與雷達模塊類似,3D ToF攝像頭也可用于OMS,利用LED或垂直腔表面****激光器(VSCEL)等NIR照明及圖像傳感器操作。盡管一些供應商聲稱可以通過模糊人臉或僅在車載存儲數據來解決這一問題,但隱私仍是攝像頭的問題。


盡管DMS和OMS有很大的重疊和相似之處,但兩者對IR LED和VCSEL的照明功率和分布角度要求有所不同。


DMS和OMS照明功率和分布角度


3D ToF攝像頭的另一個限制是,與艙內雷達模塊不同,無法通過阻隔物探測人或物體。此外,由于依賴計算機視覺技術,攝像頭需要復雜的算法和重新校準,給其實現帶來了復雜性。盡管如此,一些供應商仍在努力解決隱私問題,提高3D ToF攝像頭的OMS整體能力。


OMS技術比較


到目前為止,3D ToF攝像頭已在OMS中廣泛采用,并不比雷達模塊的功能遜色。不過,通過比較雷達模塊和3D ToF攝像頭的成本和功能,還是雷達模塊機會較大。目前理想L9、寶馬iX和新款極狐阿爾法S都使用3D ToF攝像頭,而特斯拉和沃爾沃預計將使用雷達模塊。


ToF攝像頭模塊成本估算


ToF傳感器分辨率至關重要。英飛凌和邁來芯等的ToF傳感器在DMS或OMS方面顯示出巨大潛力。與RGB成像的傳感器不同,ToF的成本高得多(艙內監測約為30美元),但3D ToF傳感器/攝像頭與傳統2D攝像頭相比更具優勢。


艙內傳感ToF傳感器比較


走向多元化融合


總體而言,艙內傳感技術的發展趨勢是多元化和融合化。不同的傳感器技術各有優劣,選擇哪種技術取決于具體的應用場景和需求。未來,隨著技術的不斷進步和市場的不斷擴大,我們有理由相信,艙內傳感技術將為我們帶來更智能、更安全的駕駛體驗。



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關鍵詞: 智能座艙

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