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    • 座舱监测系统:人机共驾时代的标配
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人机共驾时代,我们需要什么样的座舱监测系统?

2023/02/17
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据CDC统计,全美每天就有9个人死于分心驾驶。欧洲已经将驾驶员监测系统(DMS,Driver Monitoring System)列入了新车安全评估标准(Euro NCAP)的项目中,未来几年欧盟将在所有新车型中强制配置DMS。

在我国,已对“两客一危”等商用车车型安装DMS系统作出强制要求,乘用车搭载要求也在推进制定中。随着人机共驾时代到来,驾驶员监测系统(DMS)和乘客监测系统(OMS,Occupant Monitoring System)将成为新一代智能汽车的安全标配。

图1:全球DMS市场预测

(来源:FMI)

据Future Market Insights(FMI)预估,2022年全球驾驶员监测系统市场估值为 42.466亿美元,该市场将以7.5%的复合年增长率增长,到2032年达到87.709亿美元。

而来自亿欧智库的预测显示,2022年中国乘用车DMS市场规模达到了11.7亿元人民币,预计2025年的市场规模达到43.2亿元人民币,渗透率将达到30%。

图2:中国DMS市场增长前景

(来源:亿欧智库)

座舱监测系统:人机共驾时代的标配

最早的DMS来自丰田在2006年发布的GS450h车型,系统的工作原理较为简单,通过一个CCD摄像头对于驾驶员的面部进行红外追踪,从而判断其是否注意力集中。

而后随着视觉和雷达等传感技术的进一步成熟,DMS的监测方式更加多元化,加入了对于人体特征的生物检测技术,从而提高了驾驶员信息获取的准确性。与此同时,OMS相关的应用也随之逐渐兴起。

图3:ECAP发布2025路线图

(图源:ECAP)

当前DMS的主要功能包括疲劳检测、醉酒检测、分心检测和危险行为检测等,主要通过对于驾驶员的面部五官、人体体征和身体行为三个方面来进行检测。

面部五官的检测包括眨眼的频率、眼睛的开合度、打呵欠的频率、面部朝向等;体征的检测包括心率、脉搏和体温等;身体行为的检测则包括对于驾驶人的手、胳膊等行为进行判断。

图4:驾驶员监测系统

(来源:贸泽电子

OMS的技术原理与之类似,但被检测的主体变成了车内乘客,因此更为看重对乘客的隐私保护。OMS的方案中通常会采用3D ToF的方案来取代视觉传感器,同时配合毫米波雷达的体征检测功能,实现乘客的体征识别,从而进行个性化的座舱内场景设置。譬如检测儿童是否安坐在安全座椅上,儿童或宠物是否单独留在车内,乘客的情绪状态等等。

从系统角度来分析,不论是DMS还是OMS方案,主要的硬件组成包括摄像头模组、毫米波雷达、ToF传感器、DMS控制器、红外补光灯、座舱域控制器以及提示仪表等。在算法层面,则需要大算力芯片厂商提供算法参考和工具链。最终具有上下游整合能力的AI算法企业和硬件供应商一起合作,将软硬一体化的方案提供给主机厂。

图5:部分DMS方案供应商

(来源:ResearchInChina)

国内DMS发展:追求高功能和差异化

据亿欧智库统计,中国2021年新发布乘用车中,15~75万价位区间的智能座舱渗透率达到了50%左右。智能化座舱已经成为智能汽车发展的核心,主机厂也期望通过汽车座舱技术来寻求差异化和个性化的发展。当前在国产新势力电动车中,AR-HUD、多屏联动、拟人化人机交互和多模态交互等特色功能均在智能座舱中有所体现,其中DMS和OMS也是多模态交互的重要组成部分,起到了舱内感知和监测的关键作用。

图6:2021年中国乘用车智能座舱渗透率

(来源:亿欧智库)

国产造车新势力的代表“蔚小理”,在2022年全年交付量相继突破10万大关,三家代表厂商针对DMS也都有各自差异化的布局。

蔚来DMS通过车内摄像头采集图像信息,从而实现乘员状态信息识别;将DMS与辅助驾驶功能融合,当驾驶员连续驾驶超过300公里,自动关闭NIO Pilot功能。

小鹏的DMS特色在于驾驶员安全健康监测系统,能够进行心跳、呼吸、血氧饱和度等生物体征识别,对驾驶员的健康状态进行实时监测和提醒。

理想在最新的L9车型中,则提供了“主被动结合式”的监测。车内的3D ToF传感器,可以实时感知座舱内乘客的环境;方向盘后的信号摄像头可以分析驾驶员的头部轨迹、眼球轨迹和面部表情等,实现全方位的监测。除了三家代表厂商外,国内其它的电动车厂商也在DMS上纷纷发力,形成了差异化的竞争格局。

图7:中国部分车型DMS系统功能对比

(来源:亿欧智库)

如上图7所示,高功能化和全面化是主机厂对于DMS的一致追求,但在此要求的基础上,各家的监测方案有着不同的技术路径选择。

有的具备生命体征监测功能,有的则更强调图像算法的功力,在表情、动作和手势识别上进行AI赋能。不论是哪种技术实现方案,都是传感器提供了数据基础,在足够的数据基础上,则需要更高效的算法和强大的算力来实现准确的乘员状态判断。

中国智能汽车对于DMS方案高功能化的需求,促进了硬件厂商之间的紧密合作。各家高算力芯片厂商纷纷与传感器厂商展开合作,实现软件、硬件和算法整合,提供了完整的DMS方案,从而转变为了Tier X的全新供应商角色。

座舱监测的未来:融合整车架构,提供主动式服务

早期DMS主要是为了纠正驾驶员的不良驾驶习惯,随着辅助驾驶系统的普及,未来进入到L3的时代后,DMS将成为实现安全驾驶的关键。但座舱内监测的价值并不仅仅局限在驾驶层面,随着未来出行的场景升级,座舱监测系统将成为整个驾乘体验构成的关键。

据业内人士分享,DMS的技术发展有两大趋势:

未来DMS和OMS将会融合为一个完整的座舱监测系统(IMS),为座舱未来功能多样化提供技术基础;

车内外视觉与其他传感器数据融合,实现车内外的安全一体化。

图8:主机厂的DMS搭载进度

(来源:ResearchInChina)

传统车厂在进行DMS部署的时候,大多仍倾向于直接向DMS方案供应商购买高性价比的方案,直接装车,并未全盘考虑车辆整体的智能化体验和未来升级路线。

新势力车厂在进行DMS和OMS的开发时,则已经考虑到了未来的发展趋势,因此在整车的域控架构的设计层面,就已经将DMS和其它域控实现了功能上的联动;同时在硬件预埋上,也预留了足够的空间用于后续应用升级。

随着AI算法的升级,譬如情绪识别等复杂功能的识别准确度也会逐渐提高,智能化体验便有了可靠的技术基础。未来,IMS将会结合驾乘人员的体征信息和车外的道路环境信息,预判用户的意图,提供主动式的服务,打造更舒适的个性化驾乘空间。

图9:座舱监测系统

(来源:贸泽电子)

座舱监测系统的关键:传感器

整个座舱监测系统的功能构建,都基于前端传感器所捕获的数据,因此传感器器件的选择是关键。

虽然3D ToF、毫米波雷达等新技术也一同纳入到了座舱监测系统中,但图像传感器仍是整个系统的监测中心,起到了最为关键的信息采集作用。

在此我们为大家推荐两款适合车载应用的CMOS图像传感器,分别是来自ams OSRAM的Mira030和来自安森美(onsmei)的AR0140AT。

Mira系列成像传感器是ams OSRAM推出的0.3MP全局快门CMOS图像传感器,该系列产品拥有高量子效率,可搭配使用低功率发射器,即使在昏暗照明条件下也可以实现图像捕捉。Mira系列产品的尺寸极小,可在低功耗状态下运行;全局快门可同时曝光阵列的所有像素,从而捕捉快速运动的目标且不会失真。Mira030是该系列推出的新款产品,它的输出有效像素阵列为1080H × 1280V,并支持复杂的片上操作,例如高动态范围(HDR)模式、外部触发、水平或垂直镜像等。在全图像分辨率下,其最大帧速率为180fps。该器件在贸泽电子的料号为Mira030-1RM2WP。

图10:Mira030产品框图

(来源:ams OSRAM)

为了方便开发者实现快速评估,ams OSRAM还和英伟达合作提供了基于Mira030的JetCiS评估套件。该套件通过Mira030进行原始图像捕获,然后基于Linux的开放式开发平台,在 nVidia Jetson Nano 嵌入式系统上运行图像信息处理。通过一个图形用户界面,用户可以进行传感器配置和分析,譬如曝光控制、HDR、直方图和线轮廓等等。

图11:JetCis评估套件

(来源:ams OSRAM)

另一款推荐的图像传感器AR0140AT,这是一款1/4英寸,1.0Mp CMOS数字图像传感器,提供1280H x 800V有效像素阵列。该器件的特点是采用了安森美(onsemi)创新全局快门像素设计,适用于准确快速的移动场景捕捉。在低光度和亮度场景下也能产生清晰的无噪点图像,并且能够同时捕捉连续视频和单帧图像。AR040AT同样也包含了多种复杂的摄像功能,如自动曝光控制、行跳过模式、列跳过模式、像素装仓以及视频和单帧模式等。该器件在贸泽电子的推荐产品料号为AR0140AT3C00XUEA0-DPBR2。

图12:AR0140AT产品图

(来源:安森美)

要实现座舱监测,需要较好的光照条件,大功率的LED必不可少。而大功率LED的驱动,则可以选择同样来自安森美的NCV30161迟滞降压恒流驱动器,它是驾驶员监测系统等应用的理想选择。迟滞控制在负载瞬变和PWM调光期间提供良好的电源抑制和快速响应,专用PWM输入可实现宽范围的脉冲调光,高开关频率允许使用更小的外部组件,最大限度地减少空间和成本。该器件推荐的具体产品型号在贸泽电子的料号为NCV30161MNWTXG。

图13:NCV30161评估板

(来源:安森美)

DMS不能仅仅通过图像传感器采集到的数据来做出决策,更要结合多种不同的检测信息。例如通过方向盘的转动角度,结合当前路况,综合判断驾驶员的状态,所以位置传感器在DMS中也同样非常关键。

ams OSRAM推出的AS5116就是一款符合AEC-Q100车规标准的轴上磁性位置传感器,工作环境温度范围为-40°C至+150°C。该器件采用非接触式的方式,可在360°完整机械转动范围内进行精确角度测量。在旋转速度高达30,000rpm的情况下,整个360°转动中具有仅1°(最大值)的固有非线性度。在5V的工作电压下,输出噪声低至 2.47mVrms。这些特性使AS5116能够产生准确的测量输出。此外,采用8引脚SOIC封装的占板面积仅为4.9mm x 6.0mm,与早期的ams OSRAM位置传感器相比,更容易集成到汽车系统板布局中。该器件推荐的具体产品型号在贸泽电子的料号为AS5116-HSOM。

图14:AS5116产品框图

(来源:ams OSRAM)

结语

座舱监测系统已经迈过了技术成熟期,即将迎来应用搭载的高峰期,DMS将成为新的安全标准配置。

随着AI在座舱内的赋能,未来座舱监测系统也可以提供更多主动的预测服务,为驾乘者提供更舒适的乘坐体验。贸泽电子代理了诸多行业领先的汽车元器件厂商,提供与座舱监测应用相关的关键车规级器件,助力工程师实现更安全的座舱监测设计,带来更安全的未来驾乘体验。

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