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精密的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)聚焦于圖像傳感的功能性安全

發(fā)布時(shí)間:2018-10-10 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)正越來越精密,以至于全自動(dòng)駕駛的前景似乎不再遙不可及。ADAS的核心是圖像傳感器,由于它們的作用對(duì)被動(dòng)和主動(dòng)ADAS的整體效能都越來越重要,因此它們的功能性安全越來越重要和受到關(guān)注。
 
精密的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)聚焦于圖像傳感的功能性安全
 
先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)正越來越精密,以至于全自動(dòng)駕駛的前景似乎不再遙不可及。ADAS的核心是圖像傳感器,由于它們的作用對(duì)被動(dòng)和主動(dòng)ADAS的整體效能都越來越重要,因此它們的功能性安全越來越重要和受到關(guān)注。
 
ISO 26262車輛安全標(biāo)準(zhǔn)和汽車安全完整性等級(jí)(ASIL)概念的引入強(qiáng)調(diào)了對(duì)功能性安全的要求。
 
對(duì)于汽車設(shè)計(jì)人員來說,了解ASIL非常重要,它用于和與ADAS中的圖像傳感器有關(guān)。了解故障檢測(cè)技術(shù)、潛在故障的性質(zhì)及其對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的影響、故障的修正和累積對(duì)精密的ADAS整體功能性安全的影響也是至關(guān)重要的。
 
最新的ADAS系統(tǒng)包括多個(gè)圖像傳感器,能夠檢測(cè)和識(shí)別各類危險(xiǎn),包括行人、靜態(tài)物體和車輛。傳感器能夠根據(jù)危險(xiǎn)軌跡識(shí)別和通信是否需要采取任何避免行動(dòng)。所有這些基于機(jī)器視覺的系統(tǒng)都有一個(gè)共同點(diǎn),那就是傳感器的全部或部分故障可能會(huì)產(chǎn)生潛在的嚴(yán)重甚至危及生命的后果。
 
ASIL概覽
 
功能安全或ASIL是專為車輛制定的一種基于標(biāo)準(zhǔn)的安全制度/標(biāo)準(zhǔn),它起源于ISO 61508,這是一種全面的工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn),但目前正在作為一個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)(ISO 26262)發(fā)展,以跟上特定的汽車需求和迅速發(fā)展的汽車技術(shù)。
 
ISO 26262涵蓋安裝在“成批生產(chǎn)乘用車”中的電氣和電子系統(tǒng),雖然許多標(biāo)準(zhǔn)只是對(duì)進(jìn)行認(rèn)證的產(chǎn)品必須滿足的一系列測(cè)試和條件強(qiáng)制要求,但I(xiàn)SO 26262是一個(gè)基于風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。這意味著它界定了一個(gè)流程,評(píng)估危險(xiǎn)情況風(fēng)險(xiǎn)和確定并實(shí)施安全措施以控制系統(tǒng)故障。該方法還希望檢測(cè)和控制隨機(jī)故障,或至少盡可能減輕其影響。
 
圖像傳感故障類型
 
典型的圖像傳感器是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的子系統(tǒng),包含一系列光敏元件,將入射光轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。然后將這些信號(hào)數(shù)字化,使它們能夠被存儲(chǔ)、處理和傳送到ADAS系統(tǒng),以便進(jìn)一步分析,例如障礙識(shí)別。
 
精密的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)聚焦于圖像傳感的功能性安全
圖1:典型的圖像傳感器框圖
 
在功能性安全領(lǐng)域,“不安全的故障”是可能導(dǎo)致ADAS系統(tǒng)做出錯(cuò)誤決策的原因。這可能涉及從完整的傳感器故障到傳感器的單個(gè)像素、行或列故障,或模擬/數(shù)字電路中的問題。典型的故障可能包括“卡住”像素、電噪聲效應(yīng)、缺失行、缺失列、移位像素、傳輸錯(cuò)誤或色偏。
 
精密的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)聚焦于圖像傳感的功能性安全
Scene:場(chǎng)景

Reference Image:參考圖象

“Fault”Image:“故障”圖像
 
圖2:模擬電路中的一個(gè)故障示例
 
隨著目標(biāo)檢測(cè)算法越來越精密,常常檢測(cè)到小至10×10的像素,較小的故障能“誤導(dǎo)”ADAS系統(tǒng)。事實(shí)上,故障檢測(cè)是個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn),部分原因是模擬和數(shù)字領(lǐng)域的故障性質(zhì)和類型不同,也是由于現(xiàn)代傳感器像素?cái)?shù)高。
 
故障檢測(cè)
 
檢測(cè)故障的方法幾乎和故障類型一樣多。例如,主機(jī)處理器可以相對(duì)容易地檢測(cè)出卡住的像素、行或列,但隨著傳感器像素?cái)?shù)的增加,將變得耗時(shí)和耗資源。通過使用內(nèi)置錯(cuò)誤檢查的發(fā)射器和接收器,可以檢測(cè)-甚至糾正-傳輸錯(cuò)誤。該方案不會(huì)對(duì)系統(tǒng)處理器施加負(fù)載,但會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的成本。
 
使用ADAS系統(tǒng)處理器檢測(cè)故障有很多缺點(diǎn)。首先,有大量的細(xì)微故障類型無法在系統(tǒng)級(jí)檢測(cè)到,包括色偏或基于噪聲的問題。另一個(gè)缺點(diǎn)是系統(tǒng)級(jí)故障檢測(cè)的成本;考慮到潛在故障類型的數(shù)量以及需要檢查的像素、行和列的數(shù)量之大,需要非常高性能的CPU、GPU和存儲(chǔ)器。即使費(fèi)用可以接受,增加的復(fù)雜性也會(huì)影響整個(gè)ADAS系統(tǒng)的有效性、響應(yīng)和能效。
 
這導(dǎo)致了系統(tǒng)級(jí)故障檢測(cè)中最令人關(guān)注的方面-運(yùn)行所有算法所需的時(shí)間。當(dāng)處理器正在計(jì)算數(shù)字時(shí),車輛可能會(huì)迅速接近障礙物,或者行人,可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。
 
基于傳感器的故障檢測(cè)
 
現(xiàn)代圖像傳感器包括許多集成的測(cè)試功能,例如執(zhí)行循環(huán)冗余檢查(CRC)的能力以檢測(cè)傳輸中的故障,或在計(jì)數(shù)幀、行或像素時(shí)執(zhí)行更多計(jì)數(shù)的能力,從而確保發(fā)送了正確的幀。
 
當(dāng)功能性安全系統(tǒng)被內(nèi)置到傳感器中時(shí),系統(tǒng)的作用被簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單地檢查狀態(tài)指示位或寄存器,這些狀態(tài)指示位或寄存器立即指示故障,而幾乎沒有消耗系統(tǒng)資源。這也意味著不再需要高性能的CPU、GPU和存儲(chǔ)器,從而降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。
 
低延遲ADAS系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是故障檢測(cè)時(shí)間間隔(FTDI),它是ADAS系統(tǒng)檢測(cè)故障所需時(shí)間的度量,而容錯(cuò)時(shí)間間隔(FTTI)是系統(tǒng)響應(yīng)所需的時(shí)間,使系統(tǒng)恢復(fù)到安全狀態(tài)。
 
精密的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)聚焦于圖像傳感的功能性安全
Fault:故障

Fault Detected:檢測(cè)到故障

Potential Hazardous Event:潛在的危險(xiǎn)事件

State:狀態(tài)

Normal Operation:正常運(yùn)行

Sensor Frame Time:傳感器幀時(shí)間

System Detection Time:系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間

Safe State:安全狀態(tài)

Time:時(shí)間

Normal Operation,Late Detection (System-based fault detection):正常運(yùn)行,延遲檢測(cè)(基于系統(tǒng)的故障檢測(cè))

Enhanced Operation,Early Detection(Sensor-based fault detection):增強(qiáng)的運(yùn)行,早期檢測(cè)(基于傳感器的故障檢測(cè))
 
圖3:系統(tǒng)檢測(cè)FDTI(頂)對(duì)比傳感器檢測(cè)FDTI(底)
 
如圖3所示,當(dāng)將故障檢測(cè)內(nèi)置到傳感器中時(shí),檢測(cè)時(shí)間會(huì)大大縮短,從而使系統(tǒng)有更多的時(shí)間在危險(xiǎn)事件可能發(fā)生之前恢復(fù)到安全狀態(tài)。
 
一款現(xiàn)代圖像傳感器:AR0233AT
 
最新的圖像傳感器之一是安森美半導(dǎo)體的AR0233AT。該260萬像素1/2.5英寸 的器件是專為包括ADAS系統(tǒng)在內(nèi)的許多汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。
 
該背照式(BSI)技術(shù)采用3.0微米像素,提供出色的微光性能,單次曝光超過95分貝(dB)。片上高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)提高微光性能至超過140 dB,或抑制LED閃爍的120 dB。
 
安全性是該傳感器的核心,該器件符合ISO 26262 ASIL-B標(biāo)準(zhǔn)和AEC-Q100 Grade 2。具有超過8000個(gè)注入故障的一個(gè)完整的安全封裝,可供設(shè)計(jì)人員使用。
 
總結(jié)
 
隨著ADAS系統(tǒng)日益普及并在車輛設(shè)計(jì)中更多的影響決策和用以避免危險(xiǎn),我們?cè)絹碓揭蕾囉谒鼈?。因此,它們現(xiàn)在歸入ISO 26262的范疇。ISO 26262是針對(duì)乘用車的功能性安全標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)要求采用“自始至終”的方法來識(shí)別危險(xiǎn),盡可能減輕它們的影響。
 
鑒于圖像傳感器的復(fù)雜性,以及越來越多的像素需要檢查,加上大量可能的故障情況,將檢查工作交給ADAS系統(tǒng)不大可能取得成功,反而肯定增加成本。
 
因此,用于ADAS系統(tǒng)的最新圖像傳感器采用了自我檢測(cè)技術(shù),這不僅加快了故障檢測(cè)流程,還意味著所有ADAS系統(tǒng)的處理能力都可用來做出避免危險(xiǎn)的正確決策,從而使我們的道路更加安全。
 
 
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