隨著汽車(chē)自動(dòng)駕駛、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，汽車(chē)上的各種傳感器需求也越來(lái)越多，從最早的超聲波雷達(dá)，到現(xiàn)在的毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)；從以前的倒車(chē)影像攝像頭，到做自動(dòng)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(chē)輛前后部，到現(xiàn)在遍布整個(gè)汽車(chē)周?chē)?，可以說(shuō)，未來(lái)的汽車(chē)，本身就會(huì)是一個(gè)行走的大傳感器。

車(chē)燈與傳感器的集成

最好的例證如2021上海車(chē)展期間，華為和ARCFOX極狐發(fā)布的聯(lián)名款新車(chē)—極狐阿爾法S 華為HI版，該車(chē)就搭載有3顆96線車(chē)規(guī)級(jí)激光雷達(dá)，6個(gè)毫米波雷達(dá)，12個(gè)攝像頭，13個(gè)超聲波雷達(dá)，同時(shí)擁有算力可達(dá)400Tops的華為自研芯片，據(jù)稱可達(dá)到L3/L4階自動(dòng)駕駛水平。

車(chē)燈與傳感器的集成

試駕的視頻刷屏全網(wǎng)。視頻中，車(chē)內(nèi)駕駛員對(duì)車(chē)輛進(jìn)行完全脫手脫腳的情況下，進(jìn)行了自動(dòng)駕駛測(cè)試。即便是在兩側(cè)停滿各種車(chē)輛的擁擠道路上，車(chē)輛能自動(dòng)預(yù)留出足夠通過(guò)的空間，躲避對(duì)象來(lái)車(chē)及非機(jī)動(dòng)車(chē)和人物等，宛如一個(gè)嫻熟的司機(jī)。


因此可以看出，隨著自動(dòng)駕駛的不斷發(fā)展，需要車(chē)輛能夠即時(shí)自動(dòng)檢測(cè)其外部環(huán)境，因此對(duì)不同類(lèi)型傳感器的需求越來(lái)越多。起初，這些傳感器是為某些特定功能而設(shè)計(jì)的，分布于車(chē)身四周并獨(dú)立工作。但隨著傳感器越來(lái)越多，傳感器之間的相互集成或者傳感器和車(chē)燈之間的集成將非常有意義。

1. 常用傳感器簡(jiǎn)介

光線雨水傳感器：用傳感器發(fā)出的紅外光來(lái)分析擋風(fēng)玻璃的能見(jiàn)度和水滴的影響。
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UPA（輔助泊車(chē)超聲波傳感器）：近程超聲波傳感器通過(guò)發(fā)射超聲波并分析通過(guò)障礙物反射的信號(hào)，從而檢測(cè)車(chē)輛前后與障礙物之間的距離，并將數(shù)據(jù)傳輸至處理器進(jìn)行計(jì)算處理，在顯示器上顯示相應(yīng)的圖像或數(shù)據(jù)，或者由報(bào)警器發(fā)出警報(bào)。它們用于輔助泊車(chē)系統(tǒng)已經(jīng)超過(guò)10年，是自動(dòng)泊車(chē)功能的基礎(chǔ)之一。根據(jù)車(chē)輛的等級(jí)，您可以在一輛車(chē)周?chē)业蕉噙_(dá)16個(gè)超聲波傳感器，它們通常位于保險(xiǎn)杠或擋泥板上。
車(chē)燈與傳感器的集成
可視攝像頭：根據(jù)不同功能要求可以使用不同類(lèi)型的攝像頭；比如近景攝像頭用于輔助泊車(chē)，而遠(yuǎn)景攝像頭則用于車(chē)道檢測(cè)或行人檢測(cè)、限速識(shí)別、自動(dòng)遠(yuǎn)光甚至ADB遠(yuǎn)光燈。根據(jù)其功能不同，可視攝像頭通常裝在前后保險(xiǎn)杠上、自動(dòng)門(mén)把手后或前格柵附近，以進(jìn)行短距離攝像。如果需要遠(yuǎn)程攝像，則前擋風(fēng)玻璃后面是最佳位置，因?yàn)榭梢杂糜旯蝸?lái)清洗它們，而且由于安裝高度的原因，它的遠(yuǎn)景范圍也會(huì)更好。
車(chē)燈與傳感器的集成
毫米波雷達(dá)：目前主要用于盲點(diǎn)探測(cè)，有時(shí)也用于自動(dòng)巡航控制，根據(jù)不同的解決方案，它們的工作頻率從20到100千兆赫，盲點(diǎn)的范圍通常為30米，自適應(yīng)巡航控制ACC為200米。盲點(diǎn)的當(dāng)前安裝位置一般在翼子板上，允許適當(dāng)?shù)目梢暯嵌取?/section>
車(chē)燈與傳感器的集成
激光雷達(dá)“光探測(cè)和測(cè)距”：是一種主動(dòng)式遠(yuǎn)程傳感器，它用對(duì)人眼安全的脈沖紅外激光照射目標(biāo)，用傳感器測(cè)量反射脈沖，掃描距離、速度、角度和物體寬度。激光雷達(dá)測(cè)繪和精確檢測(cè)可與其他傳感器集成，能夠?qū)?chē)輛周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，用于自動(dòng)駕駛或主動(dòng)安全系統(tǒng)，如自適應(yīng)巡航（ACC）、自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）等。

車(chē)燈與傳感器的集成

激光雷達(dá)也有兩種類(lèi)型：機(jī)械旋轉(zhuǎn)式掃描激光雷達(dá)和無(wú)任何運(yùn)動(dòng)部件的固態(tài)激光雷達(dá)（SSL）。兩者的性能有所不同，由于機(jī)械掃描激光雷達(dá)通常會(huì)掃描200米以內(nèi)，150°的水平視角范圍（FoV），而固態(tài)激光雷達(dá)SSL的檢測(cè)距離更短，水平視角范圍只有機(jī)械掃描激光雷達(dá)FOV的一半。
車(chē)燈與傳感器的集成
圖例：機(jī)械激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)示例

當(dāng)然我們還可以添加其他類(lèi)型傳感器，雖然這些傳感器還未實(shí)際車(chē)載使用，例如基于紅外光束的短距離探測(cè)器。從光學(xué)角度看，這些傳感器和激光雷達(dá)類(lèi)似，只是使用不同的波長(zhǎng)。我們還可以考慮未來(lái)車(chē)間通信（C2C）的可見(jiàn)光雷達(dá)，其光學(xué)性能和攝像頭相似。

2. 車(chē)燈集成傳感器的好處

（1）造型設(shè)計(jì)

如今，大多數(shù)傳感器在車(chē)上都是可見(jiàn)的。當(dāng)然一方面，現(xiàn)在的車(chē)廠也希望用這些傳感器，來(lái)給用戶傳達(dá)一種高端智能的感覺(jué)。但是隨著輔助泊車(chē)系統(tǒng)的普及，前視攝像頭的市場(chǎng)份額正在急劇增加，激光雷達(dá)也開(kāi)始逐步量產(chǎn)。在不久的將來(lái)，傳感器將變得越來(lái)越平常，因此不一定需要安裝在車(chē)身可見(jiàn)處。相反，將它們集成到車(chē)燈系統(tǒng)中，成為造型的一部分將非常有意義?？梢园阉鼈冄b在單獨(dú)的透鏡模組中，甚至隱藏在前燈飾圈后將會(huì)很酷。

由于車(chē)燈中使用的材料大多是熱塑性材料，雷達(dá)作為一種不可見(jiàn)光傳感器，在車(chē)燈設(shè)計(jì)中，是很容易地集成的。例如下圖馬瑞利展示的車(chē)燈集成展示樣件。

車(chē)燈與傳感器的集成

（2）產(chǎn)品功能和車(chē)型配置優(yōu)化

此外，當(dāng)傳感器、激光雷達(dá)或攝像頭安裝在遠(yuǎn)近光支架上時(shí)，其探測(cè)范圍會(huì)隨著車(chē)身姿態(tài)角一起變動(dòng)。從而在加載或加速/制動(dòng)情況下還能保持其性能。這是集成遠(yuǎn)程傳感器的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)募煞桨?，甚至可以選擇裝或者不裝傳感器，以區(qū)別車(chē)輛的不同配置，而且無(wú)需對(duì)車(chē)輛外觀進(jìn)行任何更改，例如自動(dòng)泊車(chē)或自適應(yīng)巡航ACC，從而簡(jiǎn)化了車(chē)廠的工作，因?yàn)榇蠖鄶?shù)車(chē)型都會(huì)有好幾個(gè)配置的車(chē)燈版本，這種選擇方式正好適合多配置方案的車(chē)輛。而如果車(chē)廠考慮在前格柵或自動(dòng)門(mén)把手中集成攝像頭，則需要帶或不帶攝像頭的兩個(gè)版本的產(chǎn)品，從而增加了復(fù)雜性。

同樣，如果在生命周期內(nèi)有版本變動(dòng)，則僅需對(duì)車(chē)燈進(jìn)行小改型，而不會(huì)對(duì)車(chē)輛的其他車(chē)身零部件進(jìn)行額外的改動(dòng)。

（3）密封性

在目前的整車(chē)架構(gòu)中，車(chē)燈和傳感器是分別安裝的，因此都必須進(jìn)行獨(dú)立的密封設(shè)計(jì)，使其防水、耐高壓清洗和其他化學(xué)藥品，同時(shí)要有通風(fēng)系統(tǒng)使熱量和水汽能夠散發(fā)出去。如果我們把車(chē)燈和傳感器集成在一個(gè)殼體內(nèi)，就可以減少設(shè)計(jì)、加工和制造殼體的數(shù)量。從這個(gè)角度來(lái)看，在車(chē)燈內(nèi)集成傳感器將顯著的節(jié)省成本。

（4）可靠性

在車(chē)燈和傳感器面臨的各種技術(shù)問(wèn)題中，由于電氣連接不良或松動(dòng)而導(dǎo)致的電氣故障是最嚴(yán)重的問(wèn)題，這會(huì)直接帶來(lái)行車(chē)安全問(wèn)題。因此工程師總會(huì)千方百計(jì)的減少產(chǎn)品中的連接器數(shù)量。顯然，集成正是迎合這個(gè)趨勢(shì)，當(dāng)然設(shè)計(jì)師也應(yīng)避免使用過(guò)于復(fù)雜的連接器。

（5）車(chē)廠的工業(yè)生產(chǎn)

車(chē)燈集成傳感器之后，由于車(chē)燈和傳感器共用一個(gè)連接器，因此減化了車(chē)廠裝配線上的操作。更加有利的是，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)殼體安裝在車(chē)身上，減少了打螺釘?shù)拇螖?shù)，以及每次安裝調(diào)整車(chē)燈和傳感器的時(shí)間。

3. 車(chē)燈集成傳感器的挑戰(zhàn)

（1）傳感器性能

傳感器集成到車(chē)燈里，相當(dāng)于在傳感器前面多加了一個(gè)車(chē)燈的透明面罩，而透明面罩會(huì)降低傳感器的性能。一般車(chē)燈PC透鏡的穿透率為90%，攝像機(jī)的性能也會(huì)同比例的降低；而對(duì)于激光雷達(dá)系統(tǒng)，它取決于被探測(cè)物體的反射率。對(duì)于一般的行人來(lái)說(shuō)，反射率為6.3%左右，反射信號(hào)的衰減可以忽略不計(jì)。

此外，車(chē)燈透明面罩的形狀也可根據(jù)傳感器不同而進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以避免來(lái)回光束的變形或扭曲。同時(shí)，由于目前幾乎所有的傳感器外面已經(jīng)有了一個(gè)保護(hù)的玻璃透鏡，而這個(gè)玻璃透鏡同樣會(huì)吸收10%的光，如果集成在車(chē)燈內(nèi)，則可以去掉這個(gè)保護(hù)玻璃透鏡，將大大減少光傳輸?shù)挠绊憽?/section>

當(dāng)然傳感器有可能受到其它車(chē)燈光學(xué)模塊發(fā)出的光的影響。因此必須進(jìn)行全局光學(xué)優(yōu)化，考慮不同元器件的特性，比如光學(xué)模組、擋板、外面罩、傳感器等等。

（2）安裝空間

現(xiàn)如今的車(chē)燈造型越來(lái)越扁平化，車(chē)燈的開(kāi)口尺寸越來(lái)越小。市面上已經(jīng)有了非常薄的薄透鏡模塊，當(dāng)前開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)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(lèi)型的光導(dǎo)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(huì)認(rèn)為減少了傳感器的安裝空間。當(dāng)然這種結(jié)論也沒(méi)有錯(cuò)，但是我們同時(shí)也要看到，由于車(chē)燈的扁平化，車(chē)燈周?chē)目臻g會(huì)相應(yīng)的增多，而且光學(xué)模組和驅(qū)動(dòng)器的體積也將持續(xù)的變小，從而為傳感器騰出空間。同時(shí)，正在開(kāi)發(fā)的微型化固態(tài)激光雷達(dá)也為集成提供了另外一個(gè)解決方案。

（3）熱效應(yīng)

由于傳感器也有功耗，會(huì)在車(chē)燈內(nèi)增加散熱，可能會(huì)降低其性能，或提前使遠(yuǎn)近光模組降級(jí)。攝像頭的功耗一般為3瓦，機(jī)械激光雷達(dá)為7-15瓦，固態(tài)激光雷達(dá)為2-4瓦。因此，機(jī)械激光雷達(dá)的影響最大，可以占到車(chē)燈總功率的30%，并顯著提高車(chē)燈內(nèi)的溫度，相對(duì)來(lái)說(shuō)，攝像頭和固態(tài)激光雷達(dá)的影響將很小。

溫度升高對(duì)車(chē)燈系統(tǒng)的不同零部件和傳感器都有影響，比如遠(yuǎn)近光模組、PCB板、驅(qū)動(dòng)、電機(jī)等。如果不進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，也不進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)，則前大燈內(nèi)的溫度可能會(huì)更高，有降低傳感器性能甚至超過(guò)其極限工作溫度的風(fēng)險(xiǎn)。因此必須從一開(kāi)始就把車(chē)燈當(dāng)成一個(gè)完整的系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)，而不僅僅是對(duì)零部件進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，傳感器和車(chē)燈的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間需要緊密合作，因?yàn)閭鞲衅饕彩且粋€(gè)熱源，需要集成進(jìn)行散熱冷凝的仿真模擬。

（4）電磁干擾效應(yīng)

由于熱效應(yīng)的影響，電磁干擾增加的風(fēng)險(xiǎn)有2種，從傳感器到車(chē)燈零部件或者從車(chē)燈零部件到傳感器。因此在項(xiàng)目的早期階段必須進(jìn)行緊密合作，以分析所有約束條件，優(yōu)化電路布局，同時(shí)增加電磁干擾屏障，以使車(chē)燈設(shè)計(jì)更加符合造型風(fēng)格。

（5）售后維修

還有一個(gè)更加重要的問(wèn)題需要考慮，即發(fā)生交通事故時(shí)車(chē)燈更換的復(fù)雜性和成本。當(dāng)然大家都不希望增加更換車(chē)燈時(shí)的成本，可以提前設(shè)想的一個(gè)解決方案是，設(shè)計(jì)一個(gè)打開(kāi)燈殼后蓋取出傳感器或者在車(chē)燈內(nèi)設(shè)置一個(gè)“可維修區(qū)域”，當(dāng)然這種方案會(huì)使更換變得復(fù)雜，而且每次都需要對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)。

4. 對(duì)電子系統(tǒng)架構(gòu)的影響

在前面的所有考慮因素之外，還有一個(gè)非常重要的因素是電子系統(tǒng)架構(gòu)。如今，車(chē)燈已不僅僅是一個(gè)零件，而是嵌入了大量的電子元器件，是整車(chē)復(fù)雜電子系統(tǒng)的一部分，同時(shí)接收來(lái)自不同系統(tǒng)的信息。這種情況隨著智能車(chē)燈的普及會(huì)越來(lái)越多，比如數(shù)字前大燈和顯示屏后尾燈。如果再將傳感器集成在車(chē)燈內(nèi)，將使車(chē)燈在某些情況下成為一個(gè)獨(dú)立的自主智能系統(tǒng)，給駕駛員提供更多智能的支持。而且由于所有部件從一開(kāi)始就集成設(shè)計(jì)，在一個(gè)大燈系統(tǒng)內(nèi)，使用共同的電子架構(gòu)，因此電子系統(tǒng)可靠性更高，成本更低，對(duì)整個(gè)車(chē)身電子系統(tǒng)也有好處。

車(chē)燈與傳感器的集成
   圖例: 智能車(chē)燈電子系統(tǒng)架構(gòu)

5. 總結(jié)

車(chē)燈與傳感器的集成

現(xiàn)在我們把所有傳感器的內(nèi)容歸納一下，總結(jié)在上面的表中，來(lái)對(duì)比分析各種傳感器集成的優(yōu)缺點(diǎn)?？偟恼f(shuō)來(lái)，最方便集成的是固態(tài)激光雷達(dá)SSL，集成后大多數(shù)的雷達(dá)性能都能得到提升。近景攝像頭集成也大有好處，當(dāng)然取決于所需的水平視角。而對(duì)于像機(jī)械激光雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，集成對(duì)散熱的挑戰(zhàn)較大，但并非不可實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于遠(yuǎn)景攝像頭和UPA，集成在車(chē)燈內(nèi)的意義不大。

車(chē)燈集成傳感器是自動(dòng)駕駛趨勢(shì)的一種必然結(jié)果，各家燈廠相關(guān)研究都在緊鑼密鼓的進(jìn)行中，相信很快就能看到實(shí)車(chē)上市。

——The End——

文章來(lái)源車(chē)燈研究院公眾號(hào)

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2021智能車(chē)燈創(chuàng)新技術(shù)及供應(yīng)鏈高峰論壇
 2021年11月18日
江蘇 常州

暫定議題 :

序號(hào)
演講議題
產(chǎn)業(yè)鏈
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