隨著汽車自動駕駛、電動化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，汽車上的各種傳感器需求也越來越多，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)；從以前的倒車影像攝像頭，到做自動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輛前后部，到現(xiàn)在遍布整個汽車周圍，可以說，未來的汽車，本身就會是一個行走的大傳感器。

車燈與傳感器的集成

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

車燈與傳感器的集成

試駕的視頻刷屏全網(wǎng)。視頻中，車內(nèi)駕駛員對車輛進(jìn)行完全脫手脫腳的情況下，進(jìn)行了自動駕駛測試。即便是在兩側(cè)停滿各種車輛的擁擠道路上，車輛能自動預(yù)留出足夠通過的空間，躲避對象來車及非機(jī)動車和人物等，宛如一個嫻熟的司機(jī)。


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

1. 常用傳感器簡介

光線雨水傳感器：用傳感器發(fā)出的紅外光來分析擋風(fēng)玻璃的能見度和水滴的影響。
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UPA（輔助泊車超聲波傳感器）：近程超聲波傳感器通過發(fā)射超聲波并分析通過障礙物反射的信號，從而檢測車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)。它們用于輔助泊車系統(tǒng)已經(jīng)超過10年，是自動泊車功能的基礎(chǔ)之一。根據(jù)車輛的等級，您可以在一輛車周圍找到多達(dá)16個超聲波傳感器，它們通常位于保險杠或擋泥板上。
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可視攝像頭：根據(jù)不同功能要求可以使用不同類型的攝像頭；比如近景攝像頭用于輔助泊車，而遠(yuǎn)景攝像頭則用于車道檢測或行人檢測、限速識別、自動遠(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杠上、自動門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)榭梢杂糜旯蝸砬逑此鼈儯矣捎诎惭b高度的原因，它的遠(yuǎn)景范圍也會更好。
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毫米波雷達(dá)：目前主要用于盲點(diǎn)探測，有時也用于自動巡航控制，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>
車燈與傳感器的集成
激光雷達(dá)“光探測和測距”：是一種主動式遠(yuǎn)程傳感器，它用對人眼安全的脈沖紅外激光照射目標(biāo)，用傳感器測量反射脈沖，掃描距離、速度、角度和物體寬度。激光雷達(dá)測繪和精確檢測可與其他傳感器集成，能夠?qū)囕v周圍的環(huán)境進(jìn)行分析和預(yù)測，用于自動駕駛或主動安全系統(tǒng)，如自適應(yīng)巡航（ACC）、自動緊急制動（AEB）、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）等。

車燈與傳感器的集成

激光雷達(dá)也有兩種類型：機(jī)械旋轉(zhuǎn)式掃描激光雷達(dá)和無任何運(yùn)動部件的固態(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型傳感器，雖然這些傳感器還未實(shí)際車載使用，例如基于紅外光束的短距離探測器。從光學(xué)角度看，這些傳感器和激光雷達(dá)類似，只是使用不同的波長。我們還可以考慮未來車間通信（C2C）的可見光雷達(dá)，其光學(xué)性能和攝像頭相似。

2. 車燈集成傳感器的好處

（1）造型設(shè)計(jì)

如今，大多數(shù)傳感器在車上都是可見的。當(dāng)然一方面，現(xiàn)在的車廠也希望用這些傳感器，來給用戶傳達(dá)一種高端智能的感覺。但是隨著輔助泊車系統(tǒng)的普及，前視攝像頭的市場份額正在急劇增加，激光雷達(dá)也開始逐步量產(chǎn)。在不久的將來，傳感器將變得越來越平常，因此不一定需要安裝在車身可見處。相反，將它們集成到車燈系統(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很酷。

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

車燈與傳感器的集成

（2）產(chǎn)品功能和車型配置優(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，其探測范圍會隨著車身姿態(tài)角一起變動。從而在加載或加速/制動情況下還能保持其性能。這是集成遠(yuǎn)程傳感器的一個巨大優(yōu)勢。

同時通過適當(dāng)?shù)募煞桨?，甚至可以選擇裝或者不裝傳感器，以區(qū)別車輛的不同配置，而且無需對車輛外觀進(jìn)行任何更改，例如自動泊車或自適應(yīng)巡航ACC，從而簡化了車廠的工作，因?yàn)榇蠖鄶?shù)車型都會有好幾個配置的車燈版本，這種選擇方式正好適合多配置方案的車輛。而如果車廠考慮在前格柵或自動門把手中集成攝像頭，則需要帶或不帶攝像頭的兩個版本的產(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，則僅需對車燈進(jìn)行小改型，而不會對車輛的其他車身零部件進(jìn)行額外的改動。

（3）密封性

在目前的整車架構(gòu)中，車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。如果我們把車燈和傳感器集成在一個殼體內(nèi)，就可以減少設(shè)計(jì)、加工和制造殼體的數(shù)量。從這個角度來看，在車燈內(nèi)集成傳感器將顯著的節(jié)省成本。

（4）可靠性

在車燈和傳感器面臨的各種技術(shù)問題中，由于電氣連接不良或松動而導(dǎo)致的電氣故障是最嚴(yán)重的問題，這會直接帶來行車安全問題。因此工程師總會千方百計(jì)的減少產(chǎn)品中的連接器數(shù)量。顯然，集成正是迎合這個趨勢，當(dāng)然設(shè)計(jì)師也應(yīng)避免使用過于復(fù)雜的連接器。

（5）車廠的工業(yè)生產(chǎn)

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

3. 車燈集成傳感器的挑戰(zhàn)

（1）傳感器性能

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

此外，車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，以避免來回光束的變形或扭曲。同時，由于目前幾乎所有的傳感器外面已經(jīng)有了一個保護(hù)的玻璃透鏡，而這個玻璃透鏡同樣會吸收10%的光，如果集成在車燈內(nèi)，則可以去掉這個保護(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)如今的車燈造型越來越扁平化，車燈的開口尺寸越來越小。市面上已經(jīng)有了非常薄的薄透鏡模塊，當(dāng)前開發(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，可能會認(rèn)為減少了傳感器的安裝空間。當(dāng)然這種結(jié)論也沒有錯，但是我們同時也要看到，由于車燈的扁平化，車燈周圍的空間會相應(yīng)的增多，而且光學(xué)模組和驅(qū)動器的體積也將持續(xù)的變小，從而為傳感器騰出空間。同時，正在開發(fā)的微型化固態(tài)激光雷達(dá)也為集成提供了另外一個解決方案。

（3）熱效應(yīng)

由于傳感器也有功耗，會在車燈內(nèi)增加散熱，可能會降低其性能，或提前使遠(yuǎn)近光模組降級。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，可以占到車燈總功率的30%，并顯著提高車燈內(nèi)的溫度，相對來說，攝像頭和固態(tài)激光雷達(dá)的影響將很小。

溫度升高對車燈系統(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、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)的溫度可能會更高，有降低傳感器性能甚至超過其極限工作溫度的風(fēng)險。因此必須從一開始就把車燈當(dāng)成一個完整的系統(tǒng)來設(shè)計(jì)，而不僅僅是對零部件進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，傳感器和車燈的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間需要緊密合作，因?yàn)閭鞲衅饕彩且粋€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)險有2種，從傳感器到車燈零部件或者從車燈零部件到傳感器。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，同時增加電磁干擾屏障，以使車燈設(shè)計(jì)更加符合造型風(fēng)格。

（5）售后維修

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

4. 對電子系統(tǒng)架構(gòu)的影響

在前面的所有考慮因素之外，還有一個非常重要的因素是電子系統(tǒng)架構(gòu)。如今，車燈已不僅僅是一個零件，而是嵌入了大量的電子元器件，是整車復(fù)雜電子系統(tǒng)的一部分，同時接收來自不同系統(tǒng)的信息。這種情況隨著智能車燈的普及會越來越多，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燈內(nèi)，將使車燈在某些情況下成為一個獨(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始就集成設(shè)計(jì)，在一個大燈系統(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，對整個車身電子系統(tǒng)也有好處。

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

5. 總結(jié)

車燈與傳感器的集成

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，來對比分析各種傳感器集成的優(yōu)缺點(diǎn)。總的說來，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。而對于像機(jī)械激光雷達(dá)系統(tǒng)來說，集成對散熱的挑戰(zhàn)較大，但并非不可實(shí)現(xiàn)。而對于遠(yuǎn)景攝像頭和UPA，集成在車燈內(nèi)的意義不大。

車燈集成傳感器是自動駕駛趨勢的一種必然結(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)車上市。

——The End——

文章來源車燈研究院公眾號

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