自動(dòng)駕駛需要智能傳感器系統(tǒng)
發(fā)布時(shí)間:2020-07-01 來源:GREG LEBSACK 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域中,大部分科技媒體報(bào)道所談?wù)摰南到y(tǒng),對(duì)多數(shù)讀者來說,感覺就像科幻故事。我們?cè)x過有關(guān)激光雷達(dá)傳感器結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)及人工智能在道路上識(shí)別物體的報(bào)道。也曾深感敬畏地研究過一些奇特的傳感器陣列,它們結(jié)合了 GPS、地圖軟件,以及持續(xù)更新的交通路況系統(tǒng),從而為汽車提供導(dǎo)航。但我們卻很少聽過通常獨(dú)立執(zhí)行單項(xiàng)任務(wù),對(duì)自動(dòng)駕駛車輛同樣重要的智能傳感器系統(tǒng),例如壓力傳感器系統(tǒng)。
最初在車內(nèi)部署安全氣囊系統(tǒng)時(shí),氣囊通常只配備在駕駛座。汽車制造商很快決定同樣要保護(hù)其他乘客,因此在副駕駛座以及后座區(qū)域(某些情況下)安裝了安全氣囊。起初當(dāng)檢測(cè)到碰撞時(shí),安全氣囊總是全力的展開。雖然氣囊系統(tǒng)挽救了不少生命,但很快明顯發(fā)現(xiàn),如果坐在副駕駛座的小孩或嬰兒被牢牢限制于座位上,氣囊?guī)淼膫赡軙?huì)超過其提供的保護(hù)。因此,副駕駛座開始加入能手動(dòng)關(guān)閉氣囊的設(shè)計(jì)。但是,駕駛員可能會(huì)忘了做這個(gè)必要的動(dòng)作。而且一旦關(guān)上氣囊,當(dāng)乘客是成年人時(shí),駕駛員可能會(huì)忘了把氣囊打開。加入壓力傳感器系統(tǒng)。
在座椅上加入壓力傳感器系統(tǒng)后,整個(gè)氣囊系統(tǒng)通過監(jiān)控副駕駛座椅上的重量來判斷是否關(guān)閉系統(tǒng)。這樣的做法毋庸置疑,但是制造商很快發(fā)現(xiàn),對(duì)于不同的重量,他們需要使用不同的力道來展開安全氣囊。而且,座位上的重量來源可能只是一袋雜貨。下一步是在展開安全氣囊前先了解乘客的姿勢(shì)。例如,如果乘客向儀表板傾斜,則安全氣囊應(yīng)以較小的力道展開。有很多方法可以做到這一點(diǎn)。有些公司提供壓力傳感器織物,該織物可以墊在座椅上并判斷出乘客的姿勢(shì),甚至能分辨兒童座椅和真人。有些公司則提供能感應(yīng)乘坐壓力和乘坐位置的座位氣囊。有些公司提供結(jié)合紅外攝像機(jī)(因?yàn)楸仨氃诤诎抵泄ぷ鳎┑淖粋鞲衅?,能識(shí)別出身體的姿態(tài)。
隨著時(shí)間的推移,壓力傳感器系統(tǒng)的電子器件,被集成至含有處理器的 IC 中,成本和尺寸都獲得縮減。汽車公司現(xiàn)在可以提供一個(gè)連接到安全氣囊裝置的完整系統(tǒng)。雖然自動(dòng)駕駛汽車已不再需要駕駛座安全氣囊系統(tǒng),但無庸置疑的是,還是需要盡可能在撞車時(shí)為乘客提供保護(hù)。
了解智能傳感器系統(tǒng)
基本傳感器系統(tǒng)包含一個(gè)可從外部模擬世界收集數(shù)據(jù)的傳感設(shè)備。當(dāng)進(jìn)行完信號(hào)處理(例如放大、濾波或清除),會(huì)將生成的模擬數(shù)據(jù)發(fā)送到車內(nèi)的另一個(gè)系統(tǒng)。
智能傳感器系統(tǒng)增加了模數(shù)電路(A-D),可為運(yùn)行軟件的處理器提供信號(hào),以便分析信號(hào)并做出決策(圖 1)。有了處理器和軟件,該系統(tǒng)便實(shí)現(xiàn)了智能化。然后,數(shù)字信號(hào)通常會(huì)連接到車內(nèi)的汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其中傳感器數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)一步作為另一個(gè)系統(tǒng)的輸入。
圖 1:比較基本傳感器系統(tǒng)與智能傳感器系統(tǒng)。
以我們的智能安全氣囊為例,智能壓力傳感器系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)收集有關(guān)乘客的數(shù)據(jù),并使用嵌入式處理器上運(yùn)行的軟件對(duì)其進(jìn)行分析。如果由于乘客狀況的變化需要向安全氣囊系統(tǒng)發(fā)送新警報(bào),則智能傳感器系統(tǒng)會(huì)通過汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送該警報(bào)。安全氣囊系統(tǒng)會(huì)針對(duì)該警報(bào)打開或關(guān)閉安全氣囊,或者修改充氣設(shè)置來增加或減小安全氣囊展開力道。
最后,為汽車市場(chǎng)開發(fā)智能傳感器系統(tǒng)的各家公司通常會(huì)以定制 IC 為目標(biāo),進(jìn)而降低成本、尺寸和功耗。智能傳感器的典型特征是,傳感設(shè)備使用 MEMS 來實(shí)現(xiàn),而其余電路則是采用以 CMOS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的模擬/混合信號(hào) (AMS) 設(shè)計(jì)。
銜接多個(gè)領(lǐng)域
從小型團(tuán)隊(duì)到大型公司,設(shè)計(jì)人員通過開發(fā)定制 IC,將新穎的智能傳感器創(chuàng)意推向巿場(chǎng)。這些設(shè)計(jì)人員,正在重塑用以支持智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程,他們心中懷有新的期望。他們通常在小型團(tuán)隊(duì)工作,需要集成的設(shè)計(jì)流程,以便在盡可能減少開支的同時(shí)快速、輕松地開發(fā)可正常使用的器件。他們必須能夠開發(fā)適用系統(tǒng)驗(yàn)證的概念驗(yàn)證,才能利用汽車市場(chǎng)的巨大商機(jī)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要使用集成式設(shè)計(jì)流程快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品,從而快速開發(fā)出智能傳感器系統(tǒng)所需的全部部件,包括:傳感元件、模擬電路接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯和數(shù)字邏輯,而且所有部件的成本比傳統(tǒng) IC 和系統(tǒng)設(shè)計(jì)更低。
許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)紛紛采用 Tanner 的集成式 IC 設(shè)計(jì)和驗(yàn)證解決方案來創(chuàng)建智能傳感器系統(tǒng)。原因何在? 創(chuàng)建智能傳感器系統(tǒng)會(huì)涉及多個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,因此極具挑戰(zhàn)性。但是,在同一硅片(圖 2)上創(chuàng)建一個(gè)既有采用傳統(tǒng) CMOS IC 流程制作的電子器件,又有 MEMS 傳感器的系統(tǒng)似乎并不現(xiàn)實(shí)。實(shí)際上,許多此類系統(tǒng)會(huì)在單個(gè)封裝中集成多個(gè)芯片,將電子器件與 MEMS 設(shè)計(jì)分開。
圖 2:CMOS 版圖上的 MEMS 實(shí)例(來源:MEMSIC)。
Tanner AMS IC 設(shè)計(jì)流程(圖 3)支持單芯片或多芯片技術(shù),因而有助于成功實(shí)現(xiàn)器件的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。
圖 3:銜接了 AMS 和 MEMS 設(shè)計(jì)的自上而下 Tanner 設(shè)計(jì)流程。
在單個(gè)芯片上設(shè)計(jì)電子器件和 MEMS 涉及到如下有趣之處(參見圖 2):
• 電路圖可以包含 IC 和 MEMS 器件。IC 器件使用 SPICE 模型進(jìn)行建模,而 MEMS 器件則采用可直接在物理領(lǐng)域(如機(jī)械、靜電、流體和磁)建模的行為模型(圖 4)。
圖 4:電子器件和 MEMS 位于同一電路圖上。
• 為了支持初始 MEMS/IC 仿真,設(shè)計(jì)人員可以使用 System Model Builder 以及 SPICE 或 Verilog-A 中的解析方程來創(chuàng)建 MEMS 模型。結(jié)合 MEMS 仿真庫(kù),設(shè)計(jì)人員就可以在初始階段就對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期予以驗(yàn)證。
• 利用 MEMS PCell 庫(kù),設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。此外,Library Palette(圖 5)提供了許多 MEMS 器件的基本版圖生成器,您可以將其用作設(shè)計(jì)的初始模型。
圖 5:用于創(chuàng)建 MEMS 器件版圖的 Library Palette。
• 然后,設(shè)計(jì)人員可以生成一個(gè)三維幾何模型,以便進(jìn)行查看、虛擬原型開發(fā),以及導(dǎo)出到有限元分析 (FEA) 工具。
• Compact Model Builder 采用的是降階建模技術(shù),利用該工具,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù) FEA 結(jié)果創(chuàng)建行為模型,并將其用于最終系統(tǒng)級(jí)仿真中。
傳統(tǒng)上,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 MEMS 部分從創(chuàng)建 MEMS 器件的三維模型開始,然后在第三方 FEA 工具中分析其物理特性,直到獲得滿意的結(jié)果。但是,設(shè)計(jì)人員需要二維掩膜才能制造 MEMS 器件。他們?nèi)绾螐娜S模型中衍生出二維掩膜呢?他們遵循圖 6 所示的 Tanner 以版圖為導(dǎo)向的流程,由于三維實(shí)體模型是由版圖和工藝步驟結(jié)合生成的,因此在器件制造過程中的每一步都是可視的,從而降低出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。
圖 6:以版圖為導(dǎo)向的 MEMS 設(shè)計(jì)流程。
從 L-Edit 的二維掩膜版圖開始創(chuàng)建器件。然后,3D Solid Modeler 會(huì)利用這些版圖和一系列的三維制造工藝步驟,自動(dòng)生成器件的三維實(shí)體模型。導(dǎo)出該三維模型并使用您喜歡的 FEA 工具進(jìn)行三維分析,如發(fā)現(xiàn)任何問題,可以進(jìn)行迭代。對(duì)二維掩膜版圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?,然后重?fù)流程。通過這個(gè)以版圖為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)流程,設(shè)計(jì)人員可以將精力集中在一個(gè)可以工作的 MEMS 器件上,因?yàn)樗麄冎苯釉O(shè)計(jì)用于生產(chǎn)制造的版圖,而不是從三維模型進(jìn)行逆向工作。
增加價(jià)值
設(shè)計(jì)人員使用 Tanner 定制 IC 流程將 MEMS 傳感器集成到電子智能傳感器系統(tǒng)中。但諷刺的是,將整個(gè)系統(tǒng)置于 IC 上將卻導(dǎo)致價(jià)格降低。因此,團(tuán)隊(duì)正在尋找創(chuàng)造更高利潤(rùn)系統(tǒng)的方法。其中一種方法是傳感器融合:開發(fā)一個(gè)包含多個(gè)傳感器的系統(tǒng),從而創(chuàng)造具有更高價(jià)值的產(chǎn)品。
以我們的壓力傳感器系統(tǒng)為例,設(shè)計(jì)人員可使用陀螺儀傳感器將即將發(fā)生的翻車解決方案加入 IC 中,通過陀螺儀傳感器將訊號(hào)傳送至安全帶系統(tǒng),以便在發(fā)生事故時(shí)自動(dòng)收緊安全帶。此外,團(tuán)隊(duì)可以加入一個(gè)加速計(jì)傳感器,這有助于在不依賴乘客姿勢(shì)的條件下計(jì)算出安全氣囊展開力道。通過在系統(tǒng)中融合三種傳感器并加入軟件實(shí)現(xiàn)智能化,公司就能以更高的價(jià)格將這個(gè)多維度的解決方案提供給汽車制造商。
重點(diǎn)回顧
閱讀到有關(guān)自動(dòng)駕駛的奇特系統(tǒng)雖然令人感到興奮,但其實(shí)單一用途的智能傳感器系統(tǒng),才是真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。這些系統(tǒng)通常采用在業(yè)界使用多年的專用傳感器。創(chuàng)建智能傳感器系統(tǒng)會(huì)涉及多個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域(模擬、數(shù)字、MEMS 和潛在 RF),因此極具挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)紛紛采用 Tanner 的集成式 IC 設(shè)計(jì)和驗(yàn)證解決方案來創(chuàng)建智能傳感器系統(tǒng),因?yàn)樗且粋€(gè)可用于銜接這些設(shè)計(jì)領(lǐng)域的完整解決方案,從而
可以成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
推薦閱讀:
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)電離分?jǐn)?shù)與沉積通量,助力PVD/IPVD工藝與涂層質(zhì)量雙重提升
- ADC 總諧波失真
- 貿(mào)澤電子持續(xù)擴(kuò)充工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品陣容
- 更高精度、更低噪音 GMCC美芝電子膨脹閥以創(chuàng)新?lián)屨夹袠I(yè)“制高點(diǎn)”
- 本立租完成近億元估值Pre-A輪融資,打造AI賦能的租賃服務(wù)平臺(tái)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
電工電路
電機(jī)控制
電解電容
電纜連接器
電力電子
電力繼電器
電力線通信
電流保險(xiǎn)絲
電流表
電流傳感器
電流互感器
電路保護(hù)
電路圖
電路圖符號(hào)
電路圖知識(shí)
電腦OA
電腦電源
電腦自動(dòng)斷電
電能表接線
電容觸控屏
電容器
電容器單位
電容器公式
電聲器件
電位器
電位器接法
電壓表
電壓傳感器
電壓互感器
電源變壓器