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通过先进的红外传感器技术提高汽车的安全性


作者:迈来芯公司Luc Buydens    时间:2013/10/28 10:32:50  来源:   

        在当代汽车中,占用分类系统(OCS)的实施已成为安全功能中一个越来越标准的配置。在碰撞发生时,OCS可确保安全气囊以最有效的方式打开,以保护乘客并避免受到伤害 。它是通过使用某种形式的传感器技术来确定乘员的身高和体型。本文将讨论下一代OCS技术的进展如何在更大程度上保护乘客的安全。

        这里先介绍一下OCS系统的基本结构。传感器系统将首先确认是否有乘客占用座位,并对乘客的物理特性进行评估。随后,此信息被传送到电子控制单元(ECU)以便决定做出何种反应,从而使气囊以全速或以较慢的速度触发。早期的OCS系统往往采用合理的基本传感机制,包括嵌入在座位框架内部的压力传感器,它可以用于测量乘员的体重并由此推导出一个粗略的身高数据。与通过安全带的张力来进行估算等其他方法类似,这种方法也有不准确之处。首先,体重和身高之间的相关性并不是可以准确地确定。上述方法也没有考虑到一些其他可能性,例如座位上放的是装物品的盒子,而不是占用座椅的乘客,因为这种技术不能确认在座位上是一个乘客还是其他没有生命的物品。此外,在座位框架内部集成传感器也非常昂贵,特别是如果需要维修或更换时更是如此。

        随着儿童加高车座(booster car seats)和面向后方婴幼儿座椅(rear-facing baby/infant car seat)开始在市场上出现,进一步凸显了对传统技术变革的必要性,这些也引起人们对于如何部署安全气囊的关注。因此,汽车产业现在有一个趋势是采用更为复杂的分类系统,而往往利用最多的是光电技术。

        对于任何使用光电检测技术的OCS解决方案,基本标准是:
        • 它必须能够观测到所感兴趣的区域(即不可以有任何阻碍从所安装的地方去观察乘客)。
        • 视场(F oV)的要求都相对受限,通常为40º×10º已经绰绰有余。
        • 合理的4赫兹到8赫兹较低帧率。
        • 由于目标的距离很近,可以采用作用范围小于1米的传感器。

        这些并不真正构成重大的技术困难,但在更详细的层次认真研究系统时,困难开始浮出水面。采用光电技术实现的OCS系统如果使用可见光谱的一部分作为其传感媒介,有几个显著的缺点都与采用这种方案有关。

        利用可见光的OCS的问题
        在采用可见光作为OCS感应机理时,当然有昼/夜光照水平的变化,这就要求系统应包括车内主动照明(这通常是放置在汽车内部车顶或前方支架上)。帽子、长发、胡须、颜色鲜艳的物品、衣物等也可以对光学分类过程产生不利的影响。因此,这种传感器技术及其对于不规则暴露的判断准确性是一个主要问题。可见光传感系统需要相当高的处理能力,要配备相当昂贵的微控制器单元(MCU)。

        使用工作波长范围从5µm到15µm的远红外(FIR)技术,正在成为汽车载客分类应用中越来越感兴趣的话题。远红外成像系统的巨大优势之一是,由于它以人体散发热量的频率来检测热辐射,能够更好地区分无生命的物体和一个真正的乘客。这种方法不依靠环境光,在白天或夜晚工作之间有没有性能差别,因此也就不需要在车内主动照明。此外,它需要的处理能力也相当小。最后这两点使整个系统的复杂性和成本大幅度降低。

        FIR性能注意事项
        基于FIR机制的 OCS不需要很宽的动态范围,传感器阵列需要能够在-40℃至85℃ 之间工作。对于光学分辨率的要求也不是太苛刻,因为乘客的位置会是在一个已知区域。但热分辨率却是非常重要,需要在±0.25ºK范围。重要的是需要考虑进入车内的太阳光的热效应,要达到该目的需要使用滤光片过滤掉可见光光谱和近红外(NIR)光谱,从而使这些不以任何方式干扰传感器。虽然这种类型感测系统的信号处理已经比可见光传感器简单一些,但仍然需要降低整体复杂性,以便确保运行速度和信噪比都比较高,同时使系统成本降低和易于实施。

        迈来芯公司通过与Heimann Sensor GmbH之间的技术合作,现在已经能够开发结构紧凑、同时具有高性价比的FIR传感器阵列,它们把高灵敏度温差电堆(thermopiles,热电堆)技术与尖端且精简的信号处理等功能/性能结合在一起,每个FIR检测器件具有多个温差电堆传感器单元,可以针对目标区域实时地建立一个简单的热值图。阵列内的每一个温差电堆单元都有其电信号放大器和数据转换器,这样可以避免对温差电堆信号进行时间复用,大大降低了信号噪声,同时它也提供了必要的性能,而不需要特意去采用一个更昂贵的微测辐射热设备(microbolometer)。

        该FIR传感器阵列大大简化了热成像系统,它一旦被集成即可立即从64像素捕获数据。它有一个可调节的帧速率,足以支持即使是最高端的OCS系统所需要的性能。在0℃到50℃范围内工作时,可维持±1.5°K的精度水平。对于每个组成的传感元件,都有其自身的信号处理能力,可见光OCS系统中出现的噪声问题在这里可以得到有效地规避。此外,其接口也更容易实现。使用高速I2C兼容的数字串行接口以及与控制单元同步的触发模式意味着这些器件不仅仅可单独使用,而且在需要的情况下也可以结合在一起形成具有更高成像分辨率的阵列。

        结论
        每年欧盟成员国的道路上约有35,000人死亡,开发更有效的汽车安全系统的重要性不能被低估。安全气囊的利用对于减少死亡人数起了很大的作用,但仍然有必要进一步降低。被动占用识别机制正在被智能系统所取代,这样能够更好地确定是谁或什么物品在乘客座位上,以便进一步改善安全气囊展开的有效性,这样可把危害风险最小化。通过实施更先进的基于光电子技术的OCS的系统,可在乘客的安全方面取得更大的进步。但有一点很明确,由于光照水平的变化以及其他不规则行为,工作在可见光谱的传感器往往性能会降低。而FIR传感技术则能够以比可见光方案低很多的数据处理成本提供同等或更好的性能,因此可以得到汽车制造商更多地采用。
 

关键词:红外传感器
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