自動(dòng)駕駛輔助系統聚焦于圖像傳感的功能性安全

作者 / Giri Venkat 安森美半導體汽車(chē)成像方案架構及技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)

摘要：圖像傳感器是自動(dòng)駕駛輔助系統的重要組成部分，介紹了圖像傳感器技術(shù)及其故障檢測，并介紹了一款現代圖像傳感器：AR0233AT。

引言

　　先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)越來(lái)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，由于它們的作用對被動(dòng)和主動(dòng)ADAS的整體效能都越來(lái)越重要，因此它們的功能性安全越來(lái)越重要。

　　ISO 26262車(chē)輛安全標準和汽車(chē)安全完整性等級(ASIL)概念的引入強調了對功能性安全的要求。

　　對于汽車(chē)設計人員來(lái)說(shuō)，了解ASIL非常重要，它與ADAS中的圖像傳感器有關(guān)。了解故障檢測技術(shù)、潛在故障的性質(zhì)及其對數據可靠性的影響、故障的修正和累積對精密的ADAS整體功能性安全的影響也是至關(guān)重要的。

　　最新的ADAS系統包括多個(gè)圖像傳感器，能夠檢測和識別各類(lèi)危險，包括行人、靜態(tài)物體和車(chē)輛。傳感器能夠根據危險軌跡識別和通信是否需要采取任何避免行動(dòng)。所有這些基于機器視覺(jué)的系統都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是傳感器的全部或部分故障可能產(chǎn)生潛在的，甚至危及生命的后果。

1 ASIL概覽

　　功能安全或ASIL是專(zhuān)為車(chē)輛制定的一種基于標準的安全制度/標準，它起源于ISO 61508，這是一種全面的工業(yè)安全標準，但目前正在作為一個(gè)獨立的標準(ISO 26262)發(fā)展，以跟上特定的汽車(chē)需求和迅速發(fā)展的汽車(chē)技術(shù)。

　　ISO 26262涵蓋安裝在“成批生產(chǎn)乘用車(chē)”中的電氣和電子系統，雖然許多標準只是對進(jìn)行認證的產(chǎn)品必須滿(mǎn)足的一系列測試和條件有強制要求，但ISO 26262是一個(gè)基于風(fēng)險的標準。這意味著(zhù)它界定了一個(gè)流程，評估危險情況風(fēng)險和確定并實(shí)施安全措施以控制系統故障。該方法還希望檢測和控制隨機故障，或至少盡可能減輕其影響。

2 圖像傳感故障類(lèi)型

　　典型的圖像傳感器是一個(gè)相對復雜的子系統，包含一系列光敏元件，將入射光轉換成模擬電信號。然后將這些信號數字化，使它們能夠被存儲、處理和傳送到ADAS系統，以便進(jìn)一步分析，例如障礙識別。

　　在功能性安全領(lǐng)域，“不安全的故障”是可能導致ADAS系統做出錯誤決策的原因。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/數字電路中的問(wèn)題。典型的故障可能包括“卡住”像素、電噪聲效應、缺失行、缺失列、移位像素、傳輸錯誤或色偏。

　　隨著(zhù)目標檢測算法越來(lái)越精密，常常檢測到小至10×10的像素，較小的故障能“誤導”ADAS系統。事實(shí)上，故障檢測是個(gè)相當大的挑戰，部分原因是模擬和數字領(lǐng)域的故障性質(zhì)和類(lèi)型不同，也是由于現代傳感器像素數高。

3 故障檢測

　　檢測故障的方法幾乎和故障類(lèi)型一樣多。例如，主機處理器可以相對容易地檢測出卡住的像素、行或列，但隨著(zhù)傳感器像素數的增加，將變得耗時(shí)和耗資源。通過(guò)使用內置錯誤檢查的發(fā)射器和接收器，可以檢測，甚至糾正、傳輸錯誤。該方案不會(huì )對系統處理器施加負載，但會(huì )增加整個(gè)系統的成本。

　　使用ADAS系統處理器檢測故障有很多缺點(diǎn)。首先，有大量的細微故障類(lèi)型無(wú)法在系統級檢測到，包括色偏或基于噪聲的問(wèn)題。另一個(gè)缺點(diǎn)是系統級故障檢測的成本;考慮到潛在故障類(lèi)型的數量以及需要檢查的像素、行和列的數量之大，需要非常高性能的CPU、GPU和存儲器。即使費用可以接受，增加的復雜性也會(huì )影響整個(gè)ADAS系統的有效性、響應和能效。

　　這導致了系統級故障檢測中最令人關(guān)注的方面——運行所有算法所需的時(shí)間。當處理器正在計算數字時(shí)，車(chē)輛可能會(huì )迅速接近障礙物或行人可能會(huì )造成災難性的后果。

4 基于傳感器的故障檢測

　　現代圖像傳感器包括許多集成的測試功能，例如執行循環(huán)冗余檢查(CRC)的能力以檢測傳輸中的故障，或在計數幀、行或像素時(shí)執行更多計數的能力，從而確保發(fā)送了正確的幀。

　　當功能性安全系統被內置到傳感器中時(shí)，系統的作用被簡(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(méi)有消耗系統資源。這也意味著(zhù)不再需要高性能的CPU、GPU和存儲器，從而降低了系統成本和復雜性。

　　低延遲ADAS系統的一個(gè)關(guān)鍵指標是故障檢測時(shí)間間隔(FTDI)，它是ADAS系統檢測故障所需時(shí)間的度量，而容錯時(shí)間間隔(FTTI)是系統響應所需的時(shí)間，使系統恢復到安全狀態(tài)。

　　如圖3所示，當將故障檢測內置到傳感器中時(shí)，檢測時(shí)間會(huì )大大縮短，從而使系統有更多的時(shí)間在危險事件可能發(fā)生之前恢復到安全狀態(tài)。

5 一款現代圖像傳感器：AR0233AT

　　最新的圖像傳感器之一是安森美半導體的AR0233AT。該260萬(wàn)像素1/2.5英寸的器件是專(zhuān)為包括ADAS系統在內的許多汽車(chē)應用而設計的。

　　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(guò)95分貝(dB)。片上高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)提高微光性能至超過(guò)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標準和AEC-Q100 Grade 2。具有超過(guò)8000個(gè)注入故障的一個(gè)完整的安全封裝，可供設計人員使用。

6 結論

　　隨著(zhù)ADAS系統日益普及并在車(chē)輛設計中更多的影響決策和用以避免危險，我們越來(lái)越依賴(lài)于它們。因此，它們現在歸入ISO 26262的范疇。ISO 26262是針對乘用車(chē)的功能性安全標準，該標準要求采用“自始至終”的方法來(lái)識別危險，盡可能減輕它們的影響。

　　鑒于圖像傳感器的復雜性，以及越來(lái)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系統不大可能取得成功，反而肯定增加成本。

　　因此，用于A(yíng)DAS系統的最新圖像傳感器采用了自我檢測技術(shù)，這不僅加快了故障檢測流程，還意味著(zhù)所有ADAS系統的處理能力都可用來(lái)做出避免危險的正確決策，從而使我們的道路更加安全。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第21頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。