česky english Vítejte, dnes je sobota 05. prosinec 2020

Moderní vozy prostě vidí. A budou na tom ještě lépe

DPS 1/2020 | Vývoj - články
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Podle americké vládní agentury NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) obsahuje každé vozidlo, které je v pohybu, jednu nebezpečnou součást – člověka sedícího za volantem. Organizace provedla podrobné šetření u 2 189 000 silničních nehod a dospěla k závěru, že celkem 94 % z nich, tj. 2 046 000, zavinil právě šofér. Nejčastější chyby zde souvisely s nedostatkem pozornosti, resp. s tím, že byl řidič něčím rozptýlený. Takové situace se na haváriích způsobených člověkem dohromady podílely ze 41 %. Bezpečnost na silnicích má zkrátka obrovský význam. Přední světové automobilky si to dobře uvědomují a své vozy proto vybavují funkcemi, které by měly řidiči pomáhat. Vyvíjejí rovněž pokročilé systémy, které se pak v dlouhodobém výhledu zbaví závislosti na člověku úplně.

Jeden z nejdůležitějších úkolů pro řidiče spočívá ve sledování svého okolí a následně též i přiměřených reakcích, kdy obvykle přizpůsobí rychlost nebo směr jízdy. Aby tak ale mohl činit, potřebuje si být vědom celé řady věcí, včetně skutečných překážek, teoreticky možných překážek, rychlostních omezení, různých forem dopravního značení a také povětrnostních podmínek. Pokud má automobil řidiči pomáhat a případně díky autonomnímu přístupu převzít plnou odpovědnost, musí takové úkony zvládat přinejmenším stejně tak dobře jako člověk.

Moderní vozy prostě vidí. A budou na tom ještě lépe

Výrobci svá vozidla vybavují technologiemi ADAS (Advanced Driver Assistance System), a tudíž i snímači všeho druhu, s nimiž bude možné získávat podpůrná data. Nejstrmější růst však pozorujeme u systémů, které mohou samy „vidět“. Protože se jedná o něco víc než jen prostou parkovací kameru, mohou nabízet rychlá a nesmírně užitečná zobrazovací řešení.

Kde všude se v autě hodí kamery

Kamery s čelním výhledem se začínají těšit vysoké oblibě nejen v segmentu špičkových vozidel, ale také u vozů střední cenové kategorie. Ve spojitosti se softwarem pro náležité zpracování obrazu lze proto detekovat překážky, zatímco v návaznosti na snímače u volantu pak systém dokáže rozpoznat, jestli se daná zábrana vyskytuje v dráze vozidla. Dokonalejší návrhy mohou vykreslit trajektorii chodce, usoudit, zda je vůbec pravděpodobné, aby se obě trasy vzájemně protnuly a zabránit přitom jakékoli nehodě. Systém ADAS poté v závislosti na své úrovni zareaguje několika způsoby. Třeba prostým varováním, ale možná i tím, že úhybný manévr podnikne sám.

Otázka vidění se ale rozhodně neomezuje pouze na kamery s čelním výhledem. Spousta vozidel vyšší třídy již pamatuje na více než jen jednu kameru a poskytuje tak během řízení kompletní výhled okolo celého automobilu. Pravda, takový systém dokáže zabránit méně závažným, ale přesto stále drahým „ťukancům“, nicméně jeho skutečná hodnota spočívá právě ve schopnosti rozpoznat něco, co se bez povšimnutí řidiče pohybuje v blízkosti vozidla. Kupříkladu zvíře nebo malé dítě.

Pokud nesledujete rychlostní omezení, může to v lepším případě vést jen k tučné pokutě. Následky však mohou být ještě závažnější, pokud např. dojde k vážné nehodě se zraněním nebo, a to je mnohem horší, s jednou či více oběťmi na životech. Systémy určené pro vidění budou nyní na silnici rozpoznávat a následně i číst dopravní značky s omezením rychlosti a využívat přitom buď stávající přední kameru, nebo v některých případech i speciální kamerovou jednotku. Palubní systém poté zareaguje různými způsoby. Třeba tím, že značku replikuje v zorném poli řidiče, po překročení rychlosti nechá zaznít výstrahu nebo rychlost vozu sám sníží na takovou úroveň, aby neměl šofér žádné problémy.

S tím, jak se rozvíjí technologie pro osvětlování a návrhy přechází od klasických žárovek směrem k systémům založeným na LED, se musíme v rámci systémů pro vidění potýkat s nežádoucím „mihotáním“ (tzv. flicker). Jak v případě pouličního osvětlení, tak též u předních světlometů aut. Díky vlastnostem lidského oka si něčeho takového nemusí řidič ani povšimnout. Může se to ale projevit ve formě tmavých pásů na periodicky zachytávaných snímcích, což dále komplikuje rozpoznávání znaků – třeba číslic na dopravní značce s rychlostním omezením. Pokročilé algoritmy sloužící k zachytávání obrázků proto budou prakticky okamžitě pořizovat několik snímků a po prolnutí tudíž zajistí vysoce kvalitní složený výstup, který již lze přesně číst. Zmiňovaný postup, kterým běžně rozumíme zmírnění výše popsaného jevu, se u špičkových obrazových snímačů v automobilech využívá již nyní.

S kamerami se však nepotkáváme pouze zvenčí, ale také uvnitř automobilů. Když už musí řidič, alespoň prozatím, hrát stále onu významnou roli při ovládání vozidla, potřebujeme zobrazovací technologie rovněž ke sledování jeho samotného. Lze tím zajistit, že bude připraven rychle zareagovat na hrozící situaci. A pokud ne, vloží se do všeho právě systém ADAS. Kamera proto bude nepřetržitě sledovat jeho tvář a také polohu hlavy, zatímco na základě podpory umělé inteligence (AI) odhaduje míru ospalosti a stejně tak též i pozornosti. Třeba díky tomu, že často kontroluje dění ve zpětném zrcátku. Bude-li tedy řidič nesoustředěný nebo očividně vyčerpaný, přichází na řadu varování, příp. je doporučena přestávka na odpočinek. Stejný způsob monitorování se rovněž využije při posuzování tělesných proporcí osoby přítomné na sedadle spolujezdce, takže je možné v případě srážky vhodně nasměrovat airbag.

Díky kameře určené pro řidiče může být pohodlně řešena i otázka ztotožnění. Jednoduchý software pro rozpoznávání tváře dokáže odlišit jednoho člověka od druhého a na základě toho přizpůsobit vlastnosti s ohledem na předem stanovené hodnoty (poloha sedadla, výška volantu, nastavení zrcátek či teplota v kabině). Zkrátka pohodlí na prvním místě! Zobrazování lze kromě toho v obecné rovině rozšířit i na ostatní cestující. Necítí se např. pohodlně? Změňme pro ně tedy nastavení klimatizace.

Oči díky technologiím

V oboru moderních technologií zůstává bez hnutí jen málo věcí, pokud vůbec něco. Přesně tak to dokládá i nepřetržitý rozvoj hardwaru a souvisejícího softwaru nasazovaného v našich vozech za účelem vidění. Komunikace se na palubě přesouvá od sběrnice CAN směrem k ethernetu, a vývojáři proto mají dostatečnou kapacitu pro video s vyšším rozlišením a rostoucí snímkovou frekvencí. Kvalita obrazu se zvyšuje a bezpečnost dále roste.

Jedním z nejzajímavějších obrazových snímačů pro automobilový průmysl, který máme aktuálně k dispozici, se stává AR0140AT od společnosti ON Semiconductor [1]. Jedná se o CMOSový obvod ve formátu ¼ palce s rozlišením 1,0 megapixelu a aktivním polem čítajícím 1280 × 800 obrazových bodů. Systém je optimalizován s ohledem na špatné světelné podmínky, nabízí režim s vysokým dynamickým rozsahem HDR a pracovat bude s rolující závěrkou (Rolling Shutter). Výstupem ze snímače AR0140AT se stávají překvapivě čisté a ostré digitální obrazy – jak ve fotografickém režimu, tak i videomódu (při 60 snímcích za vteřinu). Nechybí zde ani funkce nové generace, binning (spojování pixelů) nebo windowing, přičemž návrh plně vyhovuje z hlediska AEC-Q100 (rovněž v kontextu procesu PPAP).

S rostoucí závislostí na systémech ADAS vývojáře v prvé řadě zajímá otázka bezpečnosti a zabezpečení takové technologie. FS32V234 pro tyto účely nabízí CSE s 16 kB zajištěné paměti RAM a ROM přímo na čipu, JTAG kontrolér a rovněž i podporu bezpečné architektury TrustZone (ARM). Pro zajištění funkční bezpečnosti nejsou obvodům cizí ani úrovně ASIL (Automotive Safety Integrity Level dle ISO 26262), FMEDA a k dispozici je rovněž související manuál. Zapracování do systémů ADAS v moderních vozidlech dále zjednodušuje podpora rozhraní FD-CAN a FlexRay.

Vidět znamená ovládat

Nasazení systémů sloužících ve vozidlech k vidění může ale zahrnovat i další zajímavé aplikace. Výrobci automobilů potřebují pro své stále složitější návrhy zajistit intuitivní rozhraní typu člověk–stroj (HMI), které bude možné uvnitř vozu smysluplně používat navzdory omezenému prostoru. Cílem je doplnit stávající metody řízení třeba o rozhraní HMI využívající gest. Řidič pak může dávat povely, aniž by se tím během jízdy nějak rozptyloval, protože již není vůbec nutné, aby přitom spustil oči z vozovky.

Nový čipset od Melexis založený na technologii ToF (timeof- flight) podporuje jednoduché modulární řešení systémů trojrozměrného vidění pro vytvoření rozhraní HMI podporujících posunky. Čipset zahrnuje snímač ToF MLX75023 s optickým formátem 1/3 palce a přidružený integrovaný obvod MLX75123 obsahující řadu jinak vnějších součástek nezbytných k návrhu systému s 3D viděním. Nechybí zde ani vývojový modul [2]. Díky vysokým úrovním integrace čipsetu pak již vývojáři nemusí přidávat drahá a také rozměrná externí hradlová pole FPGA nebo A/D převodníky. Snižují tím velikost zastavěné plochy i náklady spojené jak se samotným vývojem, tak též výsledným produktem. Doba potřebná k uvedení na trh se může zase o něco zkrátit.

Ve spojitosti s vyspělou technologií pixelů pak u snímače ToF MLX75023 od Melexis za zhoršených světelných podmínek oceníte i podporu HDR. Doprovodný čip MLX75123 zajišťuje přímé propojení integrovaného snímače s host mikrokontrolérem a stará se o rychlé čtení dat. Modulární přístup, kdy oddělujeme senzor a podpůrný čip sloužící ke zpracování, tedy znamená, že blok snímače bude možné modernizovat bez nutnosti změny celkové architektury systému.

Závěr

V automobilovém průmyslu se začíná objevovat nebývalé množství palubních technologií, které mají zajistit, aby vozidla fungovala ekonomicky, cestování bylo ještě pohodlnější, a především bylo vše mnohem bezpečnější. Pokročilé technologie spolupracující se snímači již sekundují šoférům prostřednictvím systémů ADAS, přičemž s dalším pokrokem automatizovaná řešení nakonec zaujmou místo samotného řidiče. Typů snímačů je stále víc a díky jejich spojení začínají dohromady spolupracovat s cílem zajistit rekordní míru bezpečí.

Pro moderní vozidla je klíčové vidět. Spousta modelů střední cenové kategorie proto již nyní nabízí různé senzory sledující svět okolo sebe, dopravní značení a třeba i samotného řidiče. Obrazové snímače přichází s ještě vyšším rozlišením a umožňují přitom rozpoznávat i detaily. A s moderními technologiemi u pixelů zase podpoříte precizní výsledky navzdory špatnému osvětlení. Vždyť na cestách se pohybujeme také v noci nebo za špatného počasí.

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik