智能惯性传感器对自动驾驶汽车安全和可持续发展至关重要

未来的自动驾驶汽车(AV)不仅需要具备智能，而且需要考虑零排放目标。先进的人工智能是未来汽车可持续发展的关键推动因素。

在通往安全和可持续移动的道路上，人类正面临着一个巨大的两难境地。一方面，汽车半导体的扩张正在不断增加对电力的显著需求；另一方面，目前正是世界努力实现能源的可持续发展之际。那么应如何将汽车半导体的增长与可持续发展有机结合起来呢？

在确保自动驾驶汽车的实用性和安全性方面，微机电系统(MEMS)和传感器扮演着重要角色，其最新的发展对实现可持续性至关重要。

让移动融入“在线生活”

先来看看MEMS的演变，以及目前汽车领域的发展趋势如何与人们所说的“在线生活”时代联系在一起。

大约20年前，开启了"离线时代"。从那时起，MEMS技术从概念转化成了产品。在汽车领域，MEMS惯性传感器实现了重要的创新，比如在汽车碰撞中对乘客安全具有巨大意义的安全气囊。

在过去10年中，MEMS设备已经从那个离线时代(只是实现了某些产品特性或功能)进入了更强大的“在线”时代。在线时代将传感器连接到云端，实现了性能改进和技术融合，这是使传感器信息可用于任何生态系统的关键。就以汽车为例，从直接的安全气囊部署发展到同时呼叫紧急服务，并上传有关撞击和事故车辆位置的相关信息，来辅助救援行动。

这就自然地把人们带进了目前的“在线生活”时代，这时在线和离线之间不再有区别。相反，技术和生活之间有了基本的融合，人们开始关注始终保持警觉的系统，它们可以感知、处理和直接采取行动。

在移动技术方面，人们现在需要一个可持续的“在线生活”时代，它具有两大特点。第一个是以人为本，改善人们与周围世界的互动方式。这类技术是安全和非侵入性的，将作为人类自身的延伸，同时可实现驾驶助手的操作。第二个是可持续发展，保护人们所生活的星球。

那么，人们如何迈向可持续的“在线生活”时代呢？首先需要建立可持续的传感器化世界。最早时，人们只有一个传感器(离线)，然后发展成联网的多传感器(在线)，再然后就是可以感知、处理和行动的传感器群(“在线生活”)，现在人们需要能够自行配置的传感器，来实现数据处理和超低功耗系统。这一演变即将到来，因为人们需要在2050年前将二氧化碳排放减少到净零排放。

乘用车在全球造成了大约30亿吨的二氧化碳排放。在大幅减少这些排放方面，电气化具有核心作用。同时，人们还将看到自动化程度越来越高的车辆会显著增加，并最终实现自动驾驶。

用于自动驾驶汽车的惯性传感器：智能、安全、精确

智能惯性传感器对更高级别的自动驾驶至关重要。根据国际汽车工程师学会的定义，这些更高级别的自动驾驶分别是L3、L4和L5级。为保护车辆乘客、行人以及其他交通参与者，遵循严格的安全标准是非常关键的。

为了满足这些要求，智能惯性传感器必须具备三个关键属性：智能、安全和精确。

智能属性非常重要：自动驾驶汽车需要能够对各种可能的情况做出反应。它们必须由人工智能算法驱动，这些算法可以模仿(甚至改进)人类的行为和反应时间。通过直接在传感器内集成处理能力，这些算法可以直接分析传感器数据并执行操作，不需要将大量的传感器数据传输到主机或云端进行处理。这样不仅加快了反应时间，同时极大地降低了系统功耗。

包含片上处理能力的传感器，可以用小于几个微安的电流来启动决策树，用不到10毫安的电流来分析读到的数据。这一点很重要，因为减少操纵自动驾驶汽车或任何大型系统所需的功耗，对可持续性来说至关重要。就拿汽车监视这样的简单应用为例，智能传感器可以通过人工智能7×24小时全天候监视汽车，在汽车停放时可以检测到是否被撞、被拖或被破坏，或者在行驶时可以检测并适应环境条件或路况。

然后对传感器上的控制器中的元素进行适当的编程，就可以确保传感器以人为中心，并允许车辆通过硬式人工智能实现可自行配置的解决方案，同时最优化功率预算。

智能惯性传感器也必须是安全的。自动驾驶汽车必须符合最严格的安全标准。智能惯性传感器应该能够帮助自动驾驶汽车，准确地读取周围环境，因为汽车必须知道自己在哪里、要去哪里，以及周围其他所有车辆的方位。要关注的不仅仅是其他车辆，自动驾驶汽车还必须知道每个障碍物的位置，因为这对于安全行驶来说同样重要。

今天的汽车已经集成了越来越多的嵌入式电路，这是为了提高功效而用硬件实现的功能性安全系统。惯性传感器有很多作用，例如补偿受到因转向动作和道路噪音引起倾斜和振动影响的相机图像。这些类型的系统，通常需要获得汽车安全完整性等级B(ASIL-B)的认证。另一方面，用于自动驾驶的系统面临更严格的要求，要求获得例如ASIL-D认证。下一代惯性传感器的设计，将充分考虑到这一点，可能会随车提供经过独立测试的软件库，以促进符合ASIL-B及以上等级的安全认证。

此外，传感器必须稳定、可靠，能够承受恶劣的环境条件。它们还必须是安全的，以阻止未经授权的访问和数据泄露。

最后，智能惯性传感器还必须很精确，因为自动驾驶汽车需要精确和准确的数据来确保安全运行。人们要求这些车辆在一小时连续行驶过程中的行驶偏差小于0.1度，并以20cm的绝对精度完成安全泊车和熄火。该精度已可与月球导航系统相媲美，然而人们现在却仅仅是采用标准惯性传感组合中的普通器件来实现这一目标。这的确是令人难以置信！

确保数据的精确性，有助于减少应用处理的工作量，从而通过最大限度地减少对数据的训练需求来降低功耗。

还要注意，时延会影响精度：无论灵敏度有多高，或者分辨率有多深，环境都在不断变化，所以信息从一开始产生就不精确了。故低时延是智能传感器的一个重要属性。

结论

通往完全自动驾驶汽车的道路正在不断向前拓展，虽然目的地还不明显。但毫无疑问的是，可持续的自动驾驶汽车正处于通往人类未来的高速公路上，主要的挑战仍将是可持续的自动驾驶。同样清楚的是，智能、安全和精确的惯性传感器至关重要，且至少从传感器开发的角度来看，已经有了一个较清晰的思路。

近年来，最先进的MEMS已经实现了需要高精度传感能力的ADAS应用，尽管这与安全应用开发关系不大。另一方面，原始设备制造商对先进安全系统的推动，刺激了安全应用开发的快速发展，而对传感能力的精度需求却很有限。

现在，如果人们真的想为未来的可持续发展的车辆开辟传感器化的道路，需要整合两种需求：一方面是安全性，另一方面是精确性。人们不要忘记，一切都需要绝对的智能，要有可自行配置的传感器，要有低功耗的数据处理优化系统。而这些最终将推动汽车制造商来提供全球化解决方案。

(参考原文：Smart Inertial Sensors Are Critical for Safe and Sustainable Avs）

本文为《电子工程专辑》2023年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅