車輛架構(gòu)越來越復(fù)雜，需要依靠有效的感應(yīng)元件完善自動化系統(tǒng)，為駕駛員提供輔助功能并完全控制車輛。在廣泛部署的各類傳感器中，非接觸式傳感器是最為重要的傳感器之一，可以實(shí)現(xiàn)感知車輛身處環(huán)境、協(xié)助躲避障礙物等諸多功能。不過，目前最受關(guān)注的焦點(diǎn)是出于安全因素而針對乘車人員的車內(nèi)感應(yīng)。

Melexis 著眼于應(yīng)用于此領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，探討如何成功提高駕乘安全性，并提升舒適性和便利性。

車內(nèi)飛行時(shí)間感應(yīng)原理

飛行時(shí)間 （ToF） 感應(yīng)技術(shù)可以檢測物體，并提供物體在 3D 空間內(nèi)的位置和移動信息。同時(shí)，還可通過檢測物體的形狀、尺寸和方位來識別物體。該技術(shù)通過檢測物體的反射光實(shí)現(xiàn)感應(yīng)，使用 LED 陣列或 VCSEL 設(shè)備與波束形成光學(xué)器件相結(jié)合，以產(chǎn)生可照亮使用場景的光源。高級感應(yīng) IC 能夠檢測和測量一定范圍內(nèi)所有物體的反射光。

圖 1：典型 ToF 感應(yīng)系統(tǒng)框圖，包含光源、傳感器和配套芯片

光以已知速度快速傳播，測量反射光到達(dá)傳感器的時(shí)間（光的“飛行時(shí)間”）即可計(jì)算物體的距離。這種方法稱為“直接 TOF”（dTof），通過非常精確的時(shí)基直接計(jì)算時(shí)間，適合較長距離的應(yīng)用，例如 LIDAR。dToF 通常被認(rèn)為是低分辨率技術(shù)，需要復(fù)雜（昂貴）的機(jī)械掃描才能獲得高分辨率。

而間接 ToF （iToF） 基于已知參考信號的相移來計(jì)算距離而非采用絕對時(shí)間。此類技術(shù)非常適合高分辨率應(yīng)用，借助現(xiàn)代 CMOS 像素陣列以 QVGA 甚至更高分辨率生成實(shí)時(shí) 3D 視頻。

iToF 以獨(dú)特方式結(jié)合中/高分辨率深度和幅度（灰度）映射，可支持復(fù)雜識別（例如人或物體），即便在物體與周圍環(huán)境之間缺乏顏色對比時(shí)也能良好完成任務(wù)。基于這些優(yōu)勢，iToF 克服其他技術(shù)的局限而成為諸多前瞻性應(yīng)用的理想之選。

在相對接近（約 5 米）的距離內(nèi)，ToF 可以識別物體和自由空間，因此 ADAS 系統(tǒng)能夠智能預(yù)測物體可能的移動（如有）并采取適當(dāng)?shù)亩惚軇幼?。Melexis 的 iToF 相較而言不受溫度和光線變化的影響，十分適合此類外部應(yīng)用。

采用飛行時(shí)間感應(yīng)的車內(nèi)應(yīng)用

提高道路安全是實(shí)現(xiàn)完全自動駕駛汽車目標(biāo)的主要推動因素之一。根據(jù)美國國家公路交通安全管理局 （NHTSA） 發(fā)布的最新報(bào)告，約有超過 90% 的事故由駕駛員失誤造成。若能有效消除此類事故，道路將更加安全。雖然短時(shí)間內(nèi)我們還不能大規(guī)模量產(chǎn)全自動車輛，但 iToF 能夠通過監(jiān)控駕駛員及其行為切實(shí)有效地大幅提高道路安全駕駛。

疲勞駕駛是一個(gè)嚴(yán)重問題，iToF 可實(shí)現(xiàn)的高分辨率可以判斷駕駛員是否目視前方道路、是否頻繁打哈欠或甚至昏昏欲睡。檢測此類情況并建議（甚至強(qiáng)制執(zhí)行）駕駛員休息，可以有效避免潛在事故的發(fā)生并挽救生命。對于沒有正確握住方向盤、在駕駛時(shí)進(jìn)食或手持使用移動設(shè)備等其他駕駛員行為，該技術(shù)也可以進(jìn)行識別并發(fā)出警告或采取行動，甚至在必要時(shí)將車輛安全停止。

安全氣囊已經(jīng)拯救了萬千生命，當(dāng)今幾乎所有汽車都配有安全氣囊。但是，安全氣囊導(dǎo)致嬰兒或老人受傷或更嚴(yán)重后果的情況也時(shí)有發(fā)生。ToF 能夠檢測乘客的體型并估計(jì)其體重，從而按需調(diào)整安全氣囊的展開。如果座椅上沒有乘客，ToF 可避免展開不必要的安全氣囊。

目前的一些混合動力車輛會在電量過低時(shí)啟動并運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)為電池充電。隨著傳統(tǒng)點(diǎn)火鑰匙逐漸被淘汰，駕駛員很容易在未熄火時(shí)便離開車輛，此時(shí)車輛可能會在無人看管的情況下自動啟動。這會帶來安全隱患，尤其是在狹窄空間內(nèi)。但基于 ToF 的乘員檢測功能可以輕松預(yù)防此類情況的發(fā)生。

除了改善車輛安全性，ToF 系統(tǒng)還能為車內(nèi)駕乘人員提供一系列舒適性和便捷性體驗(yàn)。比如，駕乘人員上車時(shí)，座椅可以為其移動拉近安全帶；儲物箱會在乘客伸手使用時(shí)自動點(diǎn)亮；車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)的操作能根據(jù)車內(nèi)乘客數(shù)量和位置自動調(diào)節(jié)。

車輛構(gòu)造日益精密，駕駛室內(nèi)的人機(jī)界面 （HMI） 也愈發(fā)復(fù)雜。以 ToF 傳感器搭配投光器使用，可以在各種可用表面提供控制面板，大幅提高操作便捷性和靈活性。

顯而易見，ToF 將幫助車內(nèi)感應(yīng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)飛躍式發(fā)展，為車輛帶來更高精密性，進(jìn)而切實(shí)提高安全性和舒適性。

最新 ToF 技術(shù)

Melexis 的第二代芯片組包括一個(gè)專用 TOF 傳感器和一顆配套芯片，可以控制系統(tǒng)并連接外部微控制器或串行器。

圖 2：Melexis 第二代 ToF 解決方案的主要功能元件

全新芯片組在保留與前幾代產(chǎn)品相同的緊湊型 5.5 mm x 6.5 mm 封裝和光學(xué)格式的同時(shí)，將靈敏度提升一倍，并提供可有效改善低光性能的像素級增益選擇。系統(tǒng)采用肉眼無法識別的 940 nm 照明輔助，為車內(nèi)的夜間操作提供極大幫助，并可在此波長下充分利用較低的日光輻射。

全新傳感器更加高效，功耗降低 30%，產(chǎn)生更少熱量并節(jié)省能源成本。信噪比經(jīng)過改善，系統(tǒng)可在相同的照明水平下提升有效工作距離超過 65%，或在與前代產(chǎn)品相同的工作距離內(nèi)擁有更低的照明需求。此特性可以降低 LED 或 VCSEL 等光源的相關(guān)成本?，F(xiàn)在還可以使用單顆配套芯片構(gòu)建雙攝像頭。

圖 3：改善后的信噪比可以提高性能并降低照明需求

另一個(gè)全新功能——像素合并——可以在需要較低分辨率的情況下合并四個(gè)（2x2）或十六個(gè)（4x4）像素，從而降低數(shù)據(jù)吞吐量，并支持成本較低的主機(jī)處理器。

總 結(jié)

車內(nèi) ToF 感應(yīng)將協(xié)助汽車制造商滿足即將出臺的相關(guān)法規(guī)，包括關(guān)于乘客檢測的 NCAP 2025 提案，同時(shí)切實(shí)有效地改善乘客體驗(yàn)。

十多年來，Melexis 已開發(fā)出多種 ToF 解決方案，其第二代解決方案擁有更高性能、更低能耗和更低的系統(tǒng)成本，可以大幅減少設(shè)計(jì)人員面臨的應(yīng)用挑戰(zhàn)。