安全系統感應技術提升駕乘舒適性和便捷性

車輛架構越來越復雜，需要依靠有效的感應元件完善自動化系統，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，可以實現感知車輛身處環境、協助躲避障礙物等諸多功能。不過，目前最受關注的焦點是出于安全因素而針對乘車人員的車內感應。

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

車內飛行時間感應原理

飛行時間 （ToF） 感應技術可以檢測物體，并提供物體在 3D 空間內的位置和移動信息。同時，還可通過檢測物體的形狀、尺寸和方位來識別物體。該技術通過檢測物體的反射光實現感應，使用 LED 陣列或 VCSEL 設備與波束形成光學器件相結合，以產生可照亮使用場景的光源。高級感應 IC 能夠檢測和測量一定范圍內所有物體的反射光。

圖 1：典型 ToF 感應系統框圖，包含光源、傳感器和配套芯片

光以已知速度快速傳播，測量反射光到達傳感器的時間（光的“飛行時間”）即可計算物體的距離。這種方法稱為“直接 TOF”（dTof），通過非常精確的時基直接計算時間，適合較長距離的應用，例如 LIDAR。dToF 通常被認為是低分辨率技術，需要復雜（昂貴）的機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算距離而非采用絕對時間。此類技術非常適合高分辨率應用，借助現代 CMOS 像素陣列以 QVGA 甚至更高分辨率生成實時 3D 視頻。

iToF 以獨特方式結合中/高分辨率深度和幅度（灰度）映射，可支持復雜識別（例如人或物體），即便在物體與周圍環境之間缺乏顏色對比時也能良好完成任務?；谶@些優勢，iToF 克服其他技術的局限而成為諸多前瞻性應用的理想之選。

在相對接近（約 5 米）的距離內，ToF 可以識別物體和自由空間，因此 ADAS 系統能夠智能預測物體可能的移動（如有）并采取適當的躲避動作。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用。

采用飛行時間感應的車內應用

提高道路安全是實現完全自動駕駛汽車目標的主要推動因素之一。根據美國國家公路交通安全管理局 （NHTSA） 發布的最新報告，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。雖然短時間內我們還不能大規模量產全自動車輛，但 iToF 能夠通過監控駕駛員及其行為切實有效地大幅提高道路安全駕駛。

疲勞駕駛是一個嚴重問題，iToF 可實現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（甚至強制執行）駕駛員休息，可以有效避免潛在事故的發生并挽救生命。對于沒有正確握住方向盤、在駕駛時進食或手持使用移動設備等其他駕駛員行為，該技術也可以進行識別并發出警告或采取行動，甚至在必要時將車輛安全停止。

安全氣囊已經拯救了萬千生命，當今幾乎所有汽車都配有安全氣囊。但是，安全氣囊導致嬰兒或老人受傷或更嚴重后果的情況也時有發生。ToF 能夠檢測乘客的體型并估計其體重，從而按需調整安全氣囊的展開。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啟動并運行內燃機為電池充電。隨著傳統點火鑰匙逐漸被淘汰，駕駛員很容易在未熄火時便離開車輛，此時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。但基于 ToF 的乘員檢測功能可以輕松預防此類情況的發生。

除了改善車輛安全性，ToF 系統還能為車內駕乘人員提供一系列舒適性和便捷性體驗。比如，駕乘人員上車時，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自動點亮；車內信息娛樂系統的操作能根據車內乘客數量和位置自動調節。

車輛構造日益精密，駕駛室內的人機界面 （HMI） 也愈發復雜。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 將幫助車內感應應用實現飛躍式發展，為車輛帶來更高精密性，進而切實提高安全性和舒適性。

最新 ToF 技術

Melexis 的第二代芯片組包括一個專用 TOF 傳感器和一顆配套芯片，可以控制系統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品相同的緊湊型 5.5 mm x 6.5 mm 封裝和光學格式的同時，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。系統采用肉眼無法識別的 940 nm 照明輔助，為車內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%，產生更少熱量并節省能源成本。信噪比經過改善，系統可在相同的照明水平下提升有效工作距離超過 65%，或在與前代產品相同的工作距離內擁有更低的照明需求。此特性可以降低 LED 或 VCSEL 等光源的相關成本?，F在還可以使用單顆配套芯片構建雙攝像頭。

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（2x2）或十六個（4x4）像素，從而降低數據吞吐量，并支持成本較低的主機處理器。

總 結

車內 ToF 感應將協助汽車制造商滿足即將出臺的相關法規，包括關于乘客檢測的 NCAP 2025 提案，同時切實有效地改善乘客體驗。

十多年來，Melexis 已開發出多種 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成本，可以大幅減少設計人員面臨的應用挑戰。