智能座艙 | 法規(guī)加持，艙內(nèi)傳感之雷達(dá)模塊和ToF攝像頭市場如何變化？

隨著向電動汽車的轉(zhuǎn)變，最終用戶越來越不關(guān)心發(fā)動機(jī)馬力等傳統(tǒng)汽車參數(shù)，而是更加看重智能內(nèi)飾功能。這一趨勢迫使主機(jī)廠不斷加大力度增強(qiáng)車內(nèi)體驗(yàn)，從而為其產(chǎn)品增加更大的價值，并將其與競爭者區(qū)分開來。

歐洲NCAP等法規(guī)的推出使駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）獲得了青睞，正在從一種豪華功能變?yōu)橐环N新的規(guī)范。截至2024年初，由于成本相對較低，大多數(shù)DMS都使用2D近紅外（NIR）攝像頭，采用率預(yù)計(jì)將越來越高，成為DMS的主要賦能技術(shù)。

從主機(jī)廠競爭力角度看，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)差異化，手勢控制、兒童在場檢測（CPD）和安全帶檢測等先進(jìn)功能也日漸應(yīng)用，尤其是在中高端車型中。目前，3D飛行時間（ToF）攝像頭是DMS廣泛采用的技術(shù)，沃爾沃和特斯拉等正在將其集成于客艙雷達(dá)模塊。

IDTechEx從市場和技術(shù)的角度分析了艙內(nèi)傳感的現(xiàn)狀，并給出了發(fā)展趨勢和機(jī)遇的指引。

有望增長11倍的巨大市場

艙內(nèi)傳感即內(nèi)部監(jiān)控系統(tǒng)（IMS），包括DMS和乘客檢測系統(tǒng)（OMS）。前者采用NIR攝像頭、電容式/扭矩方向盤傳感器等；后者則采用ToF攝像頭和雷達(dá)等，主要用于眼動追蹤、腦電圖（EEG）/心電圖（ESG）等生命體征監(jiān)測和手勢識別。

IMS功能劃分

其中的眼動追蹤傳感器基于以下幾種技術(shù)：機(jī)器視覺NIR攝像頭、激光掃描MEMS、基于事件的視覺和電容式傳感。

眼動追蹤傳感器類別

IDTechEx高級技術(shù)分析師Yulin Wang預(yù)計(jì)，到2034年，全球艙內(nèi)傳感市場將超過85億美元，機(jī)會源于即將出臺的法規(guī)和創(chuàng)新智能座艙功能的推動，將使DMS和OMS的采用率呈上升趨勢。在監(jiān)管授權(quán)推動下，預(yù)計(jì)DMS將被迅速和廣泛的采用。雖然OMS也在快速增長，但中期仍將主要應(yīng)用于中高端車型中。艙內(nèi)傳感的迅速崛起為硬件供應(yīng)商（傳感器、芯片、Tier1等）及軟件解決方案供應(yīng)商提供了巨大商機(jī)。

伴隨自動駕駛能力，特別是自動駕駛級別的不斷提高，以及歐洲NCAP和《歐盟通用安全條例》等地區(qū)法規(guī)即將實(shí)施，強(qiáng)制要求使用DMS，包括DMS和OMS的全球車內(nèi)傳感市場預(yù)計(jì)將從2020年到2034年增長11倍。

相關(guān)法規(guī)日漸加強(qiáng)

根據(jù)《歐盟通用安全條例》，自2024年年中起，所有屬于M（客）類和N（貨）類的新造車輛都必須配備先進(jìn)的駕駛員分心警告系統(tǒng)（ADDW），以監(jiān)測駕駛員眼睛運(yùn)動，并在檢測到分心跡象時發(fā)出警告。對此，幾家主機(jī)廠迅速做出了回應(yīng)。早在2019年，寶馬X5就已搭載駕駛員注意力攝像頭，觀察其眼睛睜開和頭部位置，以評估駕駛員參與程度。

事實(shí)上，DMS并非是一個新概念，傳統(tǒng)DMS通常依賴從車輛收集信息的被動技術(shù)，如車道保持和駕駛持續(xù)時間及轉(zhuǎn)向傳感器，誤報率很高。而ADDW法規(guī)規(guī)定了向主動監(jiān)測駕駛員眼球運(yùn)動過渡，標(biāo)志著從被動技術(shù)向基于視覺的主動技術(shù)轉(zhuǎn)變。

DMS傳感器套件從L1到L4的演變

除了歐洲，其他主要地區(qū)也有類似法規(guī)。例如，國際汽車制造商協(xié)會和美國汽車制造商聯(lián)盟都承諾到2025年建立標(biāo)準(zhǔn)化的后座提醒系統(tǒng)。中國交通運(yùn)輸部也發(fā)布了《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于推廣應(yīng)用智能視頻監(jiān)控報警技術(shù)的通知》，明確提出加強(qiáng)駕駛員安全的要求。

DMS和OMS詳解

DMS可實(shí)時監(jiān)控和分析駕駛員，為計(jì)算機(jī)視覺算法提供數(shù)據(jù)。其主要目的是檢測疲勞、分心、嗜睡、憤怒或其他可能影響駕駛的情緒狀態(tài)，幫助系統(tǒng)采取適當(dāng)措施來提高安全性。

評估駕駛員嗜睡或疲勞程度有幾種現(xiàn)成的方法：

一是頭部和視線追蹤：監(jiān)測駕駛員的頭部位置和注意力水平，識別嗜睡、分心或傷病跡象，并提供警告，讓駕駛員注意力重新集中于道路。先進(jìn)的系統(tǒng)還可以調(diào)整汽車設(shè)置，以匹配駕駛員的眼睛，增強(qiáng)舒適性和安全性。

二是面部分析：提取駕駛員面部的有價值信息，包括年齡、性別和情緒，并以各種方式提高安全性和舒適性，如檢測憤怒并進(jìn)行相應(yīng)干預(yù)，識別兒童存在以防止中暑事件，以及根據(jù)情緒個性化機(jī)艙設(shè)置。

三是人臉識別：只允許經(jīng)驗(yàn)證的個人訪問，降低汽車被盜風(fēng)險；當(dāng)經(jīng)身份驗(yàn)證的人進(jìn)入車輛時，系統(tǒng)可以記住并恢復(fù)駕駛員偏好，自動調(diào)整座椅位置、后視鏡和娛樂選擇等設(shè)置。

DMS技術(shù)大致分為兩類：主動/直接監(jiān)測和被動/間接監(jiān)測。被動技術(shù)依賴車輛信息，如駕駛時長和車道保持等參數(shù)，以評估駕駛員疲勞程度，往往會出現(xiàn)更多誤報，不太適合DMS應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)視覺和人工智能（AI）技術(shù)的出現(xiàn)，以及需要眼動追蹤的高級駕駛員嗜睡警告（ADDW）的要求，近年來基于視覺的DMS等主動方法日益凸顯。它依賴安裝在轉(zhuǎn)向柱或A柱或其他位置的NIR攝像頭來檢測駕駛員生物特征，包括眼球運(yùn)動、頭部運(yùn)動、打哈欠、使用手機(jī)和吸煙，以評估其當(dāng)前狀況。

被動/間接監(jiān)測與主動/直接監(jiān)測的區(qū)別

許多技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)DMS，如基于視覺的傳感器、基于生物特征的參數(shù)、電容傳感器、力和扭矩傳感器等。到目前為止，已經(jīng)采用了基于視覺的傳感器、力/扭矩傳感器等方法，如方向盤旋轉(zhuǎn)、車道偏離和不規(guī)則加油門。例如本田駕駛員注意力監(jiān)測平臺、捷豹路虎駕駛員狀態(tài)監(jiān)測、梅賽德斯-奔馳注意力輔助、沃爾沃警報控制和大眾疲勞檢測。

目前的ADAS搭載了車道保持輔助（LKA）及離手檢測（HOD）功能，但傳統(tǒng)扭矩傳感器有很多問題，容易失效。為了解決這些問題，電容傳感是一種可行技術(shù)。它通過檢測駕駛員的手吸收的電荷與方向盤接觸時方向盤電容的變化來監(jiān)測駕駛員對方向盤的抓握。這項(xiàng)技術(shù)只需一個連接方向盤內(nèi)置傳感器的芯片。

電容傳感是一種成熟的技術(shù)，已在觸摸屏和觸摸傳感按鈕等中應(yīng)用多年。由于其在座椅和方向盤中的潛力，截至2023年，一些試點(diǎn)項(xiàng)目和車輛使用了電容傳感器。

基于電容的傳感

OMS具有重要信號監(jiān)測和手勢控制等先進(jìn)功能，主要使用ToF攝像頭和/或雷達(dá)，例如理想L9的ToF攝像頭和沃爾沃EX90的雷達(dá)模塊。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）等法規(guī)要求在新車中安裝兒童在場檢測系統(tǒng)，OMS的應(yīng)用將越來越多。

不同主機(jī)廠的傳感方法實(shí)例

主機(jī)廠搭載的車內(nèi)傳感器

就OMS而言，系統(tǒng)需要依賴?yán)走_(dá)、ToF傳感器等。通用汽車、日產(chǎn)等主機(jī)廠已將OMS集成到車輛中。NIR也為OMS提供了潛力，可以實(shí)現(xiàn)后座乘客監(jiān)測等任務(wù)。這些系統(tǒng)還可以對車輛座艙進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，在發(fā)生事故時禁用較小乘客的安全氣囊或?qū)囕v內(nèi)部進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)。

相比之下，其他一些技術(shù)，如EEG和ESG監(jiān)測仍處于形成階段。

截至2023年，DMS和OMS最常見的三種技術(shù)是NIR攝像頭、ToF攝像頭和雷達(dá)，每種傳感器都有優(yōu)缺點(diǎn)。

每種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

是用雷達(dá)還是用攝像頭？

從客艙監(jiān)控傳感器的分類可以看到當(dāng)前主機(jī)廠采用的傳感器類型分布。截至2023年，38%主機(jī)廠使用NIR傳感器，33%使用3D ToF和2D NIR傳感器組合。并非主機(jī)廠所有的車型都搭載了這些傳感器，例如，沃爾沃EX90只在部分車型采用了車內(nèi)雷達(dá)模塊。

主機(jī)廠采用的傳感器分布

2023年，DMS的主導(dǎo)技術(shù)仍然是2D NIR成像傳感器（如CCD傳感器等），并與LED照明和其他組件（透鏡、芯片等）結(jié)合。不過，對高級功能日益增長的需求，如占用檢測、增強(qiáng)安全功能（如兒童和寵物檢測）及手勢控制的集成，推動了對3D數(shù)據(jù)的需求。在OMS中收集3D信息的兩種有前途的傳感器是雷達(dá)和3D ToF攝像頭。

目前，ToF攝像頭和雷達(dá)模塊的市場份額相對均衡。IDTechEx預(yù)計(jì)，平衡將在未來持續(xù)下去，尚未確定其中一方具有重大技術(shù)或成本優(yōu)勢。因此，這些傳感器的選擇通常取決于主機(jī)廠的偏好及當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)。

先來看雷達(dá)，二十多年來，其在高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）中發(fā)揮了重要作用。利用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）編碼系統(tǒng)的無線電波，雷達(dá)可以準(zhǔn)確地測量視野內(nèi)物體的距離和相對速度。不過，從歷史上看，雷達(dá)模塊主要用于外部，而不是車內(nèi)應(yīng)用。

現(xiàn)在奠定ADAS基礎(chǔ)功能的雷達(dá)技術(shù)已在客艙中使用，如手勢識別。有了額外的深度信息，雷達(dá)也將是DMS和OMS的理想選擇，可以提供座椅加熱開啟、安全帶警報檢測、智能安全氣囊展開、留守生命警告、自動空調(diào)系統(tǒng)等信息。

雷達(dá)可以測量亞毫米分辨率距離，通過測量身體微小運(yùn)動（如呼吸）檢測是否有人占據(jù)座位，還具有檢測乘客生命體征的巨大潛力。

車內(nèi)雷達(dá)的工作頻率范圍為60GHz至64GHz，屬于無許可證ISM頻段，探測距離通常在0.4米到2米，可有效覆蓋內(nèi)部空間。特斯拉官方最近表示，其Cybertruck電動皮卡搭載了OMS雷達(dá)模塊，包括兒童在場檢測和安全帶提醒等功能。

與雷達(dá)模塊類似，3D ToF攝像頭也可用于OMS，利用LED或垂直腔表面****激光器（VSCEL）等NIR照明及圖像傳感器操作。盡管一些供應(yīng)商聲稱可以通過模糊人臉或僅在車載存儲數(shù)據(jù)來解決這一問題，但隱私仍是攝像頭的問題。

盡管DMS和OMS有很大的重疊和相似之處，但兩者對IR LED和VCSEL的照明功率和分布角度要求有所不同。

DMS和OMS照明功率和分布角度

3D ToF攝像頭的另一個限制是，與艙內(nèi)雷達(dá)模塊不同，無法通過阻隔物探測人或物體。此外，由于依賴計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，攝像頭需要復(fù)雜的算法和重新校準(zhǔn)，給其實(shí)現(xiàn)帶來了復(fù)雜性。盡管如此，一些供應(yīng)商仍在努力解決隱私問題，提高3D ToF攝像頭的OMS整體能力。

OMS技術(shù)比較

到目前為止，3D ToF攝像頭已在OMS中廣泛采用，并不比雷達(dá)模塊的功能遜色。不過，通過比較雷達(dá)模塊和3D ToF攝像頭的成本和功能，還是雷達(dá)模塊機(jī)會較大。目前理想L9、寶馬iX和新款極狐阿爾法S都使用3D ToF攝像頭，而特斯拉和沃爾沃預(yù)計(jì)將使用雷達(dá)模塊。

ToF攝像頭模塊成本估算

ToF傳感器分辨率至關(guān)重要。英飛凌和邁來芯等的ToF傳感器在DMS或OMS方面顯示出巨大潛力。與RGB成像的傳感器不同，ToF的成本高得多（艙內(nèi)監(jiān)測約為30美元），但3D ToF傳感器/攝像頭與傳統(tǒng)2D攝像頭相比更具優(yōu)勢。

艙內(nèi)傳感ToF傳感器比較

走向多元化融合

總體而言，艙內(nèi)傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢是多元化和融合化。不同的傳感器技術(shù)各有優(yōu)劣，選擇哪種技術(shù)取決于具體的應(yīng)用場景和需求。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場的不斷擴(kuò)大，我們有理由相信，艙內(nèi)傳感技術(shù)將為我們帶來更智能、更安全的駕駛體驗(yàn)。