電子視鏡的發(fā)展與應(yīng)用

電子視鏡的應(yīng)用使駕駛更安全、更智能、更經(jīng)濟、更環(huán)保。通過跟蹤世界領(lǐng)先商用車企業(yè)電子視鏡的發(fā)展，綜述相關(guān)文獻，從后視鏡的劣勢，電子視鏡的優(yōu)勢及其市場需求、技術(shù)發(fā)展、法規(guī)環(huán)境展開分析，并對我國商用車電子視鏡的發(fā)展趨勢做出預(yù)測，對電子視鏡產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出建議。結(jié)果表明當前電子視鏡項目、電子視鏡系統(tǒng)的發(fā)展，呈現(xiàn)出技術(shù)復(fù)雜程度高、產(chǎn)品價值高、專利壁壘高的特點。我國需加快法規(guī)出臺，激發(fā)整車、零部件企業(yè)加快研發(fā)、驗證、產(chǎn)品應(yīng)用的步伐，促進行業(yè)發(fā)展，參與國際競爭。1引言近年來，隨著汽車和電子攝像、視頻顯示、數(shù)據(jù)交互技術(shù)的發(fā)展，通過攝像頭取代后視鏡的電子視鏡成為新趨勢。電子視鏡視野寬闊，不受外界環(huán)境影響，風阻小、人機交互性好，同時可擴展到自動駕駛領(lǐng)域。目前世界領(lǐng)先的商用車企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了電子視鏡的商業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)品持續(xù)更新迭代。然而，國內(nèi)電子視鏡的發(fā)展，面臨法規(guī)未出臺、技術(shù)門檻高、開發(fā)成本高、外企專利壁壘的困難。但用戶不再滿足后視鏡的基本功能，期望應(yīng)用更高端的電子視鏡并拓展到自動駕駛。本文從電子視鏡的優(yōu)勢、系統(tǒng)構(gòu)成、市場需求、發(fā)展現(xiàn)狀、法規(guī)環(huán)境5個維度展開分析，對電子視鏡國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出建議。2后視鏡劣勢分析后視鏡主要存在以下4點劣勢：視野盲區(qū)、易受環(huán)境影響、對整車風阻貢獻大、缺少人機交互。2.1后視鏡存在視野盲區(qū)后視鏡成像原理是光的反射，即地面或周圍環(huán)境中的物體通過視鏡鏡面反射到人眼，因鏡片大小及視線角度限制存在一定的盲區(qū)。當駕駛員過度信賴后視鏡，潛在的風險就高，影響行車安全。根據(jù)GB15084—2013《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》，對于駕駛室II類主外后視鏡、Ⅳ類廣角鏡的視野技術(shù)要求（圖1、圖2），實際視鏡視野較法規(guī)視野有一定的余量，但仍存在盲區(qū)。圖1II類主外后視鏡視野法規(guī)要求[1]圖2Ⅳ類廣角鏡視野法規(guī)要求由于后視鏡盲區(qū)造成的交通事故在中國約占30%，美國約占20%。在高速公路上70%因變換車道所發(fā)生的交通事故是由后視鏡盲區(qū)造成的。特別是在掛車轉(zhuǎn)彎時，掛車與牽引車駕駛室成較大的角度，導(dǎo)致駕駛員通過視鏡只能觀測到掛車的局部區(qū)域，整體的盲區(qū)很大，易將車邊的行人等卷入車底，存在很大的安全隱患。圖3為牽引車轉(zhuǎn)彎的現(xiàn)場場景。駕駛員通過車窗觀察，由于視鏡遮擋，損失了一部分直接視野，也存在安全隱患。圖3半掛車轉(zhuǎn)彎視野盲區(qū)2.2后視鏡應(yīng)對惡劣環(huán)境存在不足雨霧、強光、弱光等惡劣環(huán)境直接影響駕駛員視線、鏡面反射效果，使駕駛員無法正確、及時地做出駕駛判斷，影響駕駛安全。雨霧天氣、強光環(huán)境下的視鏡，視野清晰程度明顯下降。2.3后視鏡對整車風阻、風噪貢獻大根據(jù)GB15084—2013《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》對后視鏡有關(guān)鏡片尺寸及位置的規(guī)定，后視鏡外觀、尺寸、造型難以有大的突破。但是，用戶希望獲得超過法規(guī)視野之外更大的視野，導(dǎo)致后視鏡尺寸、總體質(zhì)量增加，對整車風阻的貢獻增大，后視鏡引起的風阻約為整車風阻的2%～5%，圖4是某車型的風阻分析。除此之外，后視鏡對整車氣動噪聲的貢獻大，且離駕駛員較近，影響駕駛員駕駛舒適性。圖4某車型的風阻分析2.4后視鏡缺少人機交互后視鏡是人眼通過在視鏡鏡面光的反射獲取車輛周邊視野，如果駕駛員未主動觀測、或車輛周邊有突發(fā)情況，駕駛員就可能無法獲知車輛周邊的真實情況，容易造成交通事故。3電子視鏡優(yōu)勢分析電子視鏡，即用電子方式取代后視鏡，國際標準組織（ISO）稱其為攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)（CameraMonitorSystem,CMS）。圖5是奔馳Actros電子視鏡系統(tǒng)的駕駛室室外部分和駕駛室內(nèi)部分。圖5奔馳Actros電子視鏡3.1CMS系統(tǒng)構(gòu)成CMS系統(tǒng)由圖像采集、電子控制單元（ElectronicControlUnit,ECU）控制器、圖像顯示3部分構(gòu)成，如圖6。圖6CMS系統(tǒng)構(gòu)成圖像采集由攝像頭、物理防護2部分構(gòu)成。物理防護包含：防抖動、加熱、防掛水功能，主要為攝像頭提供穩(wěn)定、可靠的工作環(huán)境。ECU控制器包含：雙數(shù)據(jù)率隨機存取存儲器（DoubleData-RateRandom-AccessMemory,DDRRAM）、顏色管理、直播監(jiān)視器、圖像處理器、微控制器。圖像處理器包含硬件部分和軟件2部分，圖像處理器通過低電壓差分信號（Low-VoltageDifferentialSignaling,LVDS）驅(qū)動將圖像信息傳遞到圖像顯示部分的圖像信號處理（ImageSignalProcessing,ISP）視頻流；微控制器通過CAN線與圖像顯示部門的網(wǎng)關(guān)交互信息。圖像顯示中ISP視頻流將前端圖像信號處理，在面板上顯示攝像頭采集的畫面。通過網(wǎng)關(guān)與整車電器進行協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息交互。CMS實現(xiàn)了通過電子化元件代替后視鏡。3.2CMS改善盲區(qū)CMS攝像頭視角靈活，攝像頭的視域廣，視覺覆蓋面積更廣闊。目前，商用車CMS外置攝像頭裝置基本布置在駕駛室頂蓋，從車內(nèi)觀察車外狀況時減少了后視鏡的視線遮擋，直接視野更好。由于顯示屏布置在駕駛室內(nèi)A柱區(qū)域，駕駛員觀察顯示屏?xí)r頭部擺動角度小，觀察更方便。CMS可在車輛轉(zhuǎn)向、倒車時，根據(jù)實際情況通過軟件算法切換臨時視野顯示區(qū)域，提供比后視鏡更加寬廣的視角。在半掛牽引車轉(zhuǎn)彎時，CMS可根據(jù)掛車提供的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度，使CAN信號通過軟件相關(guān)算法切換顯示圖像區(qū)域，隨動顯示車輛的動態(tài)視野圖像，場景隨動是CMS的獨特優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)視鏡掛車轉(zhuǎn)彎時駕駛員看不到掛車兩側(cè)視野的問題。設(shè)計的基于單片機的載貨汽車后視鏡轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)，采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器數(shù)據(jù)，驅(qū)動后視鏡電機工作，調(diào)整鏡面角度、改變視野區(qū)域，而CMS是根據(jù)轉(zhuǎn)向盤角度通過軟件計算切換圖像顯示區(qū)域。CMS可通過攝像頭的像素升級、顯示器面板的像素升級提供更清晰的畫面。3.3CMS環(huán)境適應(yīng)性強CMS的攝像頭小巧，且攝像頭周邊環(huán)境殼體對其進行保護可不受雨雪天氣影響。攝像頭表面有一層疏水膜，可實現(xiàn)攝像頭無掛水現(xiàn)象，如攝像頭出現(xiàn)起霧、掛霜、結(jié)冰的情況，可通過攝像頭區(qū)域的加熱功能去除表面的霧、霜、冰層，保證攝像頭輸出的圖像清晰。在外界光線不良時，如強光、光線過暗或光線閃爍等，均會導(dǎo)致成像質(zhì)量變差，CMS通過2種方式提升成像質(zhì)量：（1）改變攝像頭參數(shù)，如調(diào)節(jié)光圈、調(diào)整曝光時間；（2）依靠圖像控制器對圖像進行處理，主動進行亮度調(diào)節(jié)，獲得清晰的視野圖像。通過顏色管理、色調(diào)映射算法、白平衡、色彩控制、銳度控制方法還原真實圖像和顏色。3.4CMS風阻貢獻小與后視鏡比，CMS外部硬件有效減小了車輛的迎風截面積，可降低風阻、減少能源消耗。通過計算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics,CFD）建模理論分析，電子視鏡較后視鏡在降低整車氣動噪聲和氣動阻力方面優(yōu)勢明顯。奔馳測試Actros車型采用了CMS后，減少油耗約1.5%，相對裝配后視鏡的車型，在車輛生命周期內(nèi)，運營成本降低明顯。3.5CMS交互更人性化基于CMS的傳感器和處理器，如果駕駛員觀察不到位，系統(tǒng)會通過顯示屏上方的警示燈以及語音提示進行提醒，遇到緊急情況時還會通過必要的緊急制動實現(xiàn)更理想的安全保證。CMS可擴展作為自動駕駛的“眼睛”，實時監(jiān)控路況并結(jié)合人工智能實時處理數(shù)據(jù)并進行反饋，優(yōu)化駕駛員的駕駛習(xí)慣，保證駕駛安全。CMS同時具備車輛周邊環(huán)境的監(jiān)視功能，夜晚停車如遇到駕駛室外有異響，在不拉開駕駛室窗簾的情況下，可直接啟動CMS觀察車外情況，省去開窗或下車等繁瑣動作。3.6CMS成本逐步降低CMS需要滿足車輛使用環(huán)境，同時拍攝效果、成像效果、顯示效果的要求很高，這勢必增加整車成本。但隨著CMS在商用車市場逐漸推廣、普及，以及電子攝像頭、處理器芯片、顯示屏技術(shù)的快速發(fā)展，CMS成本會有一定程度的下降。4CMS市場需求CMS的市場需求主要來源于2個方面：（1）商用車駕駛員對視野盲區(qū)改善、特殊天氣視野的需求；（2）對商用車整個生命周期降低風阻、降低油耗的需求。4.1駕駛員視野需求駕駛員常常會遇到以下情景：由于視鏡盲區(qū)導(dǎo)致的車輛事故，嚴重危及人員的生命安全，事故較輕的也會涉及車輛維修，同時降低車輛的出勤率，造成一定的經(jīng)濟損失；下雨天氣特別是大到暴雨時，車窗玻璃、后視鏡鏡面一直處于雨水擊打、存在雨幕的情況，駕駛安全無法得到保證，變道、轉(zhuǎn)彎存在未知性，極易造成安全事故。CMS可以在惡劣天氣通過駕駛室內(nèi)顯示屏提供間接視野，提高了環(huán)境適應(yīng)性。4.2整車降油耗需求整車燃油消耗是車輛生命周期內(nèi)除車輛購置費外最大的費用支出，任何降低油耗的技術(shù)均會是車輛生產(chǎn)企業(yè)和用戶的選擇，同時符合國家對油耗限值節(jié)能減排的趨勢。5CMS發(fā)展現(xiàn)狀商用車行業(yè)正在大力推進CMS的技術(shù)研發(fā)、市場應(yīng)用，本節(jié)主要分析CMS的發(fā)展現(xiàn)狀。2016年漢諾威車展上，奔馳在UrbaneTruck純電動概念卡車上首次展示了CMS；依維柯在其概念車上裝配了CMS；德國曼公司在TGX牽引車上裝配了CMS。2018年漢諾威車展上，奔馳在新Actros、新Arocs多個車型上裝配了CMS，同年奔馳CMS在Actros、Arocs系列重卡上開始批量生產(chǎn)交付。2021年7月，德國曼公司CMS在TGX、TGS、TGM、TGL系列重卡批量生產(chǎn)交付。2021年6月達夫公司CMS在XF、XG車型批量生產(chǎn)交付。沃爾沃、斯堪尼亞均有裝配CMS車型的量產(chǎn)交付。CMS技術(shù)的可靠性已經(jīng)通過了驗證，進入了商業(yè)化的應(yīng)用。2022年，奔馳發(fā)布新一代電子視鏡系統(tǒng)-Mirror-Cam2.0。德國曼公司發(fā)布新的電子視鏡系統(tǒng)-OptiView。目前，國內(nèi)商用車企業(yè)也在進行CMS的相關(guān)研發(fā)，但大部分處于技術(shù)開發(fā)、迭代優(yōu)化、產(chǎn)品試制試驗階段，并無小批量生產(chǎn)。6CMS法規(guī)環(huán)境歐洲法規(guī)ECER46-2016《關(guān)于批準后視鏡和就后視鏡的安裝方面批準機動車輛的統(tǒng)一規(guī)定》頒布確認允許CMS替代后視鏡合法上路。2017年6月，日本作為UN-ECE成員國采用了ECER46，CMS在日本可以合法上路。美國后視鏡法規(guī)FMVSS111規(guī)定車輛必須配備物理后視鏡，尚不允許用CMS替代后視鏡。2019年7月，中國汽標委車身附件分委會對GB15084《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》CMS擴標啟動了工作組會議。2020年3月，GB15084標準起草工作組發(fā)布了《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》征求意見稿，包含了CMS的相關(guān)術(shù)語定義、技術(shù)要求、試驗、安裝要求。2022年12月29日，GB15084—2022《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》增加了CMS的法規(guī)標準。7CMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議7.1法規(guī)完善世界領(lǐng)先的商用車企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)CMS量產(chǎn)，并得到了市場的驗證與認可，技術(shù)層面已完全成熟，成本方面隨著量產(chǎn)、零部件企業(yè)相繼投入研發(fā)，CMS生產(chǎn)成本會逐漸下降。法規(guī)層面應(yīng)盡快將CMS納入標準，完善認證流程，可以極大地激活、推動CMS的商業(yè)化應(yīng)用，充分挖掘整車企業(yè)和零部件的研發(fā)潛力、技術(shù)升級。CMS合規(guī)同時可推動國內(nèi)企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品，參與國際市場競爭。7.2專利布局分析了CMS專利國外主要的競爭對手有奧迪公司、康諾特電子、梅克朗等，且涉及CMS的諸多核心技術(shù)，目前國內(nèi)企業(yè)的專利主要集中在圖形用戶界面、調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等非完全核心技術(shù)。中國的商用車企業(yè)和零部件企業(yè)，應(yīng)加大對CMS的研發(fā)，同時開展對標研究，打破國外企業(yè)設(shè)置的專利壁壘、技術(shù)壁壘、商業(yè)壁壘。7.3商業(yè)推廣CMS在駕駛安全、智能駕駛方面有重要作用，同時在降低風阻、噪聲、能耗方面有較大的貢獻，與目前中國提出并推動的“碳達峰”與“碳中和”戰(zhàn)略相匹配，政府機構(gòu)、行業(yè)協(xié)會、整車企業(yè)應(yīng)加以引導(dǎo)和應(yīng)用。因CMS研發(fā)、生產(chǎn)投入高，