自动驾驶汽车的传感器布置和隐藏方案探析
2020-07-29 19:51来源:我爱汽车网阅读量:

随着汽车自动驾驶、电动化、网联化的发展,汽车上的各种传感器需求也越来越多,从最早的超声波雷达,到现在的毫米波雷达,激光雷达;从以前的倒车影像摄像头,到做自动驾驶辅助用的高分辨率摄像头;从以前的传感器主要集中在车辆前后部,到现在遍布整个汽车周围,可以说,未来的汽车,本身就会是一个行走的大传感器。

车载传感器应用越来越多
  1. 传感器布置的困局

保险杠是汽车上最主要的外饰件,最早的外部传感器的集成就是在前后保上,比如用于倒车的前后超声波雷达,倒车摄像头等。大家也肯定注意到过,前后保险杠上都会有一排孔或者突出物,比较均匀地分布在保险杠上,这就是一般用来倒车用的超声波雷达了。

随着自动驾驶的不断发展,消费者对AEB,ACC等主动安全功能需求的提升,传统的超声波雷达因为探测距离短,探测角度小,无法满足主动刹车,自适应巡航等功能需求。这种情况下,毫米波雷达应运而生。在前保险杠下格栅的中间,有一块封闭起来的矩形部分,雷达就安装在后面。

另一块就是L3自动驾驶需要的激光雷达了,类似A8的布置,在前格栅下部的位置。为了布置雷达,格栅饰条之间的间距还进行了新的设计。

奥迪A8激光雷达及其布置

对于更高阶的自动驾驶,目前大家对激光雷达的布置都是采用外置的形式。

对于这种布置形式,有些人认为,自动驾驶汽车的形态就应该与传统汽车有所区别,其中一个就是传感器不再是被隐藏的,而应该是外漏的,这应该成为自动驾驶的汽车,这种观点以拜腾为代表,其概念车的设计也明显地支持了他们的观点。

对于目前的各种解决方案,首先是因为各种雷达对于穿透车身上各种零件的衰减有性能要求,不能太高,因为太高会损伤雷达探测的精度。所以,我们看到各种雷达要么是外漏的,要么用不带油漆装饰的皮纹件进行简单遮挡。这种设计,我个人观点是,美学上是不过关的。不过这是技术上的妥协,毕竟,安全最重要。你可能会问,难道就没有更好的解决方案吗?既能隐藏各种传感器,且能满足透雷达波的要求?我们往下看。

对于保险杠,其实没有太多的地方供我们布置毫米波,激光雷达这种大家伙。如果一个车型格栅分上下,如上图中的领克,那么简单,布置在下格栅中部位置即可。其他的呢,主机厂也各显神通。比如这个,布置在格栅的两侧,但是对格栅的整体性,美观程度影响比较大。

再比如这个,放在格栅的一侧,可以说非常丑了。

这样功能是满足了,但是不符合审美,怎么办?就没有更好的解决方案了?基于这种需求,大家开始在保险杠上找位置,看还有哪里能布置呢?这时候有人发现,能不能放在中间的车标后面啊?那么大一个位置,空着怪可惜的?我想说,你TM就是个天才!但是,问题又来了,大家知道,各家的车标,主机厂为了追求bling bling的效果,一般都是镀铬亮银色,雷达波这玩意儿,因为电磁屏蔽效应对金属过敏,无法穿透,大家又一下子陷入了死胡同。这个时候有一个人跳出来说,我知道有一种金属,可以做亮银色,而且也可以透雷达波,要不我们试试?这一次,他们成功了,开发出来了既兼容雷达波,又能满足镀铬外观的效果,接下来仔细讲一下这种车标以及其他隐藏方案那些事儿。

2.毫米波雷达隐藏的方案

  • 毫米波雷达车标

先来看看我们常见的毫米波雷达车标什么样?

丰田合成给各主机厂开发的雷达罩车标

我们以雷克萨斯这种亮银色+黑色的雷达罩车标作为例子简单说明一下。如下图所示,整个车标分成了四部分。最外侧,浅蓝色部分,一般为聚碳酸酯材料(PC)。一般地,为了满足外饰件耐刮擦的性能要求,其表面还需要用有机硅做加硬处理,和汽车大灯Lens类似的工艺。橙色部分,即车表中L型字标部分,是一层有稀有金属铟(Indium)合金通过蒸镀(PVD)工艺形成的镀层。黑色部分,可以使双色注塑的黑色塑料,也可以是丝网印刷的黑色油墨层。灰色部分,是整个车标的骨架,用来与格栅,保险杠进行安装连接。对于毫米波而言,塑料和复合材料大部分是低损耗介电性能,对于雷达波的衰减很小。对于一般的金属材料,具有电磁屏蔽的特性,雷达通过性很差。所以,传统的车标上采用镀铬工艺,就不那么适合了。

用于ACC功能的毫米波透波车标结构

前面说了,对于毫米波透波车标而言,其亮银色部分是金属铟通过PVD工艺蒸镀附着在产品上的。通过字面看,铟也是金属啊,为什么可以透雷达波呢?难道金属铟没有电磁屏蔽的效果吗?要回答这些问题,我们就要通过研究这个铟层的微观结构。

准确的说,车标雷达罩上的亮银色不是百分之百的纯银,往往是含有5%左右银的银铟合金,因为纯的铟颜色是银白色略带蓝色,与镀铬的效果还是有差异的,为了满足外观的要求,需要加入银进行调色。

金属铟

再说PVD工艺,PVD为physical vapor deposition的缩写,即物理气相沉积。其实这个工艺制造的产品每家都有,而且每天几乎都用,就是我们常用的电视面板,其玻璃基板上用于光学显示使用的材料也和铟有关,是ITO材料,也是通过PVD工艺将ITO材料附着到玻璃基板上的,这里不细说。

简单来说,PVD就是把原材料,银铟合金靶材,通过特殊的装置,让其从固态变化为气态,这种转变可以通过加热,电子束,激光等,故而也分蒸镀,电子束蒸镀等。铟合金变成气态后,充满如下所示的整个装置,我们一般叫釜,在釜中,我们会尽可能的做到气态合金分布均匀,以便其可以均匀地镀到透明基材上。所以PVD工艺的优点就出来了,一是镀层均匀,二是可以满足造型上尖锐的圆角。

PVD工艺设备

那么,铟合金在PC表面形成镀层后,为什么能够透雷达波呢?

研究发现,通过电子显微镜观察铟合金通过PVD工艺在树脂基材表面形成的镀层,微观上为一种“岛”状结构,如图所示。正式这种结构,大大降低了其对毫米波的衰减率。目前国内外对深层次的机理研究并不是很清楚,通过有限的资料,我们得出的大致原因如下:传统的镀铬层,产品表面形成的是致密的光亮镀层,这种镀层电阻率低,导电性良好,从而对电磁波形成了电磁屏蔽,使得雷达波难以穿透。而铟层的岛状结构,是一种不连续的薄膜结构,孤立的岛之间,没有连接或者某些区域因为镀层质量不佳而形成连接,但是整体表现出一种绝缘的,不导电的特性,从而没有传统金属的电磁屏蔽效应,最终保证了较低的毫米波衰减率,成为了一种可以透波的金属材料。

另外,根据一些雷达罩车标企业的观点,他们的经验是铟层的表面电阻需要大于20兆欧,才能保证较好的雷达波穿透性。进而他们认为,雷达波的衰减率与金属层的电阻有关,铟层的岛状结构,能够有效提升金属层的的电阻,从而使得铟层雷达波穿透率提升。

铟层的岛状结构
  • 毫米波雷达格栅

除了这种可以透波的雷达罩车标,因为结构,造型的需要,有一些车型采用了封闭式格栅,比如日产Leaf,通用Bolt等。这类车型,一般地,其雷达位于格栅后面,故而格栅也需要透雷达波。如图所示日产leaf的前格栅即为一种可以透雷达波的格栅,结构和工艺与车标类似,不过leaf采用了蓝色透明的PC材料而且Lens设计了3D的特殊菱形造型,加上背面PVD形成的铟层镜面效果,看上去非常酷炫,国内也有一些车型模仿这个造型。不过因为PVD工艺原材料及制造成本都非常昂贵,对于车标还好,这么大的格栅,大家都还是比较吃力的,所以目前也有主机厂在主推背面油漆的方案。油漆的方案,因为其无法像PVD那样形成均匀镀层,反光效果比较差是一个比较大的问题。对于雷达波的衰减,只要不是金属漆,问题不大。

leaf 封闭式透波格栅,由海拉研发制造
  • 雷达集成车灯

对于车辆前部,还有一种解决方案就是把传感器集成到车灯里,形成一个模块,这样也可以很好地达到隐藏的目的。这种方案的提倡者当然是各种车灯厂了,比如马瑞利提出的Smart Corner概念,将固态激光雷达,摄像头与前大灯集成,将毫米波雷达和摄像头与尾灯集成。详细介绍可以看汽车之家这篇报道。用“灯”去看?马瑞利Smart Corner概念 不过目前这种方案市面上还没有看到量产的案例。

马瑞利的Smart Corner前大灯概念
马瑞利Smart Corner尾灯概念

以上是一些常见的隐藏雷达的方案,我们接下来我们再一起看看,各个供应商对于隐藏雷达有什么想法和见解。

3. 供应商的对策

  • 彼欧

以彼欧为例,作为全球最大的保险杠生产制造商,早在2017年,彼欧就发布了其智能保险杠和智能尾门解决方案。并且,在2018年彼欧完成对HBPO的全资控股,推出智能前端模块解决方案。在未来,彼欧将致力于智能车身模块的研发,为各主机厂提供适应时代发展的解决方案。

彼欧的智能保险杠概念原型
彼欧智能前格栅概念

可以看到,彼欧的未来产品方向,不仅包含了我们现在讨论的对ACC雷达,除霜功能,主动式扰流等功能的集成,而且包含了我们后面要讲的智能交互和发光的需求。

  • 海拉

海拉由于本身是雷达的供应商,又一直在做车灯,所以对于毫米波雷达车标和格栅早有研究,上文提到的日产leaf的毫米波雷达格栅就是海拉开发的产品。另外,奔驰的毫米波雷达车标也是海拉开发的,另外其也帮助奔驰S600开发了全球首款带加热除冰功能的毫米波雷达车标,如图所示。

中间黑色面板为毫米波雷达罩
  • 丰田合成

上面那一面墙雷达车标就是丰田合成开发的产品,从这个意义上讲,丰田合成是这个领域的老大。未来的发展方向是将雷达波标牌与发光格栅结合,如图所示是其在今年的东京车展上发布的前格栅模块概念。

丰田合成智能前格栅模块概念

以上是全球一些主要的保险杠,车灯,格栅供应商的一些发展方向,我们从中可以看到各家也都是在思考未来对于雷达,摄像头,车灯等方面的集成方法和方向的。

汽车四化带来的学科交叉应用对于汽车整车和零部件研发带来的影响正在逐步重塑这这个行业。对于外饰,内饰行业也是一样,下面我们谈谈对于汽车外观件,主要是外饰件方面的影响。

4. 自动驾驶时代对汽车外观件的挑战

我这里不说外饰件,而特意说外观件,因为目前雷达的布置,不仅仅在前后部区域。在车的侧面,诸如翼子板区域,以及车顶区域,也有布置激光雷达的需要。

自动驾驶样车示例

因为这些区域传统的设计均为金属钣金,无法对雷达进行隐藏,当然这也有目前雷达尺寸还比较大的问题。如果未来我们解决了激光雷达的尺寸的问题,那么对于雷达的隐藏需求自然会被提出来。根据我们前面的介绍,显然金属材料是不合适的,挖孔也不行,我认为唯一的解决方案是外观件塑料化。下面是我的几个设想,基本上也都有主机厂和供应商在尝试和推进。

第一个是开闭件的塑料化,主要是四门两盖。这个里面尾门的塑料化已经非常成熟,传统燃油车的前机盖因为发动机高温的影响,应用不多,但是随着汽车电动化的趋势,相信后续会越来越多。这里面目前还比较少的是车门的塑料化,我个人的想法是,车门在整车的Y向还是有一定的空间的,如果我们再挖一挖挤一挤,应该还能找到布置雷达,摄像头的空间。如果要布置雷达,那么车门外板就必须塑料化,去除金属的电子屏蔽效应。目前彼欧与博泽已经开始联合研发新型车门系统,CSP与帝人也在开发复合材料车门系统,预计2025年商业化。车门塑料化,对于主机厂和工程师,以及用户都有挑战。对于主机厂和工程人员,如何满足或者重新设定车门的性能指标,培养用户习惯和认知,都是需要时间。对于用户,车门塑料化带来全新的车门开闭体验,包括力学的,声学的,以及整车NVH的变化,都是需要时间去适应。当然我并不认为这方面壁垒非常大,比如宝马i3,奇瑞小蚂蚁等车型都是框架式的,车门外板是塑料的车门。

第二个是塑料翼子板。塑料翼子板的应用其实非常早,比如标致307,三菱劲炫等。但是这种在线涂装的翼子板方案,由于使用的PA+PPO这种耐高温的特种材料特别昂贵,最终受益于成本不相匹配,目前逐渐被主机厂舍弃。未来主机厂如果需要使用塑料翼子板来兼容雷达,很可能倾向于采用类似保险杠蒙皮一样的离线涂装的方案,翼子板在总装进行装配。无论是离线还是在线的方案,对于主机厂的挑战是一样的,尺寸匹配,行人保护。翼子板是车门,引擎盖,大灯,保险杠,轮眉等多个零件交叉的区域,尺寸匹配难度非常高,塑料件本身变形又比较大,所以在后期生产过程中会比较痛苦。另外,设计上也有平衡自身的刚度和行人保护,也是一个难点。

第三个是B柱盖板。大家知道,特斯拉 模特3 B柱盖板上集成有人脸识别功能。这块盖板正面是玻璃,背面是摄像头和支撑骨架结构。如果我们仔细看特斯拉的方案,就会发现这种方案并不完美。为了满足面部识别的要求,摄像头位置上玻璃没有进行印刷处理,看上去是透明的,比较突兀,如图所示。

特斯拉 Model 3 B柱盖板

另外,福特最新发布的Mach E车型,也带了一个智能B柱的产品,不过其主要是按钮和触摸密码按键的方案。

福特Mach E 智能B柱盖板方案

可以预见,在成本控制得比较理想的情况下,未来会有越来越多的车型采用这种比较新颖的车门解锁方式,形成新的产品卖点来吸引客户。对于外观件,主机厂不再是简单的一种装饰件,而赋予了其比较复杂的功能要求,这对于传统的外饰件供应商是有挑战的。所以,如果我们留心周边的情况的话,目前主要的外饰件主机厂,都是横向进行拓展。比如麦格纳,不断拓展自己在光学方面的能力,彼欧先后与海拉和博泽进行合作,自己也组件了电子软件类的团队,进行智能尾门和保险杠的开发,SMP也在光学,电子产品的集成方面下功夫。

最后,做一下总结,对于传感器的布置和隐藏,超声波雷达因为其机械波的特性,无法进行隐藏。毫米波雷达目前有比较成熟的隐藏方案,但是激光雷达目前没有特别好的解决方案,量产的方案都是外漏布置。自动驾驶的不断推进,传感器的增多,对于汽车外观件的技术路线会产生非常大的变化,我预期未来外观件塑料化的速度会加速。这种塑料化以及主机厂对于外观件新功能的赋予,给外观件带来了新的挑战,这就要传统的外饰件供应商,通过联合不同的合作伙伴,科研机构,院校加速新技术的研发,提升自己的能力,以适应未来的竞争环境。对于我们工程师而言,要加强学习新的知识,不能因为说自己是外饰或者内饰领域的,而不关心自动驾驶的东西。整个行业的变局,我们都在其中,无法逃避,只能快速的适应,这样才不会被失业,被淘汰。


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