自动驾驶汽车如何隐藏各种传感器?

admin 2022年6月21日21:23:33IoT评论5 views5657字阅读18分51秒阅读模式

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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。


自动驾驶汽车如何隐藏各种传感器?

车载传感器应用越来越多
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。

自动驾驶汽车如何隐藏各种传感器?

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。

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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。
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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。
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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。

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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,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。
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再比如这个,放在格栅的一侧,可以说非常丑了。
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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。
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?
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
自动驾驶汽车如何隐藏各种传感器?马瑞利的Smart Corner前大灯概念
自动驾驶汽车如何隐藏各种传感器?马瑞利Smart Corner尾灯概念
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。
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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。
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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。
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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。

来源:智驾最前沿



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  • 本文由 发表于 2022年6月21日21:23:33
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