自动驾驶汽车如何隐藏各种传感器？

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2022年6月21日21:23:33评论22 views字数 5657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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原文始发于微信公众号（谈思实验室）：自动驾驶汽车如何隐藏各种传感器？

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  • 本文由 发表于 2022年6月21日21:23:33
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