提高无人驾驶安全性，高精度传感器最关键_专栏

无人驾驶汽车在城市中穿梭行驶的时代已不再遥远。作为在高龄化社会中确保安全的移动工具、减少交通堵塞及事故等诸多社会问题的解决方案，无人驾驶汽车的实际应用被寄予了厚望。然而，使用机器设备代替驾驶者高难度的驾驶操作并非易事，实现离不开对先进技术的应用。

作为实现自动驾驶汽车的关键技术之一，人工智能（AI）的运用受到了广泛的瞩目。AI的进步令人为之惊叹，其判断行驶环境的准确度已经非常接近人类。但是，无论功能多么强大的AI，如果从传感器获得的行驶环境的数据有误，就不能作出准确的判断。

高精度传感器的运用可谓实现安全的无人驾驶汽车的首要前提。村田制作所目前正致力于开发惯性传感器，以确保即使在接收不到全球定位系统（GPS）信号的地方，或摄像头和雷达不能完全发挥作用的恶劣环境下，传感器也能正确判断汽车的位置和方向。

高精度传感器是提高无人驾驶汽车安全性的首要前提

目前，安装有自动保持行驶车道的高级驾驶辅助系统（ADAS）的汽车已进入市场，无人驾驶汽车的实现离不开ADAS技术的进一步升级，但这也要求技术必须实现飞跃性进步。在ADAS方面，确保安全的责任始终由人来承担，而系统则起到全面辅助作用。相对地，符合美国SAE¹规定的4级以上标准的无人驾驶汽车中，针对操作的判断则由系统来完成。

汽车的行驶环境多种多样，其中还可能包括隧道中、浓雾中、尚未整修的道路等难以判断情况的环境。为了在这些环境中也能安全行驶，无人驾驶汽车中安装了GPS、摄像头、雷达等各种收集行驶环境数据的传感器。在这些多种多样的数据收据方式中，用于检测汽车的姿态与方向并正确规划行驶轨迹的，便是惯性传感器。

该传感器的作用在于收集数据，以防在隧道等无法接收GPS信号的场所，或者摄像头和雷达不能完全发挥作用的情况下，汽车在行驶时不会超出车道并撞到并行的车辆或护栏等。

力求实现在任何环境下都能安全行驶的无人驾驶汽车

村田的惯性传感器采用了尤其适合实现高精度化的元件结构。作为控制汽车姿态的传感器，惯性传感器在以往的汽车中也已得到运用。然而，为了使其适用于无人驾驶汽车，就需要进一步提高其精度、安全性及性能。

通过脚踏实地地反复进行公路测试，村田目前正致力于开发更加高精度化、安全及可靠的惯性传感器。

从元件级别到系统级别，集结各领域技术以提高安全性

相对于以往的应用领域，用于无人驾驶汽车的惯性传感器需要具备更高的精度、安全性和可靠性。要想实现这一点，就必须突破重重难关。

对此，我们向正在开发无人驾驶汽车车载惯性传感器的村田的工程师们询问了村田的传感器的特征，以及为实现今后传感器的进一步升级而进行的技术开发工作的进展情况。

采用注重精度的体微加工MEMS²型结构

村田的惯性传感器具备哪些有助于提高无人驾驶汽车安全性的特征呢？

检测加速度和角速度等物体状态和动作的MEMS惯性传感器包含表面MEMS和体微加工MEMS两种类型。其中，表面MEMS型的结构适用于实现小型化，多用于智能手机摄像头的防抖功能等。而体微加工MEMS型的结构则适用于实现高精度化。村田的开发工作主要集中于体微加工MEMS型。

在MEMS惯性传感器中，元件中的可动传感部分会根据物体的动作进行机械运动，并通过将该运动转换为电信号来检测加速度和角速度。在表面MEM型中，传感部分厚度较薄，为10至20μm³，可接收的来自机械运动的信号较微弱。因此，就需要在电路端大幅增加信号幅度，这样一来就会使导致噪声变得较明显。

相比之下，体微加工MEMS型则将晶圆刻蚀到40μm以上，形成较大的三维结构传感部分。因此，与表面MEMS型能够接收的信号相比，体微加工MEMS型可在元件级别准确输出较强的信号，可用于制造出低噪声、高感度、高稳定性的惯性传感器。上述体微加工MEMS型固有的特征极其适合运用于注重高安全性、高可靠性的无人驾驶汽车领域。

MEMS工艺

符合用于汽车的可靠性、性能安全规格

――村田的惯性传感器目前已被应用于哪些领域中了呢？

目前的应用领域包括机床机械臂的位置检测、工业机械、农业机械、建设机械的姿态控制等。在汽车领域，为了提高操作的安全性，在检测车辆不稳定的状态并稳定车身的系统（ESC），以及防止紧急制动时车轮抱死的ABS等方面也运用了惯性传感器。

――惯性传感器需要满足哪些条件才能用于车载呢？

用于汽车的惯性传感器需要具备比用于工业机械的惯性传感器等更高的安全性和可靠性。因为如果发生事故，就极有可能涉及人身安全问题。而且，还需要确保惯性传感器在高温或低温环境下，或在受到震动和冲击时也不会出现错误操作。此外，还必须针对性能安全采取相应对策，保证即使发生意外情况也不会降低惯性传感器的安全性。

村田的车载惯性传感器符合上述所有条件。该传感器符合车载用集成电路的可靠性测试认证标准AEC-Q100，并且，村田的组合传感器还达到了规定汽车性能安全的ISO 26262规格所定义的安全标准ASIL B。在此基础上，我们还完善了体制，以进行满足客户需求的可靠性测试和特性评估。

确保100%的可追踪性

――原来用于汽车的传感器需要符合这么严格的安全性和可靠性标准啊

不仅如此，就车载传感器而言，其制造工厂的生产体系也需要达到业务连续性计划（BCP）的要求，以确保在发生地震、火灾、水灾等灾害时也能持续供应。村田的惯性传感器的生产主要集中于加盟工厂，不过金泽村田制造所的工厂现在也已作为第二生产据点，正在扩充主力产品的量产线。

除此之外，我们还实现了100%的可追踪性。通过建立全面到位的售后服务体制，可以确保即使产品在投放市场后出现故障，也能迅速采取故障分析等适当的措施。通过产品序列号就能确定制造时哪个晶圆的哪个位置的芯片出现了故障，因此可以明确掌握其对于产品的间接影响。在客户方出现产品质量问题时，可以将影响有效地控制到较低限度。

深入开发传感器的利用技术，强化安全性

――为了实现无人驾驶汽车，你们正在通过哪些技术开发工作来提高惯性传感器的安全性和可靠性呢？

首先，为了提高惯性传感器元件本身的精度，必须在结构设计上下一番工夫。另外，对于从接收自传感器的信号获取检测位置的必要信息时的信号处理，也需要实现可应用于无人驾驶的高精度，以及可承受恶劣环境的稳定性。

在信号处理方面，我们还进行了安全性和可靠性方面的处理，确保在接收自传感器的信号中掺杂了异常信号时，可以判断是应该将其作为噪声忽略，还是作为错误处理。为了进行适当的处理，我们需要开发一套处理方法，在考虑所使用的传感器的特性的基础上，确保能够满足客户提出的技术要求。进行这些信号处理的半导体晶片（ASIC）和固件都是由村田独自开发的。

在性能安全方面，也需要加大开发力度。惯性传感器是正确了解汽车位置和方向所不可或缺的元件，必须要确保其性能万无一失。因此，客户会制作将多个惯性传感器安装在一起的冗长结构的惯性测量单元（Inertial Measurement Unit：IMU），以保证其中一个传感器出现问题时整体性能不会失灵。实际安装到汽车上时，有时可能也需要将安装了村田的传感器的控制模块和其他模块组合到一起整合系统。我们需要将这种利用方法也考虑在内，理解运用传感器特性的使用方法和信号处理，以及客户的使用方法，努力制造便于使用的传感器。

通过在公路上的实际测试，提高加强安全性的技术

――为安全的无人驾驶汽车提供辅助作用的传感器的开发原来不仅限于元件呢。为了实现更加安全的系统，你们正在进行哪些工作呢？

我们使用已经开发的惯性传感器试着制作了IMU，并将其实际安装到汽车中，然后在芬兰进行了公路测试。目前我们正在验证测试效果，同时正在加强元件和系统的开发。

在实际测试中，我们让汽车在高速公路上以时速80km，在一般公路上以时速40km行驶，其间反复GPS开启20秒、关闭10秒的过程，以验证仅依靠惯性传感器让汽车自行行驶时会产生多少误差。目前，我们已检测出汽车即使在关闭GPS的状态下自行行驶，在高速公路上的实际位置误差能保持在30cm之内，而在路面状况较差的一般公路上也能保持在50cm以内。也就是说，这种误差不会超出车道范围。

使用惯性传感器的IMU实际测试

但是，即使已经证实汽车可以在10秒内自行行驶，也还不能将惯性传感器运用于无人驾驶汽车。因为在现实的道路上，会有一些地方在很长一段距离内都接收不到GPS信号。

比如，首都高速公路中央环状线上的山手隧道全长约18km。即使事先设想了在遇到危险情况时汽车会靠到路肩避难或紧急停止，仅依靠惯性传感器进行无人驾驶的精度也至少需要保持数公里。换算成时间的话，仅依靠惯性传感器自行行驶时，至少需要维持几分钟的时间。另外，实际行驶时会接收许多外界干扰噪声，对于这一点也必须采取相应措施。

针对无人驾驶的技术将带动其他领域的革新

――今后，村田的惯性传感器会实现怎样的进步，并会在哪些领域中扩大应用范围呢？

刚才提到了山手隧道，如果仅依靠惯性传感器行驶完全程，需要汽车能保持10分钟以上的高精度位置检测。就算使用价格不菲的航空器用光纤陀螺，也不能保证能否实现这一点。我们目前考虑的方法是提供可达到这种精度并且价格合理的MEMS惯性传感器，为此我们将不懈努力。

此外，我们认为随着无人驾驶汽车的普及，运用于其中的技术在成熟后也可以带动农业机械和建筑机械的革新。实现无人驾驶后，农业机械就能减少机体体积，并根据农作物的生长状况和耕地状态进行极为细化的农业生产。我们在今后的技术开发过程中也会考虑到这些无人驾驶汽车技术在其他领域的应用。

推广高精度传感器技术的利用，为解决社会问题贡献力量

我们预感在不久的将来，无驾驶员的完全无人驾驶汽车将作为生活、商业及社会活动的辅助工具得到普及。但是，在此之前还有许许多多的技术难题有待解决。其中一个难题就是惯性传感器的高精度化、安全性和可靠性的提高。

负责开发惯性传感器的村田的技术人员们将继续提高技术，通过提供高精度、便于使用的传感器为社会发展作出贡献。对于村田推动无人驾驶汽车进步的技术开发，今后也请拭目以待。

备注说明：

SAE为Society of Automotive Engineers的缩写，是推进各种交通工具的标准化的非营利组织。SAE以系统控制驾驶的程度为标准，将无人驾驶汽车中的驾驶控制技术分为从0级（完全为人工操作）到5级（完全为系统操作）这6个阶段。
MEMS即Micro Electro Mechanical Systems的缩写，是使用半导体处理技术制成的、具有三维精密结构的机械系统。应用于传感器时，需先制造可产生机械运动的精密结构，然后将该运动转换为电信号，并通过信号强弱及变化检测动作。除传感器之外，MEMS技术还被用于制造显示器的显示元件和高频率部件。
市场上的一般值.

来源： Murata村田中国