融合多重汽車環(huán)境感知能力，ADAS打造安全駕駛環(huán)境

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)系結(jié)合影像感測(cè)、雷達(dá)、信號(hào)處理及網(wǎng)絡(luò)通訊等方案，為汽車增添危險(xiǎn)情境判斷能力，并提供駕駛?cè)藢?shí)用的輔助或警示功能，甚至讓汽車主動(dòng)對(duì)障礙物做出煞車與閃避動(dòng)作，有助將人為駕駛疏失減至最低程度，提高行車安全。

試想當(dāng)汽車行駛在郊區(qū)公路上，忽然有人或動(dòng)物從路邊跑出來(lái)時(shí)，一般狀況下駕駛已來(lái)不及放掉油門(mén)并把腳移往煞車踏板緊急煞車，但是車子卻自己及時(shí)煞住而免掉一場(chǎng)致命的車禍。這種具有高度智慧的汽車已開(kāi)始進(jìn)到人們的日常生活中。

汽車電子技術(shù)在過(guò)去30年里不斷加速演進(jìn)，各類車型的動(dòng)力及操控性能也在這段期間內(nèi)得到大幅的提升。一些先進(jìn)的安全控制系統(tǒng)如防死鎖煞車系統(tǒng)(ABS)和電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)(ESC)等也陸續(xù)被導(dǎo)入。同時(shí)，隨著各種車輛四周環(huán)境感測(cè)系統(tǒng)的演進(jìn)，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)也開(kāi)始快速搶進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)。

根據(jù)內(nèi)政部統(tǒng)計(jì)，2013年造成人員傷亡之道路交通事故(A1及A2類)共計(jì)二十七萬(wàn)三千四百四十九件；其中A1類交通事故肇事原因，以駕駛?cè)宋醋⒁廛嚽盃顟B(tài)占20.4%名列第一，駕駛?cè)宋匆酪?guī)定讓車占12.9%次之，酒醉(后)駕駛失控占12.5%居第三。這三類肇事原因均可歸類為人為疏失，足見(jiàn)如果車輛能在行車途中遇有危險(xiǎn)狀況時(shí)，適時(shí)對(duì)駕駛提醒或直接介入以避免車禍發(fā)生，將可大量減少因車禍導(dǎo)致的人員傷亡。

降低人為疏失風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)煞車技術(shù)受矚目

ADAS依據(jù)對(duì)駕駛的實(shí)際影響可區(qū)分為兩大類：安全警示系統(tǒng)與主動(dòng)安全系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，安全警示系統(tǒng)指的是非介入式安全輔助，利用影像顯示、燈號(hào)或警示音等方式，讓駕駛可以確實(shí)掌握汽車周圍環(huán)境，進(jìn)而協(xié)助駕駛避免事故的發(fā)生。主動(dòng)安全系統(tǒng)則是依據(jù)汽車周圍環(huán)境信息，在需要時(shí)介入行車操控功能，進(jìn)一步保障乘客與行人的安全。

安全警示系統(tǒng)

安全警示系統(tǒng)系利用攝影機(jī)、雷達(dá)(Radar)、激光雷達(dá)(LiDAR)、超音波偵測(cè)等方式(圖1)，將汽車周圍的信息以多種不同接口有效地提供給駕駛。以圖像處理為例，駕駛輔助系統(tǒng)可將倒車影像或全景影像利用車內(nèi)的顯示器呈現(xiàn)。



圖1 汽車周圍環(huán)境感測(cè)裝置

圖像處理的進(jìn)一步應(yīng)用則是影像辨識(shí)，現(xiàn)有技術(shù)可對(duì)行車周遭的物體如車輛、行人、障礙物與各種交通號(hào)志進(jìn)行辨識(shí)，當(dāng)有安全疑慮時(shí)，系統(tǒng)可藉燈號(hào)或警示音提醒駕駛采取必要的防范措施。這一類系統(tǒng)可由下列幾項(xiàng)應(yīng)用作為代表：車道偏移警示系統(tǒng)(Lane Departure Warning System, LDWS)，當(dāng)車輛太靠近車道線時(shí)發(fā)出警示音，提醒駕駛將車子拉回車道中央；前方碰撞警示(Front Collision Warning, FCW)，當(dāng)與前車距離小于容易發(fā)生碰撞的門(mén)坎值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警示音提醒駕駛與前車保持安全距離；盲點(diǎn)偵測(cè)(Blind SpotDetection, BSD)，一般后視鏡都有駕駛看不到的盲區(qū)，BSD系統(tǒng)可協(xié)助駕駛偵測(cè)進(jìn)入后視鏡盲區(qū)的車輛，進(jìn)而在變換車道前提醒駕駛是否有潛在的危險(xiǎn)。

主動(dòng)安全系統(tǒng)

前述輔助系統(tǒng)都只是將汽車周圍狀況提供給駕駛或啟動(dòng)警示裝置，并沒(méi)有真正介入汽車操控。駕駛輔助的下一個(gè)層次，則是藉由電控系統(tǒng)直接協(xié)助或修正駕駛對(duì)車子的操控。車輛安全電控系統(tǒng)依照動(dòng)的屬性又可分為主動(dòng)安全及被動(dòng)安全兩類，主動(dòng)安全指的是防范碰撞事故發(fā)生所進(jìn)行的電控系統(tǒng)，而被動(dòng)安全是指碰撞已無(wú)法避免時(shí)或碰撞發(fā)生后，以減低傷亡為目的而設(shè)計(jì)的安全功能。

主動(dòng)安全系統(tǒng)中最廣為人知的莫過(guò)于ABS，該系統(tǒng)在預(yù)見(jiàn)因煞車過(guò)重或摩擦力不足將使車輪產(chǎn)生死鎖打滑時(shí)，適時(shí)調(diào)整煞車壓力以避免車輪因死鎖而失去煞車力。另一種日漸普遍的主動(dòng)安全系統(tǒng)為ESC，該系統(tǒng)在天雨路滑或高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，可藉由各車輪的單獨(dú)煞車以避免轉(zhuǎn)彎不足或過(guò)度轉(zhuǎn)彎(圖2)。



圖2 ESC系統(tǒng)操作原理

ESC技術(shù)應(yīng)用于中心較高的休旅車時(shí)還能協(xié)助避免車輛翻覆，及防側(cè)翻(Roll-OverMitigation, ROM)。其他常見(jiàn)的系統(tǒng)如車道保持輔助(Lane Keeping Assist, LKA)及自適應(yīng)巡航控制(ACC)。LKA在車輛有偏離車道傾向而靠近車道線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將車輛往車道中間范圍調(diào)整；ACC則是在傳統(tǒng)的自動(dòng)巡航上，加上與前車保持安全距離的功能。

從2011年起，歐盟開(kāi)始準(zhǔn)備將主動(dòng)安全加入新車安全評(píng)估系統(tǒng)(New Car Assessment Programme, NCAP)。過(guò)去Euro NCAP僅就各種碰撞的乘客安全(也就是被動(dòng)安全)進(jìn)行一至五顆星的評(píng)比，從2014年起，各項(xiàng)主動(dòng)安全的功能將逐漸加入評(píng)比。在主動(dòng)安全功能中，除了前述的FCW、ESC及ACC等功能外，最關(guān)鍵的技術(shù)就是自動(dòng)緊急煞車(Autonomous Emergency Braking, AEB)。

AEB是指在車輛行駛途中，有時(shí)因駕駛的分心，有時(shí)可能是如打瞌睡等狀況使駕駛暫時(shí)失去操控能力，或者是小孩從路邊沖出等突發(fā)狀況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)在事故發(fā)生前將車輛緊急煞住，以確保人車的安全。

AEB的評(píng)分分為三個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行，即AEB City、AEB Inter-Urban和AEB Pedestrian三種狀況，分別代表城市里的低速行駛、郊區(qū)的高速行駛及行人保護(hù)機(jī)制；總積分將用三個(gè)分?jǐn)?shù)以不同的權(quán)重加乘，同時(shí)在各個(gè)星等的判別都有總分及各分項(xiàng)得分的最低門(mén)坎。

實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全效能傳感器可靠度成關(guān)鍵

主動(dòng)安全功能的有效與否及可靠度，須仰賴汽車配備之傳感器是否能提供可信賴的完整信息。在上述傳感器中，攝影機(jī)對(duì)物體判別如車輛、行人或交通號(hào)志等辨識(shí)具有較好的效果，但天候影響也相對(duì)明顯；雷達(dá)的偵測(cè)距離較佳，天候影響也較小，但在物體區(qū)分及對(duì)靜止物體之判斷能力較差，價(jià)格也相對(duì)高；激光雷達(dá)大約介于兩者之間，但價(jià)格也隨可靠度提高而急速攀升；超音波雷達(dá)則以近距離偵測(cè)為主。簡(jiǎn)單地說(shuō)，各種傳感器的基本技術(shù)與使用限制，即是光學(xué)、電磁波及聲波的技術(shù)與限制。

因?yàn)楦黝悅鞲衅鞫加衅湎拗?，良好的環(huán)境感測(cè)系統(tǒng)須具備兩種以上之傳感器，再以傳感器融合 (Sensor Fusion)技術(shù)做出最佳的判斷；如此一方面可以補(bǔ)足單一傳感器的限制，另一方面也可藉由共同感測(cè)到的對(duì)象相互比對(duì)，而提高對(duì)偵測(cè)結(jié)果的信心。因主動(dòng)安全為高度安全攸關(guān)(Safety Critical)的系統(tǒng)，傳感器的可靠度是沒(méi)有妥協(xié)空間的。

有了良好的感測(cè)系統(tǒng)后，主動(dòng)安全系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)，就屬高度智能化的車輛動(dòng)態(tài)控制技術(shù)了。在設(shè)計(jì)車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)前，控制工程團(tuán)隊(duì)須對(duì)車輛的煞車、懸吊、動(dòng)力、轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)特性能充分了解，并對(duì)各種制動(dòng)器的特性與效能充分掌握，方能著手進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

由于汽車行駛的路面與環(huán)境有極大的差異性，各種主動(dòng)安全系統(tǒng)必須能在不同天候及環(huán)境下發(fā)揮功能，因此系統(tǒng)的強(qiáng)健性(Robustness)非常關(guān)鍵；同時(shí)，也因?yàn)椴僮鳝h(huán)境的復(fù)雜性，繁復(fù)的系統(tǒng)調(diào)校及大量的測(cè)試驗(yàn)證，都將是系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中無(wú)法避免的。

目前眾多的主動(dòng)安全技術(shù)中，除了ESC及LKA能做到轉(zhuǎn)向控制之外，其余系統(tǒng)都是以車行方向(縱向)的應(yīng)用為主，主要原因在于一方面電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electrical Power Steering, EPS)在普及化上仍有許多成長(zhǎng)空間；另一方面，側(cè)向行駛輔助功能將巨幅提升整體控制系統(tǒng)的感測(cè)及邏輯復(fù)雜度，系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠度會(huì)面臨更大的挑戰(zhàn)。

但是，隨著各種控制系統(tǒng)相關(guān)組件技術(shù)的不斷進(jìn)步，側(cè)向控制的應(yīng)用將會(huì)快速成長(zhǎng)。一個(gè)典型的應(yīng)用就是車道變換輔助系統(tǒng)，在高速公路上變換車道經(jīng)常容易發(fā)生事故，如果汽車能確實(shí)掌握四方車輛位置及相對(duì)速度，自動(dòng)車道變換技術(shù)將指日可待。另一個(gè)應(yīng)用則是自動(dòng)停車系統(tǒng)，現(xiàn)在市面上已開(kāi)始販賣具備自動(dòng)停車系統(tǒng)的新車，以后路邊停車或倒車入庫(kù)將更為容易。

其他類別的駕駛輔助技術(shù)也在快速地發(fā)展，例如交通號(hào)志辨識(shí)(Traffic Sign Recognition, TSR)，利用攝影機(jī)畫(huà)面的影像辨識(shí)，系統(tǒng)能解讀各種路邊的交通號(hào)志，及時(shí)提醒駕駛；智能型限速輔助(Intelligent Speed Assist, ISA)，依據(jù)速限的辨識(shí)，系統(tǒng)可提供駕駛超速警告甚至主動(dòng)將車速設(shè)限；導(dǎo)航實(shí)時(shí)路況信息，可實(shí)時(shí)將到達(dá)目的地前的各種路況提供給駕駛參考，或者協(xié)助及時(shí)變換路徑。

拓展汽車感測(cè)范圍DSRC加速車聯(lián)網(wǎng)建構(gòu)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)汽車將會(huì)形成一個(gè)聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。目前汽車網(wǎng)絡(luò)較成熟的技術(shù)除了3G或長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)劃(LTE)等遠(yuǎn)程通信外，短距通訊技術(shù)如專用短距離通訊(Dedicated Short Range Communication, DSRC)技術(shù)已開(kāi)始受到歐美等國(guó)家之重視，它的普及可讓汽車對(duì)汽車(Vehicle to Vehicle, V2V)及汽車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施(Vehicle to Infrastructure, V2I)變?yōu)榭赡?；藉由車?duì)車及車對(duì)固定裝置間的局部鏈接，許多在駕駛視力范圍以外的附近交通信息，將可在第一時(shí)間內(nèi)互相交換，對(duì)行車安全及節(jié)能減碳都能帶來(lái)實(shí)質(zhì)的效益。

美國(guó)高速公路安全局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)于2012?2013年在密執(zhí)安州安那堡市進(jìn)行了為期半年以上的試運(yùn)行，由密歇根大學(xué)主導(dǎo)，各車廠及相關(guān)科研單位協(xié)辦，于該城市內(nèi)約三千輛汽車加裝DSRC裝置，以收集該系統(tǒng)對(duì)整體交通安全與節(jié)能的效益。其結(jié)論證明DSRC具有顯著的成效，并計(jì)劃在未來(lái)兩年內(nèi)決定是否通過(guò)立法強(qiáng)制所有的車輛加裝此設(shè)備。

技術(shù)/法規(guī)逐步到位智慧車邁向自動(dòng)駕駛

當(dāng)各種行車輔助與控制技術(shù)都能確實(shí)掌握時(shí)，下一級(jí)段挑戰(zhàn)就是自動(dòng)駕駛的汽車了。目前已有許多車廠及研究團(tuán)隊(duì)積極發(fā)展自動(dòng)駕駛技術(shù)，但距離技術(shù)成熟并能商品化仍有很長(zhǎng)的時(shí)間。

目前最積極的團(tuán)隊(duì)莫過(guò)于Google Driverless Car，該車?yán)?4激光束組成的激光雷達(dá)，加上攝影機(jī)、雷達(dá)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和超音波雷達(dá)等裝置，偵測(cè)四周環(huán)境及其他移動(dòng)物體，并經(jīng)過(guò)復(fù)雜的感測(cè)融合技術(shù)以達(dá)到最基本自動(dòng)駕駛之目的(圖3)。Google汽車的配置在市售車款上并不適合，而且成本也不實(shí)際；更重要的，一旦發(fā)生事故，責(zé)任的厘清絕不單純，連帶會(huì)影響顧客的接受度。



圖3 Google自動(dòng)駕駛車

基于各方對(duì)自動(dòng)駕駛的定義差異甚大，NHTSA于是將自動(dòng)駕駛技術(shù)依自動(dòng)化的層次區(qū)分為五級(jí)，讓相關(guān)的技術(shù)討論能有共識(shí)而不會(huì)產(chǎn)生誤解。第零級(jí)即傳統(tǒng)的汽車，完全沒(méi)有介入式的駕駛輔助系統(tǒng)；第一級(jí)自動(dòng)化可有一種以上的介入式輔助系統(tǒng)，但各系統(tǒng)均為獨(dú)立運(yùn)作；第二級(jí)自動(dòng)化具有兩種以上的控制系統(tǒng)共同運(yùn)作，容許部分時(shí)間將部分操控交給控制系統(tǒng)操作，但駕駛?cè)皂毴珪r(shí)監(jiān)視行車狀態(tài)，并隨時(shí)能將主控權(quán)完全接手；第三級(jí)自動(dòng)化駕駛可適時(shí)將全車操控交由控制系統(tǒng)處理，但當(dāng)系統(tǒng)遇有無(wú)法操作的情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)留充裕的時(shí)間通知駕駛接管；而第四級(jí)才是完全自動(dòng)駕駛，只要有目的地信息，車輛會(huì)自行開(kāi)到目的地。

有了清楚的定義后，相關(guān)法規(guī)才能規(guī)范在什么時(shí)間、哪種技術(shù)成熟了，再準(zhǔn)許相關(guān)功能的自動(dòng)駕駛車輛上路，而且駕駛的責(zé)任也可以清楚地定義，因?yàn)槿魏尾铄e(cuò)都可能帶來(lái)無(wú)法預(yù)期的災(zāi)害，責(zé)任歸屬必須非常明確。

依上述定義來(lái)看，所謂自動(dòng)駕駛車輛較可行的目標(biāo)應(yīng)是在第三級(jí)，或許再5?10年可以開(kāi)始看到該類的商品出售。然而，在技術(shù)演進(jìn)的過(guò)程中，基礎(chǔ)建設(shè)的投資，車廠與協(xié)力廠的積極投入，甚至法規(guī)的及時(shí)調(diào)整都是不可或缺的關(guān)鍵因素。

全面掌握路況信息ADAS增進(jìn)駕駛安全

現(xiàn)今各種先進(jìn)技術(shù)已快速且大量地運(yùn)用在汽車上，以進(jìn)一步提升舒適性、方便性及各種操控性能，但再怎么先進(jìn)的功能都不能凌駕于最基本的行車安全之上。ADAS利用各種先進(jìn)的電子及電控技術(shù)，一方面讓駕駛對(duì)汽車的操控有更進(jìn)一步地掌握，同時(shí)也讓各種路況的駕駛更加安全。

每一種主動(dòng)安全技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，都象征著人類生命財(cái)產(chǎn)多了一層保障，這同時(shí)也代表著社會(huì)成本的進(jìn)一步低減，因此全球都已把ADAS相關(guān)之技術(shù)發(fā)展列為最高優(yōu)先的投資與補(bǔ)助項(xiàng)目之一。希望國(guó)內(nèi)各界也能跟上這一波浪潮，將相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品不斷地向上提升，讓國(guó)人能進(jìn)一步享受高科技所帶來(lái)的保障。