融合多重汽車環(huán)境感知能力，ADAS打造安全駕駛環(huán)境

先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)系結(jié)合影像感測、雷達、信號處理及網(wǎng)絡通訊等方案，為汽車增添危險情境判斷能力，并提供駕駛?cè)藢嵱玫妮o助或警示功能，甚至讓汽車主動對障礙物做出煞車與閃避動作，有助將人為駕駛疏失減至最低程度，提高行車安全。

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

汽車電子技術(shù)在過去30年里不斷加速演進，各類車型的動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)被導入。同時，隨著各種車輛四周環(huán)境感測系統(tǒng)的演進，先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)也開始快速搶進汽車產(chǎn)業(yè)。

根據(jù)內(nèi)政部統(tǒng)計，2013年造成人員傷亡之道路交通事故(A1及A2類)共計二十七萬三千四百四十九件；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，足見如果車輛能在行車途中遇有危險狀況時，適時對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致的人員傷亡。

降低人為疏失風險自動煞車技術(shù)受矚目

ADAS依據(jù)對駕駛的實際影響可區(qū)分為兩大類：安全警示系統(tǒng)與主動安全系統(tǒng)。簡單地說，安全警示系統(tǒng)指的是非介入式安全輔助，利用影像顯示、燈號或警示音等方式，讓駕駛可以確實掌握汽車周圍環(huán)境，進而協(xié)助駕駛避免事故的發(fā)生。主動安全系統(tǒng)則是依據(jù)汽車周圍環(huán)境信息，在需要時介入行車操控功能，進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、雷達(Radar)、激光雷達(LiDAR)、超音波偵測等方式(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)境感測裝置

圖像處理的進一步應用則是影像辨識，現(xiàn)有技術(shù)可對行車周遭的物體如車輛、行人、障礙物與各種交通號志進行辨識，當有安全疑慮時，系統(tǒng)可藉燈號或警示音提醒駕駛采取必要的防范措施。這一類系統(tǒng)可由下列幾項應用作為代表：車道偏移警示系統(tǒng)(Lane Departure Warning System, LDWS)，當車輛太靠近車道線時發(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)，當與前車距離小于容易發(fā)生碰撞的門坎值時，系統(tǒng)發(fā)出警示音提醒駕駛與前車保持安全距離；盲點偵測(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)助駕駛偵測進入后視鏡盲區(qū)的車輛，進而在變換車道前提醒駕駛是否有潛在的危險。

主動安全系統(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警示裝置，并沒有真正介入汽車操控。駕駛輔助的下一個層次，則是藉由電控系統(tǒng)直接協(xié)助或修正駕駛對車子的操控。車輛安全電控系統(tǒng)依照動的屬性又可分為主動安全及被動安全兩類，主動安全指的是防范碰撞事故發(fā)生所進行的電控系統(tǒng)，而被動安全是指碰撞已無法避免時或碰撞發(fā)生后，以減低傷亡為目的而設計的安全功能。

主動安全系統(tǒng)中最廣為人知的莫過于ABS，該系統(tǒng)在預見因煞車過重或摩擦力不足將使車輪產(chǎn)生死鎖打滑時，適時調(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安全系統(tǒng)為ESC，該系統(tǒng)在天雨路滑或高速轉(zhuǎn)彎時，可藉由各車輪的單獨煞車以避免轉(zhuǎn)彎不足或過度轉(zhuǎn)彎(圖2)。



圖2 ESC系統(tǒng)操作原理

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

從2011年起，歐盟開始準備將主動安全加入新車安全評估系統(tǒng)(New Car Assessment Programme, NCAP)。過去Euro NCAP僅就各種碰撞的乘客安全(也就是被動安全)進行一至五顆星的評比，從2014年起，各項主動安全的功能將逐漸加入評比。在主動安全功能中，除了前述的FCW、ESC及ACC等功能外，最關鍵的技術(shù)就是自動緊急煞車(Autonomous Emergency Braking, AEB)。

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

AEB的評分分為三個項目進行，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機制；總積分將用三個分數(shù)以不同的權(quán)重加乘，同時在各個星等的判別都有總分及各分項得分的最低門坎。

實現(xiàn)主動安全效能傳感器可靠度成關鍵

主動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，攝影機對物體判別如車輛、行人或交通號志等辨識具有較好的效果，但天候影響也相對明顯；雷達的偵測距離較佳，天候影響也較小，但在物體區(qū)分及對靜止物體之判斷能力較差，價格也相對高；激光雷達大約介于兩者之間，但價格也隨可靠度提高而急速攀升；超音波雷達則以近距離偵測為主。簡單地說，各種傳感器的基本技術(shù)與使用限制，即是光學、電磁波及聲波的技術(shù)與限制。

因為各類傳感器都有其限制，良好的環(huán)境感測系統(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；如此一方面可以補足單一傳感器的限制，另一方面也可藉由共同感測到的對象相互比對，而提高對偵測結(jié)果的信心。因主動安全為高度安全攸關(Safety Critical)的系統(tǒng)，傳感器的可靠度是沒有妥協(xié)空間的。

有了良好的感測系統(tǒng)后，主動安全系統(tǒng)最關鍵的技術(shù)，就屬高度智能化的車輛動態(tài)控制技術(shù)了。在設計車輛動態(tài)控制系統(tǒng)前，控制工程團隊須對車輛的煞車、懸吊、動力、轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)特性能充分了解，并對各種制動器的特性與效能充分掌握，方能著手進行控制系統(tǒng)的設計。

由于汽車行駛的路面與環(huán)境有極大的差異性，各種主動安全系統(tǒng)必須能在不同天候及環(huán)境下發(fā)揮功能，因此系統(tǒng)的強健性(Robustness)非常關鍵；同時，也因為操作環(huán)境的復雜性，繁復的系統(tǒng)調(diào)校及大量的測試驗證，都將是系統(tǒng)設計開發(fā)過程中無法避免的。

目前眾多的主動安全技術(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)的應用為主，主要原因在于一方面電動輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electrical Power Steering, EPS)在普及化上仍有許多成長空間；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)的感測及邏輯復雜度，系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠度會面臨更大的挑戰(zhàn)。

但是，隨著各種控制系統(tǒng)相關組件技術(shù)的不斷進步，側(cè)向控制的應用將會快速成長。一個典型的應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，如果汽車能確實掌握四方車輛位置及相對速度，自動車道變換技術(shù)將指日可待。另一個應用則是自動停車系統(tǒng)，現(xiàn)在市面上已開始販賣具備自動停車系統(tǒng)的新車，以后路邊停車或倒車入庫將更為容易。

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

拓展汽車感測范圍DSRC加速車聯(lián)網(wǎng)建構(gòu)

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，未來汽車將會形成一個聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。目前汽車網(wǎng)絡較成熟的技術(shù)除了3G或長程演進計劃(LTE)等遠程通信外，短距通訊技術(shù)如專用短距離通訊(Dedicated Short Range Communication, DSRC)技術(shù)已開始受到歐美等國家之重視，它的普及可讓汽車對汽車(Vehicle to Vehicle, V2V)及汽車對基礎設施(Vehicle to Infrastructure, V2I)變?yōu)榭赡埽唤逵绍噷嚰败噷潭ㄑb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，將可在第一時間內(nèi)互相交換，對行車安全及節(jié)能減碳都能帶來實質(zhì)的效益。

美國高速公路安全局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)于2012?2013年在密執(zhí)安州安那堡市進行了為期半年以上的試運行，由密歇根大學主導，各車廠及相關科研單位協(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，并計劃在未來兩年內(nèi)決定是否通過立法強制所有的車輛加裝此設備。

技術(shù)/法規(guī)逐步到位智慧車邁向自動駕駛

當各種行車輔助與控制技術(shù)都能確實掌握時，下一級段挑戰(zhàn)就是自動駕駛的汽車了。目前已有許多車廠及研究團隊積極發(fā)展自動駕駛技術(shù)，但距離技術(shù)成熟并能商品化仍有很長的時間。

目前最積極的團隊莫過于Google Driverless Car，該車利用64激光束組成的激光雷達，加上攝影機、雷達、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和超音波雷達等裝置，偵測四周環(huán)境及其他移動物體，并經(jīng)過復雜的感測融合技術(shù)以達到最基本自動駕駛之目的(圖3)。Google汽車的配置在市售車款上并不適合，而且成本也不實際；更重要的，一旦發(fā)生事故，責任的厘清絕不單純，連帶會影響顧客的接受度。



圖3 Google自動駕駛車

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

有了清楚的定義后，相關法規(guī)才能規(guī)范在什么時間、哪種技術(shù)成熟了，再準許相關功能的自動駕駛車輛上路，而且駕駛的責任也可以清楚地定義，因為任何差錯都可能帶來無法預期的災害，責任歸屬必須非常明確。

依上述定義來看，所謂自動駕駛車輛較可行的目標應是在第三級，或許再5?10年可以開始看到該類的商品出售。然而，在技術(shù)演進的過程中，基礎建設的投資，車廠與協(xié)力廠的積極投入，甚至法規(guī)的及時調(diào)整都是不可或缺的關鍵因素。

全面掌握路況信息ADAS增進駕駛安全

現(xiàn)今各種先進技術(shù)已快速且大量地運用在汽車上，以進一步提升舒適性、方便性及各種操控性能，但再怎么先進的功能都不能凌駕于最基本的行車安全之上。ADAS利用各種先進的電子及電控技術(shù)，一方面讓駕駛對汽車的操控有更進一步地掌握，同時也讓各種路況的駕駛更加安全。

每一種主動安全技術(shù)的實現(xiàn)，都象征著人類生命財產(chǎn)多了一層保障，這同時也代表著社會成本的進一步低減，因此全球都已把ADAS相關之技術(shù)發(fā)展列為最高優(yōu)先的投資與補助項目之一。希望國內(nèi)各界也能跟上這一波浪潮，將相關技術(shù)與產(chǎn)品不斷地向上提升，讓國人能進一步享受高科技所帶來的保障。