汽車傳感器技術(shù)將讓安全自動駕駛十年內(nèi)實現(xiàn)

盡管有非技術(shù)媒體鑒于特斯拉（Tesla）Model S電動車最近發(fā)生的致命事故而預(yù)言自動駕駛車輛的消亡，筆者還是想在這篇文章中介紹傳感器電子組件以及更好、更精進的軟件算法，而它們終究可望在接下來的十年內(nèi)實現(xiàn)安全的全自動駕駛車輛。

Tesla已經(jīng)一再表明Model S并非自動駕駛車輛，Tesla電動車駕駛?cè)诵枰宄卣J知：「這種系統(tǒng)只是新技術(shù)，并且仍處于公開測試階段?！?/p>

而BMW、Mobileye和英特爾（Intel）三家公司在7月份宣布合作開發(fā)自動駕駛車輛平臺時，也強調(diào)「安全第一」的原則，因為駕駛?cè)说陌踩钪匾?/p>

美國全國公共廣播電臺（NPR）記者Sonari Glinton在最近的一場廣播節(jié)目討論中也表示，Tesla Model S是具備自動駕駛「功能」，而這些功能只是提供輔助、并非要替代駕駛?cè)恕?/p>

Google的全自動駕駛測試車輛則是仰賴成本更高、更復(fù)雜，采用光達（LiDAR）技術(shù)的遠程感測（remote sensing）系統(tǒng)。

Tesla執(zhí)行長Elon Musk曾表示：「全自動駕駛車輛顯然需要360度攝影機，可能還需要額外的前向（forward） 攝影機、運算硬件，以及電動馬達和轉(zhuǎn)向齒條（steering rack） …也就是說，我認為并不需要LiDAR，只要利用被動光學(xué)組件和一個前向雷達就能實現(xiàn)自動駕駛?！顾铝橄M性市場推出價格相對能被大眾負擔(dān)，且強調(diào)安全性的車輛。

Tesla的Autopilot自動駕駛系統(tǒng)仰賴：「攝影機、雷達、超音波傳感器和數(shù)據(jù)的結(jié)合，以自動控制汽車在高速公路上的行駛、變換車道以及根據(jù)交通流量調(diào)整速度；」該系統(tǒng)采用以色列芯片設(shè)計業(yè)者Mobileye提供的自動剎車技術(shù)。

Tesla電動車采用的Mobileye Emergency自動剎車功能，是「專門為避免后方追撞所設(shè)計」，因此無法避開今年7月1日在美國發(fā)生之Model S致命事故中的側(cè)面碰撞；如前面提及，這種技術(shù)還在繼續(xù)進行開發(fā)。例如有相關(guān)文獻描述了以視覺技術(shù)為基礎(chǔ)的自動駕駛動態(tài)控制設(shè)計，并將重點放在緊急避障功能中的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向（coordinated steering）和剎車控制；另有相關(guān)文獻介紹了一種創(chuàng)新方法，可以用來避免致命的意外事故。

Google已經(jīng)在美國數(shù)個州進行自動駕駛車輛測試；Tesla則宣布在今后三年內(nèi)推出完全自動駕駛車輛；共乘服務(wù)業(yè)者Uber則在美國匹茲堡（Pittsburgh）開設(shè)了一個測試場地，準備發(fā)展一個自動駕駛出租車隊。

日本車廠豐田（Toyota）曾透露，其公路自動駕駛汽車安裝了12個用以擷取數(shù)據(jù)的傳感器，包括1個安裝于后照鏡背面的攝影機模塊，5個使用無線電波擷取其他車輛速度的雷達傳感器，以及6個用于檢測汽車周圍物體位置的雷射傳感器。

還有美國加州已經(jīng)頒布了在公共道路上測試、操控自動駕駛車輛的法律框架。

雖然我們尚未準備好迎接全自動駕駛車輛，但應(yīng)該是在不遠的未來——在那之前，我們的手還是得握好方向盤，眼睛也要隨時盯著路況。

傳感器是自動駕駛的眼睛和耳朵

若自動駕駛車輛擁有「耳朵」，能在警車、救護車或消防車駛近，能透過車載攝影機或LiDAR看到前先聽到警笛聲并確定其方向…怎么樣？或者在駕駛?cè)?、LiDAR或攝影機的視力所及之前，就先聽到重型機車接近的聲音呢？

以下讓我們來看看自動駕駛車輛使用的各種傳感器技術(shù)──是以設(shè)計工程師對電子傳感器的專業(yè)見解，探索這些傳感器如何與內(nèi)建先進處理器與軟件算法的車輛「大腦」相連。

扮演自動駕駛車輛眼睛的技術(shù)

LiDAR 這是一種使用旋轉(zhuǎn)激光束的系統(tǒng)，獲得BMW及Google、日產(chǎn)（Nissan）和蘋果（Apple）研發(fā)的實驗用自動駕駛車輛采用，但若要在大眾車款中應(yīng)用這類系統(tǒng)，必須等待其成本大幅下降。

圖 1 LiDAR基本原理：圖為一對單發(fā)射器 /檢測器搭配可活動旋轉(zhuǎn)鏡的 LiDAR設(shè)計；這種架構(gòu)可以實現(xiàn)至少一個平面上的掃描；其中的鏡子不僅可以反射二極管發(fā)出的光，還能將返回光線反射到檢測器。透過在這種應(yīng)用中配置旋轉(zhuǎn)鏡，可以實現(xiàn) 90~180度的典型方位視角，同時簡化系統(tǒng)設(shè)計和可制造性，因為只有鏡子是活動零件。 （圖片來源： Velodyne）

美國業(yè)者Velodyne能提供一種高分辨率LiDAR（HDL）傳感器，以因應(yīng)自動駕駛車輛導(dǎo)航的嚴格要求；其HDL組件可以提供360度的方位視角和26.5度的高度視角，以及15Hz的畫面更新率（frame refresh rate），還有以每秒100萬點速度填入的點云（point cloud）。

光脈沖以前一直被用來測量距離，這種基礎(chǔ)技術(shù)用雷射二極管發(fā)射光脈沖；光線會一直傳播，直到遇到一個目標，此時一部分光能會被反射回發(fā)射器，在靠近發(fā)射器的地方安裝的光子檢測器會檢測到這個反射回來的訊號，而發(fā)射脈沖和接收脈沖的時差確定了目標的距離，若啟動這個脈沖距離測量系統(tǒng)，則可以收集到大量的采樣點（也就是「點云」）。

如果沒有出現(xiàn)任何目標物，那么發(fā)射出去的光永遠不會返回任何反射訊號；如果光線是指向地面，路面就會提供返回訊號。如果目標位于點云中，就可以在數(shù)據(jù)中看到一個缺口（notch），根據(jù)這個缺口即可確定目標物的距離和寬度。透過點云中收集的點，便可形成周邊環(huán)境的3D影像；點云越密集，影像就越豐富。

圖2 傳統(tǒng)的單發(fā)射器/檢測器配對之雷射傳感器應(yīng)用。（圖片來源：Velodyne）

3D LiDAR 方案實現(xiàn)3D LiDAR的一種方法是在鏡子旋轉(zhuǎn)時上下移動發(fā)射器/檢測器──有時稱為「眨眼（winking）」或「點頭（nodding）」──這將產(chǎn)生高度（elevation）數(shù)據(jù)點，但也會減少方位數(shù)據(jù)點的數(shù)量，從而降低點云密度，造成系統(tǒng)分辨率降低。

另外一種方法是「快閃（flash）LiDAR」，該類系統(tǒng)運作時會同時照亮一大片區(qū)域，然后在一個專屬2D焦平面數(shù)組（FPA）上擷取所產(chǎn)生的像素距離（pixel-distance）信息；這種類型的傳感器很復(fù)雜、生產(chǎn)不易，因此沒有獲得廣泛商用，然而有一天可望替代機械致動傳感器，因為它們是固態(tài)組件，不需要活動零件。

業(yè)界還有許多不同配置的3D點云系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)目前還無法滿足自動駕駛車輛的安全性需求；舉例來說，有許多系統(tǒng)能夠拍到很棒的照片，但拍一張就得好幾分鐘，這種系統(tǒng)就不適合行動感測應(yīng)用。當然也有具備優(yōu)異更新率的快閃系統(tǒng)，但視場不足且距離性能也不夠；還有可提供實用訊的單束系統(tǒng)，但當目標物體太小或落在裝置視場以外，這種系統(tǒng)就無法發(fā)揮作用。

為了使LiDAR傳感器適應(yīng)最多的使用情境，有必要看清收集點四周的每個角落，即全360度。另外，處理后的數(shù)據(jù)需要實時遞送給用戶，因此在數(shù)據(jù)收集和渲染影像之間的延遲必須最小化；例如在自動駕駛導(dǎo)航領(lǐng)域，零點幾秒的人類反應(yīng)時間一般是可以接受的，因此保證導(dǎo)航計算機的更新率至少每秒十次是很實際的要求。垂直視場需要擴展到地平線之外，以防汽車開進路面凹陷處；也應(yīng)該盡可能朝看清汽車前方的路面延伸，以適應(yīng)道路凹陷或陡坡。