自動駕駛車輛如何「看」前方路況?

本文原先刊載於《馬路上的創新,自動駕駛如何運作?


無人車從早期科幻小說到Google共同創辦人Larry Page的夢想,進而帶動整個科技產業、車廠與多數軟硬體廠商先後重視此市場發展,分別在自駕系統、輔助駕駛技術投入研發,近幾年內也推動不少技術成長,進而從車輛本身到整個馬路系統都開始一陣革命旋風,企圖改變人類過去以來始終進行的「運輸」模式。


▲從傳統手動駕駛,目前車輛已經逐漸邁向全自動駕駛趨勢發展,同要變得更安全、運輸更具效率,同時更節省能源等方向發展。

車子怎麼「看」?

車子畢竟不像人有雙眼可看,或有雙耳可聽,因此必須藉由攝影鏡頭、各類感測元件作為輔助,協助電腦系統「看見」、「聽見」外界情況,藉此判斷前方是否有車,以及行進方向是否偏離行駛路線。

早期的感知技術多半透過趨近感應器、光線識別等方式判斷車輛前方是否有物體趨近,藉此判斷是否距離前方車輛過近,或是側面是否有車經過,但畢竟感測元件無法像人可藉由雙眼迅速判斷前方路況,因此後續才加入攝影機拍攝影像方式,結合電腦視覺技術讓車輛能以更快速度反應,甚至更能進一步分辨前方行經物件,藉此判斷是否啟動煞車,或是進行閃避。在部分概念車、自駕車設計甚至將後視鏡移除,或是僅保留後視鏡外觀,實際上則是以攝影鏡頭取代其功能,讓駕駛更方便透過螢幕確認車輛後方狀況,或是直接輸入自駕系統讓電腦有更多資訊可做判斷。


▲車輛本身不像人類可透過雙眼、大腦快速反應,因此必須透過外部、內部等元件完成「看」的工作。


▲相對過往透過趨近感測元件進行路況判斷,目前多數技術都已經開始導入攝影機為主的電腦視覺應用。

以目前自駕車等車輛採用識別系統,多半都已經結合感測元件、攝影鏡頭,以及用於快速、精準測距的雷射光車頭燈設備,藉此構成先進駕駛輔助系統 (Advanced Driver Assistance Systems;ADAS),讓這些裝置代替人眼協助車輛「看清楚」前方路況,甚至能隨時「緊盯」車輛四周,藉此輔助駕駛在行進過程無法隨時顧及情況。目前包含Mobileye、ZF等廠商都已經分別提出以攝影鏡頭、趨近感應器、超音波及雷射感測元件等為基礎的輔助系統解決方案,藉此代替人眼幫車輛「看」得更仔細。

另一方面,自動駕駛與輔助駕駛系統不光是顧及車輛四周,其中一項重點更在利用攝影機檢視車內狀況,避免駕駛在行車過程產生分神,或是疲勞駕駛等情況,進而降低人為因素的車輛意外,甚至判斷駕駛當下情緒是否因道路不熟悉,可透過播放緩和心情的音樂,或提示是否透過導航系統查詢路線,藉此緩和駕駛內心焦慮,減少因緊張導致錯誤操作而造成危險。

而車輛「看」的部份,其實更包含整個車輛內部重要運作機件,包含確認燃油管線是否異常、胎壓是否處於正常範圍,或是煞車做動是否正常,雖然這些過去車廠都已經提出相關解決方案,但在自駕系統與輔助駕駛系統更必須與車載電腦整合,進而在發現異常狀況時,交由電腦做第一線判斷與處理,否則就要及時轉由駕駛接手操作。

車子自己開,還要仰賴外部協助

現階段的車載系統設計,即便採用高效能電腦與感測元件,依然無法實現等同人腦的判斷能力與反應速度,加上無法像人腦可透過個人認知、經驗或情感等判斷當下是否應該讓車輛轉彎或停下,車載系統往往需要更多外部資訊協助真實路況判斷,例如發現前方路口堵塞時,人腦或許可透過眼睛直覺判斷,或是過往經驗決定是否繞道,自駕車則必須仰賴連網取得即時交通流量資訊,配合地圖系統判斷是否改變導航路線,進而完成繞道的「決定」。

此外,從最早的自動駕駛系統設計到目前採用技術,已經從路況判斷、路線範圍與行駛過程的趨近物件識別等運算均在車輛系統完成運算,演變成藉由連網即時取得高解析地圖資訊確認可行進路線,或是標記單行道、道路限速等資訊,同時可即時取得前方道路交通流量、是否發生車禍等資訊,讓自駕車可預先知曉前方行進路線情況後,將多數運算資源集中在車輛四周圍的突發狀況,例如留意前方車輛是否緊急停下、是否因應路人突然靠近而需讓車輛停下,甚至注意車內駕駛是否精神不集中,或是將目光集中在使用手機等情況,判斷是否提出警告或是讓車輛平穩停下。


▲不光是車輛本身必須要能「看」,更要藉由外部連結提供更多即時訊息,讓車輛可像人類大腦接收諸多資訊後進行最正確的行車判斷。


▲除了注意路況,新一代的車載系統也加入隨時留意駕駛是否分心操作,或是可能因為身體產生異常而影響駕駛安全,進而發出警告或讓車輛平穩停下。

而在外部資訊連動部分,更包含與智慧城市中的交通號誌連動等情況,透過主動提示自駕系統應將車輛平緩停下,而可省去自駕系統透過電腦視覺判斷交通號誌是否為紅燈的運算流程,進而讓自駕系統應用變得更具效率,對於計畫發展無人接駁巴士應用的城市而言,這樣的設計將使自駕系統更具安全。另一方面,藉由智慧城市以巨量數據分析各地區交通流量,進而讓自駕車能輕易地透過數據資訊擬定最佳行進路線,進而降低交通堵塞比例,同時也能減少自駕系統在諸多道路狀況判斷時產生錯誤機率。

因此對於整個自駕系統應用,不但只是車輛本身必須夠聰明,還要能配合外部協助「看」得更多,甚至可從車與車之間的彼此連結獲取更多資訊,如此才能從裡到外確保自駕過程的安全。

至於在動能方面,由於不少車輛開始走向電力輔助或純電驅動設計,因此不少車輛解決方案朝向電池快充技術發展,讓電池可在短時間內充入足夠到下一個充電位置的電量,藉此提昇全電驅動車輛使用率,甚至因應以全電驅動的運輸車輛需求,例如包含Skoda在內車廠已經在歐洲特定地區測試可隨時供電的道路設計,並且藉由太陽能形式維持電量,而Qualcomm方面日前也在Formula E賽事中提供名為Halo的無線充電技術,讓BMW提供的安全前導車能以無線充電板補充動能,並且可在1小時內完成充電,未來更計畫應用在實際道路,讓更多市售電動車能在行駛過程同時充電。


▲隨時讓電動車以更具效率方式充電,或是在行駛過程維持充電,勢目前許多廠商改善電動車補充動能的考量方案。

數位助理不只是噱頭

從蘋果推出數位語音助理Siri,到亞馬遜去年底大量開放第三方廠商使用其Alexa數位語音助理服務,目前有越來越多車廠開始將數位語音助理服務應用在車載系統,讓使用者能透過自然口語方式操作車輛功能。

而加入此類功能,並非只是噱頭,其實是考量駕駛過程直接透過螢幕選單操作容易發生危險,因此許多車廠在很早之前就將簡單語音聲控應用在車載系統,讓使用者能透過關鍵字詞啟動特定功能,近年因蘋果推行CarPlay、Google提供Android Auto等應用,使得語音操作在車載系統成為重要應用項目。


▲藉由數位語音助理協助,可讓車載系統更容易了解駕駛、乘客實際需求,進而讓車載系統能與物連網進一步結合。

只是目前此類技術發展過程,仍面臨車內麥克風收音效果、語音辨識成功率,以及能否了解使用者不同口語所表達含意等挑戰,而這也是各車廠面臨改善問題。至於進一步與數位語音助理服務結合,不僅是讓使用者能以更貼近自然口吻方式與車載系統進行「互動」,更重要是可藉由持續連網與機器學習讓車載系統更能了解駕駛實際需求,長時間累積之下將可讓車載系統變得更「聰明」。

數位語音助理不僅扮演乘客與車輛溝通橋樑,未來更擔任使車輛電腦理解乘客實際需求的重要關鍵,在自動駕駛逐漸取代原本人為操作之後,車輛行進所有操作縱使交由電腦負責,車內乘客依然少不了必須隨時與電腦系統互動情況,例如交代開車前往目的地、中途是否改變前往路線、是否開啟車內娛樂設施或其他需求等。而加入數位語音助理與乘客之間的互動,更能使得原本讓人覺得冰冷的自駕車能更具「人情味」。

但由於距離實現《霹靂遊俠》中的「夥計」仍有些遙遠,因此部分廠商如NVIDIA固然認為數位語音助理應用相當重要,但暫時還不會太快應用在車載系統,主因認為此類應用目前放在車輛上的實用性仍不高,加上目前的自駕技術還無法實現十足安全,若駕駛將注意力過於放在與車輛互動,反而可能造成危險。不過,諸如福特、Nissan等車廠則認為提供數位語音助理服務,更有利駕駛專注持握方向盤,並且透過語音聲控方式啟動車輛功能,甚至能進一步與家中設備連動,比方福特便結合亞馬遜Alexa數位語音助理功能,讓駕駛能直接在車內透過語音開啟車庫鐵捲門,而不用麻煩地尋找遙控器。

自動駕駛不僅用在四輪車,還有二輪車種

自動駕駛技術除了應用在四輪車款之外,目前也開始逐漸應用在更多人使用的二輪車輛,包含本田、山葉等日本車廠其實都已經針對二輪車輛騎乘時,可能因為路況濕滑、碎石等情況造成車輛打滑轉倒提出技術解決方案,例如本田透過本身機器人ASIMO研發經驗,在二輪車輛前叉與車台結合處導入類似ASIMO的膝關節設計,當車輛藉由內部感測元件偵測處於不穩定狀態,立即會改變前叉與車台支撐角度,透過主動模擬人體雙腳面臨重心不穩時,將本能地踏出一步改變重心取得平衡的方式,同時搭配陀螺儀等元件讓車輛能維持穩定。


▲運用機器人關節系統技術,讓二輪車輛即使在雙手不慎放開時也能維持平衡。

而製作各類家電、電動工具出名的德國廠商BOSCH,其實本身同樣投入車載系統元件與後端雲端服務解決方案發展,除針對連網車載系統、自駕車提供感測元件、視訊鏡頭,及雲端數據分析平台之外,在二輪車款提供解決方案則是針對騎乘過程面臨不同路況時的煞車輔助,當駕駛騎乘在雨天濕滑路面碰上打滑時,系統在配合感測元件警覺車輛即將面臨轉倒之前,將會透過介入ABS煞車元件與引擎轉速控制,讓車輛可在適當煞車操作輔助與降低車輛前進速度,能夠妥當穩定地停下,避免駕駛在著急情況反而因人為操作不當造成更大意外。

至於在操作輔助部分,諸如BMW等車廠其實也針對二輪車款提出智慧應用方案,例如藉由在車輛設置各類感測元件,藉此隨時監控車輛引擎轉速、行進速度、燃油殘量,以及煞車等重要元件是否處於異常,另外也能透過藍牙連線方式,將相關行車資訊投放到搭載抬頭顯示器功能的安全帽鏡片呈現,讓駕駛能直覺透過眼前鏡片觀看重要行車資訊,或是連結手機顯示即時來電或簡訊,甚至可直接在鏡片顯示路線導航功能。

另外諸如Garmin等針對車輛提供輔助器材的廠商,同樣也在二輪設計的自行車上打造自行車智慧雷達設備,一旦偵測後方來車逼近到一定程度,便會自動向騎士發出警示,甚至可配合其他設備顯示多部後方車輛逼近程度與相對接近速度,而在騎乘過程也會以閃爍燈號形式提醒前方車輛。避免前方車輛在未留意後方自行車情況下,因突然煞車或轉向導致意外發生。台灣車廠光陽更在去年針對二輪車輛提出新款儀表系統Noodoe,讓騎乘者可自動儀表風格、顯示鄰近加油站等設施,或是提供連動手機來電資訊等內容,讓騎乘者能在最短時間獲得所需資訊。


▲儀表板上的創新,也是不少車廠提出讓騎士在騎乘過程感到便利的設計。

雖然不比四輪車款更著重於自駕系統發展,許多車廠、配件廠商對於二輪車款的下一步主要還是聚焦在車輛操作樂趣與駕駛本身安全之間的平衡,畢竟二輪車款一旦發生意外,通常受到最大衝擊往往是駕駛,而不像四輪車款至少能藉由堅硬車身擋下首波衝擊。

這陣子,車商都做了些什麼?

在越來越多廠商投入自駕車、電動車產品研發,傳統車廠自然也沒有錯過此波轉型、擴大發展機會,例如福特、Volvo、本田、TOYOTA、NISSAN、福斯、BMW、賓士等具長年發展車輛經驗車廠,除了持續讓車輛產品變得更具人性化、智慧化,藉此改變一般人使用四輪車輛的行為,而最終目的更期望能改變車輛最原始用途—「運輸」,藉此讓交通變得更為流暢,使人與人之間有更多時間交流,同時降低噪音、排煙等環境污染問題。

從飛雅特克萊斯勒集團打造的概念車「Portal」,便是將車輛視為能與家人一同成長,同時介於家與工作場合之間的「第三空間」。依照不同使用模式與家族成員,「Portal」內部可透過兩道滑軌放置2到10組座椅,同時藉由模組化配件客製化不同使用功能,例如加裝螢幕、音響、甚至車內冰箱等,讓使用者能從兩人共組家庭到三代同堂均可使用同一輛車進行接駁,進而降低車輛生產成本,同時也能減少使用者因不同需求換車比例。而在車輛外側更加入可顯示不同色彩的燈號,藉此與不同車輛產生「互動」。

由TOYOTA所展示的新款概念車「愛i」,同樣將車內駕駛空間放大,同時採用全流線外型設計,藉此降低行進風阻以提升全電驅動時的輸出效率,同時藉由車內攝影鏡頭等元件識別駕駛、乘客當下情緒,藉此判斷是否提供協助,例如發現駕駛可能因為找不到正確道路而焦急時,系統便會介入詢問是否啟用導航輔助,甚至判斷後方幼兒乘客處於無聊情緒時,則會自動透過螢幕顯示趣味互動內容,進而緩和長途車程中緊張情緒。


▲「Portal」強調可隨著駕駛需求、家庭人口改變而成長的設計,並且能與外界透過燈號產生互動。


▲「愛i」著重在更了解駕駛、乘客心情感受,讓車輛變得更具人性。

而賓士所提出概念貨車設計,則是將無人機與貨車結合,當貨運司機進行送貨的同時,即可透過手機或平板點選操作,遙控貨車內的機器手臂將小型貨品透過天窗傳遞至無人機,再藉由無人機以飛行方式配送到鄰近配送地點,如此一來即可提昇整體貨物運送效率,同時也能減少時間、車輛配送等成本開銷。除了改變貨車配送模式,在貨車實際進行運送作業前,則必須透過數據分析等方式優化貨品配送流程,如此才能讓整體運送流程更加流暢。

至於其他車輛應用發展部分,有俄羅斯矽谷稱號的斯科爾科沃創新中心主導推動無人駕駛巴士MatrEshka計畫,預計將在2018年以前應用於俄羅斯境內大眾交通運輸,以純電形式在最高時速達每小時30公里運作下,最長行駛約可達達130公里行駛距離,而新加坡在去年時也由Delphi推行以自動駕駛車輛提供的計程車服務,開始讓無人車投入計程車接駁用途,美國賭城拉斯維加斯也在稍早由NAVYA與Keolis合作啟用名為Arma的無人巴士接駁服務。

台灣地區部分,在由NVIDIA與台灣工研院簽署合作,並且以中華三菱威利為雛形打造台灣首款自動駕駛車輛之餘,財團法人車輛研究測試中心ARTC更宣布台灣自行研發的自動輔助駕駛系統,並且確認與台灣境內14家廠商完成技術轉移,未來將可實際應用在市售車款。


▲賓士將無人機與貨車結合,讓貨物運送可以變得更具效率。


▲當貨運司機遞送貨物的同時,即可透過手機或平板遙控貨車內機器手臂,將車內小型貨物裝載至無人機,再藉由無人機將小型貨物遞送到鄰近配送地點,藉此節省額外驅車前往遞送的運送成本。

發表迴響