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汽車產業的來日與即視

    載具伴隨著時代的脈動劇烈轉型,而人類對於未來世界曾經的幻想也逐漸轉變成為現實,而本篇文章則是要回答這亙古不變的老問題:未來的汽車產業就競會變得怎麼樣呢?據麥肯錫(McKinsey & Company)公司的商業藉由30年來技術更新速度判斷,它們預估汽車發展未來將以自動駕駛為核心、以共用出行作為商業模式、以純電動車為主要交通工具,並且利用電腦保持車輛安全的時代。

 

    如今,計算能力不斷發展,專用於神經網路的硬體也在逐漸增加,用於學習的資料也積累了很多,大量的資本在其中運作,在可預見的未來內,自動駕駛並不是夢,麥肯錫公司更大膽預計全自動駕駛汽車將會在2020年代中期上路,諸多大廠如特斯拉(Tesla)都已經展開了基礎性的測試,舉例如從美國東岸到西岸的測試等都已完成,剩下的就僅是再試驗與除錯的過程,可說是指日可待。

 

表一:無人車登場時間

車廠

無人車預計上路時間

福特(Ford)

2020年

通用(GM)

2020年

特斯拉(Tesla)

2021年

寶馬(BMW)

2021年

PSA集團

2020年

豐田(Toyota)

2020年

日產(Nissan)

2020年

 

 

 

    若從共享經濟來看,自動駕駛更會將現下計程車中約占6成的人工成本給剔除,讓使用計程車的成本與使用私家車的成本打平。而考慮到類似順風車的方式,則使用無人駕駛計程車的成本將會再降低30~60%不等,預計2025年時,美國私家車每公里出行費用為0.43美元,而無人駕駛計程車的費用可降到0.17到0.29美元。所以自動駕駛將會促進共用出行的發展,大城市中,共用出行(不包括公交系統)可能會占到城市居民總出行次數的50%。

 

    為了完成自動駕駛系統,8 個環景攝影機提供車體周圍 360 度的視角,範圍可達 250 公尺。12 個更新版的超音波感測器更能輔助視野,能偵測硬物與柔性材質的物體,感測範圍較先前系統高上兩倍。具備升級版處理效能的前置雷達能發送特定波長,在不受雨水、濃霧、灰塵以及前方車輛的影響下取得額外的路況資訊。

 

圖: Tesla X使用8個攝影機

 

    若從硬體來觀看,前兩篇文章已經細部為各位作了初步的介紹,本篇將從技術面出發,我們將依序為您介紹未來電動車使用的安全系統與自動駕駛,並說明其中使用的元件。

 

系統介紹

    確認完自動駕駛為未來不可逆的趨勢後,「車身安全」、「駕駛穩定性」這些由駕駛手動操控的議題就轉身變成無人駕駛的大問題,如何藉由感測器的接收與電腦的計算來確保車輛驅動的訴求,最終也促成這些系統的產生。

 

(1) 車輛穩定性電子式控制系統 (Electronic Stability Control, ESC)

    ESC是設計用來控制車輛操控穩定性的主動式安全系統,其利用感測器監控車輛姿態與方向盤、油門及煞車操作情況,若經判定為可能導致不穩定狀態,將直接控制單軸或單輪的煞車或驅動力,使車輛恢復穩定,最早是1987年由賓士(Mercedes-Benz)、寶馬(BMW)和豐田(Toyota)汽車使用。

 

 

圖: Electronic Stability Control

 

    正弦定頻試驗(Sine with Dwell)為驗證ESC 有效性的主要方法,其是將車輛以80 km/h速度行駛,對方向盤突然施打一個正弦波,並且在中途停頓0.5秒的動作,此動作類似車輛進行高速閃避後緊急修正方向,容易使車輛進入失控狀態,主要用以驗證ESC的有效性,正弦波振幅須從低角度(30~60度)逐次增加達到300 度為止,且完整的波形需要在1.93秒內一氣呵成, 需要非常迅速且精確控制以確保重複性,因此必須使用「自動轉向控制裝置」作為完成測試的輔助。

 

圖: 正弦定頻試驗

 

    測試過程中利用儀器設備記錄車輛的動態穩定性,如圖1下半部就是一個穩定的暫態響應結果, 若正弦定頻波形完成的1秒瞬間,橫擺角速度(Yaw Rate)不超過峰值(peak)的35%,正弦定頻波形完成的1.75秒瞬間,不超過峰值的20%,則表示車輛可趨於穩定(代表車身方向變化的速度逐漸減小);另亦須確認車輛具備足夠的閃避能力,在特定轉向角度的閃避動作中,於轉向動作開始後的1.07秒,車輛側向位移必須達到1.83 m,此為車輛宣告總重低於3.5公噸的要求,若宣告總重高於3.5公噸,則須達到1.52 m;能夠滿足上述橫擺角速度與側向閃避量的要求,ESC系統才算是合格。

 

(2) 煞車輔助系統(Brake Assist System, BAS)

    BAS為一主動式安全系統,其設計主要目的為輔助駕駛在遇緊急情況時,能有效將車輛煞停以降低意外發生機率及傷害程度,傳統煞車系統之作動方式是駕駛利用煞車踏板透過真空倍力器等機械裝置,將煞車力道以固定倍數放大,使車輛達到煞停效果,然而對於較瘦弱或無法以較大踏力作動煞車踏板的駕駛而言,恐因無法產生足夠的煞車力道而發生危險。最早是1990年由賓士汽車所開發。

 

圖:Brake Assist System

 

    在車輛行駛過程中,BAS之感測器會監測煞車踏板的作動,駕駛若以一般正常踏力作動,BAS 並不會介入煞車系統,但當感測器偵測到煞車踏板在極短時間內作動,BAS即將此作動視為駕駛需做緊急煞停的狀態,於是對煞車系統進行加壓,使其煞車系統產生最大煞車力,使駕駛能避開意外的發生,提高行車安全性。根據測試數據,搭載有BAS 之車輛其煞停距離較無BAS之車輛少約45%,增加了行車安全性。國內BAS法規系參考ECE R13-H Annex 9之規範,依其係統功能及效果,可區分為 A、B兩類, 分述如下:

 

    A類BAS系統之感測器,係藉由偵測駕駛施加於煞車踏板之力道,判斷車輛是否處於需緊急煞車狀態,當判定為緊急煞停狀態時,其係統輔助方式為減低ABS(Anti- lock Brake System)全循環作動之所需踏板力,其係統輔助效果能有效降低使ABS全循環作動所需踏板力達40~80%。舉例而言,若要使ABS全循環作動,所需踏板力約需500牛頓,藉由BAS系統輔助,可降低至只需100~300牛頓之踏板力即可,對於無法以較大踏力作動煞車踏板的駕駛而言,是相當有助益的。

 

    B類BAS系統之感測器,係藉由偵測駕駛施加於煞車踏板之速度,判斷車輛是否處於需緊急煞車狀態,當判定為緊急煞停狀態時,其係統輔助方式為增加煞車油管壓力,使車輛產生最大煞車率或使ABS全循環作動,其係統輔助作動效果為可維持原來85% a 之減速度;舉例而言,若要使車輛產生最大煞車率或使ABS全循環作動,其所需達到之減速度約為8 ~9 m/s2,在BAS系統輔助狀態下,所需要的踏板力僅需為原踏力的50%~70%,即可維持85% a 之減速度(即6.8~7.65 m/s2),因此駕駛無需使用最大踏力即可達所需之煞停效果。

 

 

(3) 緊急煞車輔助系統 (Advanced Emergency Braking System, AEBS)

    AEBS之設計係透過感知器偵測前方物體,根據當時的車速與物體的距離來判斷碰撞的危險性,當危險指標到達設定的門檻時,自動緊急煞車系統則會啟動,把傷害減到最低,第一次現代化緊急煞車系統由休斯實驗室的科學家團隊在1995年於加州馬布里市開發而成,而後同年賣給了豐田汽車使用。

 

    根據統計,當車上裝有此項系統時,事故可降低27%。國內AEBS法規內容係參照歐洲法規制訂,試驗項目可分為:靜止目標之警示與作動試驗、移動目標警示與作動試驗、失效偵測試驗、關閉試驗、錯誤反應試驗,以下就各試驗項目概述如下:

 

1. 靜止目標之警示與作動試驗:

    測試車輛以80km/h速度以直行方式接近靜止目標進行功能試驗,且與測試目標間之距離120公尺時開始測試,碰撞警示模式作動時機、緊急煞車階段及測試車輛與固定目標發生碰撞時,其所降低之車速等性能皆應符合表二之要求。

 

表二: 緊急剎車和測試標準


 

2. 移動目標警示與作動試驗:

    測試車輛以80 km/ h速度以直行方式接近移動目標進行功能試驗,且測試車輛與移動目標間之距離120公尺時開始測試,碰撞警示模式作動時機、緊急煞車階段及測試車輛不得與移動目標發生碰撞等性能皆應符合表1之要求。

 

3. 失效偵測試驗:

    模擬電力失效,例如切斷AEBS 系統組件之主要電源或切斷AEBS系統個別組件間的電源,當模擬AEBS系統失效時,失效警示信號與AEBS系統手動關閉裝置均不得被切斷;試驗時,失效警示信號應在車速超過15 km/h後之10秒內作動,並在車輛靜止狀態且模擬失效存在時,將點火開關OFF-ON後,失效警示信號應立即重新作動。

 

4. 關閉試驗:

    對於配備AEBS系統關閉裝置之車輛,當點火開關轉至ON的位置並關閉AEBS系統時,關閉警示信號應作動;將點火開關轉至OFF位置再轉至ON位置後,AEBS系統應自動回復作動狀態且不再顯示關閉警示信號;若點火開關係經由鑰匙啟動,則應在不用拔除鑰匙的狀態下完成上述動作。

 

5. 錯誤反應試驗:

    置放兩部M1類轎式車輛作為靜止目標以同一行進方向併排,而兩靜止目標之間距為4.5 m,且靜止目標車身後方應對齊,試驗時測試車輛應與靜止目標距離至少60 m,並以車速50 km/h通過兩靜止目標中間;性能要求為測試過程中,AEBS系統應不得發出任何碰撞警示信號及啟動緊急煞車功能。

 

(4) 車道偏離警示系統(Lane Departure Warning System, LDWS)

    LDWS為一主動式安全系統,當駕駛在行車過程中,因精神不繼、不自覺分心或疏忽等因素,無意的使車輛偏離既有行駛車道時,LDWS即作動並藉由聲響警示、燈號警示或方向盤抖動等輔助方式提醒駕駛。首次裝設車道偏離警示系統是在2000年日產汽車的Infiniti FX系列 和 Infiniti M系列,該系列的系統是由Valeo 和 Iteris 兩車商聯合開發,系統的影像感測器是裝置在車內照後鏡的位置。

 

    LDWS之感測系統依各家製造商的策略不同而有所區別,如紅外線偵測的光敏式警示系統,其又可分為「可見光」與「不可見光」警示系統;又如使用CCD或是CMOS電子影像系統,或者是將電子影像轉換為3D影像感測器配合紅外線感測器等等。其作動原理是利用感知器監測識別路面上車道標誌,一般而言,當駕駛施打方向燈轉向或有明顯轉向意圖時,LDWS並不會作動,倘若車輛在駕駛無意狀態下(未施打方向燈且轉向角度訊號不明顯) 開始偏移車道,此時LDWS會在車輛偏移且接近車道線時,作動發出警示提醒駕駛。此外,根據美國高速公路交通安全管理局的統計顯示,不經意的偏移車道所造成的意外傷亡佔所有肇事率的42%,另有數據顯示,如果系統能提前1秒警示不正常偏移駕駛現象,可減少約90%的駕駛意外傷亡,因此提前警示可提高駕駛安全,降低事故肇事率。

 

圖:Lane Departure Warning System

 

(5) 自動停車輔助系統

    按下系統啟動鍵後,超音波距離感測器及後方攝像頭會進行停車空間掃瞄與障礙物偵測解析,尋找合適停車位;找到合適空位後,依據系統的提示,駕駛者將檔位排入R檔,車輛會自動控制轉向系統執行停車動作,過程中駕駛者無須操控方向盤,只需控制排檔及煞車。

 

 

圖:自動停車輔助系統

 

    自動停車輔助系統為近年來各大車廠發展的重點項目之ㄧ,大約是於2005年前後發展出來的技術,當時全球僅日本AISIN、法國Valeo、德國Bosch擁有技術,其中Bosch與Valeo目前僅能適用於平行停車,AISIN則可平行停車與倒車入庫,如今已是各大車廠的基本配備了。

 

(6) 汽車夜視系統

 

    汽車夜視系統,利用紅外線技術能將黑暗變得如同白晝,使駕駛員在黑夜裡看得更遠更清楚。夜視系統的結構由2部分組成:一部分是紅外線攝像機,另一部分是擋風玻璃上的光顯示系統。而本系統大概都是於2010年左右開發成功,最早用在寶馬的7系列車款上

圖: 汽車夜視系統

 

圖: 汽車夜視系統運作圖


從技術上來講,夜視系統分為兩種:

 

  1. 主動紅外照射(短紅外 NIR-Near-Infrared Ray)

    主動式夜視系統主要由紅外發射裝置發射一定強度的紅外波束,利用圖像傳感器感應從目標物體上反射回來的紅外波束,並把圖像顯示在車載顯示屏上。被動式夜視系統利用自然界絕大多數物體的溫度都大於絕對溫度的原理,此情況下的物體都會向外發射一定波長的紅外光束,其光譜處於3微米以上範圍,由於所發射紅外光束的能量很弱,需要利用昂貴的專用紅外圖像傳感器來感知目標物,主要用於軍事方面。

 

2.被動紅外系統(遠紅外 FIR-Far Infrared Ray)

    被動紅外夜視技術也稱為紅外成像技術,利用物體的紅外輻射來得到物體的像。熱成像系統的作用就是基於目標與背景的溫度及輻射發射率的差異,利用輻射測溫技術對目標逐點測定輻射強度,而形成可見目標的熱圖像。被動紅外夜視系統裝置的遠紅外照相機主要接收物體自身輻射的遠紅外光線波長80~14,000nm。完成從掃描到最終成像的核心設備就是熱像儀。熱像儀所攝景物包括目標及背景,兩者輻射的差別是構成熱圖像的基礎,目標及背景的輻射通過大氣被吸收或散射之後再反射到熱像儀。一般,熱像儀的接收元件採用單個或線列型的紅外探測器,只攝取景物一部分的輻射,為了獲得被射景物全體的圖像,必須用光學掃描方法使紅外探測器順序掃視整個被攝景物空間,接受的按空間變化的紅外輻射由紅外探測器轉換成按時間順序變化的電信號,經放大處理後,再在陰極射線管上轉換成可見的圖像。
 

系統整合

    從上述可知,現今的購車者在選購新車時,對於安全功能的重視程度與傳統考量基本上是不相上下。雖然被動安全裝置(如安全帶與安全氣囊)仍極為重要,購車者也逐漸瞭解先進主動安全技術的重要性,因為它可大幅降低發生意外的可能性與嚴重性。他們特別重視在理想情況下可完全避免碰撞的創新技術,例如消除使駕駛環境感知能力受限的視線死角。於是,上述系統目前在高階車款被整合成先進駕駛輔助系統(ADAS)功能。

 

圖:ADAS和汽車的上下游

 

    最初,ADAS以減少意外為目的,所以其主動安全功能集中在以電子方式監視,且使用在汽車前方區域(碰撞偵測/迴避)與車道區域(車道偏離警示)。目前,部分汽車製造商所提供的環景安全監視功能,不僅可用於倒車停車,還可以用於低速行駛。部分車款中更新穎的系統可提供針對行人與其他車輛的警示功能。這些功能也能提供更理想的夜間行駛性能。

 

圖: 0碰撞汽車的結構


    業界近期目標是實作環景監視系統以提供有效的ADAS,特別是汽車業客戶經常表示對於環景式ADAS設計的兩個疑慮:

 

  1. 隨著嘗試擴大感測範圍、提升偵測精密度,以及執行更強大的控制演算法,系統的運算負載也以等比級數提高。因此,工程設計團隊需要將高運算能力整合至安全設備的解決方案,同時必須達到低功率運作、高可靠性及高品質。
     

 

: ADAS功率消耗

 

  1. 應用程式碼仍是整體系統開發中最重要的因素。其設計對於成本與進度都有很大的影響。多重攝影機系統需要高頻寬與攝影機同步運作,這些功能皆需要高速的車載網路。特別是系統設計師不斷尋找可支援乙太網路AVB (影音橋接)的ADAS解決方案,此平台的優勢使其成為目前次世代ADAS設計的首選。

 


圖: ADAS系統運作

 

    而走到未來,現下車廠都致力將自動駕駛的安全性變得更加完備,至少在下個十年必須完成碰撞完全避免及行人的預測,讓前些日子UBER無人車撞上行人的情況不再發生。而更往後的目標,則是要藉由雲端連線的數據庫完整的清楚判讀各項物體和交通狀況,作出最理想的判斷。

 

圖:ADAS未來目標

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eatontseng

曾教授與古董保時捷

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