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，只要利用被動光學組件和一個前向雷達就能實現(xiàn)自動駕駛。」他正致力為消費性市場推出價格相對能被大眾負擔，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)為基礎的自動駕駛動態(tài)控制設計，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；共乘服務業(yè)者Uber則在美國匹茲堡（Pittsburgh）開設了一個測試場地，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)恕iDAR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，以因應自動駕駛車輛導航的嚴格要求；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；例如在自動駕駛導航領(lǐng)域，零點幾秒的人類反應時間一般是可以接受的，因此保證導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；也應該盡可能朝看清汽車前方的路面延伸，以適應道路凹陷或陡坡。

各種平價LiDAR傳感器產(chǎn)品

Velodyne曾推出一款型號為VLP-32A的車用LiDAR傳感器，這款命名為ULTRA Puck的產(chǎn)品（圖3）號稱是首款經(jīng)濟型、可滿足美國汽車工程師學會（SAE）定義之汽車自動化1~5級要求的LiDAR傳感器。福特（Ford）是第一家訂購ULTRA Puck的汽車制造商，準備將其應用于該公司最近宣布擴編的自動駕駛車隊，預計今年稍晚上路。

圖3 Velodyne的ULTRA Puck傳感器可實現(xiàn)長達200公尺的覆蓋距離，支持32個LiDAR信道，其提升的分辨率可以更容易識別物體；這32個通道部署在28度的垂直視場上，并以獨特的模式配置，能提高地平在線的感測分辨率。（圖片來源：Velodyne）

加拿大業(yè)者LeddarTech的LiDAR解決方案Leddar（圖4）也讓人印象深刻；該公司有獨立的先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和在被動和主動安全系統(tǒng)中使用的經(jīng)濟型LiDAR，并能為先進的傳感器融合之整合提供原始數(shù)據(jù)量測。其傳感器冗余（Sensor Redundancy）突破了其他傳感器的局限性，可避免系統(tǒng)故障和檢測誤差，并改善各種環(huán)境條件下的檢測。其應用于自動駕駛的360度點云功能，則可滿足更高分辨率和更高性能需求，未來還將提供支持360度和高分辨率檢測的版本。

圖 4 加拿大業(yè)者LeddarTech的LiDAR解決方案Leddar。

適合所有等級自動駕駛車輛且能繪制車輛周遭360度環(huán)境地圖的經(jīng)濟型LiDAR，對司機、乘客、行人，和其他車輛乘客的安全來說都至關(guān)重要。Leddar芯片組的原始數(shù)據(jù)輸出功能使其非常適合先進的傳感器融合解決方案──這類方案將各種傳感器傳送過來的數(shù)據(jù)整合，來提供汽車四周的整體感知圖。其特色包括：

˙能整合到ADAS和自動駕駛功能，固態(tài)LiDAR將代替或補充其中的攝影機和/或雷達。 ˙高密度3D點云LiDAR，可實現(xiàn)更高等級的自動駕駛。 ˙支援快閃/光束操控LiDAR（即MEMS微型反射鏡）。 ˙覆蓋距離達250公尺，視場達140 °，每秒多達48萬個點（水平和垂直分辨率可小至0.25°）。

最后還有一家荷蘭業(yè)者Innoluce（編按：英飛凌科技-Infineon已于10月宣布收購該公司）推出的車用LiDAR，號稱能覆蓋250公尺的目標范圍，分辨率達0.1°，價格為100美元。

視覺影像傳感器

雖然2D LiDAR很多時候是與視覺傳感器整合，不過我們在這里只討論視覺傳感器本身。首先是Mobileye的方案，Mobileye Shield+是Tesla采用的一種非常先進的防碰撞系統(tǒng)，支持Vision Zero交通事故零傷亡愿景（這是一個獲得許多國家支持的交通安全目標，即實現(xiàn)無致命或嚴重傷亡的公路系統(tǒng)，是1997年10月由瑞典發(fā)起）；不過該系統(tǒng)僅能在即將與行人發(fā)生碰撞時提醒駕駛，不能檢測無生命的物體。

Mobileye的防碰撞系統(tǒng)具有以下功能：

˙行人和與騎士碰撞警告（Mobileye PCW）。 ˙正向碰撞警告（Mobileye PCW）。 ˙前方車距監(jiān)測警告（Mobileye HMW）。 ˙車道偏離警告（MobileyeLDW）。 ˙道路限速指示（SLI）。

此外該公司的Mobileye 5系統(tǒng)支持藍牙，可以透過智能型手機應用程序提供駕駛?cè)藢崟r音/視訊警告。

美國喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）提出了一種創(chuàng)新的3D系統(tǒng)封裝架構(gòu)，不僅考慮了電氣、機械和散熱設計，還考慮了新的數(shù)字、射頻、傳感器、雷達毫米波和電源技術(shù)；他們計劃開發(fā)高度創(chuàng)新、以大面板為基礎的超薄玻璃封裝，以及在電氣、熱、機械設計、材料、制程、繞線微影、精細間距、高吞吐組裝，及用于訊號、電源傳輸和導熱的高傳導性銅通孔（through Coppervias）等方面的創(chuàng)新。

透過開發(fā)防碰撞傳感器來強化自動駕駛車輛技術(shù)，還需實現(xiàn)更多進步，才能實現(xiàn)與城市基礎設施連結(jié)的新時代，如圖5所示。

圖5 與周圍基礎設施的無線連結(jié)，是提升自動駕駛車輛安全性所需的關(guān)鍵因素之一。

汽車傳感器和通訊技術(shù)領(lǐng)域的最新發(fā)展，提高了駕駛對車輛周邊環(huán)境的能見度和意識，并實現(xiàn)了其他許多令人驚嘆的功能，比如停車輔助、自適應巡航控制、車道維持輔助、交通標志識別和行人偵測等，如圖6所示。

圖6 新一代傳感器技術(shù)進一步強化了ADAS功能。

IC整合/封裝

汽車電子系統(tǒng)需要執(zhí)行包括無線通信在內(nèi)的許多功能，需要應用于與自動駕駛安全相關(guān)數(shù)據(jù)處理的無線感測、立體攝影機、毫米波電子組件、高頻電子組件或光子組件，還有用于電動車的高功率、高溫電子組件。

將以上所有組件透過晶體管整合為單芯片，或是以堆棧式封裝/系統(tǒng)級封裝（SiP）的多芯片形式整合在一起，是超越摩爾定律（More than Moore‘s Law）的技術(shù)；而為了完整系統(tǒng)整合的「系統(tǒng)摩爾定律（System Moore’s Law，SM）」概念則催生了「汽車系統(tǒng)級封裝（Automotive System-on Package，A-SOP）」，具備旁大且極具成長潛力的市場（圖7）。

圖7 喬治亞理工學院提出了成立汽車電子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的構(gòu)想。

看見周遭人類與接近某個現(xiàn)場

高度自動化和自動駕駛車輛的開發(fā)人員必須考察復雜的人類行為，讓自動駕駛汽車能觀察、理解、模型化、推斷和預測車廂內(nèi)的乘客以及車輛周遭行人、汽車行駛區(qū)域內(nèi)的人類行為（圖8）。

圖8 高度自動化和自動駕駛汽車必須要能理解車輛周遭人類行為。

而因為成像研究已經(jīng)取得了顯著的進步，這將有助于控制空間接近（space approach）；這些類型的研究和實驗將有助于阻止自動駕駛車輛發(fā)生交通事故并危及人身安全，因為這些傳感器系統(tǒng)正隨著算法的成熟不斷演進（圖9）。

圖9 這是采用了深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）的影像到控制策略流水線（調(diào)節(jié)語義感知）案例——先是語義場景元素（semantic scene element）的預測，然后是控制策略算法。

關(guān)于以整體性方法了解一個狀況的來龍去脈，以及處理許多異常和意料之外場景和目標物的相關(guān)技術(shù)，還有許多需要學習的；包括對觀察到的物體（包括人和汽車）之細微短/長期活動信息加以擴展分析，以及在被完全不可預知的人或車輛包圍的條件下預測活動事件并做出決策的預測等。

聲音檢測和分析

目前的麥克風產(chǎn)品發(fā)展以及聲音質(zhì)量技術(shù)已經(jīng)有重大進步，因此筆者認為自動駕駛車輛的另一個傳感器數(shù)據(jù)源一定是聲音；這種新增的聽覺輸入與所有視覺傳感器，將共同為處理器和算法添加另一層信息輸入，這有助于提高關(guān)鍵的決策判斷能力，從而確保道路上自動駕駛車輛的安全。

人類對汽車喇叭，以及救護車、消防車和警車的警笛聲都會有所反應，筆者相信我們也需要為自動駕駛車輛增加聽覺，以完善對駕駛?cè)说?a href="http://m.makelele.cn/analog/" target="_blank">模擬。

麥克風技術(shù)已有不少提升，包括聲音質(zhì)量，以及具備能夠耐受惡劣車用環(huán)境的高強韌度MEMS設計，還有降低噪聲、低功耗運作以及動態(tài)范圍等性能的改善。

小結(jié)

我們可以說，要決定是否讓不需要人類干預之全自動駕駛車輛上路，現(xiàn)在還不是時候；還有許多工作要做。而傳感器科學與工程技術(shù)還有成熟的算法正在快速發(fā)展，以預測人類和汽車的隨機行為并迅速做出反應，目標是避免車輛和財物的損失，當然還有最重要的──保障人們的生命安全。