2014年1月23日

輕鬆上路好方便—能自動駕駛的智慧車

自動化的世界,一直是科幻電影中熱門的話題,這些發揮極致的創意,逐漸的在真實生活之中一一實現。

作者/吳炳飛(任教交通大學電機工程學系)、彭昭暐(任教中山大學機械與機電工程學系)、蔣欣翰(任教輔仁大學電機工程學系)、李祖添(任教中原大學電機工程學系)

《機械公敵》(I, Robot)設計出雙座跑車奧迪RSQ,它擁有夢幻般的流線設計,在車輪環節則為直徑18 吋、金屬鎂製作成的旋轉球,使汽車不僅能前後方行駛,也可以左右行駛,增強汽車的靈活性和轉向性。

當坐上座椅時,電腦會根據你的身型自動調節座椅的位置,以及靠背的貼身程度,讓你能以最貼身、最舒適的姿勢駕駛。最特別的是,在駕駛座找不到方向盤、排檔器、離合器、煞車與油門。只需要將車上電腦打開,輸入目的地,以及在車行駛中你所感興趣的數據,車子會由電腦控制,自動朝目的地行駛。

駕駛員有興趣的數據將會以3D圖像形式投射在儀錶盤處,在自動駕駛中可以對行駛狀況有所了解。當然也可以採用手動駕駛,此時兩個號角型的方向控制桿會自動伸出。RSQ 所採用的方向輔助是最新科技的紅外線感應系統,只須要轉動控制桿就會朝你想要的方向行駛。汽車速度也不再是通過油門踏板來控制,而是通過方向桿上的正負標誌來控制,「+」表示加速,「-」當然就是表示減速,同時也可用於剎車。RSQ的設計處處展現了以人為本的思想,讓人可以更輕鬆、安全地享受開車的樂趣。

10多年前電視影集《霹靂遊俠》(Knight Rider)中,能與駕駛對談的車,現在也將能透過智慧型手機來實現。影集裡李麥克跟夥計合作無間,經過30 年後,車主跟車子互相對話的場景是否能夠實現?

影集中的霹靂車由人工智慧導引,可呼叫它來載車主,能說話,而且能抵抗大部份的武器攻擊,也能跳過障礙物。目前技術還不能完全辦到,但對很多人來說,iPhone 手機上的Siri 為最貼近的技術。美國通用汽車公司旗下的雪佛蘭,將開始在特定車款上加入使用Siri 的功能,車子與手機會透過藍芽連接,當車主想要發指令給Siri 時,只要按下方向盤上的特別按鈕,就可以跟Siri 對談。

電影《關鍵報告》(Minority Report)中的無人駕駛車,在現實生活中已經有十分貼近的成果。它可以藉由專用路面來達到自動駕駛,駕駛只需設定想去的地方,就可等待自動車抵達目的地。在專用路面上的車可向四周車輛交互傳遞訊息,使得車與車之間可在高速中保持固定的車距行駛,如同列車一般。駕駛只需在車上等待自動車帶領他抵達位置,如此一來可減少人為原因導致的車禍,同時路上可容納更多的車流。

看到以上各種不同具有未來感的自動車,有沒有蠢蠢欲動想要一台這樣的汽車?

自動駕駛技術
為了可以達到完全自動駕駛,許多相關技術相繼研發出來,大略可分為四個部分:影像技術、雷達技術、定位技術和控制技術。這些技術所需要的感測器有攝影機、雷達、雷射測距儀、GPS、里程計、控制器等,如何整合所有感測器的資訊將是此系統最大的難題,以下將介紹各技術的發展。

影像處理技術主要是處理車輛前方的環境,路面上的所有資訊都是需要關注的,在此列舉幾項需注意的路面資訊:

(1)道路線偵測:為了讓車輛可以安穩的行駛,透過道路線偵測確保車輛行駛在安全的範圍內。
(2)障礙物偵測:車輛在行駛的過程中會遇到障礙物,如前車、行人,透過障礙物偵測,讓車輛在自動駕駛的過程中可以順利閃避障礙物繼續行駛。
(3)盲點輔助:車輛在變換車道的時候,可能會看不到兩側的來車,透過盲點輔助可以計算來車的速度,並計算變換車道的時機。

然而影像技術,又可劃分為單眼視覺與雙眼視覺,上述的偵測方法皆可使用單眼視覺實現,但雙眼視覺也有其必要性。雙眼視覺可生成視深圖,透過視深圖可以得知圖中每個物體的距離,也不需要分別定義每項物體的特徵,但缺點是運算量繁複,因此在系統實現上需要去作取捨,以期達到最好的效果。

雷達技術主要是用來偵測車輛周圍的物體,而遠距離時使用雷達在避障資訊上是非常準確的,但卻無法得知周圍的障礙物是什麼。因此需要結合多台雷射測距儀去掃描周遭環境,把周遭環境建立成3D 圖形資訊並分析,適時給予安全警訊,讓車輛得以安全行駛。

定位技術是記錄車輛所行駛的路徑與目前所在的位置,透過GPS 的定位可供駕駛者做路徑規劃,讓駕駛者可以避開塞車的路段,減少行駛所需的時間。

控制系統是整合影像與雷達的資訊,控制車輛的油門、剎車、方向盤,讓車輛擁有自動轉彎、加速、減速、閃避障礙物、超車等功能,確保駕駛可以安心的享受自動駕駛。

自動駕駛系統功能
一般自動駕駛車輛上具備許多的功能,然而這些功能都是透過感測器得到環境與車輛本身的資訊,如何將這些資訊整合,提供更準確、便捷的服務,不只是依靠單一功能,而是靠具有調控能力的智慧型系統來協調。

環境辨識系統
環境辨識系統的主要目的是感測與辨識車輛周遭的環境,如行人、樹木、車輛、交通號誌等。在影像技術辨識的方法是擷取各種障礙物的特徵,而使用雷射測距儀技術則可建立車輛周遭的環境地圖,當兩個資訊整合在一起,即為完整的環境辨識系統。可應用在未知環境下,由此系統輔助車輛在行駛時避免撞上障礙物。

遙控與自動停車系統
當駕駛人抵達目的地下車後,只要用智慧型手機對車輛下達停車指令,車輛將透過各種輔助裝置,以自動駕駛方式找尋合適的停車位,當車停好後隨即啟動防盜系統,並回傳訊息於車主手機。車主要離開時,只需下達開車指令,車輛就會自動駛離停車位置,開到車主所在位置。由此系統可以有效規劃停車場內的空間運用,一方面駕駛者也不必為了找尋停車位而浪費了時間。

定位系統
常見的定位是使用GPS 與里程計,配合Google Map 做全方位的位置偵測,由此系統可以得知目前駕駛者在何處,也讓駕駛者可以規劃路徑自動駕駛。

主動式巡航與跟車系統
一般在高速公路或於市區塞車時,藉由雷達可探測前方數百公尺的障礙物,控制車輛姿態維持安全距離;而在車身加裝超音波感測器與車前方的雷射測距儀進行周遭路況、車況的監測,甚至將主動介入、協助駕駛人迴避危險。當駕駛者需要長途開車時,由一輛前導車在前方引導,透過無線通訊互相溝通,根據前導車的行駛狀況來做行駛的調整,由此系統來輔助駕駛者安全行駛。


【台灣的智慧車】
台灣交通大學智慧車TAIWAN iTS-1  
智慧車TAIWAN iTS-1前方安裝雷射測距儀,車內裝置有攝影機以及RTK-DGPS 定位系統,此外智慧型控制器能驅動車輛之電子油門、煞車與方向盤,達到自主駕駛的目的。TAIWAN iTS-1 已具有車道保持、自動跟車、規劃路徑與車間通訊系統功能,可增加自動駕駛的安全性。TAIWAN iTS-1 主要特色為加入了ISO2631的規範,避免自動駕駛時的控制動作對車上成員的傷害與加入弱勢用路人保護服務(Vulnerable Individual Protection Service, VIPS),能與智慧化的路口互動,尊重弱勢用路人的路權,以增加科技的人性面。 ..........【更詳細的內容,請參閱第530期科學月刊】

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