自從汽車制造商開始使用第一臺(tái)微機(jī)電傳感器(MEMS)加速計(jì)來測(cè)量加速的強(qiáng)勁力道以及啟動(dòng)安全氣囊已經(jīng)二十多年了。第一臺(tái)慣性傳感器早已為今日的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)加速計(jì)的普及做好萬全準(zhǔn)備。

微型裝置 提升汽車安全性和舒適性

目前的ADAS技術(shù)還包括陀螺儀、壓力傳感器和磁力儀等類型的MEMS慣性傳感器的運(yùn)用。事實(shí)上，要不是有MEMS的防翻車安全功能，也不會(huì)有那么受歡迎的SUV的存在。MEMS陀螺儀偵測(cè)圍繞行進(jìn)中車輛X軸的旋轉(zhuǎn)。此為碰撞偵測(cè)運(yùn)算法則的主要依據(jù)。

慣性傳感器在自動(dòng)駕駛中扮演舉足輕重的角色，跟ADAS應(yīng)用有著同等重要的零組件不是已經(jīng)在使用，就是即將被開發(fā)出來。在設(shè)計(jì)ADAS時(shí)，工程師需要了解MEMS慣性傳感器，以及這些技術(shù)在未來10到20年對(duì)汽車制造商和消費(fèi)者代表甚么樣的意義呢？首先，讓我們來回顧一下傳感器在今天和未來在汽車技術(shù)中扮演的角色。

AnalogDevices推出的全球第一個(gè)啟動(dòng)汽車安全氣囊的加速計(jì)

翻履感測(cè)

屬于被動(dòng)安全防護(hù)功能的車輛翻覆感測(cè)可檢測(cè)汽車是否正在翻覆并及時(shí)啟動(dòng)安全氣囊裝置。在車輛翻覆時(shí)，慣性傳感器可為碰撞偵測(cè)運(yùn)算提供滾動(dòng)速率、橫向和垂直加速度等主要數(shù)據(jù)。

然而，在各種條件下提供可靠的傳感器訊號(hào)才是個(gè)大挑戰(zhàn)：例如在極端的酷熱或寒冷的溫度下或在碎石路上。此項(xiàng)要求也適用于電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)(ESC)的慣性傳感器，ESC屬于主動(dòng)汽車安全防護(hù)功能，透過控制和啟動(dòng)汽車剎車來防止車輛打滑。

為因應(yīng)所面臨的挑戰(zhàn)，必須謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)出結(jié)合MEMS設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)以及對(duì)汽車系統(tǒng)的理解及要求的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品必需根據(jù)規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，樣品必須先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，并與書面規(guī)劃的內(nèi)容一致。最后，傳感器必須經(jīng)過更多的實(shí)際駕駛測(cè)試，例如在冬季或碎石路上的行駛。

慣性導(dǎo)航

城市峽谷駕駛導(dǎo)航已經(jīng)內(nèi)建在導(dǎo)航系統(tǒng)的儀表板內(nèi)，這些技術(shù)可降低在陌生城市中自動(dòng)導(dǎo)航的壓力。藉由地圖，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的訊號(hào)、擇路運(yùn)算以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)甚至可透過車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，提供交通堵塞時(shí)的即時(shí)消息。

汽車工程師喜歡在導(dǎo)航系統(tǒng)中加入慣性傳感器，因?yàn)檫@些系統(tǒng)無論在「城市峽谷」，或是在GNSS訊號(hào)差、無效或根本就沒有訊號(hào)的地方仍可繼續(xù)運(yùn)作。在這種情況下，慣性傳感器可在失去訊號(hào)前最后一次GNSS的讀數(shù)之后確定位置的變化。假使駕駛在隧道內(nèi)無法接收到GPS訊號(hào)，慣性傳感器就會(huì)以公尺數(shù)推算車輛的方向。推測(cè)導(dǎo)航運(yùn)算再進(jìn)行位置變化的計(jì)算，就可根據(jù)慣性傳感器的訊號(hào)推斷你當(dāng)前所在的位置。

駕駛輔助

在各式駕駛輔助技術(shù)中，不僅只是巡航控制或后視攝影機(jī)。主動(dòng)車距控制巡航系統(tǒng)、車道保持和變換輔助系統(tǒng)、先進(jìn)緊急剎車系統(tǒng)及主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都屬于駕駛輔助技術(shù)的一部分。并是透過將MEMS慣性傳感器以及攝影機(jī)、雷達(dá)和/或光學(xué)雷達(dá)(LIDAR)等感知系統(tǒng)的智能結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。

主動(dòng)車距控制巡航系統(tǒng)(ACC)比大家所熟悉的巡航控制功能更需具體經(jīng)驗(yàn)。雖然傳統(tǒng)的巡航控制技術(shù)可以節(jié)省油耗，且在長途駕駛可更輕松，但還是得依據(jù)附近車輛的速度不時(shí)地切換巡航控制開關(guān)。這樣的困擾駕駛?cè)藨?yīng)該都經(jīng)歷過吧？為了能與其他的車輛保持安全距離，ACC可根據(jù)需要調(diào)整車速，而非保持在定速狀態(tài)下前進(jìn)。

ACC主要是利用雷達(dá)、攝影機(jī)或雷射來測(cè)量與物體間的距離。能夠強(qiáng)化ESC的同類慣性傳感器，也能應(yīng)用在ACC上。慣性傳感器有助于預(yù)測(cè)路徑，然后將該路徑連接到障礙物偵測(cè)上。類似的慣性裝置還能做到爬坡控制的特色，讓低重力傳感器利用向下的重力方向來確定傾斜度，使正在上坡的車輛不會(huì)往后滑動(dòng)。

主動(dòng)轉(zhuǎn)向則是另一項(xiàng)駕駛輔助技術(shù)，在較高的速度下可減少車輪每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向角度的變化量。此功能可提高公路駕駛的準(zhǔn)確性，偏航率傳感器可提供突發(fā)狀況的相關(guān)訊息。

好消息是，不僅是豪華房車，一些中價(jià)位車款也已配備駕駛輔助系統(tǒng)。BMW相當(dāng)早以前就開始在市面上推出具有主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能的車款，福特的Ford Edge也具有主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能；相信其他汽車制造商也將很快跟進(jìn)。

相同地，慣性傳感器也是利用攝影機(jī)、雷達(dá)和雷射來達(dá)到輔助駕駛。偵測(cè)技術(shù)則可藉由預(yù)測(cè)汽車的移動(dòng)來達(dá)成自動(dòng)駕駛。

邁向全自動(dòng)駕駛

現(xiàn)今的自動(dòng)駕駛裝置結(jié)合一系列現(xiàn)有的ADAS功能。全自動(dòng)駕駛汽車需要詳細(xì)了解它們所處的環(huán)境，必須理解和預(yù)測(cè)車輛和行人的行為。使用高精度地圖和視覺系統(tǒng)，感知技術(shù)必須能預(yù)測(cè)高速公路上的汽車路徑。高速公路駕駛預(yù)測(cè)比在城市駕駛的汽車和行人路徑預(yù)測(cè)容易得多(圖2)。諸如「深度學(xué)習(xí)」的人工智能對(duì)于實(shí)現(xiàn)完全自駕車所需的認(rèn)知至關(guān)重要。

Bosch從2013年即開始進(jìn)行高速公路上的自動(dòng)駕駛測(cè)試

定位和導(dǎo)航

在完全自動(dòng)駕駛中汽車將成為一個(gè)可以回答以下問題的機(jī)器人：「我在哪里？」、「我想去哪里？」、和「我該如何到達(dá)我想去的地方呢？」對(duì)于自動(dòng)駕駛和自主駕駛車輛，要回答這些問題，則以吋為單位的尺度(Inch-Scale)定位就顯得相當(dāng)重要。與引導(dǎo)我們到最近星巴克的導(dǎo)航不同，它是必須能作到精確定位一個(gè)人在街道巷弄中的位置。

MEMS慣性傳感器是執(zhí)行定位和導(dǎo)航時(shí)不可或缺的零組件

在自駕車內(nèi)，自我定位集合兩種不同的技術(shù)方法：機(jī)器人和運(yùn)輸。利用攝影機(jī)、光學(xué)雷達(dá)和雷達(dá)等感知系統(tǒng)，機(jī)器人研究人員已經(jīng)開發(fā)出用來確定人與物的相對(duì)位置的新方法。例如，當(dāng)遵循同步定位與建構(gòu)環(huán)境地圖(SLAM)的方法時(shí)，機(jī)器人汽車會(huì)建構(gòu)其周圍環(huán)境的地圖，并將其實(shí)際位置與該環(huán)境相對(duì)輪廓相聯(lián)結(jié)。利用地圖上顯著的地標(biāo)，并在存儲(chǔ)的高精度圖中找到它們的位置，因此一個(gè)人的絕對(duì)位置即可被確認(rèn)。

運(yùn)輸業(yè)已驗(yàn)證，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)可利用測(cè)量加速度和旋轉(zhuǎn)來確定絕對(duì)位置的變化。系統(tǒng)可從GNSS讀數(shù)、地標(biāo)導(dǎo)航或SLAM中推斷絕對(duì)位置開始，捷聯(lián)式運(yùn)算以慣性傳感器的讀數(shù)為基礎(chǔ)計(jì)算出新位置。

根據(jù)目標(biāo)精度的不同，INS可能會(huì)需要高效能傳感器，因?yàn)樗鼤?huì)迅速累積漂移和誤差。光學(xué)傳感器可滿足最高要求，例如環(huán)形雷射陀螺儀和光纖陀螺儀。近年來，高效能MEMS傳感器已成功進(jìn)入戰(zhàn)術(shù)級(jí)傳感器市場。

融合慣性傳感器和感知傳感器的數(shù)據(jù)

視覺和感知系統(tǒng)如何從慣性傳感器中獲益？視覺或是感知傳感器可感測(cè)到物體的移動(dòng)，也就是「光流」。以便確實(shí)的判定從運(yùn)動(dòng)求得結(jié)構(gòu)(Structure from Motion)，并計(jì)算汽車移動(dòng)和交通伙伴間的距離。

慣性傳感器完全不需理會(huì)感知傳感器的限制因素，例如天氣條件、合適的日光條件、雪道或模糊的地標(biāo)。慣性傳感器不需依賴現(xiàn)場的照明，因?yàn)樗鼈兛蓚蓽y(cè)到動(dòng)覺運(yùn)動(dòng)，并且不用依據(jù)圖像來計(jì)算。此外，比較安全的慣性傳感器不需依賴汽車外部的任何鏈接和數(shù)據(jù)傳輸。目前的研究專注于如何融合動(dòng)覺慣性和視覺訊息的松散耦合和緊密耦合。

當(dāng)運(yùn)用松散耦合時(shí)，感知系統(tǒng)和INS幾乎各自定位汽車，隨后再相互比較和彼此校正其結(jié)果。慣性和視覺傳感器的緊密耦合提供第二種選擇，其中物體的直接(像素級(jí))視覺測(cè)量會(huì)結(jié)合慣性測(cè)量裝置(IMU)的讀數(shù)。

全自動(dòng)駕駛未來可期

在這兩種方法中，MEMS慣性傳感器提升感知系統(tǒng)逐格追蹤對(duì)象的能力，進(jìn)而可提升駕駛輔助系統(tǒng)。例如：車道保持和變換輔助、AEBS和主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向?qū)⒆兊酶悠占啊ＶT如交通阻塞輔助的部分自動(dòng)化功能，市場上早已看到。隨著即將實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化功能層次逐漸提高，未來幾年交通阻塞輔助將越來越普及。

自動(dòng)駕駛獎(jiǎng)漸進(jìn)式的方式實(shí)現(xiàn)

在2020年，預(yù)期可在高速公路上看到全自動(dòng)駕駛。然而，都市地區(qū)的全自動(dòng)駕駛可能要10到15年才能實(shí)現(xiàn)。

汽車制造商在完全自動(dòng)化，甚至部分自動(dòng)化之前將繼續(xù)滿足消費(fèi)者對(duì)ADAS普遍實(shí)現(xiàn)的需求；憑借這些豐富的技術(shù)，讓駕駛功能可涵蓋廣大消費(fèi)者的需要。雖然全自動(dòng)駕駛可能需要幾年的時(shí)間才能達(dá)成，但是我們從家用車中已經(jīng)透過MEMS和傳感器享受ADAS所帶來的便利。