ADAS的種類與主要組成 LiDAR的用途與相關技術

ADAS的種類與主要組成　　什么是ADAS？從字面來看，ADAS就是Advanced Driver Assistance Systems的縮寫，翻譯成中文，就是先進駕駛輔助系統(tǒng)。既然ADAS是『輔助系統(tǒng)』，自然可知它與『自動駕駛』存有程度上的差異。但若換一個角度來看，ADAS系統(tǒng)的發(fā)展卻也是我們邁向自動駕駛終極目標的必經之路。

從功能面來看，現(xiàn)今ADAS主要包括了：

自適應巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control， ACC）：此功能是在傳統(tǒng)定速巡航的基礎上，采用雷達/光達探測前方車輛與本車的相對距離和相對速度，主動控制本車行駛速度，以達到自動跟車巡航的目的。根據前方是否有車輛，系統(tǒng)可以在定速巡航和跟車巡航之間自動切換。

車載導航系統(tǒng)（Car Navigation System）：透過接收GPS （Global Positioning System）與TMC （Traffic Message Channel）的訊號，再加上安裝在汽車上的地磁式方向傳感器、陀螺傳感器、車速傳感器等用來測定汽車的行動軌跡，經過ECU運算，即能確認車輛在地球上的位置。

車道偏離警示系統(tǒng)（Lane Departure Warning System， LDWS）：利用安裝在前擋風玻璃上之攝影機，測量車輛前方的道路標線，并實時計算車輛與車道線的相對距離、道路斜率與曲率等參數(shù)，當駕駛者不經意偏離車道時，適時給予警訊，讓駕駛者實時修正車輛行駛方向，甚至會主動嘗試將車輛導回到原本的車道上，降低車禍發(fā)生的機率。

盲點偵測系統(tǒng)（Blind Spot Detection）：典型的盲點偵測系統(tǒng)使用安裝在汽車兩側的電子偵測裝置（通常在左右后照鏡周圍或是后保險桿周圍），透過電磁波/雷達波/超音波來感應，或是用攝影機拍攝畫面。當其中一個傳感器偵測到盲點區(qū)內有物體時，會透過燈光?聲音或屏幕影像警告駕駛，避免貿然變換車道，造成事故。

前車防撞警示系統(tǒng)（Front Collision Avoidance System， FCWS）：以鏡頭結合雷達偵測并利用特殊算法計算即將與前車碰撞的時間，若系統(tǒng)判斷車距過近，本車與前方車輛未保持適當安全距離，與即將有碰撞風險時，系統(tǒng)透過警示燈閃爍，并發(fā)出警報音提醒駕駛人減速，以減少追撞意外對乘員的傷害。

行人偵測系統(tǒng)（Pedestrian Detection）：以立體攝影機結合雷達偵測前方區(qū)塊，掌握前方行人及其運動模式。當可能有碰撞風險時，系統(tǒng)會發(fā)出警示符號與警告音提醒駕駛人因應。若未能實時反應，更先進的系統(tǒng)將啟動煞車輔助。甚至，若系統(tǒng)判斷煞車過急，系統(tǒng)更將發(fā)出指令，束緊車內安全帶、立直椅背以減低沖撞傷害。

此外，包括：緊急煞車系統(tǒng)?頭燈自動啟閉系統(tǒng)?自動停車輔助系統(tǒng)?夜視系統(tǒng)?側風穩(wěn)定系統(tǒng)?駕駛疲勞偵測系統(tǒng)…等，也都屬于ADAS的范疇，在此不再一一贅述。

從系統(tǒng)架構面來看，ADAS主要由三大模塊組成：傳感器?處理器與制動器。傳感器（Sensor）：用以偵測各種外界的訊號，如：超音波（Ultrasound）、雷達（Radar）、光達（LiDAR）?攝影機（Camera）等等，主要用于偵測距離的遠近。其功能與應用可由圖1一目了然。圖1

因應ADAS不同的功能需求而采用的感測技術總覽處理器（Processor）：處理接收進來的訊號，在汽車里稱為「電子控制單元（Electronic Control Unit， ECU）」，做出適當?shù)姆诸惻c處理，再向致動器輸出控制訊號。常見如：微處理器（MPU）、數(shù)字信號處理器（DSP）。

致動器（Actuator）：控制各種致動的裝置，依照處理器傳送過來的控制訊號，讓相關的裝置完成運作。如：啟動自動煞車使汽車停止前進、啟動屏幕顯示警告訊息、啟動蜂鳴器發(fā)出警示音等。

LiDAR的用途與相關技術

LiDAR的英文全名為Light Detection And Ranging，中文稱為『光達』或『激光雷達』?？蓱糜谙冗M駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的自適應巡航控制系統(tǒng)?緊急煞車系統(tǒng)?行人偵測系統(tǒng)與前車防撞警示系統(tǒng)等，其主要功能為精準測距。

光達基本是由雷射光源、光傳感器和成像機構等3部分組成。雷射光源一般采用半導體雷射；光傳感器一般是用光電二極管（Photodiode， PD）或雪崩光電二極管（Avalanche photodiode， APD）；成像機構則分為掃描式或非掃描式的成像機構。在車用光達常用的距離量測方法就是利用飛行時間（Time of Flight， ToF）技術。關于ToF技術，將在本文下一個章節(jié)加以說明。

目前自駕車的發(fā)展，依據『是否采用LiDAR』的選擇，分為兩個門派：第一個派系是以特斯拉（Tesla）為首的陣營。此門派只以毫米波雷達與攝影機為主，不使用LiDAR。第二個門派則以Google為首。Google不只使用毫米波雷達與攝影機，更使用Velodyne H64E的光達，拍攝360度3D影像。

Tesla陣營決定不使用LiDAR的原因是其成本太過昂貴。然而，從近十年兩個陣營累計的實際案例來看：Tesla自駕車發(fā)生了一些嚴重車禍案例；而Google自駕車在經歷了超過300萬英哩的實際測試后，僅發(fā)生十余起的輕微擦撞事故。另外，從功能面來看，光達可以提供0.1度角分辨率，100公尺測距和5~10Hz的畫面更新率。這讓世界各地許多從事自駕車發(fā)展的團隊，普遍有一個共識，那就是：依現(xiàn)今自駕技術水準，未使用LiDAR作為傳感器的自駕車，達到Level 2~3的標準沒有問題；但若要達到Level 4~5，亦即達到『高度自駕』甚至是『完全自駕』的程度，就非使用LiDAR不可。LiDAR對于自動駕駛的發(fā)展如此重要，這也促使產品必須朝向更低成本?更耐用與更安全的方向發(fā)展，具體項目如下：發(fā)展全固態(tài)LiDAR：當一個帶有旋轉掃描機構與驅動馬達的模塊，裝置在需耐受天候并時常遭遇到震動與慣性變化的車輛時，此模塊的耐用程度就會遭受到極大的挑戰(zhàn)。所以將整個模塊全固態(tài)化，免除旋轉掃描機構與驅動馬達，就能有效提升LiDAR的耐用度。

采用單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode， SPAD）作為傳感器：當單光子雪崩二極管傳感器偏壓超過崩潰區(qū)，其光子產生的電子受到高電場加速撞擊，又產生許多電子，這些撞擊產生電子又受到電場加速，又撞擊產生更多的電子，這樣的連鎖雪崩效應所產生的電子增益非常大，所以只要有單光子就可以引發(fā)超過閾值（threshold）的電子訊號。SPAD造就了新款LiDAR對光線感知非常敏感的優(yōu)點，也讓LiDAR模塊可以采用較低功率 & 較低成本的雷射光源。

改用更長波長的雷射光源：基于成本與功率考慮，目前多數(shù)LiDAR使用的雷射光源是905 nm雷射，但是905 nm波段不在人眼安全的波段范圍內。一般人眼安全的波段是指大于1400 nm的波段，因為在可見光與波長小于1400 nm的紅外光會聚焦在視網膜，容易對視網膜造成永久傷害。改用1400 nm以上的雷射作為光源，對人身健康安全才更有保障。

將LiDAR的發(fā)射器?接收器與掃描透過半導體制程整合到芯片上：將雷射與傳感器一起長在芯片上，將可大幅度縮小體積?減輕重量，并符合LiDAR模塊全固態(tài)化的要求。除此之外，芯片化的設計使其掃描速度比機械式掃描快了千倍以上，并能大幅降低成本，有效提升產品的性價比。

iToF 與 dToF 的差別　　ToF是Time of Flight的縮寫，也就是飛行時間。當我們得知光的飛行時間，將光速乘以飛行時間就可以計算出距離。例如：光飛行一年的距離稱為一光年?！　oF技術細分，可分為兩種：（1） iToF （Indirect Time of Flight）間接飛行時間技術；（2） dToF （Direct Time of Flight）直接飛行時間技術。欲實現(xiàn)這兩種技術都需要有發(fā)射端與接收端，其差別主要在于計算距離的公式不同?！　ToF技術的發(fā)射端使用的是調制光，具備特定的周期與振幅。當這個特定調制的入射光從物體表面反射回來，接收器就會接收到相同周期的反射光，但這入射光與反射光兩者之間存在著一個相位的延遲。當我們測得此相位差延遲了幾個周期，就能透過下列公式計算出距離。dToF的光源一般采用脈沖光（Pulsed Light），脈沖光指的是在一個極短時間內發(fā)出的光束，dToF的傳感器在脈沖光發(fā)射出去的時候記錄當下的時間，并與接收到反射光的時間計算出時間差（?t），然后直接將時間差乘上光速除以2就計算出了物體與車子之間的距離?！　∧敲?，iToF與dToF各有什么優(yōu)缺點呢？我們可以從下表的詳細比較得知。不過，在此先下個小結論：短期而言，iToF技術挾著CMOS成本優(yōu)勢，應可占有一定的市場份額。但隨著SPAD制程技術的持續(xù)演進，預期dToF技術的成本將可獲得大幅改善。屆時dToF技術在偵測距離的優(yōu)勢，將會占據更多市場份額與產品應用。什么是SPAD？

SPAD就是單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode）的縮寫，稱為單光子累崩二極管，是一種半導體光偵測器。當我們在SPAD兩端施加更高的反向偏置電壓（硅材料通常為100-200 V），此時光子進入硅材料后，利用電離碰撞（雪崩擊穿）的效應，可以獲得大約100倍的內部電流增益，進而引發(fā)連鎖倍增效應。這時候的電流就會非常大，能夠很輕易的被電路偵測到。在制程上，透過摻雜技術的不同，可以讓SPAD允許施加更高的電壓而不會被擊穿，從而獲得更大的增益。一般來說，反向電壓越高，增益越大。圖2 單光子雪崩二極管倍增效應示意圖