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【產業動態】自動駕駛車輛如何透過嵌入式系統運作


Photo by Maximilian Wachter / Unsplash
Photo by Maximilian Wachter / Unsplash

汽車產業正處於一場革命的邊緣,嵌入式系統的快速發展正推動著這股浪潮。這些複雜且電腦化的元件正在改變整個產業的面貌,為未來打下堅實的基礎,使車輛變得更加智慧、安全和高效;嵌入式系統是專為特定任務而設計的專用電腦系統,具有即時計算限制,它們被嵌入在車輛的各個裝置中,包括硬體和機械組件,這些系統在汽車領域中扮演著重要角色,掌控著引擎管理、變速控制、導航、和娛樂系統等多種功能。


嵌入式系統的整合已經對汽車產業帶來了顯著的影響,它們推動了先進駕駛輔助系統(ADAS)的發展,提升了車輛的安全性和駕駛者的舒適度,ADAS功能包括自適應巡航控制、車道偏移警示、和自動緊急煞車等,這些功能依賴感測器和攝影機即時監測車輛周圍的環境,迅速做出決策,極大地降低了事故風險。


而嵌入式系統也是實現自動駕駛車輛的核心驅動力。自動駕駛車輛依賴這些系統來解讀感測器數據、做出決策和控制車輛的行動。它們像是車輛的智慧大腦,能夠即時處理龐大的資料量,以安全和高效的方式應對複雜的交通環境;這些嵌入式系統的持續進步和創新正在推動汽車產業邁向一個全新的境界;未來,我們可以期待著更加智慧且高度自動化的車輛,為我們提供更安全、更舒適的駕乘體驗。


我們都知道,自動駕駛車輛是未來的交通方式,Google 旗下的Waymo自動駕駛車輛已經行駛了近 200 萬英里,而Google的測試甚至是已組成一支自動駕駛車隊,包括Toyota Prii、Audi TT等車輛,在加州街道和高速公路行駛超過14萬英里進行實驗;其他汽車製造商,目前正在開發和/或測試自動駕駛車輛的公司包括:Tesla、Audi、BMW、Ford、Google、General Motors、Volkswagen 以及 Volvo等。尤其Tesla執行長Elon Musk於2023.07.06上海舉辦的世界人工智能大會(WAIC 2023)宣稱於2023年底有望讓旗下產品達到Level 4 & 5全自動駕駛。外界了解此創舉無疑和透過與TSMC合作5nm製程和CoWoS先進封裝技術而誕生的Hardware 4.0加上新版FSD軟體有關。無論是Tesla以及其他車廠對於全自動駕駛車輛的實現無疑需要依賴多個嵌入式系統的協同工作。

資料來源:AMPLYFi
資料來源:AMPLYFi

根據預測,2021年全球自動駕駛汽車產業價值達到2025億美元,預計在預測期間以每年13.9%的複合年增長率持續增長。自動駕駛汽車市場呈現相對集中的趨勢,從硬體到軟體的汽車相關產業都將關注並參與自動駕駛技術的積極發展趨勢。

資料來源:POLARIS
資料來源:POLARIS

嵌入式系統是專為特定任務而開發和編程的計算機系統,其中包含一組感測器的中央處理器(CPU);與其他計算機不同,嵌入式系統的編碼無法更改,操作系統無法自定義,它被設計為接收訊息並根據該訊息執行其所設計的任務;嵌入式系統廣泛應用於各個產業,但在交通運輸領域的應用可能最為引人注目。


嵌入式系統與自動駕駛車輛


自動駕駛車輛需要擁有一切必要的技術,讓它們能夠全面感知周圍環境並對環境變化做出反應,這些車輛需要理解如何以最安全的方式應對行人、道路上的其他車輛、道路障礙物、和其他駕駛風險;同時,它們還需要考慮天氣變化,例如:如果突然下起大雨或下雪,自動駕駛車輛需要確切知道如何在這樣的環境中安全行駛。


嵌入式系統是自動駕駛車輛接收和正確反應訊息的唯一途徑,車輛中已經內置了數百個嵌入式系統,您可能甚至沒有察覺到它們的存在,氣候控制、排放監測、內建安全系統等功能,都由嵌入式系統控制;某些車輛中擁有非常先進的嵌入式系統,這些系統與將用於自動駕駛車輛的系統非常相似,例如:福特的Co-Pilot 360自適應巡航控制(ACC)系統,可幫助車輛保持與前方車輛的安全距離;然而,對於自動駕駛車輛來說,有一些特定的嵌入式系統將對其成功起著至關重要的作用。


全自動駕駛車輛中重要的嵌入式系統


雖然全自動駕駛車輛與現今的車輛目前所擁有的嵌入式系統很多雷同,但有一些特定的系統對於全自動駕駛車輛來說將更為重要,絕對不可或缺。

  1. 全球定位系統(GPS): 由於全自動駕駛車輛沒有人員駕駛員,因此在行駛過程中需要自主思考,為了讓自動駕駛車輛從起點到達目的地,必須搭載全球定位系統(GPS)。GPS依賴至少四顆GPS衛星發射的信號。這些訊號使車輛能夠知道自身的位置、速度和行駛方向。這些資訊有助於車輛以相對於周圍車輛安全的速度行駛。 許多GPS裝置變得更加準確,還能監測交通情況並尋找更快的路線,以節省乘客的時間;然而,困難之處在於有時GPS可能會受到無線干擾,或者在環境中被高樓大廈等因素阻擋或扭曲,還有其他用於導航的嵌入式系統正在開發中,例如:車輛慣性測量系統 - 陀螺儀、加速度計和其他裝置,它們能夠補充GPS的功能,這些系統共同確保車輛始終知道自身的當前位置,並確切知道如何到達乘客所需的目的地。

  2. 雷達系統: 雷達已經在許多搭載自適應巡航控制(ACC, Adaptive Cruise Control)嵌入式系統、或盲點偵測系統的車輛中使用,但全自動駕駛車輛將需要更全面的雷達系統,包括前向和後向雷達系統,以提供車輛周圍物體的訊息,當物體過於靠近時,它將通知車輛,以便車輛能夠相應地做出反應;24GHz雷達通常安裝在前後保險槓附近或內部,已經在車輛中用於短距離和中距離碰撞避免、自動停車、和盲點偵測;然而,在自動駕駛車輛中,雷達系統將需要更先進的技術,汽車製造商將需要採用77GHz雷達,以便能夠檢測更遠距離的障礙物。

  3. 前視攝影機與其他感測器: 前視攝影機以及雷達將共同合作,為車輛提供更多有關周圍環境的訊息,這不僅能夠幫助車輛識別任何障礙物,還能告知車輛交通標誌或訊號燈、路口以及其他必要訊息,讓車輛能夠與道路上的其他車輛正確互動;單單靠雷達無法檢測這些訊息,因此汽車製造商需要發展前視攝影機,以收集這些訊息,並且其他嵌入式系統將根據這些訊息精確計算出車輛應該採取的行動。 Google還使用了光學雷達(LIDAR)等其他感測器,能夠構建三維影像並計算車輛前方物體的距離;特斯拉目前的自動駕駛系統使用聲納來偵測車輛附近16英尺的物體,這些感測器與雷達一起作動,創建了一個準確的車輛周圍環境影像。只要提供給車輛的訊息越多,乘客的乘車安全性就越高。

  4. 數位控制、高精準度煞車系統: 安全性方面,煞車系統扮演著極為重要的角色,與其他收集資訊的嵌入式系統不同,這種嵌入式安全系統根據所收到的資訊做出反應,您的煞車系統需要考慮道路上的任何障礙物,並納入因天氣變化導致的危險路況;雖然已搭載自適應巡航控制系統的汽車已經具備數位控制的煞車系統,但自駕汽車中的系統需要高度精準,能夠根據其他嵌入式系統提供的所有資訊進行煞車操作。


自動駕駛車輛中的嵌入式系統未來展望


在自動駕駛車輛中,還需要使用更多的嵌入式系統,包括處理方向盤和速度調節的系統;由於早期原型的不完善,嵌入式系統的開發通常需要很長時間,隨著技術的進步,它們將繼續開發嵌入式系統,以提升乘客的乘車體驗,工程師們已經致力於使這些嵌入式系統整合一起作動,以使自動駕駛車輛盡可能節省燃油或電能。


隨著越來越多的汽車製造商開始開發更多的自動駕駛車輛,工程師們將有能力創造能讓每輛自動駕駛車輛互相溝通的嵌入式系統,這將使駕駛更安全、更高效;這些車輛互動可能包括自駕車能夠以減少阻力且更具空氣動力學的方式保持特定距離,使所有汽車更節能;此外,它們將能夠與其他汽車進行通訊,以便一輛汽車可以通知其他汽車需要前方煞車,科學家正在研究每輛汽車可以透過連線工作,來幫助每個人更快更安全到達目的地。而工程師們也正根據這些策略開發技術,來完善全自動駕駛車輛的嵌入式系統。


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