自從汽車制造商開始使用第一臺微機(jī)電傳感器(MEMS)加速計(jì)來測量加速的強(qiáng)勁力道以及啟動安全氣囊已經(jīng)二十多年了。第一臺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，也不會有那么受歡迎的SUV的存在。MEMS陀螺儀偵測圍繞行進(jìn)中車輛X軸的旋轉(zhuǎn)。此為碰撞偵測運(yùn)算法則的主要依據(jù)。

慣性傳感器在自動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)啟動汽車安全氣囊的加速計(jì)

翻履感測

屬于被動安全防護(hù)功能的車輛翻覆感測可檢測汽車是否正在翻覆并及時(shí)啟動安全氣囊裝置。在車輛翻覆時(shí)，慣性傳感器可為碰撞偵測運(yùn)算提供滾動速率、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屬于主動汽車安全防護(hù)功能，透過控制和啟動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)知識以及對汽車系統(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、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訊號差、無效或根本就沒有訊號的地方仍可繼續(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，慣性傳感器就會以公尺數(shù)推算車輛的方向。推測導(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)測路徑，然后將該路徑連接到障礙物偵測上。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往后滑動。

主動轉(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轉(zhuǎn)向功能的車款，福特的Ford Edge也具有主動轉(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。偵測技術(shù)則可藉由預(yù)測汽車的移動來達(dá)成自動駕駛。

邁向全自動駕駛

現(xiàn)今的自動駕駛裝置結(jié)合一系列現(xiàn)有的ADAS功能。全自動駕駛汽車需要詳細(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)測高速公路上的汽車路徑。高速公路駕駛預(yù)測比在城市駕駛的汽車和行人路徑預(yù)測容易得多(圖2)。諸如「深度學(xué)習(xí)」的人工智能對于實(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駕駛測試

定位和導(dǎo)航

在完全自動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？」對于自動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)境相對輪廓相聯(lián)結(jié)。利用地圖上顯著的地標(biāo)，并在存儲的高精度圖中找到它們的位置，因此一個(gè)人的絕對位置即可被確認(rèn)。

運(yùn)輸業(yè)已驗(yàn)證，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)可利用測量加速度和旋轉(zhuǎn)來確定絕對位置的變化。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可能會需要高效能傳感器，因?yàn)樗鼤杆倮鄯e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到物體的移動，也就是「光流」。以便確實(shí)的判定從運(yùn)動求得結(jié)構(gòu)(Structure from Motion)，并計(jì)算汽車移動和交通伙伴間的距離。

慣性傳感器完全不需理會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到動覺運(yùn)動，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)視覺測量會結(jié)合慣性測量裝置(IMU)的讀數(shù)。

全自動駕駛未來可期

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和主動前輪轉(zhuǎn)向?qū)⒆兊酶悠占?。諸如交通阻塞輔助的部分自動化功能，市場上早已看到。隨著即將實(shí)現(xiàn)的自動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。

自動駕駛獎漸進(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駕駛。然而，都市地區(qū)的全自動駕駛可能要10到15年才能實(shí)現(xiàn)。

汽車制造商在完全自動化，甚至部分自動化之前將繼續(xù)滿足消費(fèi)者對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。