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電子科技新旋風:衛星導航智慧車

根據研究,只要5%的車子上有衛星導航智慧車的相關設備,交通狀況便可大幅改善,但要大幅提高行車效率與安全,非得大多數車子都具有若干「智慧」不可。
 
 
 
某年某月的某一天,杉菜和道明寺參加友人山居的聚會,著實熱鬧了一番,也喝了不少酒。聚會結束後,兩人回到新買的智慧車旁,經過指紋辨識後,準備發動引擎,這時喇叭卻傳來:「主人,車內酒精濃度過高,請接受酒精測試。」很不幸的,測試沒過,因此引擎不能發動,兩人只好在山中漫步。待清醒了些、酒測通過後,總算可以上路了,不一會兒,下起雨來,道明寺正準備啟動雨刷,卻發現完全沒有必要,因為雨水流過擋風玻璃卻無痕,杉菜不由得讚嘆奈米科技的神奇。

由於路況不熟,雨中路標又看不清楚,兩人迷路了。道明寺趕緊啟動衛星定位導航系統,車內的螢幕上立即顯示當時的位置及附近地標,經確認後,聽到「主人,請輸入目的地」的指示,杉菜在資料庫中選定目的地後,即聽到「主人,請前行50公尺後左轉。」於是,他們順利離開山區,上了高速公路。

這時,道明寺的痛風突然發作,腳部稍微動作就感疼痛,好在車子裝有適應巡航控制系統,道明寺只要注意路線與擋風玻璃上所顯示的車況,抓穩方向盤,車子就會自動保持與前車的適當距離。但枯燥的旅途使得道明寺與杉菜都打起瞌睡來,導致車子左右搖擺,聰明的車控系統感應到車子有失控的危險,立即提出警告:「主人,請注意駕駛!」同時,駕駛座也搖晃起來,道明寺即刻驚醒過來,不敢再怠忽了,就這樣,他們安全地回到家中,並慶幸擁有這樣一部貼心的智慧車。

科技的發展一日千里,在衛星導航技術、電子技術、奈米科技、感測技術、自動控制技術、以及這些科技的整合逐步成熟後,上述智慧車的夢想可能在不久的將來就會實現,預期會大幅降低車禍發生的機率、提高駕駛的安全、降低油量的消耗、增加舒適度、提高公路車流量等。根據統計,車禍的發生大多是人為因素造成的,研究也指出,駕駛人如能在車禍發生前一秒鐘接收到警訊,則90%的車禍是可以避免的。因此,智慧車若能補足某些人為的不足,則未來開車會是一種享受。

有鑑於此,各個國家都積極地展開智慧車與智慧道路的研究。日本由於地小人稠,是較早進行智慧車研究的國家,Toyota早在1998年就推出配備有適應巡航控制系統的車子(Progres型),Nissan也於同年出產Cima41LV-2。

歐洲則是由各汽車大廠如Volvo、BMW、Benz、Volkswagen、Renault、Fiat等通力合作,發展智慧運輸系統,研發計畫包括側向控制、適應巡航控制、碰撞警告系統、感應系統等。Jaguar更於1999年銷售配置於XKR上的適應巡航控制系統,Mercedes-Benz及Lexus也隨著跟進。近年來,法國的Inria也整合了各方技術,於2001年展開CyberCars及CyberMove兩個大型計畫, 並於2004年6月展示研發成果。

相較於日本及歐盟,美國起步稍遲,直到2003年, Ford的Lincoln及GM的Cadillac才配備有適應巡航控制裝置。在研發方面,最早是由卡內基美隆大學在1985展開智慧車的研究。國家先進高速公路系統聯盟則在1994年推動先進高速公路系統計畫,後於1997年由智慧車先期研究所取代。智慧車的研發工作包括車道偏離警示系統、駕駛人危險狀態警示系統、視線死角警示系統與防撞系統等,研究經費於2003年高達2千8百萬美金,折合新臺幣 約9億5千萬。

臺灣則在1996年左右由裕隆與福特展開先期研究工作,但到目前尚無智慧車上市的計畫。國科會鑑於這項研究的重要性,於2001年成立智慧車路系統卓越計畫,期能儘快建立研究團隊,協助解決臺灣的交通問題。

究竟何種車才算有智慧呢?這是一個見仁見智的問題。就如同人類聰明才智各有不同,智慧車也有不同的智能。有的智慧車可能僅提供警示,有的可以代為操控部分機械,有的則可能完全取代駕駛的功能。一般而言,一個智慧車系統,應具備以下的自主能力:智慧車的狀態及環境參數經感測器測得後,一則顯示於面板,一則提供給控制器,控制器在收到命令後,參考所得的資訊、研擬策略,經由控制油門、煞車及警示器以改變智慧車的運動行為,或警告駕駛人以完成所交付的任務。

依其自主能力,智慧車可分成輔助型、半自主型、全自主型3類。事實上,現行使用的汽車都已具備若干警示功能,如油表、引擎溫度計等。在引入導航與感測技術後,智慧車將充分發揮輔助駕駛的能力,這些感測器包括全球定位系統接收機、(毫米波)雷達系統、慣性導航系統、雷射光學系統、視覺系統、超音波感測器等。感測器在得知車子的位置、速度及附近環境參數後,若發現有碰撞的可能,它會及時告知駕駛人,這類碰撞警告系統已在美國的重型車車隊及大型公車上試用,成效良好 。

國內工研院也有類似的研發工作,希望能利用電腦視覺系統及毫米波雷達技術,判斷車子有無偏離車道或碰撞的危險;或者經由路徑規劃軟體,提供到達目的地的最短路徑,確實達成智慧車輔助駕駛的功能。

在上述感測器中,全球定位系統是由美國軍方在1978年開始發展的,現已有超過24顆衛星在距地表約2萬公里的軌道上運行,這些衛星不斷傳送導航訊息到地面,而接收機在收到4顆以上的衛星訊息後,即可利用三邊測量原理估得所在的位置及鐘差。

在2000年4月美國關閉了人為的訊息干擾後,單機定位精度可達10公尺,若利用差分的概念,精度可提升到5公尺以內,若又再採用載波相位差分,精度甚至可達公分級。這樣的精度已可滿足輔助型智慧車的要求,但要更進一步建立半自主或自主能力,則略嫌不足。幸好美國仍繼續研發提高精度的技術,例如利用廣域擴增系統以消除電離層的誤差,並在未來提供L5頻道以提高單機定位精度到公分級。

衛星導航技術發展成熟後,無論是在車、船,還是飛機等運輸工具上的應用都會大幅增加。有鑑於此,世界各國都大力發展這一項技術,例如俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo、以及中國的北斗衛星計畫等。這些計畫若能發展成功,則衛星定位會成為汽車導航的主流,未來衛星定位接收機可能成為每部汽車的標準配備。

在得到精確的汽車資訊後,半自主型智慧車即可在狀況發生時,擔負起部分駕駛者的工作。例如前述的適應巡航控制系統,就是半自主型智慧車的代表。它的主要功能是利用車前的感測系統,如雷達系統或雷射光學系統,偵測同一車道上前車的距離與相對速度。傳統所使用的巡航控制系統僅能控制油門,使得車子維持在一定速度行駛,但適應巡航控制系統不但可控制油門,也能控制煞車,所以當車子與前車距離太近時,會適時啟動煞車裝置,因此可幫助駕駛人逢凶化吉,不至於因一時眼花,錯估距離,而發生車禍。

但由於路況變化多端,如果彎度過大,偵測系統可能無法運作,或觀測到其他車道上的車子。此外,如果天氣不佳,視線不良,也可能導致雷射光學偵測系統失常,而且雷達系統較昂貴,也不符經濟效益。因此,如何選擇適當的感測器及電子設備,達成適應巡航控制的目標,仍是各大車廠競相努力的方向。

防撞系統則是另一種半自主系統,是前述碰撞警告系統的升級。它的功能是當系統察覺到車子有碰撞的可能,而經警告後駕駛人仍無反應時,該系統會主動操控煞車及方向盤,以達到避撞的目的。這一系統如能發展成功,則可嘉惠開車時突然中風或暈倒的駕駛人,使得因身體突然不適而發生車禍的悲劇大幅減少。

另一種半自主型智慧車是採取車隊編隊行進的控制模式,它的概念是規劃高速公路上的車子以等距離編隊方式行駛,如果每一部車子都能跟得很好,則可大幅增加高速公路車流量,從而降低再興建高速公路的需求。此外,研究也發現編隊行駛確可減少風阻,提高燃油使用效率達20%。但若每一部車只跟前一部車,車距誤差會累積,導致系統的不穩定。因此,如何做好車間通訊或使用尾端感測器,並採取集中式與分散控制式並行的策略,是當前編隊行為方式努力的方向。

美國PATH計畫就是在道路上安置磁軌,希望藉由車上的磁感應器實現編隊行駛的理想。1998年美國國家先進高速公路系統聯盟曾在加州聖地牙哥附近進行一項實驗,8部智慧車編隊以每小時65英里的速度、車距18英尺的隊形總共行進了8,000英里,搭載了4千人次,結果無任何意外發生,驗證了該構想的可行性。

自主型智慧車則是半自主型的下一個挑戰,它的主要目標是讓控制系統完全取代駕駛人的工作,使不會開車的人也可使用該系統。一般大型遊樂場內的單軌電車已具備這項功能,但要讓四輪車也能如此操作則不容易。

歐洲在2001年開始的CyberCars計畫,就是希望在一些擁擠、古老的城市巷道設置適當的導引設備,使得CyberCars能在其中自主行駛。與其他智慧車系統相同,要使行駛的車子具備自動駕駛的功能,首先須解決導航定位的問題。CyberCars採用最新的導航與導引技術,整合各類感測器,輔以圖像比對,可準確判定智慧車的位置與速度。在防撞系統方面,除了傳統的軟墊護圈與雷射系統外,CyberCars也嘗試使用立體視覺系統及掃描式超音波感測器以降低成本。

此外,CyberCars也具備編隊行駛的能力,一個駕駛員可同時操控數十部車。CyberCars控制器將能控制車子的縱向運動,並利用路標及視覺系統操控其橫向運動,希望使CyberCars的自主行駛速度達到每小時50公里。

事實上,全世界的自主智慧車都在朝提高自主行駛速度的目標努力。美國的Navlab-11平均車速可達每小時102公里,義大利的Argo約每小時90公里,德國的VaMoRs-P約每小時95公里,而北京清華大學所發展的THMR-5則可達每小時80公里的速度。

其中,美國卡內基美隆大學所發展的Navlab-11是一建構於Wrangler吉普車的自主智慧車,所配備的感測器包括全球定位系統、陀螺儀、周圍雷射掃描器、全方位照相機、雷射車道標定器、熱紅外線照相機等。Navlab-11車上並裝置含有4個處理器的工業級電腦,處理各感測器傳來的資料,並把資料分送到各子單元,包括物件偵測器、路肩偵測器、防撞子單元、控制子單元等,以實現半自主或自主智慧車的目標。

北京清華大學所發展的THMR-5則是改裝自道奇七人座廂型車。車上配備有由彩色攝影機和雷射測距儀組成的道路與障礙物檢測系統,以及由差分全球定位系統、磁羅盤和光碼盤組成的組合定位導航系統等。兩套計算機系統分別進行視覺影像處理,完成訊號融合、路徑規畫、行為與決策控制等功能。4臺IPC工控機則分別執行雷射測距訊號處理、定位訊號處理、通訊管理、駕駛控制等功能。經實驗,該車已能實現車道跟隨、複雜環境避障、視覺遙控駕駛等功能,最高時速可達每小時150公里。

今年1月臺北車展曾展示了一部6千萬臺幣的智慧車,它的功能包括駕駛人必須通過紫外線指紋辨識系統才能進入車內;車身高度可隨速度調整;車身裝置有大尺寸LED,使得車子外觀可以隨心情變換樣式;車身能原地360度旋轉,使得停車非常方便。

根據研究,只要5%的車子裝上衛星導航智慧車的相關設備,交通狀況便可大幅改善。6千萬不是每個人都付得起,但要大幅提高行車效率與安全,非得大多數車子都具有若干「智慧」不可,因此,如何降低成本,使得智慧車能普及化,是一個非常重要的課題。當大多數的車子都有程度不等的智慧後,未來在道路上駕駛,會是一種舒適、安全且美好的享受,讓我們拭目以待吧!

致謝:感謝Christoph Mertz、楊明、Michel Parent、宋開泰、張堂賢與周昕所提供的資料或資訊。
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