攝影機/光達/雷達/熱像儀　多元感測技術為自主系統鋪路

想像以下幾種情境：一台自動駕駛地面車(Autonomous Ground Vehicle, AGV)在沙漠中的琥珀色沙地上行駛，裝載著重要的物資穿越艱難的地形。沙塵暴來襲，但AGV利用經過最佳化且能適應此類情況的攝影機，持續觀察周遭環境，並找出適當路徑。

全球各地，自主式直升機在夜晚飛過森林上空，利用熱像儀來偵測熱度，並建立下方森林的熱影像，藉此搜尋失蹤的健行者。就在一瞬間，直升機辨識出可能與人類相符的熱感測特徵。為了進一步調查，無人機使用光學雷達系統掃描森林地面，尋找平坦且安全的降落區域。

同時，兩部自主電動垂直起降(eVTOL)飛行器正試圖在繁忙的機場降落。它們都使用先進的即時雷達系統，能夠偵測其他的飛機，並精確辨識自己的訊號及避免受到干擾。同時，eVTOL透過成熟的連線技術與附近的飛航管理系統清楚地進行通訊。

上述只是一些說明感測和感知技術在航太與國防(A&D)重要性的例子。簡而言之，感測和感知系統用來偵測物理刺激，例如光線、聲音、熱或無線電頻率(RF)，並根據這些資訊產生資料。透過感測器搜集資料並藉由感知系統進行解讀，是自主系統的第一個重要環節。

感測和感知技術及其應用的範圍廣泛。在技術方面，感測和感知系統可以包括攝影機、雷達、光學雷達、熱像儀、超音波感測器、全球定位系統(GPS)和慣性測量單元(IMU)；在應用方面，則涵蓋了從飛行中拍攝地面遙遠地點的高解析度照片，到使用雷達辨識周圍天空中出現的未知物體等各種情境。

另外值得一提的是，儘管感測和感知系統是自主設計中的關鍵硬體元件，但在進行自主設計時，仍有其他不可或缺的相關元件。例如，除了感測和感知之外，工程師還需要考慮設計中的連線能力和車聯網(V2X)功能。對於許多自主設計而言，確保自主系統擁有所需的硬體，以持續有效地與基礎架構、網路、其他載具及裝置進行通訊，是當務之急。在車輛工程階段，所有硬體元件也必須與控制系統等軟體元件完全地整合。

在設計此類重要硬體時，航太與國防產業的工程師必須專注於開發準確且可靠的整合式設計。隨著這項技術越來越複雜，設計這些硬體系統將成為團隊在此領域創新時必須突破的一大障礙。此外，確保感測、感知與連線系統符合自主飛行作業的安全關鍵要求和認證，也將為相關從業者帶來更多挑戰。

感測/感知驅動未來自主性

自動駕駛車輛使用的感測和感知技術類型相當廣泛，本文將著重於四個關鍵類型，其為航太與國防產業中各種自主式載具所仰賴的技術類型。自主系統會處理透過這些技術搜集到的資訊，接著將資訊以其可解讀的格式傳回，並根據預先編程的指令做出相應行動。

攝影機

自動駕駛車輛使用攝影機來記錄並擷取周遭世界的視覺影像。因此，工程師專注於開發高解析度攝影機，旨在無論自主系統的速度、攝影機與被攝物體之間的距離、天氣狀況，或是其他如陽光或眩光等外部現象，都能擷取高品質的視覺資訊，以獲得準確的感知與分析。

光學雷達系統

光學雷達(LiDAR)是一種使用光脈衝來勘測環境的技術。除了自主系統外，光學雷達也常用於地形分析、製圖和機器人學。自動駕駛車輛使用光學雷達系統建立詳細的3D地圖和準確的物體偵測以增強感知。

雷達系統

雷達(Radar)系統使用電磁無線電波來進行穩健的物體偵測與測距。雷達的常見應用包括航空控管和天氣預測。雷達系統能夠在各種情況下進行可靠的物體偵測和距離測量。

熱像儀

熱像儀可用於偵測溫度變化和熱感測模式，讓自主系統在低能見度的環境(例如黑暗環境)中更容易感知周遭情況。

感測/感知系統開發挑戰

感測器和感知系統的設計人員正面臨哪些挑戰？總體而言，這些系統常見的幾個困難如下所述。

首先，在整個設計與開發過程中，尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)都需要進行最佳化。這不僅涉及最佳化感測器和感知系統的設計，使其先進且具成本效益，還包括最佳化設計流程以提升效率。為了跟上快速發展的產業，設計進度必須加快；這帶來了挑戰，感知訓練和驗證需要以比即時更快的速度分析數千個情境。同時，安全性和效能等關鍵考量自始至終都必須放在首位。

自動駕駛車輛在航太與國防中運作的環境往往較危險，因此也帶來額外的挑戰。極端溫度、劇烈壓力、長距離、光線不足、周遭環境模糊不清，這些只是先進感測器、感知技術和通訊系統在現實條件下要完美運行所需克服的部分障礙。無論是無人水下載具(UUV)在黑暗的深海中航行，或是eVTOL在下雪的冬夜中飛行，此類應用都必須能夠在複雜多變的任務情境中準確地感測和感知周遭環境。

為了在這些複雜的環境中實現精確的感知，通常需要採用多重感測器的方法。然而，由於所有感測器都必須經過最佳化，並且與現有設計完美整合，此方法也將額外提高困難度。確保感測和感知系統能夠在不同的環境中持久運作，則是另一個已知的障礙。過往要克服這些複雜問題，往往需要大量的時間、實體測試和驗證。

重點總結與未來展望

未來數年，自主系統將持續成長，並在航太與國防領域更加普及。為了跟上這一快速成長的步伐，創新者需要進一步最佳化感測和感知系統，以建立不僅功能正常，更有效率、準確、穩健可靠，並能盡快完成部署的設計。在此過程中，將看到相關技術的重大進步，包括：

• 具有增強視覺感知能力、更好的多波段成像系統，以及更佳的物體辨識與追蹤能力的攝影機。
• 可在任何天候條件下進行可靠偵測、增強距離量測、物體追蹤、減輕重量，並可消除假目標(Ghost Target)的雷達。
• 具備精確3D繪圖與物體偵測、最佳配置，以及可避開障礙物之強化導航系統的光學雷達。
• 可在低能見度條件下改善感知，並增強熱感測模式與異常狀況偵測能力的熱像儀。

這些技術開發不會在一夜之間完成。建立構成航太與國防自主系統核心的基本硬體是個複雜、高成本且耗時的過程，並且需要多領域的專家團隊合作。他們將採取整體性的方法，並利用各種解決方案來開發自主平台的硬體元件和系統。

因此，工程模擬軟體成為必要的解決方案，將使工程師、研究人員和創新者得以：

• 運用AI最佳化影像系統，並使用全方位的多重物理方法(考量熱、振動、變形等)建立更穩健的產品。
• 運用光線追蹤與射頻分析，虛擬驗證並最佳化天線和陣列設計。
• 在空中、陸地、海洋和太空的不同條件及現實環境中整合及驗證系統。
• 透過可擴充性、更有效率的測試、減少對實體原型的需求以及自動化，提高效率並縮短上市時間

(本文作者任職於Ansys)