嵌入式異質處理器發威　汽車ADAS提高主動式安全

未來學家始終夢想著，汽車有朝一日能夠自動駕駛。而遙控實驗可追溯至近百年前，1939年紐約萬國博覽會上，便將自動化高速公路納入「未來世界」中，但完全自動車輛的願景一直以來仍遙不可及，直到新興電子技術問世後，過往幻想忽然貼近真實。

眾所皆知Google正在開發自動駕駛技術，但世界各大車廠的輔助駕駛開發進度，以及相關半導體創新，卻鮮為人知。事實上，各項研發正快速改變汽車設計面貌，車用控制也持續進步，未來幾年內，半自動甚至全自動車輛即將上路。

半自動與全自動車輛控制以先進電子感測及處理為基礎，其價值並不只是科技創新令人興奮，更能為節省燃料、行動與便利、行車時間、道路車流量創造實質利益，不過最重要的是，新型車輛控制將積極增進行車安全。

官方數據指出，美國每年約有3.4萬人因交通事故喪命，全球估計數字則為124萬人，交通意外是美國年輕人死亡主因，在總人口死亡原因表上也名列前茅。除了致命之外，車禍也造成許多人受傷，衍生出龐大修繕成本。有些估計資料認為，交通事故高達九成出於人為因素，因此更要協助駕駛安全控制車輛，降低性命與財產損失。

車輛控制不僅能提高道路安全，對於電子技術開發商而言，也代表著蓬勃商機。在全球260億美元車用電子零組件市場內，主動安全系統所占比例快速增加，頂尖半導體解決方案會加速建置新功能、提升安全性，同時在這個重要市場擴大市占率。

主動式安全仰賴許多要素，其中包括先進駕駛輔助系統(ADAS)，這整套電子技術希望幫助車輛安全運作，ADAS可協助駕駛人維持車輛安全間距以及提供駕駛危險警示，避免不良駕車習慣傷害乘客與行人，並發揮其他安全功能，有助防止事故發生。有了自動駕駛車輛後，乘客在通勤與長途旅行時，能夠進一步善用時間，降低碰撞修繕費用、避免人員損傷，拯救更多生命。

圖1　類比與嵌入式處理技術支撐今日眾多主動式安全功能，也是未來安全應用關鍵

基於行車道路安全，各大車廠積極在新車內加入駕駛輔助功能。車廠為建置ADAS及自動化車輛控制服務，必須和半導體供應商合作，開發各種先進晶片技術，能夠正確且可靠地支援諸多外部感測器、在不同車載系統之間溝通，並提供高效能異質運算能力，滿足車輛控制的電腦視覺與決策需求(圖1)。目前和眾家車廠合作的供應商如德州儀器，就推出各項ADAS及自動化控制所需的類比及數位產品，為未來發展趨勢備妥解決方案。

逐步邁向安全自動化　ADAS可自動調整車速

自動駕駛車輛仍是許多人的終極夢想，其實安全自動化系統早已出現在你我週遭，例如穩定控制、反鎖死煞車、安全氣囊、乘客偵測、各種警示系統等。

而ADAS等主動式安全技術以傳統功能為基礎，先後歷經四個階段，最初為被動警示與便利系統，範例包括車尾鏡頭與顯示器、死角偵測雷達，還有離開大型車輛之間停車格時的迴轉警示。有些警示系統可能包括鏡頭畫面處理能力，用於辨識交通號誌、行駛間車輛週遭狀況、偵測駕駛分心或打瞌睡等先進功能。

在第二階段發展中，這些系統能夠短暫主動控制車輛，以協助停車、避免倒車輾過物體、以煞車或轉彎避免碰撞等，有時系統會主動控制車輛個別功能，例如偵測到前方彎道或情況變化時，自動調整車頭燈。

第三階段涉及半自動操作，車輛能夠在特定情況下接手駕駛，不過還是要有人坐在方向盤前，隨時準備繼續駕駛，範例包括行車輔助與高速公路自動駕駛，以及適應性定速系統，能夠自動調整車速，跟隨道路上的車流前進。

在高速公路上開車時，必須具備適應性定速系統及車道偏移偵測功能，確保車輛維持在固定車道內，而且保持安全距離。藉由前鏡頭或後鏡頭，即可導引車輛在車道內行駛，如果遇到停車場或車庫擁擠時，停車輔助功能可完全控制車輛；駕駛人監控功能若偵測到駕駛不省人事，可能會自動停車，或安全將車輛開到路邊停放。

進入第四階段的全自動運作後，或許根本不必有人坐在駕駛座，例如只有長者或身障者待在後座，或是空車前往學校或機場接送。

每一階段都以先前成果為基礎，現有安全系統也日益複雜，今日多數新車均配備被動式或部分主動式ADAS安全功能，相關設備也愈來愈普遍。例如市場研究公司IHS指出，適應性定速系統在全球新車普及率已近25%，兩側物體偵測(又稱盲點偵測)超過20%，自動停車輔助為10%。目前，全自動車輛尚在實驗階段預計將在十年後面世。

ADAS功能和各種創新一樣，都會從高價位車輛進入市場，再陸續推行至中價位與平價車款。但後照鏡頭為例外，起初以商用車輛為主，因為對大卡車而言，這項功能格外有助提升行車安全。

面臨責任歸屬問題　車輛自動化科技/法規並重

雖然大眾對ADAS的接受度日漸增加，但若要推行半自動或全自動車輛，仍面臨不少社會、法律及技術阻礙。以往安全功能的發展動力大多來自立法與保險要求，但自動化車輛卻產生新問題，因為控制權從駕駛轉向車輛，故立法人員與法庭必須得判斷責任歸屬，如此一來，系統建置進度便受到影響。

此外，民眾也需要調適期，才能慢慢習慣各種控制及安全變化，並且學著信任自動駕駛；在這段過程裡，具備新系統的車輛也得與傳統車輛並行。未來勢必會出現與車輛能夠溝通的智慧道路，但這也是影響轉型步伐的另一項因素。

除了法律及社會議題需要時間化解，科技障礙亦然，車輛所需的電子安全系統必須體積小、重量輕、價格低，兼具高效能與穩定等特質。目前已公開的自動駕駛車輛所配備的先進電子設備，總價都高出車輛許多，若想從實驗進入量產，需要更可靠、更強大、更平價、更輕巧的電子系統。

系統安全性與穩定性相當重要，不僅對行車安全有益，電子系統故障若造成事故，也會影響新技術創新與市場普及速度。尤其在汽車環境種種限制下，可靠性顯得格外重要，包括高溫、電壓擺幅大、震動都對電子零組件產生壓力，因此系統必須具備故障恢復機制，若有意外發生，才能保障人員與車輛週遭安危。

不過上述設計挑戰得花時間逐一克服，系統製作完成後，也需經過道路測試，技術供應商得準備好與車廠長時間緊密配合，對於剛踏入車用市場的廠商而言，也是一項難題。

滿足高效能處理　晶片技術可處理大量影像資料

輔助與自動化駕駛需要多模系統，接收各種感測器的資訊，包括超音波、雷達、光達(光線偵測與測距)、攝影鏡頭(彩色、黑白、立體聲、紅外線夜視)等，衛星通訊、與鄰近車輛的無線電通訊、基礎建設等也同樣重要，才方便定位、收發地方資訊、了解路況及其他資訊(圖2)。

圖2　ADAS感測器主要類型與裝設位置

ADAS與自動化駕駛均為即時運作，依據路上實際發生情況，將各項訊息轉化為實用資料，並取用必要資訊，接著系統必須整合各個來源的資訊，判斷正確控制功能，並適時與駕駛溝通，或是自動控制輸出。除了訊息來源必須準確，系統也需要高效能運算，同時執行多種演算式，在市場激烈競爭的系統開發壓力下，軟體必須簡短明確，而且通用於新版系統的主動式安全功能。

從感測、轉換、傳輸到高效能處理，這麼多電子功能需要完整的類比及嵌入式處理晶片，若想支援快速演算及應用開發，得仰賴專業視覺處理與數位訊號處理技術，以及必要基礎軟體。而且在訊號鏈及供電方面，也需要眾多電源管理晶片、感測訊號調節、介面及收發器，才能滿足各種ADAS感測。

輔助或自動駕駛由於相當倚賴鏡頭及其他影像感測器，故需要大量高效能視覺處理能力，皆以異質運算為主，低階處理強調畫素資料，建立可進一步處理的實用影像；中階處理辨別影像內可能物體，高階處理運用這些資訊辨識物體，再由微控制器(MCU)決定系統行動(圖3)。

圖3　影像式ADAS功能及運算需求分析

舉例來說，低階處理可不斷提供未經過濾或調節的路況影像，中階處理辨別影像中可能出現重要物體的段落，接著由高階處理判斷物體種類，例如其他車輛、人員、動物、標語或交通號誌，再參考物體移動速度，最後由微控制器決定要前進、暫停，或等待行人離開、燈號變換、鄰車通過。

另一方面，在大霧造成能見度不佳等特定情況下，雷達等其他輸入感測器也會提供資料，做為參考依據，因為任何感測器都可能遭到外部條件干擾，故其他資料來源即可大幅提高辨識精準與可靠程度。

低階處理通常使用多個相對簡單、不斷反覆的演算式，藉由同時運作處理大量輸入資料；高階處理得經手的資料相對較少，但演算式比較複雜；中階處理的資料規模與演算式複雜度則介於兩者之間。每一種處理層級都有不同的架構，單一/多重指令多重資料(SIMD/MIMD)、超長指令字(VLIW)、精簡指令集運算(RISC)分別適合低階至高階處理，其中控制邏輯使用RISC處理器。

以德州儀器新推出的ADAS TDA2x系統單晶片(SoC)為例，其中包括一個或多個嵌入式視覺引擎，專門處理影像系統龐大資料，亦包括鏡頭再處理的影像訊號處理器、適合一般訊號處理的數位訊號處理器，以及包含多個ARM微處理器的RISC選項。

除了自有軟體架構外，德州儀器同時為Khronos OpenVX電腦視覺加速標準重要參與者，能夠因應嵌入式異質處理器的低功率、高效能處理需求，而其系統解決方案也充分具備擴充彈性。

對於剛踏入汽車產業的新手而言，因為缺乏深入的法規遵循經驗，不熟悉車用相關安全標準，例如涉及品質管理的ISO/TS16949，或是牽動功能安全的ISO 26262，故供應物流會成為一大障礙。以德州儀器為例，該公司的安全微控制器出貨量已達數億件，也涵蓋類比及數位設計與製造所有階段，汽車客戶能倚重其全球設計支援與製造版圖，加速系統開發及量產；全球眾多生產基地也確保長期產品供應穩定無虞。

未來十年左右，全自動車輛還不會大量上路，若想見到所有新車都配備全自動駕駛功能，也得等待更長時間。不過目前已有愈來愈多車輛提供輔助駕駛功能，既可提升用路人安全，又能同時降低油耗與增加便利。

各種主動式安全功能的基礎在於先進電子創新，包括改善接收外部資訊的感測能力、評估駕駛條件與協助決策的異質高效能處理，以及各種支援訊號調節、通訊及系統電力控制的類比零組件。車廠需要半導體廠商穩定供應晶片裝置，也需要健全的設計支援與專業，推動未來技術持續進步。

(本文作者皆任職於德州儀器)