自駕車感測器

自駕車在近期引發不少的討論與報導。 這項技術主要的開發方向是提升安全並節省費用。 這不再是天方夜譚的想法，BMW、Mercedes-Benz 和 Tesla 等車廠已經推出，或是即將推出能讓汽車具備自駕能力的車輛系統。

一些資本雄厚的企業正大力投資於自我導航車輛技術。 許多人都熟悉 Google 的自駕車計畫與測試 ^[1]。 我們有可能也熟悉 Amazon 使用自行導航無人機來運送商品的計畫 ^[2]。 不過，您或許不知道，食品廠商如達美樂披薩 (Domino) 等正積極開發可在 30 分鐘內運送披薩的電動車^[3]，以及可運送披薩的無人機系統^[4]。 沃爾瑪 (Walmart) 等大型購物廣場也正投資於自動送貨技術，並計畫與 Amazon 齊頭並進，在無人干預的情況下提供快速可靠的送貨服務。

本文將一窺這種可用來打造自主車輛的感測器技術，以及如何建構即時和混合訊號的嵌入式要件，以便提供相對安全又可靠的自行操作系統。 本文提及的所有零件及技術，皆可從 DigiKey 網站取得。

一切始於 GPS

所有的自動駕駛車輛都極度仰賴感測器。 任何導航系統所需的主要感測器技術便是位置識別。 當然，GPS 和地理定位技術是早已內建在絕大多數的智慧型手機中。 雖然這些系統相當可靠，但仍未可靠到能讓個別自駕車或車隊，與傳統人力駕駛車輛共用相同公路和街道的需求。

回想一下自己的經驗。 有多少次出現 GPS 定位失準或效果不佳的時候？ 在天氣出狀況、遭遇電子雜訊來源以及出現地圖與實際位置不一的情況時，若沒有人腦的備援，後果將不堪設想。

另一個因素是解析度。 如果您僅需要以公尺計的準確度，目前的 GPS 就已經足夠，但如果需要以公分計的解析度呢？ 如果發生高達公尺計算的誤差而跨越雙黃線，便會使車輛迎頭互撞。 同樣的，在濱海公路上若出現公尺計的誤差，會導致車輛一頭栽下懸崖。

除了位置外，自主車輛的另一個關鍵技術是防碰撞。 雖然自行操作車輛可經過編程達到謹慎駕駛，不會因談話、音樂或手機而分心，但這些車必須與駕駛方式不可靠，或甚至不遵守交通規則的用路人共用道路。 這表示自行導航車輛不僅要考量本身的情況，也必須具備計畫與策略，以因應人為疏失。

目前可用的解決方案

若考量整體的定位感知能力，模組化 GPS 解決方案是不錯的選擇。 小型低成本且低功率的 GPS 模組含有國際通訊協定的支援，如中國的北斗衛星導航系統、俄國的 Glonass、歐盟的伽利略衛星導航系統 (GNSS)，以及美國的全球定位系統 (GPS) 技術。 Antenova 的 M10478-A3 等模組，皆含有廣頻天線，可支援前述所有通訊協定標準，同時提供簡易的 UART 型介面，數據傳輸率每秒高達 115.2 Kbit，可輕鬆介接幾乎任何標準的嵌入式微控制器。

設計工程師應注意，通常車輛大小和馬力並不構成限制，但靈敏度和較大的溫度變化範圍卻會造成限制。 Antenova 的模組擁有良好的 -165 dB 靈敏度，以及 -40 至 +80°C 的工作溫度範圍。 10 Hz 的固定更新率可協助確保隨時快速取得最新的定位資訊，進而讓相對慢速移動的地面車輛保持正常行駛。

3.3 V、38 mA 的屏蔽式模組本身安裝在 28 引腳、13.8 x 9.5 x 1.8 mm 的 SMT 可安裝板上，能直接迴流焊接到具有內嵌式微控制器的主機板上。 Antenova 的 M10478-A3-U1 開發與評估板具有簡易的 USB 連接能力，能以低風險及低投資的方式快速測試並評估此解決方案。

地圖記憶和資料將透過 Google 地圖等通用型地圖解決方案進行授權或進行修補，同時可能也需要 GSM 和網路連線。 GSM 解決方案也能提供 GPS 功能。 舉例而言，Maestro Wireless Solutions 的 M1003GXT48500 3G GSM 數據機結合了 GSM 功能與 GPS 支援，因此能達到地理定位以及 GPS 功能（圖 1）。 如此便能利用行動訊號塔以及衛星作為備援解決方案，以進行修正。

圖 1：GSM 和 GPS 模組結合後就可達到衛星和行動通訊的連線能力，以實現位置感知。

防碰撞

偵測物體以免碰撞，是自行導航車輛的關鍵安全要求之一。 雖然已有眾多廠商提供許多可用的 CCD 影像感測器與攝影機，但若要有迅速有效開發感測器演算法的能力，意味著工程師需要在影像感測器和控制處理器之間擁有彈性的平台。

理想的解決方案是使用直接支援影片串流的 FPGA 技術，以便偵測邊緣、強化影像並在快速的硬體上執行計算，以確認接近物體的速度、方向及接近程度，並執行威脅評估。

Lattice Semiconductor 提供了一款理想的解決方案：LFE3-70EA-HDR60-DKN 開發系統，可用於 1080p、60 fps 的攝影機。 此平台包含一套公版設計與 IP，可搭配該公司的 LCMXO2-4000HE-DSIB-EVN 影像介面板以及 LF-9MT024NV-EVN Nanovesta 攝影機頭板使用。

此技術可讓兩個影像感測器合併為一個影像數據串流（圖 2），達到深度感受以及更準確的速度及位置感測，同時還提供自動白平衡、2D 雜訊抑制，以及聲稱業界最快速的自動曝光技術，可支援高達 1600 萬畫素解析度。

圖 2：支援兩個獨立的攝影機和影像串流，可達到深度感受，對自駕車而言是重要的資源。

雷達元件

汽車產業中早已廣泛採用小型的雷達裝置。 這些裝置採用 RF 技術以判定接近程度、範圍、速度與物體相對大小。

由於汽車產業早已推動將此技術用於防碰撞和自動停車系統上，因此已有各種雷達晶片、元件、開發系統以及子組件可供自動駕駛車設計使用。

請注意，業界早已設計出並在汽車上採用多通道雷達系統，因為車輛擁有多個面需要受到監測。 也能採用如掀背尾門偵測系統等單通道雷達系統，但必須在每一側、軸和自主車輛面臨潛在威脅的每一處皆裝設。 例如，正面和側邊雷達已足以避開行人，但可能也需要深度偵測，以便自動駕駛車確認路邊是否有水溝，因此在像是輪胎漏氣等情況下，便不適合在此處停車。

在此方面可使用的元件包括如 Texas Instruments 的 AFE5401TRGCTQ1。 此單晶片四通道類比雷達前端，整合了低雜訊放大器、等化器、可編程增益放大器、抗交疊和 12 位元解析度的 ADC（圖 3）。 值得注意的是，這個 1.8 V 零件能在所有通道達到同步取樣，並達到每秒 25 MSPS，並具有 12 位元 CMOS 相容平行匯流排，可將採集到的資料快速傳輸到本機的主機控制器上。

圖 3：多通道單晶片雷達裝置，像是這款四通道接收器，是自動駕駛車的理想解決方案。

另一個類似的解決方案，就是 Analog Devices 推出的 AD8285WBCPZ 四通道前端 12 位元 ADC。 此零件由該公司的 AD8285CP-EBZ RX 路徑雷達評估板所支援，採用內部 SPI 連接的 FIFO 進行彈性的數據擷取。

總而言之，使用自行操作車輛進行自動化運送在實行初期可能極為昂貴，並且會在法規和責任層面面臨滯礙難行之處。 然而，必要的技術解決方案（特別是感測器式模組和系統）現在或未來很快便能供設計工程師使用。 透過 GPS、雷達和影像感測，目前的先進駕駛輔助系統（ADAS，如主動式巡航控制以及自動緊急煞車）已展現自動駕駛車的能力，僅剩何時正式上路而已。

參考資料：

1. Google 的自動駕駛車計畫
2. Amazon 的 Prime Air
3. 達美樂披薩外送車
4. 達美樂的 DomiCopter