ADAS的種類與主要組成　　什么是ADAS？從字面來看，ADAS就是Advanced Driver Assistance Systems的縮寫，翻譯成中文，就是先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)。既然ADAS是『輔助系統(tǒng)』，自然可知它與『自動(dòng)駕駛』存有程度上的差異。但若換一個(gè)角度來看，ADAS系統(tǒng)的發(fā)展卻也是我們邁向自動(dòng)駕駛終極目標(biāo)的必經(jīng)之路。

從功能面來看，現(xiàn)今ADAS主要包括了：

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control， ACC）：此功能是在傳統(tǒng)定速巡航的基礎(chǔ)上，采用雷達(dá)/光達(dá)探測(cè)前方車輛與本車的相對(duì)距離和相對(duì)速度，主動(dòng)控制本車行駛速度，以達(dá)到自動(dòng)跟車巡航的目的。根據(jù)前方是否有車輛，系統(tǒng)可以在定速巡航和跟車巡航之間自動(dòng)切換。

車載導(dǎo)航系統(tǒng)（Car Navigation System）：透過接收GPS （Global Positioning System）與TMC （Traffic Message Channel）的訊號(hào)，再加上安裝在汽車上的地磁式方向傳感器、陀螺傳感器、車速傳感器等用來測(cè)定汽車的行動(dòng)軌跡，經(jīng)過ECU運(yùn)算，即能確認(rèn)車輛在地球上的位置。

車道偏離警示系統(tǒng)（Lane Departure Warning System， LDWS）：利用安裝在前擋風(fēng)玻璃上之?dāng)z影機(jī)，測(cè)量車輛前方的道路標(biāo)線，并實(shí)時(shí)計(jì)算車輛與車道線的相對(duì)距離、道路斜率與曲率等參數(shù)，當(dāng)駕駛者不經(jīng)意偏離車道時(shí)，適時(shí)給予警訊，讓駕駛者實(shí)時(shí)修正車輛行駛方向，甚至?xí)鲃?dòng)嘗試將車輛導(dǎo)回到原本的車道上，降低車禍發(fā)生的機(jī)率。

盲點(diǎn)偵測(cè)系統(tǒng)（Blind Spot Detection）：典型的盲點(diǎn)偵測(cè)系統(tǒng)使用安裝在汽車兩側(cè)的電子偵測(cè)裝置（通常在左右后照鏡周圍或是后保險(xiǎn)桿周圍），透過電磁波/雷達(dá)波/超音波來感應(yīng)，或是用攝影機(jī)拍攝畫面。當(dāng)其中一個(gè)傳感器偵測(cè)到盲點(diǎn)區(qū)內(nèi)有物體時(shí)，會(huì)透過燈光?聲音或屏幕影像警告駕駛，避免貿(mào)然變換車道，造成事故。

前車防撞警示系統(tǒng)（Front Collision Avoidance System， FCWS）：以鏡頭結(jié)合雷達(dá)偵測(cè)并利用特殊算法計(jì)算即將與前車碰撞的時(shí)間，若系統(tǒng)判斷車距過近，本車與前方車輛未保持適當(dāng)安全距離，與即將有碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)透過警示燈閃爍，并發(fā)出警報(bào)音提醒駕駛?cè)藴p速，以減少追撞意外對(duì)乘員的傷害。

行人偵測(cè)系統(tǒng)（Pedestrian Detection）：以立體攝影機(jī)結(jié)合雷達(dá)偵測(cè)前方區(qū)塊，掌握前方行人及其運(yùn)動(dòng)模式。當(dāng)可能有碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警示符號(hào)與警告音提醒駕駛?cè)艘驊?yīng)。若未能實(shí)時(shí)反應(yīng)，更先進(jìn)的系統(tǒng)將啟動(dòng)煞車輔助。甚至，若系統(tǒng)判斷煞車過急，系統(tǒng)更將發(fā)出指令，束緊車內(nèi)安全帶、立直椅背以減低沖撞傷害。

此外，包括：緊急煞車系統(tǒng)?頭燈自動(dòng)啟閉系統(tǒng)?自動(dòng)停車輔助系統(tǒng)?夜視系統(tǒng)?側(cè)風(fēng)穩(wěn)定系統(tǒng)?駕駛疲勞偵測(cè)系統(tǒng)…等，也都屬于ADAS的范疇，在此不再一一贅述。

從系統(tǒng)架構(gòu)面來看，ADAS主要由三大模塊組成：傳感器?處理器與制動(dòng)器。 傳感器（Sensor）：用以偵測(cè)各種外界的訊號(hào)，如：超音波（Ultrasound）、雷達(dá)（Radar）、光達(dá)（LiDAR）?攝影機(jī)（Camera）等等，主要用于偵測(cè)距離的遠(yuǎn)近。其功能與應(yīng)用可由圖1一目了然。 圖1

因應(yīng)ADAS不同的功能需求而采用的感測(cè)技術(shù)總覽 處理器（Processor）：處理接收進(jìn)來的訊號(hào)，在汽車?yán)锓Q為「電子控制單元 （Electronic Control Unit， ECU）」，做出適當(dāng)?shù)姆诸惻c處理，再向致動(dòng)器輸出控制訊號(hào)。常見如：微處理器（MPU）、數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP）。

致動(dòng)器（Actuator）：控制各種致動(dòng)的裝置，依照處理器傳送過來的控制訊號(hào)，讓相關(guān)的裝置完成運(yùn)作。如：?jiǎn)?dòng)自動(dòng)煞車使汽車停止前進(jìn)、啟動(dòng)屏幕顯示警告訊息、啟動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警示音等。

LiDAR的用途與相關(guān)技術(shù)

LiDAR的英文全名為L(zhǎng)ight Detection And Ranging，中文稱為『光達(dá)』或『激光雷達(dá)』?？蓱?yīng)用于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)?緊急煞車系統(tǒng)?行人偵測(cè)系統(tǒng)與前車防撞警示系統(tǒng)等，其主要功能為精準(zhǔn)測(cè)距。

光達(dá)基本是由雷射光源、光傳感器和成像機(jī)構(gòu)等3部分組成。雷射光源一般采用半導(dǎo)體雷射；光傳感器一般是用光電二極管（Photodiode， PD）或雪崩光電二極管（Avalanche photodiode， APD）；成像機(jī)構(gòu)則分為掃描式或非掃描式的成像機(jī)構(gòu)。在車用光達(dá)常用的距離量測(cè)方法就是利用飛行時(shí)間（Time of Flight， ToF）技術(shù)。關(guān)于ToF技術(shù)，將在本文下一個(gè)章節(jié)加以說明。

目前自駕車的發(fā)展，依據(jù)『是否采用LiDAR』的選擇，分為兩個(gè)門派：第一個(gè)派系是以特斯拉（Tesla）為首的陣營(yíng)。此門派只以毫米波雷達(dá)與攝影機(jī)為主，不使用LiDAR。第二個(gè)門派則以Google為首。Google不只使用毫米波雷達(dá)與攝影機(jī)，更使用Velodyne H64E的光達(dá)，拍攝360度3D影像。

Tesla陣營(yíng)決定不使用LiDAR的原因是其成本太過昂貴。然而，從近十年兩個(gè)陣營(yíng)累計(jì)的實(shí)際案例來看：Tesla自駕車發(fā)生了一些嚴(yán)重車禍案例；而Google自駕車在經(jīng)歷了超過300萬英哩的實(shí)際測(cè)試后，僅發(fā)生十余起的輕微擦撞事故。另外，從功能面來看，光達(dá)可以提供0.1度角分辨率，100公尺測(cè)距和5~10Hz的畫面更新率。這讓世界各地許多從事自駕車發(fā)展的團(tuán)隊(duì)，普遍有一個(gè)共識(shí)，那就是：依現(xiàn)今自駕技術(shù)水準(zhǔn)，未使用LiDAR作為傳感器的自駕車，達(dá)到Level 2~3的標(biāo)準(zhǔn)沒有問題；但若要達(dá)到Level 4~5，亦即達(dá)到『高度自駕』甚至是『完全自駕』的程度，就非使用LiDAR不可。LiDAR對(duì)于自動(dòng)駕駛的發(fā)展如此重要，這也促使產(chǎn)品必須朝向更低成本?更耐用與更安全的方向發(fā)展，具體項(xiàng)目如下：發(fā)展全固態(tài)LiDAR：當(dāng)一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的模塊，裝置在需耐受天候并時(shí)常遭遇到震動(dòng)與慣性變化的車輛時(shí)，此模塊的耐用程度就會(huì)遭受到極大的挑戰(zhàn)。所以將整個(gè)模塊全固態(tài)化，免除旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，就能有效提升LiDAR的耐用度。

采用單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode， SPAD）作為傳感器：當(dāng)單光子雪崩二極管傳感器偏壓超過崩潰區(qū)，其光子產(chǎn)生的電子受到高電場(chǎng)加速撞擊，又產(chǎn)生許多電子，這些撞擊產(chǎn)生電子又受到電場(chǎng)加速，又撞擊產(chǎn)生更多的電子，這樣的連鎖雪崩效應(yīng)所產(chǎn)生的電子增益非常大，所以只要有單光子就可以引發(fā)超過閾值（threshold）的電子訊號(hào)。SPAD造就了新款LiDAR對(duì)光線感知非常敏感的優(yōu)點(diǎn)，也讓LiDAR模塊可以采用較低功率 & 較低成本的雷射光源。

改用更長(zhǎng)波長(zhǎng)的雷射光源：基于成本與功率考慮，目前多數(shù)LiDAR使用的雷射光源是905 nm雷射，但是905 nm波段不在人眼安全的波段范圍內(nèi)。一般人眼安全的波段是指大于1400 nm的波段，因?yàn)樵诳梢姽馀c波長(zhǎng)小于1400 nm的紅外光會(huì)聚焦在視網(wǎng)膜，容易對(duì)視網(wǎng)膜造成永久傷害。改用1400 nm以上的雷射作為光源，對(duì)人身健康安全才更有保障。

將LiDAR的發(fā)射器?接收器與掃描透過半導(dǎo)體制程整合到芯片上：將雷射與傳感器一起長(zhǎng)在芯片上，將可大幅度縮小體積?減輕重量，并符合LiDAR模塊全固態(tài)化的要求。除此之外，芯片化的設(shè)計(jì)使其掃描速度比機(jī)械式掃描快了千倍以上，并能大幅降低成本，有效提升產(chǎn)品的性價(jià)比。

iToF 與 dToF 的差別　　ToF是Time of Flight的縮寫，也就是飛行時(shí)間。當(dāng)我們得知光的飛行時(shí)間，將光速乘以飛行時(shí)間就可以計(jì)算出距離。例如：光飛行一年的距離稱為一光年?！　oF技術(shù)細(xì)分，可分為兩種：（1） iToF （Indirect Time of Flight）間接飛行時(shí)間技術(shù)；（2） dToF （Direct Time of Flight）直接飛行時(shí)間技術(shù)。欲實(shí)現(xiàn)這兩種技術(shù)都需要有發(fā)射端與接收端，其差別主要在于計(jì)算距離的公式不同?！　ToF技術(shù)的發(fā)射端使用的是調(diào)制光，具備特定的周期與振幅。當(dāng)這個(gè)特定調(diào)制的入射光從物體表面反射回來，接收器就會(huì)接收到相同周期的反射光，但這入射光與反射光兩者之間存在著一個(gè)相位的延遲。當(dāng)我們測(cè)得此相位差延遲了幾個(gè)周期，就能透過下列公式計(jì)算出距離。dToF的光源一般采用脈沖光（Pulsed Light），脈沖光指的是在一個(gè)極短時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光束，dToF的傳感器在脈沖光發(fā)射出去的時(shí)候記錄當(dāng)下的時(shí)間，并與接收到反射光的時(shí)間計(jì)算出時(shí)間差（?t），然后直接將時(shí)間差乘上光速除以2就計(jì)算出了物體與車子之間的距離?！　∧敲?，iToF與dToF各有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？我們可以從下表的詳細(xì)比較得知。不過，在此先下個(gè)小結(jié)論：短期而言，iToF技術(shù)挾著CMOS成本優(yōu)勢(shì)，應(yīng)可占有一定的市場(chǎng)份額。但隨著SPAD制程技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，預(yù)期dToF技術(shù)的成本將可獲得大幅改善。屆時(shí)dToF技術(shù)在偵測(cè)距離的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)占據(jù)更多市場(chǎng)份額與產(chǎn)品應(yīng)用。什么是SPAD？

SPAD就是單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode）的縮寫，稱為單光子累崩二極管，是一種半導(dǎo)體光偵測(cè)器。當(dāng)我們?cè)赟PAD兩端施加更高的反向偏置電壓（硅材料通常為100-200 V），此時(shí)光子進(jìn)入硅材料后，利用電離碰撞（雪崩擊穿）的效應(yīng)，可以獲得大約100倍的內(nèi)部電流增益，進(jìn)而引發(fā)連鎖倍增效應(yīng)。這時(shí)候的電流就會(huì)非常大，能夠很輕易的被電路偵測(cè)到。在制程上，透過摻雜技術(shù)的不同，可以讓SPAD允許施加更高的電壓而不會(huì)被擊穿，從而獲得更大的增益。一般來說，反向電壓越高，增益越大。 圖2 單光子雪崩二極管倍增效應(yīng)示意圖

SPAD主要用于光達(dá)（LiDAR）和長(zhǎng)距離光纖通信，此外，也開始被用于正電子斷層攝影和粒子物理等領(lǐng)域。SPAD數(shù)組也已被商業(yè)化，比較知名的制造商包括：索尼（SONY）?意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）與安森美（ON Semiconductor）…等。

編輯：黃飛