應用於自駕車的光達(Lidar)

林志平/任職於國家中山科學研究院




美國眾議院於今年2017年9月6日通過一條名為「self-drive」的法案,由民主黨和共和黨共同推動,緊接於2017年10月4日參議院商務委員會宣布批准一項法案,將加速解除美國自駕研究廠商的自駕車在一般道路上行駛的法規障礙。本條法律是為了維繫美國廠商在自駕車技術發展的領先優勢,若正式實施後,將會讓美國所有的自駕研究廠商,可以在未來立法後的1年
內可以投放至多1.5萬輛汽車上路測試,如果這些自駕車被驗證和人類駕駛一樣安全的話,第三年度後投放上限可放寬至8萬輛,4年後則不再限制。參議院商業委員會主席圖恩(John Thune)和參議員皮特斯(Gary Peters)表示:「最終,我們期望採用自駕車技術將挽救生命,改善殘疾人士的行動能力,創造新的就業機會。」據統計,2016年美國高速公路車禍超過600萬起,而死亡人數高達4萬人、受傷人數多達250萬人,其中94%的車禍都可歸咎於人為錯誤。

種種訊息表示最快可能在2年內,類似Uber類型的公司會開始把許多自駕車放在街上測試,也許在2020年以後,自駕車就會正式出現在我們的日常生活中了。光達(Lidar),其英文全名為Light Detection And Ranging,中文稱為光達或雷射雷達,即利用光來量測目標物的距離,其在汽車輔助駕駛的應用一直都是存在,例如障礙物偵測、前車跟隨、邊線維持等。但由於
價格高,體積大,因此不被重視。直到自駕車要來臨的現在,才掀起一股研發的風潮。本文將簡要地介紹光達在自駕車應用的發展現況與未來發展的可能趨勢。

表一:自駕車分級。(美國汽車工程師協會)


自駕車時代的來臨
法國自駕小巴EZ10最近在高雄與臺北公開展示,引起很大的討論與迴響,原來自駕車的時代在不知不覺中已經來臨。自駕車時代的來臨,不只對交通產生重大的影響,舉凡汽車產業、停車空間、保險、共享經濟、5G通訊、雲端運算、電動車、綠能發電與儲能等等都會產生重大的改變。試想自駕車中,不再有方向盤、油門和剎車時,買車的慾望一定會大幅的降低,對傳統車廠可能會產生致命的衝擊。因為當大家不需要為了用車而買車時,停車位就會從家中的空間消失,連帶不需考駕照也不需要辦車險,更沒有車輛維護問題。取而代之,就會有許多的Uber 汽車租賃公司來幫我們打造自駕車,保養自駕車,當我們需要用車時,只要上網預約,就會派遣自駕車將我們安全送往目的地。這樣形態的交通費用的支出,會不會比自己買車昂貴,其實是不會的。因為根據調查,現今自有車輛的使用時間不到6%,94%的時間都是閒置的。如果共享自駕車,自駕車利用率可以提升到90%以上。交通費用自然可以降低。自駕車未來會用電動車,一方面是環保的考慮,另一方面能源效率考量,加上電動車可以當作綠能發電的儲能設備,將綠能發電的多餘電力在夜間讓自駕電動車充電,提供白天交通運輸的能源。所以自駕車對於未來的交通、生活、經濟等模式將會有翻天覆地的影響。

自駕車的分級
國際上對於自駕車的分級,有2個組織,美國國家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)和美國汽車工程師協會(Society of Automotive Engineers, SAE International)。其中NHTSA將自駕車的自動化程度分為0~4級,SAE則分為0~5級。在最近文章中,大部分以SAE分級為主,如表一所示。一般以需要人類駕駛為主或人類介入接手,根據其自動化程度,編列在1~3級,稱為先進汽車輔助駕駛系統(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS);不需要人類介入的駕駛,編列在4~5級,稱為自動駕駛(Automated Driving, AD)。目前最有名的自駕車兩大陣營,Tesla自駕車被分類在第2~3級,而Google自駕車則被分類在第4~5級。

光達在自駕車的重要性
光達的基本的元件是雷射光源、光感測器和成像機構等3部分,雷射光源一般是用半導體雷射,光感測器一般是用光電二極體(Photodiode, PD)或崩潰光電二極體(Avalanche photodiode, APD),成像機構是指掃描式或非掃描式的成像機構。在車用光達常用的距離量測技術就是利用飛行時間(Time Of Flight, TOF)技術。即發出很短脈衝(~10 ns, 10-8秒)的雷射去照射目標,同時也啟動快速計時器進行時間量測,當光感測器接收到目標反射的回波訊號後,即停止快速計時器的計時。快速計時器所計算的時間,就是雷射到目標物來回距離飛行的時間。因為光速是已知,所以到目標物的距離就是飛行時間乘以光速的一半。1個雷射和1個感測器基本上是構成單點測距,如果希望能夠量測一條線或一個面的3D距離資訊,就需要一個成像機構,例如掃描鏡,就可以經由適當的鏡片角度控制,將雷射投射到所需要的方位,得到我們所需要的3D影像,如圖一所示。

圖一:光達量測原理示意圖。

自駕車操控的構成條件,主要是感測器、定位、計算控制和精密的圖資等部分。在感測器主要是攝影機、超音波、毫米波雷達和光達等4種。如圖二所示。攝影機可以有最高的解析度與顏色資訊,超音波可以提供近距離感測資訊,毫米波雷達可以提供中長距離的距離與速度資訊,尤其對於天氣的影響遠比光學感測器小。光達和毫米波雷達同樣地具有距離感測功能,只是光達是利用光波,毫米波雷達是利用毫米波來量測距離。光達其最重要的特性就是提供高角度解析的距離資訊,光達最常使用的訊號源是近紅外線半導體雷射,其波長大約905奈米(nm),所以其角度解析度可以遠小於0.1度以下,相對於24 GHz毫米波雷達的角度解析度約為20度以上,77 GHz 毫米波雷達的角度解析度約為5度以上,光達的角解析度遠小於毫米波雷達,所以光達可以提供遠較毫米波雷達精細的3D影像用來辨識汽車、機車、腳踏車、行人,甚至於交通警察的指揮手勢。這是光達最重要的特性,因此成為自駕車不可或缺的感測器。這是光達天生的優點,因為光達所使用的雷射光源,其波長約為905奈米,77 GHz毫米波其波長約為4毫米,所以光達的角度解析度理論上是77 GHz 毫米波的4000倍,這是光達作為自駕車感測器天生的優勢。

自駕車的感測器的使用分為2種型態,以有無使用光達作為分界, 第一種是以特斯拉(Te s l a )公司為首,只以毫米波雷達與攝影機為主, 不使用光達。第二種是以Google為首,不只使用毫米波雷達與攝影機, 更使用Velodyne H64E的光達,拍攝360 度3D影像。光達可以提供0.1度角解析度,100 公尺測距和5~10Hz的畫面更新率。特斯拉公司不使用光達的原因是因光達太貴,一顆Velodyne H64E光達的價格約7~8萬美金,可能比汽車本體還貴,所以他們主張用毫米波雷達與攝影機就足夠了。但是在去(2016)年5月時,特斯拉公司的自駕車發生一起死亡車禍,其自駕車無法有效地偵測到前方轉彎的白色貨櫃車,造成乘坐人員喪生。雖然事後的車禍責任歸屬的法律認定上,認為特斯拉公司的自駕車沒有疏失。但是大家在意外的檢
討上,都認為如果有使用光達的話,應該可以避免這起意外,因為同時期使用光達的Google自駕車在7、8年間總駕駛里程超過300萬英哩,發生十餘起事故,都是屬於輕微的擦撞事故,甚至於有些不能歸咎於Google自駕車,也遠低於一般汽車肇事率和傷亡程度。因此,光達被認定要達到自駕程度4~5級的必要的感測器。只用毫米波雷達與攝影機的特斯拉自駕車只能被
歸類到2~3級,也就是先進駕駛輔助系統(ADAS)等級,而不是自動駕駛(AD)等級。所以,現今的自駕車要達到完全自動駕駛等級,就非使用光達感測器不可。

自駕車使用的光達, 最有名氣的是Velodyne H64E光達,因為Google、Uber和百度等成熟度較高的自駕車都是用它。它提供了360度高角度解析的3D資訊,使得在自駕車周圍100公尺內的不管大小物體的動靜都能夠鉅細靡遺的被查覺。但是使用Velodyne H64E光達也有隱憂,有著
價格高、產量有限、掃描馬達長時間轉動與可靠度可能不夠等問題,加上它是手工打造,所以每顆7~8萬美金,產量每月只有5000顆,掃描馬達在長時間運作後,會有磨損、定位精度下降的問題。所以目前全世界都在尋找可以取代Velodyne H64E光達的感測器,目的就是要產出便宜、產量高、可靠度高的光達。有興趣進一步了解光達領域的現況與未來努力方向的讀者,可從了解現有的光達架構開始,可參考本文末更技術細節的討論現況與未來趨勢。

自駕車光達的未來
自駕車對光達的依賴,未來有沒有可能只用攝影機與毫米波雷達來取代?我個人認為不會,因為光達的高精度視角的3D成像特性,是光達天生的、無可取代的優點,如果利用很複雜的運算法則與運算資源,將低精度視角提升為高精度視角,其效果絕對沒有光達直接取像來的快速、真實與可靠。目前全世界都急於尋找適合自駕車光達,也投入大量資金來研發便宜、產量高、可靠度高的光達。所以,未來光達不但不會消失,而且會以更小、更輕、更便宜的方式走入我們生活中,這個是一個趨勢,由單點掃描3D成像到線掃描3D 成像,到平面3D 成像光達又稱Flash lidar。雷射就是一個類似閃光燈,閃一下就可以獲得3D成像的照片。未來我們的相機,不再是平面成像的相機,而是結合可見光CMOS 成像和3D光達成像的3D 相機。不但可以放大、縮小,還可以360 度旋轉。

圖二:自駕車感測器裝置。

展現況與未來趨勢

一. 發展現況
Velodyne H64E 使用64 個905奈米波長半導體雷射和64個光感測器,排列成1條垂直陣列,所以每次即可以收到64 組距離資訊,這64 組雷射陣列與64 組光感測陣列利用馬達轉動,每隔0.1度量測1次,每圈360 度共量測3600次,如果每秒轉5圈,每秒量測的資料量就有64x3600 x5=1152k筆資料。由於64組發射接收器都是人工組裝與對光,難怪價格與產量降不來。其掃
描機構要將64 組發射接收器帶著旋轉,所以有體積龐大、價格高與可靠度下降的問題。所以要降低價格,提高產量與增進可靠度,就要解決人工對光,人工組裝,機械掃描等問題。

美國Velodyne 公司針對未來ADAS 和AD的需求,發表了要研發Ultra Puck VLP-32A 32線雷射模組,測距可達200公尺,在2020年量產目標訂價到500美元,到2025年成本可以控制到200美元以內。

美國Quanergy公司發展光學相位陣列(Optical Phase Array, OPA)元件,利用改變光學相位陣列每個元件的相位來達到掃描的目的,取代龐大的機械掃描裝置。其原理是將雷射均勻通過2維陣列的相位調制元件,再改變每個相位調制元件的相位,使其在空間的特定方位形成建設性干涉,其他方位都是破壞性干涉,由於是用電信號改變相位調制元件的相位,達成快速掃描目的,所以比起機械掃描速度快,體積小,價格便宜等優點。但此項技術不是沒風險,因為光學相位調制元件,由於光學波長很短,其調制元件的製作存在一些風險,加上雷射通過這些元件會有產生熱,對於使用熱來進行光學相位調整的元件,存在一些不利因素,所以在2016年發表後,一直沒看到測試樣品的發表。其量產的價格宣稱可以降至250美元,而使用該公司光達產品的自駕車,號稱2018年就可以上市,讓我們拭目以待。

加拿大Leddar 公司也發表了用線性陣列感測器加上微機電(Micro-electromechanical Systems, MEMS)單軸掃描鏡,構成車用光達系統,Leddar公司的專長在訊號處理,可以利用多點累積和延遲取樣等技術來增進測距長度與測距精度。他們使用的光源是半導體雷射,並將其光點整型為垂直直線,利用MEMS單軸掃描鏡進行水平方向掃描,再使用線性陣列感測器來接收訊號,比起Velodyne的64組發射接收同時旋轉的架構輕便很多,同時也可以兼顧水平方向的高角度解析度的需求。但其單個模組的水平掃描角度約為120度,需要3個以上組合,才可以達到360度環視的需求。

美國ASC公司是研發2D平面陣列感測器接收訊號,雷射當作照明之用,其取3D影像的成像速度最快,可以大於30 Hz以上,甚至可以到達1000 Hz以上的成像速度,體積也最小、最輕,完全沒有掃描元件。除了雷射,鏡組,就是2D平面陣列感測元件,所以稱為全固態光達(Full solid state Lidar)。這個2D平面陣列感測元件是將APD感測陣列和TOF電路陣列利用覆晶封裝(Flip chip bonding)技術壓合而成。APD是崩潰光電二極體是將光訊號轉為電訊號,
TOF電路陣列是量測雷射飛行時間的電路,兩者結合後,即可即時測出3D影像,一般陣列像素為128x128或256x256,其優點是輕、薄、小、快,且價格便宜。但是角度解析度要達到0.1 度或環場360 度視角,就要用多個拼裝而成,系統變得較複雜,雷射的功率需求較高,價格會變貴。

二.可能發展趨勢

1. 全固態光達——便宜、輕、薄、小

價格是最重要的考量,未來的大量量產的價格許多公司都宣稱可降至200~250 塊美金左右。這個目標最遲2 年內就可以達成。要達成這個目標,利用CMOS或III-V Compound 製程縮裝成晶片應該就可以達成這個目標,而且也不用掃描元件。所以,未來的自駕車就會將原先安裝在車頂的Velodyne H64E,由多個分散在前後車燈座中全固態光達來取代,達成輕、薄、小的需求。

2. 人眼安全波長

目前車用光達大部分使用波長905奈米的半導體雷射,因為905奈米波長的半導雷射的製作技術較成熟、成本低,可以產生較高功率的短脈衝雷射,量測距離較遠。但是905奈米波段不在人眼安全的波段範圍內,一般人眼安全的波段是指長於1400奈米的波段,例如1550奈米。因為,在可見光與小於1400奈米的紅外光會聚焦在視網膜,再加上眼球的聚焦作用,容易對視網膜造成永久傷害。目前車用光達模組都符合人眼安全規範,但未來無人車充滿整個街上,905奈米波段的雷射滿天飛的時候,對於人眼的威脅,尤其長期的累積效應,不容小覷。所以人眼安全雷射的使用,將會是一個無可迴避的議題。

3. 單光子光達

單光子光達主要使用單光子崩潰光電感測器(Single Photon Avalanche Diode, SPAD),又稱為蓋格模式崩潰光電感測器(Geiger Mode Avalanche Photodiode, GMAPD),在感測器偏壓超過崩潰區,其光子產生的電子受到高電場加速撞擊,又產生許多電子,這些撞擊產生電子又受到電場加速,又撞擊產生更多的電子,這樣的連鎖雪崩效應所產生的電子增益非常大,所以只要有單光子就可以引發超過閾值(threshold)的電子訊號。而一般線性崩潰光電感測器其偏壓在崩潰區之前,高增益但未達到崩潰區域,所以需要較高的雷射能量,才可以達到量測的目的。

單光子光達的好處是只需要較弱的雷射能量,即可達到偵測的目的,其優點是對光的感測很敏感,但其缺點就是太敏感,尤其在白天,陽光也會激發單光子感測器的響應。所以,在距離量測上就無法達到單發響應的效果,需要累積很多發響應用統計方式來確認物體的距離,因為陽光所產生的光子激發的時間是雜亂的,雷射光子所產生的固定物體的時間是固定的,所以經過統計累積,就可以達到距離量測的目的。但是誤警率還是偏高,對於快速運動物體的偵測就有困難。

單光子光達在20年前美國軍方已經發展出來,最近被使用在商業用途,是用在空載式光達拍攝3D 地形之用,因為拍攝地形可以在夜間拍攝,陽光雜訊的影響會大幅降低。所以單光子光達要應用在車載光達,必須要克服陽光雜訊造成誤觸發問題。

4. 晶片光達

美國麻省理工學院於2016年8月發表其將光達的發射與接收整合在CMOS晶片上的成果,其原理是在晶片上製作相位調製陣列單元,利用熱來改變每個相位調製單元的折射率或長度,來改變通過相位調製單元雷射光的相位,這些經過相位調製單元的雷射光,就可以在特定方位和距離形成建設性干涉。如此即可以不用掃描鏡,也可通過各調制單元的相位的改變,即可達到雷射光束掃描的效果。其掃描速度是機械式掃描的1000倍。未來若可以將雷射與感測器一起長在矽晶片上,其體積與價格將可以進一步降低。美國國防高等研究計劃署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)也在2015年12月提出「模組化光學孔徑建塊計畫(Modular Optical Aperture Building Blocks, MOABB program)」,徵求將光達晶片化的後續技術。希望能將雷射、接收器和掃描都整合到晶片中。


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