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由车辆的自动导航到光达

  • 詹益仁

自驾车未来做到level 5的完全自动驾驶,车厂必须要有能力将不同的侦测系统作完整的融合。Netflix

6月1日清晨,国道一号嘉义水上路段,一部使用自动导航的Tesla电动车撞上前方横倒于车道上的白色货车,这部货车是因为先前的前方车辆紧急刹车,闪躲不及而翻覆。如果仔细看现场照片,清晨斜射的阳光正好直射到翻覆货车白色的顶棚,而又恰恰好反射到Tesla上,甚至有可能将太阳的光点反射到Tesla的摄影镜头。

这几乎就是在2016年5月的佛罗里达,Tesla第一次因为自动导航所导致死亡车祸的翻版,如出一辙的场景是前方的白色货车以及阳光的反射。所幸台湾的驾驶者机警地踩了刹车,避免了一场110公里车速所造成的悲剧。

为什么车子的导航系统没有侦测出前方的障碍物,而做出必要的防范措施?Tesla虽然一再强调,它的自动导航系统,还是需要驾驶者随时注意车况及路况。然而一旦驾驶者享受到了科技的便利,就很容易失去警觉心,这也是人之常情。在第二级自动驾驶(level 2)以下,也就是偶而使用自动导航,车辆上装置了立体摄影镜头、超音波测距及雷达(短距为24 GHz,长距为77 GHz)即可,雷达在Tesla还不是标配。但是在第三级(level 3),有限度的自动驾驶,通常就必须装上光达(LiDAR)了。

Tesla的创办人马斯克,是所有车厂的CEO最排斥光达,而全心拥护立体摄影镜头(stereo camera)以及算法(algorithm)的人了。他曾说「anything relying on LiDAR is doomed」以及「camera-only algorithms can work surprisingly well」。立体摄影镜头是利用两个以上的镜头,间隔一段距离以产生所需的视角,并搭配必要的算法,才有可能计算出不同物体间相隔的距离。

这在一般正常情况下,都可以精确的操作,而不会误判。但毕竟是算法的计算,在非常少数的极端案例,有可能造成演算过程无法收敛,让导航系统无法做出判断而导致车祸发生。马斯克是位AI的倡议者,他是DeepMind最初期的投资者之一,也曾说过AI的威力胜过核弹,会超越人类的智能,以及引发第三次世界大战等发人深省的警语。Tesla也从事AI芯片的开发,并经由不断的数据学习,应用在自动导航系统内。

光达的操作方式就很直接,原理跟雷达是一样的,所不同的是光达用的是光波(红外线),而雷达用的是电磁波。两者都是发射一时序的脉冲光波或电磁波,波前进遇到物体时会产生反射,当接收到反射波脉冲并计算其时间差(time of flight),就可以量测到彼此间的距离。这过程是很直接的数学计算,不牵涉到算法及人工智能。光波因为波长较短,因此对于前方物体可以有精准分辨率及量测结果,而雷达的波长较长,会很难分辨出前方物件是行人还是电线杆。

光达在应用于自动导航之前,就已经在其它的领域使用过。我曾在国家地理频道上,看到研究人员利用光达及空拍机,在柬埔寨的吴哥窟发现到实际上更大规模古城遗址。另外光达也被应用到风力发电机上,来测量风的速度及方向,以调整最佳迎风的角度。

光达最令人诟病的是价格太贵,主要是其使用了一长串的高功率半导体雷射,并做360度的旋转扫描以取得全方位的3D影像,不论是光学系统或机械旋转都所费不赀。近来为了普及化及降低成本,光达的设计上逐渐舍弃360度,而改采小于180度及较短的侦测范围,这样就可以使用面射型雷射(VCSEL),以及微机电反射镜(digital light processor;DLP)或使用绕射光学面,以产生出雷射光的阵列(array),在成本结构才会有竞争力。

假以时日当自动导航越来越普遍,可以想象满街都是光达的红外线雷射讯号,对于行人的眼睛及皮肤一定会造成影响,这时就有必要降低雷射光的强度,换言之也就是需要在光达上装置一个灵敏度非常高的光传感器(photodetector)。所幸在上世纪九十年代,半导体元件物理学家就已经发展出单光子的光传感器(SPAD)。

一般的光传感器是操作在元件的逆向偏压的微小暗电流区,一旦有光讯号进入就会增强电流,但是至少得有上万个光子,才可能产生明显的光电流。单光子光传感器是刻意让元件操作在逆偏压的崩溃区,只要有一颗光子进入,就会造成实质的崩溃,崩溃之后又可以马上回复。所以只要去计算元件崩溃了几次,就知道有多少颗光子被收集到,因此灵敏度是一下子增加了好几个数量级。

科技的发明经常一开始并不清楚其适当应用的场景,就像单光子光传感器,甚至会被评论为「solution looking for problem」,然而一旦时机到了就得挺身而出粉墨登场。自驾车未来要做到第五级(level 5)的完全自动驾驶,不论就立体摄影镜头、光达、雷达或超音波,车厂必须要有能力将这些不同的侦测系统作完整的融合(fusion),因为没有任何单一的侦测系统可以提供在不同天候、距离以及精度上完整的数据。但是如果变成了各人一把号,各吹各的调,就会是个大灾难了!

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司执行长。