智慧車用光電專刊依自動駕駛等級, 所需要的感測器模組的種類 10 億美場規模( 及個數是不同的由於每一家開發自動駕駛系統的廠商, 其對系統的設計思惟是不同的, 故所需要的感測器的種類及個數也會不同例如, 福特汽車公司的自動駕駛用測試車, 除了雷達及相機之外, 也會搭載 4 台 LiDAR, 但

Size: px

Start display at page:

Download "智慧車用光電專刊依自動駕駛等級, 所需要的感測器模組的種類 10 億美場規模( 及個數是不同的由於每一家開發自動駕駛系統的廠商, 其對系統的設計思惟是不同的, 故所需要的感測器的種類及個數也會不同例如, 福特汽車公司的自動駕駛用測試車, 除了雷達及相機之外, 也會搭載 4 台 LiDAR, 但"

洛金
5 years ago
Views:

1 智慧車用光電專刊30 文 / 鷲尾邦彥 (Paradigm Laser Research)- 本文獲 OPTRONICS 授權 (2017) No. 2, 對自動駕駛技術研發熱絡最近, 針對各種自動行駛移動服務的實現, 美國及世界各國對有關自動駕駛的技術開發已變得熱絡起來雖然 Google 公司將自動駕駛功能搭載於豐田 Prius, 首次在高速公路行駛, 是 2009 年的事, 但其後該公司持續進行技術的累積, 在 2016 年 10 月底時, 以自動駕駛模式在公路的總行駛距離已達到 223 萬英哩 ( 約 360 萬公里 ) 該公司目前在公路行駛的自動駕駛功能搭載車是 24 台的 Lexus RX450h SUV 及 34 台的原型 (Prototype) 車此外,Tesla 公司在 2016 年 10 月 19 日宣布, 自同日起會對該公司銷售的全部車輛均搭載自動駕駛功能又,Uber 公司在 2016 年 9 月 14 日, 在美國賓州匹茲堡巿, 針對挑選過的顧客, 已開始自動駕駛車的配車服務在德國,Audi 公司預定在 2017 年中發售搭載自動駕駛功能的 A8 在日本, 邁向 2020 年的東京夏季奧運會, 正試圖加速自動行駛系統的實用化, 作為戰略的革新創造計劃 (SIP) 自動行駛系統的一環, 內閣府己在 2016 年 11 月 15 日宣布, 將從 2017 年 9 月到 2019 年 3 月, 實施自動行駛系統的大規模實驗 NHTSA( 美國國家公路交通安全管理局 ) 為推動自動駕駛車的開發及普及, 提升交通安全, 在 2016 年 9 月 20 日正式發表一個方針, 即包括汽車廠商為了讓自家公司的汽車在上路前, 必須符合的 15 個項目的自動駕駛車相關基準 NHTSA 基於加速方向盤操作控制及駕駛環境的監視等, 是由駕駛人或系統之任一方來做的觀點, 在此之前是將自動控制系統區分為等級 1 至等級 4 的四級, 但在 2016 年 9 月所發表的上述指針, 係採用 SAE( 美國汽車工程師協會 ) 所擬訂的至等級 5 為止的六級區分此外, 雖然 SAE 的自動駕駛車相關方針是在 2014 年 1 月首度發表, 但 2016 年 9 月, 又發行了其修訂版 2 自動駕駛等級的分類及感測器的巿場預測表 1 顯示 SAE 的自動駕駛等級的分類的概要根據此表, 至等級 2 為止, 是由駕駛人負駕駛環境監視的責任等級 2 的系統是部份的自動駕駛系統, 並不包括於自動駕駛系統的範疇雖然自等級 3 起, 會成為系統本身負責監視環境的自動駕駛系統, 但在緊急時的對應, 又可分成數個等級當提到自動駕駛時, 根據不同等級, 駕駛人所需要的對應手段有所不同, 這點是需要注意的駕駛環境的監視自動駕駛等級名稱定義的概要駕駛人 0 手勳駕駛雖然會提醒駕駛人注意, 但所有的駕駛操作均是由駕駛人親自為之駕駛人 1 輔助駕駛加速方向盤操作控制中的任一個是由系統來進行的狀態駕駛人 2 部份的自動駕駛加速方向盤操作控制中的複數個是由系統來進行的狀態系統 3 有條件的自動駕駛系統 4 高度的自動駕駛系統 5 完全自動駕駛系統進行所有的駕駛操作的狀態表 1 SAE 的自動駕駛等級區分的概要雖然所有的駕駛操作是由系統來進行, 但當要求駕駛人介入時, 駕駛人必須做適當的對應的狀態當系統要求駕駛人介入時, 即使駕駛人無法做適當的對應, 系統也會代為對應, 並且進行所有的駕駛操作的狀態

2 智慧車用光電專刊依自動駕駛等級, 所需要的感測器模組的種類 10 億美場規模( 及個數是不同的由於每一家開發自動駕駛系統的廠商, 其對系統的設計思惟是不同的, 故所需要的感測器的種類及個數也會不同例如, 福特汽車公司的自動駕駛用測試車, 除了雷達及相機之外, 也會搭載 4 台 LiDAR, 但 Tesla 公司所銷售的自動駕駛功能車, 雖然有搭載多數的雷達及相機, 但目前似乎仍未預定要搭載 LiDAR 表 2 顯示 YOLE Development 公司根據自動駕駛等級, 預測所需要的感測器模組的種類及個數感測器技術是日新月異的, 又因為感測器的成本降低率是依感測器而異, 故將來所需要的感測器的種類及個數, 有可能與現在所假定者有大幅的差異 Goldman Sachs 公司對有關輔助駕駛及自動駕駛功能的各種構成要素, 已有 2015 年至 2050 年長期詳細的巿場預測報告據此, 輔助駕駛及自動駕駛功能相關的巿場規模, 在 2015 年約為 28.9 億美元, 在 2020 年 2030 年 2040 年及 2050 年, 則各被推定分別為 275 億美元 1,970 億美元 3,130 億美元巿場規模預測, 並以曲線顯示此等的演變情形據此, 雖然 LiDAR 的普及會比雷達慢幾年, 但 2035 年以後,LiDAR 的巿場規模則會比雷達大許多相對於假定雷達即使是在等級 2 的系統, 就會有龐大的需求,LiDAR 則是要到等級 3 以後的系統, 才會看到顯著的需求因此,LiDAR 的普及會比雷達慢, 但一般而言,LiDAR 的單價比雷達的單價高, 到了自動駕駛等級高的系統變普及的 2030 年左右,LiDAR 的巿場規模會急速增高表 3 顯示各種感測器的功能及性能的比較因為各種感測器有其優點及缺點, 故可藉由組合各種感測器, 進行感測器融合 (Sensor fusion), 就可以彌補感測器單獨所不足的功能及性能, 並且可以建構最適合自動駕駛的系統 3 車載用 LiDAR 的主要種類能做到 3 次元測量的車載用 3D LiDAR, 可大致分成使用重複振盪脈衝雷射及掃描器的掃描型及 3,120 億美元圖 1 特別針對雷達及 LiDAR 相關的感測器的種類等級 1 等級 2 等級 3 等級 4 等級 5 LiDAR, 以及使用高輸出的單一脈衝振盪雷射及時巿超音波長距離用雷達短距離用雷達長距離用相機周邊用相機元) LiDAR 雷達相機立體相機微幅射熱測定儀 LiDAR 圖 1 輔助駕駛及自動駕駛所需的各種感測器的巿場規模的演變情形自律航法感測器合計表 2 依自動駕駛等級被推定需要的感測器模組的種類及個數 31

3 智慧車用光電專刊32 間分解型 2 次元受光元件陣列的快閃 LiDAR 雖然也有廠商在開發單方向使用掃描器, 和與其直角的方向使用的一次元受光元件陣列, 以整合成受光的混合 (Hybrid) 方式, 但此仍處於研究開發階段, 由於還未成為產品, 故混合方式的 LiDAR 的詳細說明在此省略此外, 使用 CW 雷射作為光源, 調變其振盪頻率及相位, 使用於測距的 LiDAR, 也有數家廠商在研發中, 但這些似乎都是距離相當短, 使用這些方式的車載用的 LiDAR 產品都還未見到, 故有關光源使用 CW 雷射的 LiDAR 及近距離用的 ToF (Time of Flight; 飛行時間 ) 相機等的說明在此省略功能性能 LiDAR 雷達可視相機近傍物體的偵測測定距離解析能在暗處的作動在明亮場所的作動下雪霧雨時的作動色彩對比偵測速度感測器的大小價格表 3 各種感測器的功能性能別的相互比較 (5 階段評價 :5 為最佳 ) 超音波種類掃描方式代表的參與廠商表 4 顯示車載用 LiDAR 的主要種類及參與企業雖然快閃 LiDAR 可做到高速的重複作動, 但光源的每一脈衝輸出, 需要比掃描型 LiDAR 更高的輸出快閃 LiDAR 的受光用感測器有一次元陣列者及二次元陣列的類型掃描型 LiDAR 依掃描器的軸數, 也可分成 2 次元 LiDAR 及 3 次元 LiDAR 雖然機械的迴轉方式, 能對應高輸出的雷射, 但因為一般都是大型的雷射才會採用, 而且成本降低不易, 故車載用 LiDAR 已漸漸改用不使用機械零件的全固態方式 4 車載用 LiDAR 的主要種類掃描型 LiDAR 機械的迴轉 Velodyne,ibeo,Hokuyo,Konica Minolta, Lightwave Optronics 掃描型 LiDAR MEMS Bosch,Innoluce(Infineon), Pioneer 掃描型 LiDAR 相位陣列 Quanergy 快閃 LiDAR 無掃描 ASC(Continental),LeddarTech 表 4 車載用 2D 及 3D LiDAR 的主要種類及參與廠商如前述一樣, 掃描型 LiDAR 所使用的掃描方式有機械迴轉 MEMS 及位相陣列三種方式就脈衝雷射光源的波長帶來說, 以 Si 光偵測器比較能高效率地受光的 900nm 帶附近佔大多數雖然 LiDAR 也有使用對眼睛較安全的波長 1.5µm 帶作為光源, 通常用在無人飛機等用途上, 但如果要放在車上, 低價格化會成為一大挑戰作為 ToF 測定用光接收器 ( 光偵測器 ), 有使用光子計數以 Geiger 模式作動的高感度 SPAD(GmAPD), 以及使用感度較差, 但成本較低的 APD( 雪崩光電二極體 ;Avalanched Photodiode) 在以 Si 偵測器偵測時, 藉由將數個 SPAD 陣列化, 合併輸出結果, 雖然不具有空間的位址情報, 但能提高 SiPM(Silicon Photomultiplier) 的訊噪比 S/N, 也是可行的做法以使用機械迴轉方式的掃描型 LiDAR 來說, 如表 5 顯示 Velodyne 公司製的全方位 LiDAR 感測器 VLP-16/VLP-16-LITE 的主要規格本產品內建 1 6 個雷射 ( 波長 903nm), 可做到水平方位 360 度及垂直視角 30 度的 3D 影像 1 秒能測定 300,000 點, 測定距離至約 100 公尺以下

4 智慧車用光電專商品項目 VLP-16 VLP-16-LITE 感測器類型 16 個雷射 + 偵測器 ( 送受信感測器 ) 測定範圍測定視野水平 360 全方位垂直 30 (+15 ~ -15 ) 的規格樣品出貨是 2017 年中, 並且已計劃要在 2018 年正式將產品投入巿場在國內, 2015 年 10 月, 針對能實現高性能小型低成本的行駛空間感測器 3D-LiDAR 的測定距離約 100 m (1 m~ 100 m) 開發,Pioneer 宣布已開始車載實証實驗感測器迴轉速度測定精度 5 Hz ~20 Hz ±3 cm (1σ@25m) 由此可知, 該公司已在計劃業務用產品的製品化, 以及 2018 年以後, 會針對一般車輛雷射電源測定點數約 300,0000 點 / 秒角度解析能水平 1 ~ 0.4 垂直 2.0 多重取樣 Strongest, Last, Dual 三種模式雷射的等級等級 1 (IEC :2007&2014) 雷射波長 903 nm 動作電壓 9 ~ 32 VDC 消耗電力 8W 3D-LiDAR 的製品化年 1 月, Q u a n e r g y 公司在 CES2016, 發表世界第一個使用位相陣列 (Phased array) 的全固態 LiDAR 機種 S3 樣品出貨是在 2016 年 9 月,OEM 出貨預定是在 2017 年初至於量產價格, 假定是在 250 美元以下關於其視角, 水平方向及重量重量約 830 g / 約 590 g 垂直方向均為 120 度, 能偵測反射率 8% 的尺寸尺寸高 71.7 mm 直徑 mm 耐撞擊耐撞擊 500m/ 秒 2 振幅 11 毫秒耐振動耐振動 5Hz ~ 2000Hz, 3Grms 耐環境耐環境 IP67 對應輸出介面乙太網路 100Mbps ( 能變更 IP 位址 ) 輸出數據 UDP Packet ( 距離, 迴轉角度數據 ) GPS GPS 時間同步機能表 5 Velodyne 公司製的全方位 LiDAR 感測器 VLP-16/VLP-16-LITE 的主要規格物體的最大距離為 150 公尺, 在測定距離 100 公尺的距離解析能為 ±5 cm, 最小的點大小 (spot size) 為 9cm S3 的尺寸為 9cm 6cm 6cm 又, 該公司在 2016 年 5 月, 發表尺寸比 S3 約小 15% 的 S3-Qi 機種 S3-Qi 重量為 100g 雷射的波長及輸出, 以及掃描速度等的詳細技術規格, 則未向外界公布根據該公司的產品開發時程,S3 以前的產品為機械式的第 1 代 S3( 第二代 ) ±3cm(typical) 刊均能對應測定精度約為及下一個機種 ( 第三代 ) 是多晶片模組的構使用 MEMS 的掃描型 LiDAR, 因為在掃描時不使用機械成, 和第一代相比, 尺寸已小型化此外, 零件, 而是藉由全固態方式, 因此可望實現低價的車載用能搭載於智慧型手機等使用 ASIC 的超小 LiDAR 然而, 目前仍處於原理驗證及試製完成的階段, 在型機種, 將被開發成為第四代機種第四代立即就能實裝於車體的高完成度 3D LiDAR 問世以前, 應該還的 LiDAR 的價格假定是在 100 美元以下要經過一段時間 Innoluce 公司使用 MEMS, 在 250 公尺的距離的物體偵測實驗已獲得成功角度解析能為 0.1 度以下藉項目名規格由 MEMS 方式, 大家都在期待能實現 100 美元以下的 LiDAR Infineon 公司在 2016 年 11 月併購 Innoluce 公司, 此舉顯示該公司要參與 LiDAR 事業 Osram Opto Semiconductors 公司在同期所舉行的 Electronics 2016, 呼應 Innoluce 公司的 2kHz 作動的小型 MEMS(2.7mmⅹ2.3mm) 的展示, 也有展示出 LiDAR 用 4 通道雷射表 6 顯示該公司的 LiDAR 用 4 通道雷射尺寸 8mm 5mm 尖峰輸出 85W@30A ( 各通道 ) 波長 905 nm 脈衝寬度 <5 ns 作動電壓 24 V 作動溫度範圍 -40 C ~ +85 C 表 6 LiDAR 用 4 通道雷射 (Osram Opto Semiconductors 公司製 ) 的主要規格 33

5 智慧車用光電專刊34 5 車載用快閃 LiDAR 美國 ASC 公司已經將快閃 LiDAR 實用化, 有搭載於太空船的實績快閃 LiDAR 用的焦點平面陣列 (Focal plane array) 有二種, 以線性模式作動者, 以及以在光子計數測量中所使用的 Geiger 模式作動者雖然以線性模式作動者和以 Gaiger 模式作動者相比時, 感度 ( 靈敏度 ) 較低, 能測定的距離較短, 但若是近距離用時, 使用以線性模式作動的焦點平面陣列比較能達到低成本, 故 ASC 公司使用以線性模式作動的光偵測器 ASC 製的小型 3D 快閃 LiDAR TigerCub, 採用在波長 1.57µm 作動的巿售雷射 ASC 公司的車載用事業部門 ASCar, 在 2016 年 3 月, 已被 Continental 公司收購, 因此,ASC 公司的 Hi-Res 3D 快閃 LiDAR 的事業已移交給 Continental 公司來管理 Hi-Res 3D 快閃 LiDAR 的光源波長及光偵測器等的詳細規格並未對外公開自加拿大的光學光通信研究所 INO 技轉, 在 2007 年 3 月設立的 LeddarTech 公司, 曾開發出使用波長 940nm 帶的 LED 的 16 通道的低價測距感測器, 所使用的光接收器為 1 次元陣列, 光接收系統的視野為 45 8 該公司在 2016 年 6 月, 發表輔助駕駛及自動駕駛用的全固態 LiDAR IC 的開發時程圖預定對應掃描型及快閃型兩方式的 LiDAR, 以自動駕駛等級 1 至 3 為對象的 LC-A2 計劃在 2017 年後半樣品出貨, 以自動駕駛等級 2 至 4 為對象的 LC-A3 則是計劃在 2018 年樣品出貨最大測定距離為 250 公尺, 視野角 140, 水平及垂直方向的解析能 0.25, 似乎能做到每秒 480,000 點的測定該公司在 2016 年 9 月, 對外發表搭載該公司的核心 IC LaddarVu 的 8 Segment 的 LiDAR 對此有搭載波長 905nm 的雷射資料更新速度, 最大可達到 100Hz 視野角依鏡片而異, 水平方向可選擇三種, 垂直方向可選擇二種雖然所使用的光接收器的規格未向外界透露, 但有專家推測是搭載一次元的光接收器陣列者在日本, 於 2015 年 10 月, 雖然 Omron 曾對外介紹過的廣視野角及高的辨識性能同時能做到的 3 D 距離影像感測器 ( 3 D F l a s h LiDARTM), 但未揭露相關的詳細規格雖然快閃 L i D A R 的能測定距離較掃描型 LiDAR 短, 但資料的取樣頻率較掃描型 LiDAR 快速, 故較能掌握巿區街道上的汽車的周遭複雜交通環境, 被認為是適當的日產汽車自 2015 年 10 月起, 開始公路試驗為了能做到自動駕駛的新型實驗車, 除了相機毫米波雷達之外, 也有搭載小型高性能的處於量產試製階段的 3D 快閃 LiDAR 4 台 6 結語雖然車載用 LiDAR 的開發, 最近有急速的進展, 但實際欲活用車載用 LiDAR 時, 不僅是其軟體及硬體, 還包括高精度的 3 次元的數位地圖和各種感測器的融合 (Fusion) 技術等, 高度的 IT 技術及人工智慧 (AI) 等均是不可或缺的, 欲真正的普及尚需一段漫長的成熟期間

2

1 2 目錄 2 3 I-ACE 8 9 10 22 25 1 Prototype Phase 1 Phase 2 Phase 3 TRL PO 2 5,000 3,000 200 12 12 2 6 4 BP 7. app 8. 3D 9. 10. 11. 3D 12. 1. 2. 3. LED 4. LED LED 5. 6. 3 4 展示車外觀, 智財加值應用商品化應用 / 驗證 1~2 5