先進駕駛輔助系統的功能與主要元件

ADAS 代表 Advanced Driver Assistance Systems (先進駕駛輔助系統)。由於 ADAS 是一個「輔助系統」，自然可以知道它與「自動駕駛」有所不同。但從另一個角度來看，ADAS 系統的發展也是我們邁向自動駕駛終極目標的必經之路。
從功能面來看，目前 ADAS 主要包含: 

1. 主動式定速巡航控制(ACC)：此功能是建立在傳統定速巡航的基礎上，透過雷達/光達來偵測前方車輛的相對距離與相對速度，並主動控制車速，達到自動跟車的目的。系統會依據前方是否有車輛，自動切換巡航控制與巡航跟車。
2. 汽車導航系統：藉由接收 GPS (全球定位系統) 與 TMC (交通資訊頻道) 訊號，再配合車上安裝的地磁方向感測器、陀螺儀感測器、速度感測器，可以偵測汽車的行進軌跡。經過 ECU 運算後，可以動態確認車輛位置。
3. 車道偏離警示系統(LDWS)：利用安裝於前擋風玻璃的攝影機量測車輛前方的道路標線，並即時計算車輛與車道線間的相對距離、道路坡度與曲率。當車輛偏離車道時，系統會通知駕駛立即修正方向，甚至會主動嘗試引導車輛回到原車道，減少發生車禍的機率。
4. 盲點偵測：典型的盲點偵測系統會使用安裝在車輛兩側的電子偵測裝置(通常在左右後視鏡或後保險桿周圍)，透過電磁波/雷達波/超音波來進行感測，或是以攝影機拍攝影像。當其中一個感測器偵測到盲點區域有物體時，會透過燈號、聲音或畫面影像警告駕駛，避免貿然變換車道而造成事故。
5. 前方碰撞避免系統(FCAS)：系統使用攝影機並結合雷達偵測與特殊演算法來計算與前方車輛的碰撞時間。若系統偵測到車輛與前方車輛難以維持適當的安全距離，代表有即將發生碰撞的風險，系統會透過閃爍的燈號或警報聲提醒駕駛減速，降低碰撞事故對乘員造成的傷害。
6. 行人偵測：使用立體攝影機配合雷達偵測前方區域，掌握行人及其移動模式。當可能有碰撞風險時，系統會發出警示訊號與警報聲提醒駕駛應變。若無立即反應，較先進的系統會啟動煞車輔助。甚至當系統判斷煞車時間太快時，會發出指令拉緊安全帶，並將座椅靠背立起，以減少碰撞傷害。

此外，包括：緊急煞車系統、自動頭燈開關系統、自動停車輔助系統、夜視系統、側風穩定系統、駕駛疲勞偵測系統等，也都屬於 ADAS 的範疇。
從系統架構來看，ADAS 主要由三個模組組成：感測器、處理器和致動器。

(1) 感測器：感測器用於偵測各種外部訊號。對於 ADAS 來說，主要使用超音波、雷達、光達和攝影機等來進行距離偵測。如下方圖一所示，展示了感測器的功能與應用關係。

圖一：ADAS 不同功能需求所採用的感測技術概述

(引用自：https://www.synopsys.com/automotive/what-is-adas.html)

(2) 處理器：處理器的功能是處理輸入的訊號，在汽車上通常稱為「電子控制單元(ECU)」。ECU 在接收到訊號後進行適當的分類與處理，然後輸出控制訊號給致動器。除了 ECU 外，還有微處理器(MPU)、數位訊號處理器(DSP)等。

(3) 致動器：依據處理器送出的控制訊號，致動器控制各種被驅動的裝置，讓相關裝置完成動作。例如：啟動自動煞車以停車、透過螢幕顯示警告訊息、啟動蜂鳴器發出警告聲等。

光達的應用與技術

光達(LiDAR)的英文全名為 Light Detection and Ranging。光達可應用於先進駕駛輔助系統(ADAS)的主動式定速巡航系統、緊急煞車系統、行人偵測系統以及前方碰撞警示系統，其主要功能為精確測距。
光達基本上由三個部分組成：雷射光源、光感測器和成像機制。雷射光源一般使用半導體雷射；光感測器一般使用光電二極體(PD)或雪崩光電二極體(APD)；成像機制則分為掃描式或非掃描式。汽車用光達常用的測距方法為飛時測距(Time of Flight, ToF)技術。關於 ToF 技術，將在本文的下一章節詳細說明。
目前自動駕駛車輛的發展，依據「是否採用光達」的選擇，分為兩大陣營：第一個陣營是以 Tesla 為首的陣營。這個陣營只專注於毫米波雷達與攝影機，不使用光達。第二個陣營是以 Google 為首，Google 不僅使用毫米波雷達與攝影機，還使用了 Velodyne H64E 的光達來擷取 360 度的 3D 影像。
Tesla 陣營決定不使用光達的原因是價格太貴。但是從過去十年兩個陣營累積的實際案例來看：Tesla 的自動駕駛車輛發生過一些嚴重的車禍；而 Google 的自動駕駛車輛經過超過 300 萬英里的實際測試，只發生過十幾起小事故。此外，從功能面來看，光達可以提供 0.1 度的角度解析度、100 公尺的測距，以及 510Hz 的畫面更新率。這使得全世界從事自動駕駛車輛開發的團隊有一個共同的共識，那就是：依照目前自動駕駛的技術水準，未採用光達作為感測器的自動駕駛車輛要達到 Level 23 標準沒有問題；但是要達到 Level 4~5，也就是到達「高度自動駕駛」甚至「完全自動駕駛」的等級，一定要使用光達。

表一 美國汽車工程師學會(SAE)制定的自動駕駛分級標準

光達對於自動駕駛發展如此重要，也促使產品朝向更低成本、更耐用和更安全的方向發展。具體的行動如下：

1. 開發全固態光達：當一個具有旋轉掃描機構和驅動馬達的模組需要耐受天候，且安裝在頻繁震動和慣性變化的車輛上時，模組的耐用度將受到極大的考驗。因此，讓整個模組變成全固態，不需要旋轉掃描機構和驅動馬達，可以有效提升光達的耐用度。
2. 採用單光子雪崩二極體(SPAD)作為感測器：當單光子雪崩二極體感測器的偏壓電壓超過崩潰區域時，光子產生的電子會被高電場加速碰撞，進而產生大量電子。級聯雪崩效應產生的電子增益非常大，因此只要有單一光子，就可以誘發出超過臨界值(threshold)的電子訊號。SPAD 創造了新型光達具有極高光感知靈敏度的優勢，也讓光達模組可以採用較低功率、較低成本的雷射光源。
3. 採用較長波長的雷射光源：基於成本與功率的考量，目前光達使用的雷射光源多為 905 nm 雷射。然而，905 nm 波段並不在眼睛安全範圍內。一般所謂的眼睛安全範圍是指大於 1400 nm 的波段，因為波長小於 1400 nm 的可見光與紅外線會聚焦在視網膜上，容易造成視網膜永久性傷害。採用 1400 nm 以上的雷射作為光源，對於人員健康安全更有保障。
4. 透過半導體製程將光達發射/接收器與掃描器整合在晶片上：將雷射和感測器整合在晶片上，可以大幅縮減體積並減輕重量，符合全固態光達模組的要求。此外，晶圓式的設計讓掃描速度比機械掃描快上千倍，並可大幅降低成本，有效提升產品的性價比。

間接式與直接式飛時測距技術有何不同？

ToF 是 Time of Flight (飛時測距)的縮寫。當我們知道光的飛行時間，就可以將光速乘以飛行時間來計算距離。例如：光在一年內走過的距離稱為光年。
ToF 技術可以細分為兩種類型：
(1) iToF (間接式飛時測距)技術
(2) dToF (直接式飛時測距)技術
要實現這兩種技術，都需要發射器和接收器，主要差異在於計算距離的公式。
iToF 技術的發射器使用具有特定週期和振幅的調變光。當這個特定調變的入射光從物體表面反射時，接收器會接收到相同週期的反射光，但入射光與反射光之間存在相位延遲。當我們測量這個相位差延遲了幾個週期時，就可以用以下公式計算距離：

dToF 技術的距離計算公式則更為直接：

dToF 的光源一般使用脈衝光。脈衝光是指在極短時間內發射的光束。dToF 的感測器會在脈衝光發射時記錄當前時間，並接收反射光。計算時間差(Δt)，然後直接將時間差乘以光速再除以 2，即可計算出物體與車輛之間的距離。
那麼，iToF 和 dToF 有什麼優缺點呢？我們可以從下表的詳細比較中看出。這裡有一個小結論：短期而言，iToF 技術應該可以憑藉 CMOS 的成本優勢佔有一定的市場份額。然而，隨著 SPAD 製程技術的不斷演進，預期 dToF 技術的成本將大幅改善。屆時，dToF 技術在偵測距離上的優勢將會佔據更多的市場份額和產品應用。

表二 iToF 和 dToF 的優缺點比較

什麼是 SPAD？

單光子雪崩二極體(SPAD)是一種半導體光檢測器。當我們在 SPAD 兩端施加較高的反向偏壓電壓(矽材料通常為 100-200 V)時，在光子進入矽材料後，我們可以獲得約 100 倍的游離碰撞效果(雪崩崩潰)。這種內部電流增益進而誘發了級聯式倍增效應。此時，電流將會非常大且容易被電路偵測到。在製程方面，透過摻雜技術的差異，SPAD 可以允許施加更高的電壓而不被擊穿，進而獲得更大的增益。一般來說，反向電壓越高，增益就越大。

圖二 單光子雪崩二極體的倍增效應示意圖
SPAD 主要應用於光達和長距離光纖通訊，此外也開始被應用在正子斷層掃描和粒子物理等領域。SPAD 陣列也已經商業化，知名製造商包括：SONY、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 等。
關於更多SPAD 特性測試，包括偏壓區域和電流-電壓特性、暗計數率(DCR)、時間抖動(Jitter)等，將在本系列的第二篇文章中詳細介紹。敬請期待！