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首頁 技術頻道 感測/運算/安全三管齊下 實現無人駕駛願景非夢事

感測/運算/安全三管齊下 實現無人駕駛願景非夢事

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隨著「互聯網+人工智慧」逐步滲透進入人們的生活中,汽車已成為搭載多種智慧晶片的智慧移動終端,並逐步走向真正的「無人駕駛」。作為強大的智慧移動終端裝置,汽車透過V2X技術與其他車輛和基地台實現無線通訊,將車輛周圍的資料資訊進行分析與處理,而實現脫離駕駛員的操控,避免因人為因素出現的如疲勞駕駛、超速、闖紅燈等危險行為的發生。透過城市智慧交通網路的建立,可以實現整體調控汽車流量和流向,進而改善高峰期壅堵現象,從源頭上降低汽車交通安全事故,提升交通通行率。

「無人駕駛」依據其「自動化」程度可以分為四級。第一級為特定功能的自動駕駛,僅實現自我調整巡航控制、自動刹車和車道保持功能;第二級是合併功能的自動駕駛、實現部分自動停車入位、交通堵塞時提供輔助和帶轉向的緊急刹車等;第三級為有限的自動駕駛、能夠實現自動並線、基於車道中線定位的自我調整巡航控制、自主停車入位。前三級「無人駕駛」的實現就須要搭載先進駕駛輔助系統(ADAS)。

據前瞻產業研究院「2016~2021年中國無人駕駛汽車行業發展前景預測與投資戰略規劃分析報告」指出,目前ADAS逐漸成熟,2019年全球市場滲透率將超過25%。機構預計,到2020年中國ADAS市場規模在700~800億元,年均複合成長約60%。

ADAS並不是一項配置,而是幾項配置協調作用的系統。簡單來說,就是利用安裝在車上的各種互補感測器,如雷達、超音波、V2X技術等,在汽車行駛過程中即時感知周圍環境並收集資料,透過系統運算與分析,預先讓駕駛者察覺到可能發生的危險,從而有效增加汽車駕駛的舒適性和安全性。

實現無人駕駛多重感測器不可或缺

一輛汽車要想擺脫駕駛員實現「無人駕駛」就須要配備多個互補感測器,如雷達、攝影機、雷射定位器、超音波和V2X等。它們彷彿是汽車的「眼睛」,透過對汽車周圍事物和環境的感知和監測,收集相關資料再交由駕駛系統處理,讓汽車可以在各種條件下完成自我調整巡航控制、盲點監測、車道偏離警告、夜視、車道保持輔助和碰撞警告系統,並具有自動轉向和制動干預功能。

V2X為無人駕駛千里眼

V2X技術,即車對車及車對基礎設施技術,藉由在肉眼察覺和駕駛輔助系統探測之前發現交通堵塞或交通風險,並向數百公尺範圍內發出預警資訊的方式,使車輛有效接受如危險路況、突發壅堵、交通搶險或道路作業工地等交通資訊;除此之外,配備有V2X互聯設備的車輛還可以接收來自智慧道路訊號的資訊,並自動識別交通號誌的運行週期,大幅提升道路安全,提高通行效率。安全的V2X技術對於未來無人駕駛和智慧交通系統建設至關重要。根據美國交通部的一份調研報告,安全可靠的V2X技術將減少超過80%的交通事故。

雷達感測器為無人駕駛順風耳

伴隨自動駕駛不同層級的演進,每輛車上會安裝更多的雷達感測器,協助實現更高級的自動駕駛。據IHS Research預測,從2016~2019年,汽車雷達感測器的市場年均成長率將達到27%,預計2021年的市場需求總量將達5,000萬。

晶片商也趁勢推出眾多解決方案,像是恩智浦(NXP)發布如郵戳大小(7.5mm×7.5mm)的單晶片77GHz高解析度RF CMOS IC雷達晶片,能準確提供汽車行駛環境的相關資料,且其功耗比傳統雷達晶片產品低40%,為汽車感測器的設計安裝提供了更多便利。

聯網/感應具備 無人駕駛終極大腦不可少

複雜擁擠的路面和瞬息萬變的車況讓智慧聯網汽車只有一雙「千里眼」和一對「順風耳」還遠遠不夠。雖然一系列互補感測器可以繪製出汽車周圍環境的高精度地圖並準確檢測物體,為了做出精確且安全的駕駛操作,汽車還須要配備一個「終極大腦」,快速的處理並整合多條資訊流,並最終完成汽車駕駛操作。

像是恩智浦研發BlueBox平台,為無人駕駛提供人工智慧,還為車間通訊和多重感測器提供介面支援,充當車輛的「神經系統」。在無人駕駛車輛系統中,多個感測器資料流程都匯入BlueBox引擎,資料流程結合起來,將車輛周圍的實體環境創造一個360°的即時模型。

確保道路安全 自駕車須具備完善安全性

無人駕駛當中,最讓人關注的還是資訊的安全性。在一次知名的駭客行動中,由一名Wired雜誌記者駕駛一部吉普車(Jeep),而兩名駭客成功遠距離終止了吉普車的引擎傳動。在那當下,車輛駭客攻擊就此成為真正的威脅。

自此之後,汽車產業歷經諸多改變,車輛安全性自然成為汽車製造商的首要考量。目前的許多新款車輛搭載電子控制器、具有運算能力、能運行程式碼,還能透過無線網路連通外界,因此攻擊面無疑相當廣大。若媒體對外公布一起駭客攻擊事件,其影響將重重傷害汽車製造商的品牌商譽。

如同在吉普車駭客攻擊所看到的,一旦駭客取得收音機的控制權限,就能輕易透過車內網路攻擊導向和煞車系統。事實上,車輛中的安全閘道能作為防火牆,進而監控進出車輛訊息,也能將至關安全性的系統與其他應用程式隔離(例如資訊娛樂系統),但該吉普車的車內網路並未搭載安全閘道。

也因此,車內網路必須受到妥善保護,抵禦意圖操縱並竊取資料的入侵者攻擊。這表示必須重新規畫車載網路架構,以區分、隔離車載網路中不同的領域系統。此外,必須採用高強度的加密和驗證技術,確保車輛僅與已知且信任的實體進行安全通訊,並進而保護車載網路內部的代碼和資料。

車用處理器會產生、處理、交換並儲存龐大的敏感資料,無疑會成為駭客攻擊的目標,因此車用處理器必須具備高度安全性。也因此,汽車處理器供應商特別專注於處理器層級的安全性,推出車用專屬硬體安全模組(HSM),能夠針對車用應用程式提供內建於晶片的安全性功能,防止軟體遭惡意操縱,並且支援安全性軟體更新和資料保護等功能。

像是恩智浦早於2010年,就已推出符合並相容於安全硬體延伸(SHE)的車用MCU產品,且該公司旗下的新款車用處理器和控制器,皆包含專屬的硬體安全性模組,能獨立管理安全性功能,不會影響處理器或控制器本身的效能/功能。這些模組也提高修正作業時的靈活性,讓車輛製造商能修正安全性漏洞,還具備安全的線上更新功能,車輛上路後製造商仍能輕鬆更新軟體,毋須進行耗費高額成本的召回程序;此外還具備生命週期管理機制,能針對若干控制器和處理器功能進行鎖定控制。

另一方面,應用程式處理器也是安全防護的重點。應用程式處理器原本最早的形式是車載資通訊系統,而經過多年發展,今日的駕駛資訊系統包含抬頭顯示器、數位儀表板、導航、媒體播放器、語音和資料通訊,並執行多種複雜的軟體堆疊,無疑需要最高的安全性。因此,半導體業者採用分層次防禦機制,全面保護整個處理單元,從硬體、軟體到通訊連結皆囊括在內。

像是恩智浦的i.MX 8安全控制器(SECO)是系統的信任根(RoT),其功能不局限在金鑰管理,也可用於驗證、監控和鎖住系統的控制器韌體,同時也是電源啟動和執行時間等多種並行作業系統的RoT;其具備硬體式竄改偵測和防護功能,以及處理器內建硬體防火牆網域則能輔助SECO,維持服務的資料與記憶體完整性,進一步提高駕駛資訊系統的安全性基準。

總而言之,發展無人駕駛必須保障安全性,讓駕駛能信任自己的汽車,絕不能讓駭客取得車輛的控制能力,或窺探駕駛及金融資訊等資料的隱私。車輛製造商務必使用安全性解決方案,防止電子系統遭受潛在的網路攻擊。

(本文作者為恩智浦半導體汽車電子事業部技術長)

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