文字

如何確定 ADAS 主動安全系統真安全？用模擬驗證技術先測試！

車輛中心ARTC ・2019/03/13 ・1986字・閱讀時間約 4 分鐘

越來越多人的駕照是雞腿換的？（誤）這樣我們要如何確定行車的安全呢？圖／pixabay

模擬驗證技術主要是為了預測、分析系統開發的特性及響應關係，透過模擬提供多種複雜條件下系統作動之響應行為，預先分析其環境條件、控制模組與系統物理特性關係是否符合預期。中心先進駕駛輔助系統開發之模擬驗證技術，依據環境感測模擬軟體建置 ISO 國際標準以及廠規測試驗證情境 (PreScan)，提供 ADAS 主動安全系統演算法開發模擬驗證 (MATLAB/Simulink)，並結合 CarSim 環境建置車輛動態，模擬車輛於實際道路路況之表現，確保 ADAS 控制系統演算法開發符合實際需求與安全規範。

ADAS 這樣守護你：車道維持、巡航控制、自動煞車

ARTC 開發一套自動輔助駕駛系統，主要由三項 ADAS 主動安全系統整合而成，包括車道維持輔助系統 (Lane Keeping Assistant Systems，LKAS)、自適應巡航控制系統 (Adaptive Cruise Control Systems，ACCS)、自動緊急煞車系統 (Autonomous Emergency Braking Systems，AEBS)，下列將介紹各次系統控制原理及流程。

車道維持輔助系統 (LKAS)

為了預防駕駛因疲勞而偏離車道，LKAS 系統利用車輛前方攝影機、車身訊號、方向盤轉角訊號，計算本車與車道中心線之偏移量，當駕駛有不當偏離車道時，系統將介入修正方向盤，使得車輛可維持於車道上而不偏離。

自適應巡航控制系統 (ACCS)

ACCS 是一種行車跟隨系統，藉由雷達偵測前車資訊，進而控制本車之行進車速，以確保行車的安全距離，而駕駛可透過安全距離之調整改變跟隨距離之遠近。

自動緊急煞車系統 (AEBS)

AEBS 透過影像與雷達感知融合技術，增強前方障礙物偵測之穩定度與精準度，並搭配車身訊號計算本車與障礙物之間的相對關係，最後透過系統的防撞決策來降低與前方撞擊之危險。

上路前，先進場模擬：ADAS 的模擬驗證技術

系統模擬驗證主要區分成三部分「測試情境」、「ADAS 主動安全系統演算法」、「目標車輛之物理模型」並透過相對應之軟體進行模擬，系統開發流程如下圖所示。

測試情境：透過 PreScan 對外部環境及感測器的高度仿真，作為測試演算法前端之輸入資訊。
ADAS 主動安全系統演算法：利用 MATLAB／Simulink 強健的開發工具，可制訂模塊對於各種時變系統，如控制、通訊、信號處理、影像處理和圖像處理系統等進行模擬、測試，也可以進行基於模型的設計。
目標車輛之物理模型：利用 CarSim 對於實車車身姿態、行為、響應具有高精度之相似度，提供開發人員修改車輛參數、模型以達到符合模擬之層面。

Model in the Loop (MiL)

MiL 定義為「測試案例 @PreScan」、「演算法 @MATLAB/Simulink」、「物理模型 @CarSim」皆在純模擬環境下執行驗證，其優點為可快速測試演算法邏輯，並簡化過於複雜之測試流程，如下圖。

Hardware in the Loop (HiL)

藉由 HiL 來執行測試，主要是在演算法開發階段尚未完成前，先建置控制器的驗證迴路，並在模擬驗證環境中導入失效驗證情境，能實際測試車用控制器在不同的失效階段下，以了解控制器存在危險性及風險的情況，控制器是否實施緊急保護措施。HiL 模擬可幫助開發工程師在虛擬環境中有效地測試嵌入式控制器。

Vehicle in the Loop (ViL)

定義為將實車運動資訊回傳至虛擬環境中之驗證車輛，確保虛擬驗證車輛可與實際車輛之運動姿態相同，並透過虛擬感測模組偵測虛擬場景中之驗證車輛與對手車輛或相關物件之互動關係，再將此互動資訊傳輸至系統控制器 (ECU)，控制器依感測資訊下達控制命令控制實際車輛之轉向、煞車或油門等底盤模組。

考駕照就考駕照，為何需要模擬驗證系統？

模擬驗證主要是幫助減少演算法開發時程以及改變 try and error 開發流程，以及利用工具可以提早進行複雜場景測試及場景重現，利用 PreScan 建置各種測試環境，且提高測試情境之複雜度，將測試情境導入 MiL 測試可提高演算法功能上的確定性；HiL 測試可驗證單純在模擬環境下結合 ECU 後兩者輸出結果是否一致；ViL 測試則為了提高實車測試驗證安全性，因此利用 PreScan 模擬環境條件提供真實車輛進行 ADAS 系統演算法開發驗證，最後再進行實車道路情境測試確保系統功能之完整性、可控性以及系統穩定性、強健性。

本文出自財團法人車輛研究測試中心；原文於此，如需轉載，歡迎與車輛中心聯繫。

相關標籤：

熱門標籤：

文章難易度

剛好

太難

所有討論 0

登入與大家一起討論

車輛中心ARTC

9 篇文章・ 1 位粉絲

財團法人車輛研究測試中心 (ARTC)，江湖俗稱車測中心，但更希望大家能稱呼我們為「車輛中心」，因為我們不只做測試，我們也做創新研發；我們是由一群對車輛有著專業知識與熱情的工程師所組成，期望透過泛科學這個平台與大家分享各種車輛知識，讓大家更懂車。

RELATED 相關文章

災難片成真！？小行星「貝努」行蹤飄忽，撞地球的機率有多大？

地震規模越大，晃得越厲害？

有批蛋白質好便宜的？想說這句話你需要一座「蟲蟲生物工廠」——《科學月刊》

恐龍稱霸地球的秘訣，竟是牙齒自帶避震器？——《追光之旅：你所不知道的同步輻射》

文字

太空天文專欄科學傳播

災難片成真！？小行星「貝努」行蹤飄忽，撞地球的機率有多大？

EASY天文地科小站・2021/09/19 ・2765字・閱讀時間約 5 分鐘

文／陳子翔（現就讀師大地球科學系， EASY 天文地科團隊創辦者）

知名物理學家史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）認為，小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去，六千五百萬年前的白堊紀末期，造成恐龍消失的生物大滅絕，也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼，我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎，人類又能為這件事做什麼準備呢？

我們該擔心哪些小行星，小行星撞擊能被預測嗎？

太陽系中的小行星不可勝數，但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼，哪些小行星是應該注意的呢？

我們可以簡單從兩個條件，篩選出對地球有潛在威脅的小行星：第一是小行星的軌道，第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會，那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星，撞擊地球產生的災害就會越大，例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損，而直徑 50 公尺的小行星撞擊，其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg — 2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件，隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖／Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台，不斷在夜空中尋找近地小天體，並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道，就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大，而這篇文章的主角「貝努」，就是一顆被認為有較大機會撞擊地球，因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎？

貝努在 1999 年被發現，是一顆直徑約 500 公尺的小行星，它以橢圓軌道繞行太陽，公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近，它每隔幾年就會接近地球一次，而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年，不過別擔心，該年貝努與地球最接近時，距離預計也還有七十萬公里，大約是地球至月球距離的兩倍，撞擊風險微乎其微。

然而天文學家真正關注，撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算，貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近，會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得，既然我們都活不到那個時候，何必去操心那些根本遇不到的事情呢？

那麼，讓我們想像一個情境：

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星，並算出它將在一年後撞上地球，那身為這個星球上「最有智慧的物種」，我們能怎麼應對呢？

很遺憾的：我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術，能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空，調查小行星，好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了！

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學，為什麼算不準？

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢？其實天文學家也說不太準，只能給出大概的機率而已，而且時間越久，預測的不確定性就越大。

你也許會想，天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學，三百年前的人就已經掌握得很好了，在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢？確實，如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置，那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案，但如果是計算小行星 100 年後的位置，事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小，就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向，而混沌理論（Chaos theory）告訴我們，任何微小的初始條件差異，都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測，就不能只考慮太陽的引力，而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算，才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時，即使只有幾百公尺的位置偏差，受到的引力也會有相當的不同，使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是，有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的，其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」（Yarkovsky Effect）。這個效應是這樣的：當陽光照在自轉中的小行星上，陽光會加熱小行星的受光面，而被加熱的這一面轉向背光面時，釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小，但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化，也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片／NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗，也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努，NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查，以及評估各種影響貝努運行軌道的因子，改善貝努軌道的預測模型，評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面，OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」，讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面，要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響，也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素，因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料，也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖／University of Arizona／NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束，但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上，已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料，天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限，從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前，貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750)，最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年。

「知己知彼，百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居，唯有盡可能認識它的一切，才越能夠掌握其未來的動向，進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外，目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上，期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球，帶給我們更多有關小行星的重要資訊！