自動駕駛車:以藍牙和UWB保護弱勢道路使用者

作者 : David Bartlett、Stefania Sesia,u-blox

在自動駕駛車輛(AV)系統中採用藍牙(Bluetooth)和超寬頻(UWB)等短距離無線電技術,有助於保護交通安全弱勢的道路使用者(VRU)。

儘管有關完全自動駕駛車輛(autonomous vehicles;Avs)亮相街頭的報導經常出現在媒體版面,但要真正落實這一步仍然任重而道遠。其中,缺少足以保護弱勢道路使用者(vulnerable road users;VRUs)的技術發展格外重要。

當今大多數所謂的「自動駕駛」車輛充其量也只能提供美國汽車工程師學會(Society of Automotive Engineer;SAE)定義的「輔助駕駛」,還稱不上是真正的「自動駕駛」。也就是說,無論何時,車輛的操控者都是坐在駕駛座的駕駛人,就算啟動了駕駛輔助系統也不例外。

為了升級到自動駕駛領域—SAE J3016自動駕駛分級標準(SAE J3016 Levels of Driving Automation Scale)中的3-5級(Level 3-5),車輛必須在某些情況下實現完全自主操控。這意味著在當今駕駛輔助功能的基礎上,還必須向前邁出很大的一步。

Level 3及其更高等級的自動駕駛技術一直未能像駕駛輔助技術那樣快速地取得明顯進展。其中,原因之一在於不斷變化的監管環境,其次則是技術還有待發展成熟,以便能在更廣泛的場景中支援自動駕駛。

SAE's J3016 Levels of Driving Automation.

SAE J3016自動駕駛分級標準。(資料來源:SAE International)

監管基礎

《維也納道路交通公約》(Vienna Convention on Road Traffic)的修訂,為實現更高等級的自動駕駛奠定了基礎。如果管理自動駕駛車輛的監管架構進展順利,那麼預計在未來幾年將可看到許多此類架構湧現,特別是SAE分級標準中有關Level 3和Level 4的功能架構。

事實上,早在2022年初,美國高速公路安全保險協會(Insurance Institute for Highway Safety;IIHS)即宣佈針對部份自動化車輛的評級計畫。諸如此類的進展大幅提高了自動駕駛的確定性,從而加快因應技術挑戰的創新步伐。

提高自主能力範圍

目前,圍繞著更高度自動化等級所展開的大部份研發(R&D)任務關注的都是高速公路駕駛。相對而言,這是最簡單的公共道路環境之一,導航過程中不涉及繞路或彎道等複雜設計。在正常情況下,這類道路環境也沒有行人、機車或自行車騎士,也就是說不會出現任何類型的弱勢道路使用者。

城區環境的自主性

都市地區的情況則全然不同,部份原因在於道路設計更加複雜,另一部份原因則是此類環境中弱勢道路使用者的數量和類型更多且日益增加。

從車廠的角度來看,保護弱勢道路使用者極具挑戰性。大多數弱勢用路族群的行動都有著突發性以及不可預測的特性,因此,即使採用目前較高度自動化車輛中所搭載的技術,也很難做到完全偵測和準確辨識。例如,攝影機依賴於可及的視線(LoS)範圍,因而可能無法偵測到正從暫停中的貨車後方步入車道的行人。

對於自動化能力達到Level 3以及更高等級的車輛來說,為了達到在城市中安全自動駕駛的要求,針對弱勢道路使用者的偵測能力必須大幅進展。

然而,沒有單一技術本身足以達到要求,其關鍵在於使用多項互補技術的融合。例如,目前以光達(LiDAR)輔助車載攝影機的相關工作已經在展開中。然而,在保護弱勢用路族群方面,目前尚未取得重大進展的是短距離無線電技術的使用,尤其是藍牙(Bluetooth)和超寬頻(ultra-wideband;UWB)技術。

Vulnerable road user.

自動駕駛車輛系統中所使用的藍牙和UWB等短距離無線電技術有助於保護弱勢的道路使用族群。(圖片來源:u-blox

藍牙和UWB:技術發展成熟

根據u-blox最近進行的一項研究顯示,使用短距離無線電測距技術可望在都市中補強全球導航系統(Global Navigation Satellite System;GNSS)的高精度車輛定位能力,而延伸這項技術將可用於保護弱勢用路族群。如今幾乎每一款新車、智慧型手機和穿戴式裝置中都內建了藍牙功能;而由於藍牙模組成本低廉,因此可以輕鬆整合於其他尚不具備藍牙功能的產品中,例如自行車、電動自行車與電動滑板車等微型交通工具(micromobility vehicles)。

UWB也日益展現發展動能,目前已經開始出現在智慧型手機中,並有部份車廠採用UWB技術來實現免鑰匙進入(keyless entry)等應用。

短距離無線電技術工作原理

那麼,藍牙或UWB的弱勢道路使用者偵測系統如何運作?需要進行哪些進一步的研發,才能在未來的車輛自動駕駛功能中融合這些技術?

為了讓支援藍牙或UWB的偵測系統發揮作用,弱勢道路使用者必須隨身攜帶、在自身附近或在車輛上使用特定的標籤,例如內建於智慧型手機或手錶的標籤。這些標籤會定期發出訊號,讓附近的自動駕駛車輛計算從即將發出的訊號與弱勢道路使用者之間的距離與角度。這種解決方案的前景廣闊,但其適合的應用領域還有待拓展。

挑戰一:建立資料可信度

首先,藍牙或UWB測距系統發出的各項資料對於車輛決策應該有多大的影響?弱勢道路使用者可能在不斷移動中,因此決策系統必須理解弱勢道路使用者傳來的資料可信度,並據此判斷其不確定性。隨後還要考慮如何將這些資料與來自其他系統的資料相互整合,以及如果有衝突該怎麼辦。

業界需要建立一套穩健的流程和指標,以評估藍牙和UWB測距資訊的完整性。這涉及發展統計學的方法,更深入地評估無線電訊號在不同場景的情況。創建這些模型可望讓系統發現異常值,並為其採集到的每一次讀數附加確定性或可信度評分。這有助於車輛控制系統據此評估每個資料點可能帶來的影響。

挑戰二:防範惡意入侵者

遺憾的是,當惡意入侵者企圖癱瘓自動駕駛車輛的安全系統時,往往造成無法挽回的傷害和損失。因此,關鍵在於打造足夠強大的避免碰撞功能,從而保護車輛周圍和車輛內部人員的安全。

在這方面,UWB有著內在優勢,能夠進行安全的距離測量,而不易於受到中間人(man-in-the-middle;MITM)攻擊的影響。因此,UWB測距的可信度高於藍牙和其他傳統技術。

但無論採用哪種技術,防範惡意入侵者至關重要。因此,必要時還得配合採用驗證、合理性檢查以及不當行為偵測等多種安全措施。另一項舉措則是將惡意攻擊的特徵整合到前述訊號模型中,從而加強車輛控制系統偵測攻擊並確定因應方法的能力。

如同上述的建議,為了抵禦企圖破壞車輛避免碰撞系統的攻擊,另一項關鍵要素是同時採用多種技術。同時對多個車內系統發起攻擊的複雜度,遠遠超過針對一套系統的攻擊,因此這種冗餘配置有助於大幅提高安全保障等級。

挑戰三:隱私保護

任何追蹤個人動作的行為都會引發隱私方面的顧慮——正如疫情初期政府試圖以人們的智慧型手機追蹤COVID-19接觸者。

現有的解決方案能夠實現資料的分散化和匿名性,但在保護個人資訊方面還有待加強,同時還要確保個人對其共用內容、共用物件以及資料用途保有控制權。

挑戰四:未攜帶標籤的弱勢用路人

大多數青少年和成年人都隨身攜帶智慧型手機或智慧手錶,因此可透過藍牙或UWB掌握其行蹤,但仍然有一部份幼童或老年人等弱勢用路族群並不一定會隨時攜帶此類裝置。

這進一步反映出利用多種技術融合以避免碰撞與防範交通事故的重要性。單純用於自動駕駛車輛進行辨識的個人保護標籤也可能成為一種新興趨勢,包括低功耗藍牙和UWB穿戴式裝置,都可用於在行人出現時通知附近的自動駕駛。

挑戰五:易用性與整合度

最後,藍牙和UWB技術還需要進一步拓展其適合的應用領域。其關鍵要求包括降低成本、簡化部署、提高可用性,以及使其更適於整合至生態系統中。

創新時機成熟

正如文中所述,為了保護弱勢道路使用者,未來的自動駕駛車輛需要更先進的系統,而這就需要設計者能以全新方式融合先進科技,以提供卓越的安全等級。藍牙和UWB在定位測距方面展現巨大的前景,並且已經用於汽車的其他用途。

因此,在打造更安全的未來車輛以及因而解鎖更高等級的自動駕駛時,藍牙和UWB技術及其商機指日可待。

編譯:Susan Hong

(參考原文:AVs: BT and UWB can protect vulnerable road users,by David Bartlett & Stefania Sesia)

本文同步刊登於EDN Taiwan 202212月號雜誌

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