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作者:徐業良(2008-11-12);推薦:徐業良(2008-11-12)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2009年二月號,史丹福專欄。

從「機器人輪椅」到「自主汽車」—談「人車合作」操控概念

2008發生了許多奇妙的事,其中之一是汽油價格在七月初漲到95無鉛每公升36.1元的歷史高峰(還是政府「多元吸收」政策的結果),十一月初又跌回23.7元,大約是2005年初的油價水準。

這三、四個月史丹福專欄很豬頭地寫了一大堆開車如何省油、節能減碳、電動汽車之類的文章,突然好像立刻褪流行,所有這類文章全都該擺回抽屜裡暫時收藏起來,哪天油價又狂飆再找出來用。月初又很頭疼地幫史丹福專欄找題目,自己訂了個原則,寫什麼都可以,但是絕對不談汽車能源方面的題目。

那要談什麼呢?網路上到處亂翻世界各地的汽車科技新聞,11月份有這麼兩則汽車科技新聞引起我的注意:

“Infiniti Distance Control Assist”,日產的Infinity2009年車款上將要加裝「距離控制輔助系統(Distance Control Assist, DCA)」,像是在汽車周遭設了一層「防護罩」,如果偵測到和前車太靠近,系統會自己跳出來取代駕駛人,操控油門和煞車。

另一則引起我注意的汽車科技新聞是“Autonomous Vehicles Close to Reality”,美國卡內基美侖大學(Carnegie Mellon University)著名的機器人學院(Robotic Institute)的專家說,完全自動駕駛的「自主汽車(Autonomous Vehicle)」,最快2013年便會在道路上出現。

我會注意到這兩則汽車科技新聞,倒不是這兩個汽車科技有什麼驚世駭俗的重大突破,而是我最近在研究一個應用原則頗為類似但規模小得多的技術,「機器人輪椅(Robotic Wheelchair)」。

機器人輪椅話說從頭,可能得要先扯遠一些。

高齡化社會現象,大家都有感受。許多先進國家人口老化過程所引發的各種問題已經顯現,包括生產力降低、醫療和照顧費用提高等經濟面問題,以及老人安養、國民年金等社會福利問題,高齡族群的快速成長所伴隨的生活支援與健康照護的需求,在少子化的趨勢下更已經無法單純由增加照護者人數來達成。從科技面來看,如何應用各種科技輔助,開發適合高齡者使用的科技產品、服務以及生活環境,使得生理機能漸趨衰退的高齡者仍然能夠健康、舒適、安全地享受生活,是非常值得重視的課題。在這樣的想法之下,我在服務的元智大學自200010月起開始負責籌備「老人福祉科技研究中心(Gerontechnology Research Center, GRC)」,20031月正式成立,是國內最早投入此研究領域的學術單位之一。

思考高齡者對科技輔助的需求,「行動能力(mobility)」是高齡者要能享有高品質的晚年生活,最基本的需求之一。下肢行動障礙是高齡者常見的障礙類型之一,輪椅則是最常見、最重要的行動輔具。然而在我們的觀察裡,使用輪椅的高齡者往往上肢也過度虛弱而無法自行推動輪椅,還是需要照護者協助推動輪椅,也就是說,高齡者使用一般輪椅可能對照護者提供了便利,但是並無法真正幫助提升高齡者的獨立行動能力。

使用者上肢力量無法自行推動輪椅時,使用電動輪椅是一個可能的選擇,然而操控電動輪椅時操作者必須能夠準確感測周遭環境、預測可能的障礙或危險,然後操作一支搖桿或其他輸入裝置來控制電動輪椅。對於大部分使用者來說,電動輪椅的操控方式困難度仍然相當高。

為了改進這些輪椅操作上的困難,近年來輪椅的研究方向上開始將完全被動、由使用者操控的輪椅,轉變為賦予輪椅部份「自主行為(autonomous behaviors)」能力,將原先使用在機器人身上的各項感測、導航技術,應用在輪椅操作上,使輪椅本身擁有類似機器人之感測、判斷能力,能夠迴避障礙物、到達預定地點、穿過擁擠環境等,開創了「機器人輪椅」的研究領域。

太嚴肅了,史丹福專欄寫得像國科會研究計畫一樣。

這個研究領域大約從1995年開始發展,機器人輪椅使用的空間主要在室內,範圍較小且不確定性較低,很快就有很棒的研究成果展示:機器人輪椅可以載著人,自動規劃路徑穿過擁擠的車站大廳;或者使用者輸入「廁所」,機器人輪椅便可載著使用者自動直奔廁所等等。

不過機器人輪椅的研究者很快便發現,這樣的技術「發明(invention)」很難成為真正可以應用的「創新(innovation)」。

您仔細想想這個場景,「機器人輪椅載著使用者自動直奔廁所」,很棒的科技,但實務應用面可能是不方便、甚至危險的。這個「使用者」可能是高齡者或肢體障礙者,萬一半路上使用者改變主意不想去廁所了怎麼辦?萬一在途中碰上了機器人輪椅沒有察覺到的障礙物怎麼辦?萬一在轉角使用者的小孫子衝出來,機器人輪椅來不及煞車怎麼辦?

對於這些實務應用面的問題,機器人輪椅的研究者很快就提出「人機合作控制(man-machine collaborative control)」的架構,定義機器人輪椅並非「主控者」而是扮演「合作者(collaborator)」、輔助使用者的角色,輪椅使用者才是真正的老闆,而機器人輪椅能配合輪椅使用者的意願做出自主動作,使用者不需時時操作輪椅、事事都要自行操作,讓輪椅的操作更方便、更安全。

在大家還沒失去耐性之前,趕緊把話題轉回汽車上來。

想像您在街上開車,在紅燈前停下來。右邊車道的車也跟著停下,您習慣性地望了一眼,咦,這部車駕駛座上居然沒有人!紅燈轉換成綠燈,這部車做了一個優美的右轉揚長而去。這是一部無人駕駛的「自主汽車」!

這樣的自主汽車把原先用在機器人上的感測、導航、控制技術使用在汽車上,希望達到無人駕駛汽車(driverless car)的終極目標。聽起來很遙遠的樣子,但從技術面來說,這個景象其實比您想像的接近。

近幾年來自主汽車技術最重要的推手,應該算是美國國防部負責軍事科技發展的「國防先進研究計畫局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)」。20043DARPA發出了一份英雄帖,廣邀各界英雄豪傑參加在美國南加州沙漠舉辦的“DARPA Grand Challenge”越野大賽車,首獎獎金是一百萬美元。

一百萬美元賞金果然吸引了眾多參賽者,包括汽車公司,業餘玩家,大學教授和學生,甚至還有high school kids高中小毛頭組隊,一共106隊報名。報名歸報名,真的帶著車子來到加州的只有25隊,經過第一階段測試,只剩15部車真正踏上起跑點。比賽結果,15部車當中只有3部行駛超過5英里,大部分車子都跑不到幾百英尺。第一名(跑得最遠)的卡內基美倫大學向來以機器人研究見長,開賽前便廣受各方看好有機會贏這一百萬美金,最後也只跑了7.4英里,車子便起火而被強制停車了。

DARPA仍然認為這次沒有人贏的比賽是一項「精神勝利」,決定再辦一次,而且把首獎獎金提高到兩百萬美元。200510月舉辦的第二屆比賽成績大幅躍進,這回有五部自主汽車完成了132英哩的賽程,第一名的是我的母校史丹福大學的車隊,成績是6小時5358秒,卡內基美侖大學以10分鐘左右的差距名列第二。200711月第三次的比賽改為“Urban Challenge”市區競賽,在南加州的一個空軍基地進行,每一部自主車輛必須遵守交通規則,並且避免和其他自主車輛互撞。這一次共有六個車隊跑完全成,卡內基美侖大學和通用汽車公司合作三度參賽,以4小時1020秒跑完60英哩的市區賽道,終於打敗了史丹福大學和MIT等對手,贏得了2007年自主車輛大賽冠軍,和兩百萬美元的首獎獎金。

自主汽車必須能靠自己的感測器辨別路況、天候,靠GPS作衛星定位,再由車上的電腦作運算、控制車子沿著既定路線行進、閃避障礙物等等。光從這項比賽的結果來看,自主汽車技術確實是可行的。卡內基美侖大學的團隊認為,5~7年之內,便可以有無人駕駛的自主汽車在高速公路行駛,10~20年便可以在路況更複雜的市區街道行駛。

很棒的技術「發明(invention)」。但是能夠成為真正可以應用的「創新(innovation)」嗎?再往前面一點的問題是,我們真的需要無人駕駛汽車嗎?

DARPA2004年舉辦這項比賽的動機是,2003年的美伊戰爭,美軍被打得灰頭土臉,死傷慘重。美國國會於是「下令」,2015年前美軍三分之一以上的車輛必須是這種無人駕駛的自主車輛,以減少美軍的傷亡。

OK,很重要的理由。但是就民間用途來說,我們真的需要無人駕駛汽車嗎?

想像一下,如果有無人汽車的話,開車就像搭捷運一樣,您每天花在駕駛座上塞車的時間,都可以看書、看報、打電腦、談公事,變成有用的生產時間;如果有無人汽車的話,計程車司機全部都要失業(您也可以說是大量減少司機的人力成本),因為不再需要真人開車了;如果有無人汽車的話,我也不用每天大費周章親自接送老婆小孩,只要時間一到把車子「派」去國小門口就成了…

您當然可以繼續想像出無人汽車技術可能帶來的更多方便,然而更多人關心無人汽車技術可靠度的問題。我有一個壞習慣,和老婆女兒一起開車出遊,我開車時老婆女兒常睡得東倒西歪(對老爸開車安全信賴的表現),老婆開車時我卻總在一旁正襟危坐,完全不信任老婆的駕駛技術。如果是汽車自主駕駛,那我坐在車內可能就更難過了。汽車廠必須得先能證實,自主汽車開車的技術和安全性比真人駕駛還要好才行。

另外一個常被討論到的問題是,如果自主汽車在馬路上真的出了事故,法律上的責任到底該誰來負?不可能是「真正在開車」的自主汽車,那麼該是車內乘客、汽車車主、還是設計製造這部自主汽車的車廠來負責呢?

這裡就要回到前面對機器人輪椅的討論,自主汽車技術最好的角色應該像機器人輪椅一樣,並非「主控者」而是扮演「合作者」、輔助使用者的角色,所謂「人車合作」的操控概念,自主汽車能配合駕駛人的意願做出自主動作,幫著駕駛人偵測周遭環境中可能的問題和潛在的危險,減低駕駛人操作的負擔,讓汽車駕駛更方便、更安全。

自主駕駛技術是一個新潮流的開始,許多汽車界工程師和主管都認為,下一個十年將以此為汽車科技發展的主流,完全無人駕駛的汽車也許不是最好的方式,但汽車的確越來越能和環境互動,並且產生自主性動作。自主汽車中兩項最主要的技術是自動導航及感測技術,特別是能夠感測環境狀況,自動提供駕駛人必要而即時的協助。現代汽車其實已經使用了許多這方面的技術,隨時監視您開車狀況,而且隨時準備介入,自行決定何時踩煞車、轉彎、變換車道,或是根據周遭環境做出其他動作。

回到這篇文章開頭提到,日產Infiniti將要採用的這套“Distance Control Assist (DCA)”系統。根據日產對駕駛人行為的研究,許多駕駛人常會因為經驗不足、沒有注意、或者就只是沒耐性,以致於開車時沒有保持安全距離,這也是許多車禍的主要原因。

日產的Infinity2009年車款上將要加裝的這套「距離控制輔助」DCA系統,主要目的就是要讓車子和前車保持安全距離。系統偵測與前車的距離和兩車接近的速度,如果判斷有潛在的威脅,系統會從油門踏板產生一個抵抗力,提醒駕駛人要放鬆油門。駕駛人必要時仍然可以推翻系統的決定踩油門加速前進,但如果駕駛人放鬆油門表示同意系統的提醒,然而DCA系統偵測到車子仍然處於危險狀況的話,系統也會自動踩下煞車。這時如果駕駛人也踩下煞車踏板,系統便會讓駕駛人接手對煞車踏板的控制,而駕駛人如果決定變換車道,前方不再有車子,危險狀況解除,DCA系統便會停止動作,讓駕駛人操控汽車。

最壞的狀況,在有危險狀況時如果駕駛人什麼也不做,DCA會持續增強油門踏板的反抗力道,並且發出警示閃光和警示聲音。

好一幅人車合作操控的和諧畫面,汽車透過各種人機介面感測駕駛人的意圖,幫忙提醒駕駛人或做出自主動作幫助駕駛人避開危險,也懂得謙遜地隨時把汽車主控權交回給駕駛人。我們不是在談研究計畫構想或未來汽車科技,這是2009Infiniti FX車款上將要裝置的系統。

除了避免危險之外,日產也應用同樣技術,透過油門踏板的壓力回饋「教導」駕駛人如何省油開車,據稱可以幫助駕駛人省油5%~10%

我的車子挺陽春的,想來想去,我的車子能夠偵測環境變化做出的「自主行為」,就只有下雨時會自動開啟雨刷,天色暗時會自動開車燈,噢,倒車時和周遭障礙物太靠近,車子也會嗶嗶叫。就這幾個簡單的動作,已經減少了我許多駕駛負擔,自主汽車技術幫助很大呢!