【導(dǎo)讀】作為本系列文章的第二部分，本文繼續(xù)介紹各種先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)及其發(fā)展歷史。第一部分的文章介紹了巡航控制、ABS、牽引力控制和穩(wěn)定性控制。本文將繼續(xù)介紹防撞系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)、倒車攝像頭、盲點(diǎn)警告、先進(jìn)的前照燈和胎壓監(jiān)測(cè)。
防撞和自動(dòng)緊急制動(dòng)
自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)是指汽車檢測(cè)危險(xiǎn)或檢測(cè)駕駛員在危險(xiǎn)情況下缺乏響應(yīng)的能力，在這種情況下，汽車將自動(dòng)實(shí)施制動(dòng)，即使不能避免碰撞風(fēng)險(xiǎn)，也能將碰撞風(fēng)險(xiǎn)程度降到最低。這可能發(fā)生在停車、變道或前向碰撞檢測(cè)(包括行人等)期間。有時(shí)AEB也稱為前向碰撞感應(yīng)。
與前幾項(xiàng)創(chuàng)新一樣，AEB系統(tǒng)也有著豐富的發(fā)展歷史。其起源可追溯到RCA公司一位名叫Nathaniel Korman的工程師，他在二戰(zhàn)期間參與研發(fā)了基于雷達(dá)的系統(tǒng)。戰(zhàn)后，RCA試圖尋找非軍事應(yīng)用。Korman致力于雷達(dá)系統(tǒng)的速度控制研究，專注于改善交通流量。最初主要的關(guān)注點(diǎn)是火車系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)減少路口的交通流量和容量。后來(lái)他指出，道路汽車也可以使用這種系統(tǒng)。
Korman表示：“該發(fā)明利用一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)，此系統(tǒng)搭載在要控制的汽車上。雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)與前車的距離產(chǎn)生一個(gè)電壓。將該電壓與依賴于汽車行駛速度的電壓進(jìn)行比較；根據(jù)比較結(jié)果對(duì)汽車進(jìn)行控制。”(Kingston，2018年)在一項(xiàng)于1948年提交并于1955年獲批的專利中對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了描述。
隨著時(shí)間的推移，業(yè)界意識(shí)到雷達(dá)在軍事和航空應(yīng)用之外的價(jià)值。George Rashid居住在密歇根湖附近，那里經(jīng)常有霧，于是他發(fā)明了第一個(gè)基于自動(dòng)汽車的雷達(dá)控制制動(dòng)系統(tǒng)。這種霧天及其相關(guān)事故和險(xiǎn)情激發(fā)了Rashid創(chuàng)建該系統(tǒng)的靈感，因?yàn)槔走_(dá)可以穿透大霧，并且很可靠。
Rashid還設(shè)想將其用于近期開(kāi)發(fā)的高速公路系統(tǒng)，駕駛員在高速公路長(zhǎng)途駕駛中很容易感覺(jué)疲勞，注意力難以集中。他還非常關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)在幫助因年齡增長(zhǎng)而反應(yīng)變慢的老年司機(jī)方面的潛力。
如果Rashid的系統(tǒng)檢測(cè)到碰撞威脅，它會(huì)切斷汽車的油門(mén)并實(shí)施制動(dòng)。盡管該系統(tǒng)減少事故的能力在成功的測(cè)試中得到了證明，但它并未獲得商業(yè)化采用。與其他未配備該裝置的汽車發(fā)生連鎖反應(yīng)事故的責(zé)任和訴訟是一個(gè)令人擔(dān)憂的問(wèn)題。或許更令人擔(dān)憂的是，該系統(tǒng)使用的真空管相當(dāng)笨重，加上對(duì)長(zhǎng)期可靠性的質(zhì)疑，使得該系統(tǒng)難以商業(yè)化。
Rashid去世后，他的兒子尋找投資者并宣傳更具商業(yè)吸引力的基于晶體管的方案，使該系統(tǒng)重獲新生。晶體管和集成電路的商業(yè)化和小型化發(fā)生在20世紀(jì)70年代中期。雖然更小、更可靠的方案極具吸引力，但他的兒子最終過(guò)度沉迷于金錢(qián)和名利。他欺騙了投資者，削弱了投資界和商業(yè)界對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的熱情。
幸運(yùn)的是，許多汽車公司在開(kāi)發(fā)他們的系統(tǒng)時(shí)關(guān)注并參考了Rashid的專利。或許最著名且最早采用該技術(shù)的是通用汽車1959款概念車型，設(shè)計(jì)者為Harley Earl和Bill Mitchell。
圖1. 通用汽車1959款凱迪拉克Cyclone概念車型，設(shè)計(jì)者為Harley Earl和Bill Mitchell，圖片由Piston Heads提供
Cyclone概念車型配備了基于雷達(dá)的碰撞檢測(cè)系統(tǒng)。前機(jī)艙(反映了那個(gè)時(shí)代的火箭和航空技術(shù))別具一格地配備了雷達(dá)。該系統(tǒng)使用雷達(dá)計(jì)算與汽車前方物體的距離，并警告駕駛員有物體及其距離。根據(jù)警告采取行動(dòng)仍然是駕駛員的責(zé)任，但這款概念車型是邁向商業(yè)化的重要一步。
在整個(gè)20世紀(jì)60年代和70年代，多家公司繼續(xù)設(shè)計(jì)各種類型的防撞系統(tǒng)。工程師和監(jiān)管機(jī)構(gòu)非常擔(dān)心駕駛員因過(guò)度依賴這些系統(tǒng)，可能會(huì)導(dǎo)致更多事故，而不是減少事故。他們?cè)趶V泛的測(cè)試中觀察到了這種行為。美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局(NHTSA)建議，至少要到20世紀(jì)80年代，這些系統(tǒng)才會(huì)足夠安全以供采用(Kingston，2018年)。
直到20世紀(jì)90年代，該系統(tǒng)才被推向市場(chǎng)。1992年，三菱汽車在Debonair車型中發(fā)布了一款基于激光的系統(tǒng)，名為“距離警告”，該系統(tǒng)可在其他物體過(guò)于靠近汽車時(shí)提醒駕駛員。不久之后，又在Diamante車型中發(fā)布了一個(gè)名為“預(yù)覽距離控制”的閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉油門(mén)以幫助駕駛員避免檢測(cè)到的碰撞，從而增加反應(yīng)時(shí)間。
20世紀(jì)90年代，其他汽車公司也積極開(kāi)發(fā)自己的系統(tǒng)。人們很快意識(shí)到，這些前向感應(yīng)碰撞檢測(cè)系統(tǒng)可以而且應(yīng)該與自動(dòng)制動(dòng)和巡航控制功能相結(jié)合。
2003年，本田成為第一家銷售基于雷達(dá)的自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的公司，稱為“防撞減輕制動(dòng)系統(tǒng)”。豐田、梅賽德斯和沃爾沃也迅速進(jìn)行了類似的開(kāi)發(fā)。
圖2. 20世紀(jì)90年代梅賽德斯奔馳的“Distronic”系統(tǒng)，圖片由Piston Heads提供
2012年的一篇文章向大眾介紹了自適應(yīng)巡航控制(ACC)和自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)(Blackstone, 2012)。這篇文章很好地解釋了ACC和AEB的工作原理。但最精彩的部分是關(guān)于未來(lái)的描繪，駕駛員坐在車?yán)镩喿x《華爾街日?qǐng)?bào)》，而汽車載送您去上班。這仍然是一個(gè)目標(biāo)，雖然在過(guò)去九年中取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但距離我們徹底從駕駛過(guò)程中解脫出來(lái)，還有很長(zhǎng)的路要走。
隨著行業(yè)競(jìng)相實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛，當(dāng)今的汽車具有更加復(fù)雜的前向感應(yīng)需求。早期的系統(tǒng)只能“看到”幾十米遠(yuǎn)。盡管如此，由于高動(dòng)態(tài)范圍攝像頭、遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)或雷達(dá)之間的傳感器融合以及快速機(jī)器視覺(jué)處理，今天的系統(tǒng)可以看到最遠(yuǎn)300 m甚至更遠(yuǎn)的距離。
除了本節(jié)中介紹的制動(dòng)和巡航控制功能外，還有更多功能使用前向感應(yīng)系統(tǒng)。一些較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)僅在駕駛員偏離當(dāng)前車道時(shí)發(fā)出警告，這被稱為車道保持輔助或車道偏離警告系統(tǒng)。
通過(guò)采用電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(線控驅(qū)動(dòng))，可以借助前向感應(yīng)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)方向盤(pán)，使汽車保持在原有車道中。這稱為車道保持系統(tǒng)或車道居中。2+級(jí)系統(tǒng)(例如特斯拉“Autopilot”)可以自動(dòng)駕駛。然而，現(xiàn)在大多數(shù)人都知道，這個(gè)飽含爭(zhēng)議的功能名稱被認(rèn)為具有誤導(dǎo)性。這個(gè)Wikipedia頁(yè)面提供廣泛的背景知識(shí)和額外鏈接。
倒車攝像頭
第一個(gè)已知的倒車攝像頭用例是1956年的Buick Centurion概念車型。它配備了一個(gè)后置電視攝像頭，其圖像顯示在駕駛艙的電視屏幕上，以取代后視鏡。
圖3. 1956年的Buick Centurion概念車型，帶后置倒車攝像頭，圖片由John Lloyd提供
盡管這個(gè)想法不錯(cuò)，但經(jīng)濟(jì)因素可能會(huì)禁止全面部署。事實(shí)上，人們認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)從未完全發(fā)揮作用(作者不詳，Wikipedia，2021年)。
隨后已知的使用是由沃爾沃汽車在1972年的“沃爾沃安全實(shí)驗(yàn)概念車”中進(jìn)行的測(cè)試。
豐田汽車是首家將倒車攝像頭放入量產(chǎn)車的OEM，即1991年的Soarer Limited，僅在日本銷售。在1997年之前的生產(chǎn)中，該系統(tǒng)使用彩色屏幕和安裝在擾流板上的CCD攝像頭。
2000年，日產(chǎn)英菲尼迪配備了倒車攝像頭。在該系統(tǒng)(2001年在美國(guó)市場(chǎng)提供的可選項(xiàng))中，LCD屏上的彩色線條可估計(jì)到圖像中物體的距離。業(yè)界還開(kāi)發(fā)出其他后裝市場(chǎng)方案。
2015年，凱迪拉克配備了高分辨率寬視野倒車攝像頭，使駕駛員能夠看到汽車后方更遠(yuǎn)的地方，甚至可以看到旁邊的車道。到了2017年，斯巴魯和凱迪拉克都將倒車攝像頭與后部自動(dòng)緊急制動(dòng)結(jié)合到了一起。
一些汽車還結(jié)合超聲波或短距離雷達(dá)來(lái)提供接近警告，以增強(qiáng)圖像數(shù)據(jù)或警示有人突然接近汽車。
推動(dòng)其大規(guī)模采用和立法的主要力量來(lái)自美國(guó)Cameron Gulbransen的悲劇。令人悲痛的是，在2002年，兩歲的Cameron在他父親駕駛一輛大型 SUV 在車道上倒車時(shí)，被意外撞傷致死(作者不詳，Cameron Gulbransen，2021年)。Cameron成為這個(gè)問(wèn)題的象征。在接下來(lái)的十年里，展開(kāi)了一場(chǎng)社會(huì)運(yùn)動(dòng)，最終以通過(guò)一項(xiàng)法案而告終，該法案要求所有2018年5月1日之后生產(chǎn)的汽車都必須配有倒車攝像頭作為標(biāo)配功能。
盲點(diǎn)警告
沃爾沃被譽(yù)為盲點(diǎn)警告(BSW)系統(tǒng)的發(fā)明者，該公司于2003年推出了名為BLIS的盲點(diǎn)信息系統(tǒng)(作者不詳，Lovering Volvo Cars Nashua，2021年)?。BSW系統(tǒng)具有多種實(shí)現(xiàn)方式，可以使用雷達(dá)、超聲波、攝像頭或其組合。一些BSW系統(tǒng)可能與緊急制動(dòng)、車道保持系統(tǒng)等結(jié)合使用，具體取決于汽車和支持的整體先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)功能。許多系統(tǒng)就像側(cè)面后視鏡上的警示燈一樣簡(jiǎn)單。
另一個(gè)盲點(diǎn)是擋風(fēng)玻璃和車門(mén)之間的支柱。BSW不能完全解決該問(wèn)題，仍有可能造成事故。2019年，14歲的Alain Gassler提出了一個(gè)新穎的方案(如這篇文章所述)。雖然這個(gè)方案仍需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，但她的想法可以解決由障礙物支柱造成的剩余可見(jiàn)度問(wèn)題。
圖4. 來(lái)自賓夕法尼亞州West Grove的Alaina Gassler因盲點(diǎn)創(chuàng)新方案贏得25,000美元獎(jiǎng)金，圖片由CNN提供
她的方案是使用攝像頭和投影儀將缺失的信息疊加到柱子上。這段YouTube視頻顯示了該項(xiàng)目的詳細(xì)信息。
圖5. 盲點(diǎn)系統(tǒng)工作方式快照，截取自YouTube視頻
盡管她很有創(chuàng)意，但量產(chǎn)車型尚未實(shí)施這種支柱系統(tǒng)，也許在未來(lái)，這種情況會(huì)發(fā)生改變。與此同時(shí)，當(dāng)今道路上的大多數(shù)系統(tǒng)都使用雷達(dá)和/或攝像頭(如上所述，內(nèi)置于后視鏡中)。
先進(jìn)的前照燈系統(tǒng)
先進(jìn)的前照燈系統(tǒng)(AFLS，有時(shí)也稱為AFS)可以根據(jù)不同的速度、道路和天氣狀況控制和調(diào)整前照燈的強(qiáng)度和方向。Hella提供的這段YouTube視頻很好地展示了各種可能性的概況。
1911年左右問(wèn)世的早期電子前照燈沒(méi)有遠(yuǎn)光燈功能，而且還需要駕駛員上下車才能完成其開(kāi)關(guān)操作。1915年左右，凱迪拉克率先在儀表板上配備了一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)。早期的這些系統(tǒng)不可調(diào)，只能打開(kāi)/關(guān)閉，并且方向和俯仰是固定的(作者不詳，The Retrofit Source，2021年)。
在20世紀(jì)20年代中期，為了應(yīng)對(duì)在某些條件下需要特定光照的法規(guī)，業(yè)界發(fā)明了雙燈絲前照燈，支持遠(yuǎn)光燈和近光燈。汽車制造商提供了一個(gè)腳踏板控制，用于切換遠(yuǎn)光燈和近光燈，以控制這些新型車燈。在20世紀(jì)50年代至90年代期間，多家汽車制造商實(shí)施了一項(xiàng)自動(dòng)功能，利用傳感器檢測(cè)迎面駛來(lái)的車輛，進(jìn)而切換遠(yuǎn)光燈和近光燈。
最初構(gòu)想可追溯到20世紀(jì)30年代，Willys、Tucker及其他制造商實(shí)施了自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)由左右兩側(cè)的固定前照燈組成，中間有一個(gè)“獨(dú)眼巨人”前照燈，與方向盤(pán)機(jī)械連接。該額外的燈光將照向方向盤(pán)所指的方向(Laukkonen，2019年)。
直到20世紀(jì)90年代，前照燈的主要?jiǎng)?chuàng)新都集中在照明技術(shù)本身。先是鹵素?zé)舯徊捎茫髞?lái)轉(zhuǎn)向HID(高強(qiáng)度氣體放電)，最后在20世紀(jì)90年代轉(zhuǎn)向LED(發(fā)光二極管)。LED的效率更高，使用壽命更長(zhǎng)。隨著技術(shù)進(jìn)步，我們預(yù)計(jì)LED將成為汽車中的主導(dǎo)光源。
高檔汽車在2000年代開(kāi)始實(shí)施電子自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)。首批系統(tǒng)使用微型步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制光束，并使用LED控制器有選擇地關(guān)閉各個(gè)LED。這些系統(tǒng)現(xiàn)在正在向全面電子版本轉(zhuǎn)變。
另一個(gè)相關(guān)系統(tǒng)是現(xiàn)代雨量光線傳感器模塊。雨量光線傳感器檢測(cè)到潮濕的擋風(fēng)玻璃，將控制雨刷器(雨量傳感器)和前照燈(光線傳感器)，包括近光燈和遠(yuǎn)光燈。一些公司正在嘗試在攝像頭中實(shí)現(xiàn)此功能，但到目前為止，使用雨量光線傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能更為有效。
圖6. 雨量光線傳感器模塊示例，圖片由Hella提供
胎壓監(jiān)測(cè)
美國(guó)NHTSA早在20世紀(jì)70年代就考慮了胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱 TPMS)。雖然人們很早就知道，適當(dāng)充氣的輪胎有益安全，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有合適的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此外，在20世紀(jì)70年代，印第安納州立大學(xué)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，充氣不足的輪胎會(huì)使制動(dòng)和操控性能下降，占事故原因的1.5%。固特異在一項(xiàng)獨(dú)立研究中也發(fā)現(xiàn)了同樣的情況(G，2016年)。
圖7. TPMS模塊示例，圖片由CARiD的文章提供
在20世紀(jì)70年代末的燃油危機(jī)中，胎壓監(jiān)測(cè)問(wèn)題再次浮出水面，但這次是因?yàn)橛秃亩皇前踩珕?wèn)題。適當(dāng)充氣的輪胎平均可使當(dāng)時(shí)道路上汽車的行駛里程提升 3-4%。在80年代初期，TPMS技術(shù)有所改進(jìn)，但還是不夠準(zhǔn)確或可靠。成本也很高，每車高達(dá)200美元，在經(jīng)濟(jì)衰退期間阻礙了采用(根據(jù)這個(gè)計(jì)算器，1970年的 200美元相當(dāng)于今天的1423美元)。
第一輛配備TPMS的車型是1987款保時(shí)捷959。這款超級(jí)車型具有許多先進(jìn)功能，甚至是高端性能汽車所獨(dú)有。除了是首款提供TPMS的車型外，它還配備了防抱死制動(dòng)、液壓阻尼器(而非防傾桿)、自動(dòng)懸架調(diào)節(jié)、電子行駛高度和阻尼控制等先進(jìn)功能(Huffman，2012年)。
保時(shí)捷959同時(shí)也是第一款使用防爆輪胎(泄氣保用輪胎)的汽車，這種輪胎需要胎壓監(jiān)測(cè)。防爆輪胎即使在輪胎泄氣時(shí)仍然能正常行駛，駕駛員可能都不會(huì)注意到輪胎泄氣了。當(dāng)然，泄氣的防爆輪胎對(duì)能夠以極高速行駛的高性能汽車的駕駛員會(huì)構(gòu)成額外的危險(xiǎn)。
圖8. 保時(shí)捷959，圖片由CARiD提供
從1999年開(kāi)始，胎壓監(jiān)測(cè)成為雪佛蘭Corvettes的標(biāo)配功能，該車型也使用了防爆輪胎，因此需要TPMS。在其首次亮相后，更多標(biāo)準(zhǔn)款汽車開(kāi)始采用胎壓監(jiān)測(cè)。
然而，有望推動(dòng)其大規(guī)模采用的是美國(guó)政府2000年的 TREAD(輪胎召回增強(qiáng)、責(zé)任和文檔)法案。這項(xiàng)法律源于涉及福特探險(xiǎn)者(Explorer)和凡士通輪胎的重大爭(zhēng)議。很顯然，福特探險(xiǎn)者具有已知的穩(wěn)定性問(wèn)題，使用胎壓降低的凡士通輪胎進(jìn)行糾正，而不是重新設(shè)計(jì)汽車。不幸的是，該輪胎最終也存在設(shè)計(jì)問(wèn)題，因輪胎爆裂導(dǎo)致翻車事故，數(shù)千人受傷，數(shù)百人死亡。
TREAD法案要求每個(gè)車輪的TPMS通知駕駛員任何故障，在啟動(dòng)期間進(jìn)行系統(tǒng)自檢，并在用戶手冊(cè)中進(jìn)行記錄。自2007年9月1日起，所有10,000磅以下的汽車都需要配備此系統(tǒng)(作者不詳，Schrader TPMS Solutions，2021年)。
將近14年過(guò)去了，沒(méi)有配備TPMS的道路行駛汽車越來(lái)越少見(jiàn)了。大多數(shù)國(guó)家/地區(qū)現(xiàn)在都要求TPMS，它已成為全球范圍的標(biāo)準(zhǔn)安全功能。
總結(jié)
本文介紹了防撞和自動(dòng)緊急制動(dòng)、倒車攝像頭、盲點(diǎn)警告、先進(jìn)的前照燈和胎壓監(jiān)測(cè)的發(fā)展歷史。
在下一篇也是最后一篇文章中，我們將繼續(xù)介紹駕駛員和乘員監(jiān)控、環(huán)視及V2x。我們將討論軟件定義汽車和汽車的完全數(shù)字化。最后，我們將介紹增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和元宇宙，以及這些趨勢(shì)會(huì)對(duì)未來(lái)汽車產(chǎn)生怎樣的影響。
作者：安森美(onsemi)高級(jí)首席方案市場(chǎng)營(yíng)銷工程師Dan Clement
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