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汽车ADAS进化的百年历史(二)

作为本系列文章的第二部分,本文继续介绍各种先进驾驶辅助系统(ADAS)及其发展历史。第一部分的文章介绍了巡航控制、ABS、牵引力控制和稳定性控制。本文将继续介绍防撞系统、自动紧急制动(AEB)、倒车摄像头、盲点警告、先进的前照灯和胎压监测。

防撞和自动紧急制动


自动紧急制动(AEB)是指汽车检测危险或检测驾驶员在危险情况下缺乏响应的能力,在这种情况下,汽车将自动实施制动,即使不能避免碰撞风险,也能将碰撞风险程度降到最低。这可能发生在停车、变道或前向碰撞检测(包括行人等)期间。有时AEB也称为前向碰撞感应。


与前几项创新一样,AEB系统也有着丰富的发展历史。其起源可追溯到RCA公司一位名叫Nathaniel Korman的工程师,他在二战期间参与研发了基于雷达的系统。战后,RCA试图寻找非军事应用。Korman致力于雷达系统的速度控制研究,专注于改善交通流量。最初主要的关注点是火车系统,强调减少路口的交通流量和容量。后来他指出,道路汽车也可以使用这种系统。


Korman表示:“该发明利用一个雷达系统,此系统搭载在要控制的汽车上。雷达系统会根据与前车的距离产生一个电压。将该电压与依赖于汽车行驶速度的电压进行比较;根据比较结果对汽车进行控制。”(Kingston,2018年)在一项于1948年提交并于1955年获批的专利中对此系统进行了描述。


随着时间的推移,业界意识到雷达在军事和航空应用之外的价值。George Rashid居住在密歇根湖附近,那里经常有雾,于是他发明了第一个基于自动汽车的雷达控制制动系统。这种雾天及其相关事故和险情激发了Rashid创建该系统的灵感,因为雷达可以穿透大雾,并且很可靠。


Rashid还设想将其用于近期开发的高速公路系统,驾驶员在高速公路长途驾驶中很容易感觉疲劳,注意力难以集中。他还非常关注这项技术在帮助因年龄增长而反应变慢的老年司机方面的潜力。


如果Rashid的系统检测到碰撞威胁,它会切断汽车的油门并实施制动。尽管该系统减少事故的能力在成功的测试中得到了证明,但它并未获得商业化采用。与其他未配备该装置的汽车发生连锁反应事故的责任和诉讼是一个令人担忧的问题。或许更令人担忧的是,该系统使用的真空管相当笨重,加上对长期可靠性的质疑,使得该系统难以商业化。


Rashid去世后,他的儿子寻找投资者并宣传更具商业吸引力的基于晶体管的方案,使该系统重获新生。晶体管和集成电路的商业化和小型化发生在20世纪70年代中期。虽然更小、更可靠的方案极具吸引力,但他的儿子最终过度沉迷于金钱和名利。他欺骗了投资者,削弱了投资界和商业界对此项技术的热情。


幸运的是,许多汽车公司在开发他们的系统时关注并参考了Rashid的专利。或许最著名且最早采用该技术的是通用汽车1959款概念车型,设计者为Harley Earl和Bill Mitchell。


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图1. 通用汽车1959款凯迪拉克Cyclone概念车型,设计者为Harley Earl和Bill Mitchell,图片由Piston Heads提供


Cyclone概念车型配备了基于雷达的碰撞检测系统。前机舱(反映了那个时代的火箭和航空技术)别具一格地配备了雷达。该系统使用雷达计算与汽车前方物体的距离,并警告驾驶员有物体及其距离。根据警告采取行动仍然是驾驶员的责任,但这款概念车型是迈向商业化的重要一步。


在整个20世纪60年代和70年代,多家公司继续设计各种类型的防撞系统。工程师和监管机构非常担心驾驶员因过度依赖这些系统,可能会导致更多事故,而不是减少事故。他们在广泛的测试中观察到了这种行为。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)建议,至少要到20世纪80年代,这些系统才会足够安全以供采用(Kingston,2018年)。


直到20世纪90年代,该系统才被推向市场。1992年,三菱汽车在Debonair车型中发布了一款基于激光的系统,名为“距离警告”,该系统可在其他物体过于靠近汽车时提醒驾驶员。不久之后,又在Diamante车型中发布了一个名为“预览距离控制”的闭环系统。该系统会关闭油门以帮助驾驶员避免检测到的碰撞,从而增加反应时间。


20世纪90年代,其他汽车公司也积极开发自己的系统。人们很快意识到,这些前向感应碰撞检测系统可以而且应该与自动制动和巡航控制功能相结合。


2003年,本田成为第一家销售基于雷达的自动制动系统的公司,称为“防撞减轻制动系统”。丰田、梅赛德斯和沃尔沃也迅速进行了类似的开发。


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图2. 20世纪90年代梅赛德斯奔驰的“Distronic”系统,图片由Piston Heads提供


2012年的一篇文章向大众介绍了自适应巡航控制(ACC)和自动紧急制动(AEB)(Blackstone, 2012)。这篇文章很好地解释了ACC和AEB的工作原理。但最精彩的部分是关于未来的描绘,驾驶员坐在车里阅读《华尔街日报》,而汽车载送您去上班。这仍然是一个目标,虽然在过去九年中取得了长足进展,但距离我们彻底从驾驶过程中解脱出来,还有很长的路要走。


随着行业竞相实现完全自动驾驶,当今的汽车具有更加复杂的前向感应需求。早期的系统只能“看到”几十米远。尽管如此,由于高动态范围摄像头、远距离激光雷达或雷达之间的传感器融合以及快速机器视觉处理,今天的系统可以看到最远300 m甚至更远的距离。


除了本节中介绍的制动和巡航控制功能外,还有更多功能使用前向感应系统。一些较简单的系统仅在驾驶员偏离当前车道时发出警告,这被称为车道保持辅助或车道偏离警告系统。


通过采用电子转向系统(线控驱动),可以借助前向感应数据自动调节方向盘,使汽车保持在原有车道中。这称为车道保持系统或车道居中。2+级系统(例如特斯拉“Autopilot”)可以自动驾驶。然而,现在大多数人都知道,这个饱含争议的功能名称被认为具有误导性。这个Wikipedia页面提供广泛的背景知识和额外链接。


倒车摄像头


第一个已知的倒车摄像头用例是1956年的Buick Centurion概念车型。它配备了一个后置电视摄像头,其图像显示在驾驶舱的电视屏幕上,以取代后视镜。


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图3. 1956年的Buick Centurion概念车型,带后置倒车摄像头,图片由John Lloyd提供


尽管这个想法不错,但经济因素可能会禁止全面部署。事实上,人们认为这个系统从未完全发挥作用(作者不详,Wikipedia,2021年)。


随后已知的使用是由沃尔沃汽车在1972年的“沃尔沃安全实验概念车”中进行的测试。


丰田汽车是首家将倒车摄像头放入量产车的OEM,即1991年的Soarer Limited,仅在日本销售。在1997年之前的生产中,该系统使用彩色屏幕和安装在扰流板上的CCD摄像头。


2000年,日产英菲尼迪配备了倒车摄像头。在该系统(2001年在美国市场提供的可选项)中,LCD屏上的彩色线条可估计到图像中物体的距离。业界还开发出其他后装市场方案。


2015年,凯迪拉克配备了高分辨率宽视野倒车摄像头,使驾驶员能够看到汽车后方更远的地方,甚至可以看到旁边的车道。到了2017年,斯巴鲁和凯迪拉克都将倒车摄像头与后部自动紧急制动结合到了一起。


一些汽车还结合超声波或短距离雷达来提供接近警告,以增强图像数据或警示有人突然接近汽车。


推动其大规模采用和立法的主要力量来自美国Cameron Gulbransen的悲剧。令人悲痛的是,在2002年,两岁的Cameron在他父亲驾驶一辆大型 SUV 在车道上倒车时,被意外撞伤致死(作者不详,Cameron Gulbransen,2021年)。Cameron成为这个问题的象征。在接下来的十年里,展开了一场社会运动,最终以通过一项法案而告终,该法案要求所有2018年5月1日之后生产的汽车都必须配有倒车摄像头作为标配功能。


盲点警告


沃尔沃被誉为盲点警告(BSW)系统的发明者,该公司于2003年推出了名为BLIS的盲点信息系统(作者不详,Lovering Volvo Cars Nashua,2021年)。BSW系统具有多种实现方式,可以使用雷达、超声波、摄像头或其组合。一些BSW系统可能与紧急制动、车道保持系统等结合使用,具体取决于汽车和支持的整体先进驾驶辅助系统(ADAS)功能。许多系统就像侧面后视镜上的警示灯一样简单。


另一个盲点是挡风玻璃和车门之间的支柱。BSW不能完全解决该问题,仍有可能造成事故。2019年,14岁的Alain Gassler提出了一个新颖的方案(如这篇文章所述)。虽然这个方案仍需进一步开发,但她的想法可以解决由障碍物支柱造成的剩余可见度问题。


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图4. 来自宾夕法尼亚州West Grove的Alaina Gassler因盲点创新方案赢得25,000美元奖金,图片由CNN提供


她的方案是使用摄像头和投影仪将缺失的信息叠加到柱子上。这段YouTube视频显示了该项目的详细信息。


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图5. 盲点系统工作方式快照,截取自YouTube视频


尽管她很有创意,但量产车型尚未实施这种支柱系统,也许在未来,这种情况会发生改变。与此同时,当今道路上的大多数系统都使用雷达和/或摄像头(如上所述,内置于后视镜中)。


先进的前照灯系统


先进的前照灯系统(AFLS,有时也称为AFS)可以根据不同的速度、道路和天气状况控制和调整前照灯的强度和方向。Hella提供的这段YouTube视频很好地展示了各种可能性的概况。


1911年左右问世的早期电子前照灯没有远光灯功能,而且还需要驾驶员上下车才能完成其开关操作。1915年左右,凯迪拉克率先在仪表板上配备了一个机械开关。早期的这些系统不可调,只能打开/关闭,并且方向和俯仰是固定的(作者不详,The Retrofit Source,2021年)。


在20世纪20年代中期,为了应对在某些条件下需要特定光照的法规,业界发明了双灯丝前照灯,支持远光灯和近光灯。汽车制造商提供了一个脚踏板控制,用于切换远光灯和近光灯,以控制这些新型车灯。在20世纪50年代至90年代期间,多家汽车制造商实施了一项自动功能,利用传感器检测迎面驶来的车辆,进而切换远光灯和近光灯。


最初构想可追溯到20世纪30年代,Willys、Tucker及其他制造商实施了自适应前照灯系统,该系统由左右两侧的固定前照灯组成,中间有一个“独眼巨人”前照灯,与方向盘机械连接。该额外的灯光将照向方向盘所指的方向(Laukkonen,2019年)。


直到20世纪90年代,前照灯的主要创新都集中在照明技术本身。先是卤素灯被采用,后来转向HID(高强度气体放电),最后在20世纪90年代转向LED(发光二极管)。LED的效率更高,使用寿命更长。随着技术进步,我们预计LED将成为汽车中的主导光源。


高档汽车在2000年代开始实施电子自适应前照灯系统。首批系统使用微型步进电机来控制光束,并使用LED控制器有选择地关闭各个LED。这些系统现在正在向全面电子版本转变。


另一个相关系统是现代雨量光线传感器模块。雨量光线传感器检测到潮湿的挡风玻璃,将控制雨刷器(雨量传感器)和前照灯(光线传感器),包括近光灯和远光灯。一些公司正在尝试在摄像头中实现此功能,但到目前为止,使用雨量光线传感器模块来实现此功能更为有效。


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图6. 雨量光线传感器模块示例,图片由Hella提供


胎压监测


美国NHTSA早在20世纪70年代就考虑了胎压监测系统(简称 TPMS)。虽然人们很早就知道,适当充气的轮胎有益安全,但当时并没有合适的自动监测系统。此外,在20世纪70年代,印第安纳州立大学的一项研究发现,充气不足的轮胎会使制动和操控性能下降,占事故原因的1.5%。固特异在一项独立研究中也发现了同样的情况(G,2016年)。


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图7. TPMS模块示例,图片由CARiD的文章提供


在20世纪70年代末的燃油危机中,胎压监测问题再次浮出水面,但这次是因为油耗而不是安全问题。适当充气的轮胎平均可使当时道路上汽车的行驶里程提升 3-4%。在80年代初期,TPMS技术有所改进,但还是不够准确或可靠。成本也很高,每车高达200美元,在经济衰退期间阻碍了采用(根据这个计算器,1970年的 200美元相当于今天的1423美元)。


第一辆配备TPMS的车型是1987款保时捷959。这款超级车型具有许多先进功能,甚至是高端性能汽车所独有。除了是首款提供TPMS的车型外,它还配备了防抱死制动、液压阻尼器(而非防倾杆)、自动悬架调节、电子行驶高度和阻尼控制等先进功能(Huffman,2012年)。


保时捷959同时也是第一款使用防爆轮胎(泄气保用轮胎)的汽车,这种轮胎需要胎压监测。防爆轮胎即使在轮胎泄气时仍然能正常行驶,驾驶员可能都不会注意到轮胎泄气了。当然,泄气的防爆轮胎对能够以极高速行驶的高性能汽车的驾驶员会构成额外的危险。


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图8. 保时捷959,图片由CARiD提供


从1999年开始,胎压监测成为雪佛兰Corvettes的标配功能,该车型也使用了防爆轮胎,因此需要TPMS。在其首次亮相后,更多标准款汽车开始采用胎压监测。


然而,有望推动其大规模采用的是美国政府2000年的 TREAD(轮胎召回增强、责任和文档)法案。这项法律源于涉及福特探险者(Explorer)和凡士通轮胎的重大争议。很显然,福特探险者具有已知的稳定性问题,使用胎压降低的凡士通轮胎进行纠正,而不是重新设计汽车。不幸的是,该轮胎最终也存在设计问题,因轮胎爆裂导致翻车事故,数千人受伤,数百人死亡。


TREAD法案要求每个车轮的TPMS通知驾驶员任何故障,在启动期间进行系统自检,并在用户手册中进行记录。自2007年9月1日起,所有10,000磅以下的汽车都需要配备此系统(作者不详,Schrader TPMS Solutions,2021年)。


将近14年过去了,没有配备TPMS的道路行驶汽车越来越少见了。大多数国家/地区现在都要求TPMS,它已成为全球范围的标准安全功能。


总结


本文介绍了防撞和自动紧急制动、倒车摄像头、盲点警告、先进的前照灯和胎压监测的发展历史。


在下一篇也是最后一篇文章中,我们将继续介绍驾驶员和乘员监控、环视及V2x。我们将讨论软件定义汽车和汽车的完全数字化。最后,我们将介绍增强现实、虚拟现实和元宇宙,以及这些趋势会对未来汽车产生怎样的影响。


作者:安森美(onsemi)高级首席方案市场营销工程师Dan Clement






THE END
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