【導讀】作為本系列文章的第二部分，本文繼續介紹各種先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)及其發(fā)展歷史。第一部分的文章介紹了巡航控制、ABS、牽引力控制和穩定性控制。本文將繼續介紹防撞系統、自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)、倒車(chē)攝像頭、盲點(diǎn)警告、先進(jìn)的前照燈和胎壓監測。
防撞和自動(dòng)緊急制動(dòng)
自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)是指汽車(chē)檢測危險或檢測駕駛員在危險情況下缺乏響應的能力，在這種情況下，汽車(chē)將自動(dòng)實(shí)施制動(dòng)，即使不能避免碰撞風(fēng)險，也能將碰撞風(fēng)險程度降到最低。這可能發(fā)生在停車(chē)、變道或前向碰撞檢測(包括行人等)期間。有時(shí)AEB也稱(chēng)為前向碰撞感應。
與前幾項創(chuàng )新一樣，AEB系統也有著(zhù)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，他在二戰期間參與研發(fā)了基于雷達的系統。戰后，RCA試圖尋找非軍事應用。Korman致力于雷達系統的速度控制研究，專(zhuān)注于改善交通流量。最初主要的關(guān)注點(diǎn)是火車(chē)系統，強調減少路口的交通流量和容量。后來(lái)他指出，道路汽車(chē)也可以使用這種系統。
Korman表示：“該發(fā)明利用一個(gè)雷達系統，此系統搭載在要控制的汽車(chē)上。雷達系統會(huì )根據與前車(chē)的距離產(chǎn)生一個(gè)電壓。將該電壓與依賴(lài)于汽車(chē)行駛速度的電壓進(jìn)行比較；根據比較結果對汽車(chē)進(jìn)行控制?！?Kingston，2018年)在一項于1948年提交并于1955年獲批的專(zhuān)利中對此系統進(jìn)行了描述。
隨著(zhù)時(shí)間的推移，業(yè)界意識到雷達在軍事和航空應用之外的價(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(chē)的雷達控制制動(dòng)系統。這種霧天及其相關(guān)事故和險情激發(fā)了Rashid創(chuàng )建該系統的靈感，因為雷達可以穿透大霧，并且很可靠。
Rashid還設想將其用于近期開(kāi)發(fā)的高速公路系統，駕駛員在高速公路長(cháng)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)注這項技術(shù)在幫助因年齡增長(cháng)而反應變慢的老年司機方面的潛力。
如果Rashid的系統檢測到碰撞威脅，它會(huì )切斷汽車(chē)的油門(mén)并實(shí)施制動(dòng)。盡管該系統減少事故的能力在成功的測試中得到了證明，但它并未獲得商業(yè)化采用。與其他未配備該裝置的汽車(chē)發(fā)生連鎖反應事故的責任和訴訟是一個(gè)令人擔憂(yōu)的問(wèn)題?；蛟S更令人擔憂(yōu)的是，該系統使用的真空管相當笨重，加上對長(cháng)期可靠性的質(zhì)疑，使得該系統難以商業(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)界對此項技術(shù)的熱情。
幸運的是，許多汽車(chē)公司在開(kāi)發(fā)他們的系統時(shí)關(guān)注并參考了Rashid的專(zhuān)利?；蛟S最著(zhù)名且最早采用該技術(shù)的是通用汽車(chē)1959款概念車(chē)型，設計者為Harley Earl和Bill Mitchell。
圖1. 通用汽車(chē)1959款凱迪拉克Cyclone概念車(chē)型，設計者為Harley Earl和Bill Mitchell，圖片由Piston Heads提供
Cyclone概念車(chē)型配備了基于雷達的碰撞檢測系統。前機艙(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。該系統使用雷達計算與汽車(chē)前方物體的距離，并警告駕駛員有物體及其距離。根據警告采取行動(dòng)仍然是駕駛員的責任，但這款概念車(chē)型是邁向商業(yè)化的重要一步。
在整個(gè)20世紀60年代和70年代，多家公司繼續設計各種類(lèi)型的防撞系統。工程師和監管機構非常擔心駕駛員因過(guò)度依賴(lài)這些系統，可能會(huì )導致更多事故，而不是減少事故。他們在廣泛的測試中觀(guān)察到了這種行為。美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)建議，至少要到20世紀80年代，這些系統才會(huì )足夠安全以供采用(Kingston，2018年)。
直到20世紀90年代，該系統才被推向市場(chǎng)。1992年，三菱汽車(chē)在Debonair車(chē)型中發(fā)布了一款基于激光的系統，名為“距離警告”，該系統可在其他物體過(guò)于靠近汽車(chē)時(shí)提醒駕駛員。不久之后，又在Diamante車(chē)型中發(fā)布了一個(gè)名為“預覽距離控制”的閉環(huán)系統。該系統會(huì )關(guān)閉油門(mén)以幫助駕駛員避免檢測到的碰撞，從而增加反應時(shí)間。
20世紀90年代，其他汽車(chē)公司也積極開(kāi)發(fā)自己的系統。人們很快意識到，這些前向感應碰撞檢測系統可以而且應該與自動(dòng)制動(dòng)和巡航控制功能相結合。
2003年，本田成為第一家銷(xiāo)售基于雷達的自動(dòng)制動(dòng)系統的公司，稱(chēng)為“防撞減輕制動(dòng)系統”。豐田、梅賽德斯和沃爾沃也迅速進(jìn)行了類(lèi)似的開(kāi)發(fā)。
圖2. 20世紀90年代梅賽德斯奔馳的“Distronic”系統，圖片由Piston Heads提供
2012年的一篇文章向大眾介紹了自適應巡航控制(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(chē)里閱讀《華爾街日報》，而汽車(chē)載送您去上班。這仍然是一個(gè)目標，雖然在過(guò)去九年中取得了長(cháng)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(cháng)的路要走。
隨著(zhù)行業(yè)競相實(shí)現完全自動(dòng)駕駛，當今的汽車(chē)具有更加復雜的前向感應需求。早期的系統只能“看到”幾十米遠。盡管如此，由于高動(dòng)態(tài)范圍攝像頭、遠距離激光雷達或雷達之間的傳感器融合以及快速機器視覺(jué)處理，今天的系統可以看到最遠300 m甚至更遠的距離。
除了本節中介紹的制動(dòng)和巡航控制功能外，還有更多功能使用前向感應系統。一些較簡(jiǎn)單的系統僅在駕駛員偏離當前車(chē)道時(shí)發(fā)出警告，這被稱(chēng)為車(chē)道保持輔助或車(chē)道偏離警告系統。
通過(guò)采用電子轉向系統(線(xiàn)控驅動(dòng))，可以借助前向感應數據自動(dòng)調節方向盤(pán)，使汽車(chē)保持在原有車(chē)道中。這稱(chēng)為車(chē)道保持系統或車(chē)道居中。2+級系統(例如特斯拉“Autopilot”)可以自動(dòng)駕駛。然而，現在大多數人都知道，這個(gè)飽含爭議的功能名稱(chēng)被認為具有誤導性。這個(gè)Wikipedia頁(yè)面提供廣泛的背景知識和額外鏈接。
倒車(chē)攝像頭
第一個(gè)已知的倒車(chē)攝像頭用例是1956年的Buick Centurion概念車(chē)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(chē)型，帶后置倒車(chē)攝像頭，圖片由John Lloyd提供
盡管這個(gè)想法不錯，但經(jīng)濟因素可能會(huì )禁止全面部署。事實(shí)上，人們認為這個(gè)系統從未完全發(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(chē)在1972年的“沃爾沃安全實(shí)驗概念車(chē)”中進(jìn)行的測試。
豐田汽車(chē)是首家將倒車(chē)攝像頭放入量產(chǎn)車(chē)的OEM，即1991年的Soarer Limited，僅在日本銷(xiāo)售。在1997年之前的生產(chǎn)中，該系統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(chē)攝像頭。在該系統(2001年在美國市場(chǎng)提供的可選項)中，LCD屏上的彩色線(xiàn)條可估計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(chē)攝像頭，使駕駛員能夠看到汽車(chē)后方更遠的地方，甚至可以看到旁邊的車(chē)道。到了2017年，斯巴魯和凱迪拉克都將倒車(chē)攝像頭與后部自動(dòng)緊急制動(dòng)結合到了一起。
一些汽車(chē)還結合超聲波或短距離雷達來(lái)提供接近警告，以增強圖像數據或警示有人突然接近汽車(chē)。
推動(dòng)其大規模采用和立法的主要力量來(lái)自美國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(chē)道上倒車(chē)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 )運動(dòng)，最終以通過(guò)一項法案而告終，該法案要求所有2018年5月1日之后生產(chǎn)的汽車(chē)都必須配有倒車(chē)攝像頭作為標配功能。
盲點(diǎn)警告
沃爾沃被譽(yù)為盲點(diǎn)警告(BSW)系統的發(fā)明者，該公司于2003年推出了名為BLIS的盲點(diǎn)信息系統(作者不詳，Lovering Volvo Cars Nashua，2021年)?。BSW系統具有多種實(shí)現方式，可以使用雷達、超聲波、攝像頭或其組合。一些BSW系統可能與緊急制動(dòng)、車(chē)道保持系統等結合使用，具體取決于汽車(chē)和支持的整體先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)功能。許多系統就像側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(chē)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(yíng)得25,000美元獎金，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視頻顯示了該項目的詳細信息。
圖5. 盲點(diǎn)系統工作方式快照，截取自YouTube視頻
盡管她很有創(chuàng )意，但量產(chǎn)車(chē)型尚未實(shí)施這種支柱系統，也許在未來(lái)，這種情況會(huì )發(fā)生改變。與此同時(shí)，當今道路上的大多數系統都使用雷達和/或攝像頭(如上所述，內置于后視鏡中)。
先進(jìn)的前照燈系統
先進(jìn)的前照燈系統(AFLS，有時(shí)也稱(chēng)為AFS)可以根據不同的速度、道路和天氣狀況控制和調整前照燈的強度和方向。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)有遠光燈功能，而且還需要駕駛員上下車(chē)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)機械開(kāi)關(guān)。早期的這些系統不可調，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20年代中期，為了應對在某些條件下需要特定光照的法規，業(yè)界發(fā)明了雙燈絲前照燈，支持遠光燈和近光燈。汽車(chē)制造商提供了一個(gè)腳踏板控制，用于切換遠光燈和近光燈，以控制這些新型車(chē)燈。在20世紀50年代至90年代期間，多家汽車(chē)制造商實(shí)施了一項自動(dòng)功能，利用傳感器檢測迎面駛來(lái)的車(chē)輛，進(jìn)而切換遠光燈和近光燈。
最初構想可追溯到20世紀30年代，Willys、Tucker及其他制造商實(shí)施了自適應前照燈系統，該系統由左右兩側的固定前照燈組成，中間有一個(gè)“獨眼巨人”前照燈，與方向盤(pán)機械連接。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90年代，前照燈的主要創(chuàng )新都集中在照明技術(shù)本身。先是鹵素燈被采用，后來(lái)轉向HID(高強度氣體放電)，最后在20世紀90年代轉向LED(發(fā)光二極管)。LED的效率更高，使用壽命更長(cháng)。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，我們預計LED將成為汽車(chē)中的主導光源。
高檔汽車(chē)在2000年代開(kāi)始實(shí)施電子自適應前照燈系統。首批系統使用微型步進(jìn)電機來(lái)控制光束，并使用LED控制器有選擇地關(guān)閉各個(gè)LED。這些系統現在正在向全面電子版本轉變。
另一個(gè)相關(guān)系統是現代雨量光線(xiàn)傳感器模塊。雨量光線(xiàn)傳感器檢測到潮濕的擋風(fēng)玻璃，將控制雨刷器(雨量傳感器)和前照燈(光線(xiàn)傳感器)，包括近光燈和遠光燈。一些公司正在嘗試在攝像頭中實(shí)現此功能，但到目前為止，使用雨量光線(xiàn)傳感器模塊來(lái)實(shí)現此功能更為有效。
圖6. 雨量光線(xiàn)傳感器模塊示例，圖片由Hella提供
胎壓監測
美國NHTSA早在20世紀70年代就考慮了胎壓監測系統(簡(jiǎn)稱(chēng) TPMS)。雖然人們很早就知道，適當充氣的輪胎有益安全，但當時(shí)并沒(méi)有合適的自動(dòng)監測系統。此外，在20世紀70年代，印第安納州立大學(xué)的一項研究發(fā)現，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%。固特異在一項獨立研究中也發(fā)現了同樣的情況(G，2016年)。
圖7. TPMS模塊示例，圖片由CARiD的文章提供
在20世紀70年代末的燃油危機中，胎壓監測問(wèn)題再次浮出水面，但這次是因為油耗而不是安全問(wèn)題。適當充氣的輪胎平均可使當時(shí)道路上汽車(chē)的行駛里程提升 3-4%。在80年代初期，TPMS技術(shù)有所改進(jìn)，但還是不夠準確或可靠。成本也很高，每車(chē)高達200美元，在經(jīng)濟衰退期間阻礙了采用(根據這個(gè)計算器，1970年的 200美元相當于今天的1423美元)。
第一輛配備TPMS的車(chē)型是1987款保時(shí)捷959。這款超級車(chē)型具有許多先進(jìn)功能，甚至是高端性能汽車(chē)所獨有。除了是首款提供TPMS的車(chē)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)懸架調節、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(chē)，這種輪胎需要胎壓監測。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。當然，泄氣的防爆輪胎對能夠以極高速行駛的高性能汽車(chē)的駕駛員會(huì )構成額外的危險。
圖8. 保時(shí)捷959，圖片由CARiD提供
從1999年開(kāi)始，胎壓監測成為雪佛蘭Corvettes的標配功能，該車(chē)型也使用了防爆輪胎，因此需要TPMS。在其首次亮相后，更多標準款汽車(chē)開(kāi)始采用胎壓監測。
然而，有望推動(dòng)其大規模采用的是美國政府2000年的 TREAD(輪胎召回增強、責任和文檔)法案。這項法律源于涉及福特探險者(Explorer)和凡士通輪胎的重大爭議。很顯然，福特探險者具有已知的穩定性問(wèn)題，使用胎壓降低的凡士通輪胎進(jìn)行糾正，而不是重新設計汽車(chē)。不幸的是，該輪胎最終也存在設計問(wèn)題，因輪胎爆裂導致翻車(chē)事故，數千人受傷，數百人死亡。
TREAD法案要求每個(gè)車(chē)輪的TPMS通知駕駛員任何故障，在啟動(dòng)期間進(jìn)行系統自檢，并在用戶(hù)手冊中進(jìn)行記錄。自2007年9月1日起，所有10,000磅以下的汽車(chē)都需要配備此系統(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(chē)越來(lái)越少見(jiàn)了。大多數國家/地區現在都要求TPMS，它已成為全球范圍的標準安全功能。
總結
本文介紹了防撞和自動(dòng)緊急制動(dòng)、倒車(chē)攝像頭、盲點(diǎn)警告、先進(jìn)的前照燈和胎壓監測的發(fā)展歷史。
在下一篇也是最后一篇文章中，我們將繼續介紹駕駛員和乘員監控、環(huán)視及V2x。我們將討論軟件定義汽車(chē)和汽車(chē)的完全數字化。最后，我們將介紹增強現實(shí)、虛擬現實(shí)和元宇宙，以及這些趨勢會(huì )對未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)生怎樣的影響。
作者：安森美(onsemi)高級首席方案市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)工程師Dan Clement
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