【導讀】現代汽車(chē)配備了大量系統和小工具，每個(gè)車(chē)型年份中還在繼續增加。有些系統和小工具是為了吸引購買(mǎi)者或提高舒適度。常見(jiàn)的例子包括氛圍照明、高端娛樂(lè )系統、各種性能模式、預設座位設置、后視鏡位置等。另外一些系統則是為了確保駕駛員和乘客的安全，通常稱(chēng)為先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)。常見(jiàn)的例子包括自適應巡航控制、自動(dòng)緊急制動(dòng)、倒車(chē)攝像頭、前向感應、環(huán)視攝像頭等。
在過(guò)去的100年里，這些駕駛輔助系統飛速發(fā)展，從最初簡(jiǎn)單的機械巡航控制發(fā)展成為汽車(chē)愿景——使用軟件定義，沉浸于增強現實(shí)和虛擬現實(shí)(又稱(chēng)為元宇宙)，并達到完全自主駕駛。目前，汽車(chē)達到SAE International規定的2+級自動(dòng)駕駛水平。2級是汽車(chē)允許部分自動(dòng)駕駛，但駕駛員仍需保持注意力，隨時(shí)準備接管駕駛。2+級中的加號(+)是指自動(dòng)駕駛極為復雜且持續時(shí)間超過(guò)行業(yè)預期的現實(shí)。作為背景知識，5級指的是完全自動(dòng)駕駛，無(wú)需駕駛員，0級則是無(wú)自動(dòng)駕駛。
本文是有關(guān)先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)的發(fā)展歷史系列文章的第一部分。本系列由多個(gè)部分組成，將回顧各種不同系統的說(shuō)明。最后一篇文章將討論未來(lái)的ADAS系統以及汽車(chē)將如何從一個(gè)機械機器轉變?yōu)橥耆珨底只w驗。
巡航控制
最早的駕駛員輔助系統或許是Speedostat。Speedostat是由 Ralph Teetor設計的第一個(gè)速度控制系統設計(Steinken，2020年)。不可思議的是，他從小就雙目失明。他利用視力的缺失培養了超常的觸覺(jué)和超強的專(zhuān)注力，他聲稱(chēng)這就是使他成為如此偉大的發(fā)明家和工程師的原因?！妒访苌帷冯s志(Sears，2018年)的一篇文章對他的一生進(jìn)行了精彩的概括。
Speedostat(通常被稱(chēng)為“Stat”，于1950年8月22日獲得專(zhuān)利)包含一個(gè)連接到源自汽車(chē)驅動(dòng)軸的機械調速器裝置的儀表板速度選擇器。在調速器的驅動(dòng)下，真空泵會(huì )向上推動(dòng)油門(mén)踏板，向駕駛員發(fā)出減速觸覺(jué)信號。
該專(zhuān)利獲批五年后，《大眾機械師》(Sears，2018年)在Speedostat的專(zhuān)題介紹中稱(chēng)它是“一種帶有額外功能的動(dòng)力加速器或調速器。它使我們在汽車(chē)自動(dòng)駕駛的道路上向前邁進(jìn)了幾英里?！?/p>
克萊斯勒是第一家采用Speedostat的汽車(chē)制造商，并于1958年將其命名為“Auto-Pilot”。凱迪拉克也使用了該系統，不過(guò)他們將其命名為“巡航控制”，該名稱(chēng)逐步泛化，甚至到今天仍被普遍用來(lái)指代這項技術(shù)(Teetor，2020年)。
圖1. 1957 年，Ralph Teetor手持巡航控制，圖片由汽車(chē)名人堂提供
Teetor的Speedostat在量產(chǎn)車(chē)型中獲得成功后不久，另一場(chǎng)技術(shù)革命正在進(jìn)行——隨著(zhù)硅晶體管的發(fā)明，集成電路誕生了。隨著(zhù)單個(gè)晶體管發(fā)展成為芯片上的整個(gè)電路，Daniel Wisner發(fā)明了第一個(gè)電子巡航控制系統，并獲得了專(zhuān)利(1971年)，該系統被稱(chēng)為“汽車(chē)速度控制系統”(Niemeier，2016年)。這種新的電子速度控制可以在閉環(huán)中調節車(chē)速，即使在上坡和下坡時(shí)也可調節，這是一個(gè)創(chuàng )舉。
這項發(fā)明最終被稱(chēng)為巡航控制，它徹底改變了汽車(chē)。隨著(zhù)它越來(lái)越受歡迎，在20 世紀80年代末，摩托羅拉設計并制造了一款硅芯片來(lái)實(shí)現Wisner的算法。在很長(cháng)一段時(shí)間內，許多汽車(chē)都使用了這款芯片。其部件編號是MC14460，盡管MC14460芯片早已退役，但該算法至今仍被廣泛使用。
圖2. MC14460巡航控制芯片的數據手冊封面頁(yè)，圖片由 hackaday.com提供
圖3. 1996年的通用汽車(chē)巡航控制模塊(圖片由 LS Engine DIY 提供)，它顯示了用于控制油門(mén)線(xiàn)的電氣驅動(dòng)與過(guò)去的真空泵系統的對比
巡航控制的下一個(gè)重大創(chuàng )新是20世紀90年代初出現的自適應巡航控制。William Chundrlik和Pamela Labuhn發(fā)明了自適應巡航控制(Steinken，2020年)。該系統的工作原理類(lèi)似于定速巡航控制，但采用了一個(gè)測距傳感器，使汽車(chē)能夠在車(chē)速較慢的汽車(chē)后面減速，但仍然保持速度控制。首批系統采用了激光，但各種方案使用了不同類(lèi)型的傳感器，包括雷達、激光雷達和攝像頭。
ABS
防抱死制動(dòng)系統(ABS)起源于航空業(yè)，也有一段有趣的發(fā)展歷史。ABS與巡航控制一樣，起初也是機械系統。(作者不詳，Wikipedia，2021年)
1920年，飛機和汽車(chē)先驅Gabriel Voisin為飛機設計并試驗了機械式ABS系統。該系統采用一個(gè)飛輪，飛輪隨車(chē)輪旋轉并控制制動(dòng)系統的液壓閥。當車(chē)輪和飛輪都以相同速度旋轉時(shí)，系統會(huì )釋放制動(dòng)器。如果車(chē)輪突然減速(可能是車(chē)輪打滑時(shí))，飛輪將保持更快地旋轉，這種相對轉速的差異將打開(kāi)液壓制動(dòng)閥，從而讓輪胎再次旋轉。該系統使制動(dòng)距離減少了30%，并使飛機在通常沒(méi)有該系統無(wú)法飛行的情況下也能飛行。由于該系統減少了打滑，也大幅降低了輪胎磨損。
除了飛機，皇家恩菲爾德超級流星摩托車(chē)在1958年試用了首個(gè)ABS。全機械式系統證明ABS可大幅減少摩托車(chē)打滑，這是導致事故的常見(jiàn)原因。不幸的是，由于當時(shí)的技術(shù)總監沒(méi)有看到這個(gè)想法的價(jià)值，該公司放棄了此系統。
在20世紀60年代，另一個(gè)全機械式系統在Ferguson P99、Jensen FF和四輪驅動(dòng)的福特Zodiac上進(jìn)行了有限的試驗。該系統并不可靠且過(guò)于昂貴，沒(méi)有流行起來(lái)。
第一款全電子式ABS開(kāi)發(fā)于20世紀60年代末期——并非面向汽車(chē)，而是用于協(xié)和式飛機。協(xié)和式飛機是一個(gè)高可見(jiàn)性的創(chuàng )新技術(shù)開(kāi)發(fā)項目，舉世矚目。協(xié)和式飛機的起飛和著(zhù)陸需要很長(cháng)的跑道，配備ABS是避免在發(fā)生事故或其他偏移時(shí)滑出跑道的要求，是正常運行所必需的。協(xié)和式飛機的起飛速度為250節，遠比當時(shí)和現在的普通商用飛機(作者不詳，Heritage Concorde，2021年)要高得多。如果沒(méi)有ABS制動(dòng)，在濕滑跑道上中斷起飛將很危險。
電子式ABS進(jìn)入的首款消費汽車(chē)是1971年的克萊斯勒 Imperial小轎車(chē)。本迪克斯公司于1970年為該ABS申請了專(zhuān)利，克萊斯勒將其命名為“Sure Brake”，通常稱(chēng)為“防滑”(Schafer，1971年)。該系統非?？煽?，業(yè)界其他公司也開(kāi)始推出自己的版本。
對于本迪克斯公司來(lái)說(shuō)遺憾的是，官方認為現代ABS歸功于菲亞特研究中心的Mario Palazzetti。Palazzetti 改進(jìn)了該系統，他后來(lái)被稱(chēng)為“ABS 先生”。Bosch Mobility Solutions收購了Palazzetti的系統，將其重新命名為“ABS”，并繼續對其進(jìn)行改進(jìn)以用于量產(chǎn)汽車(chē)，直至它成為標配功能(作者不詳，Did You Know Cars，未注明日期)。
ABS成為所有汽車(chē)制造商的標配功能，幾乎每輛道路上行駛的汽車(chē)都使用它。與巡航控制一樣，ABS現在也成為一個(gè)泛化通用術(shù)語(yǔ)。
圖4. 20世紀70年代梅賽德斯-奔馳的ABS測試，圖片由stuff提供
牽引力控制
牽引力控制系統(TCS)調節用于驅動(dòng)車(chē)輪的動(dòng)力大小。最初，驅動(dòng)輪使用限滑差速器以機械方式限制打滑車(chē)輪的動(dòng)力。在20世紀70年代初期，汽車(chē)添加了電子TCS。牽引力控制監控車(chē)輪速度和車(chē)輪之間的速度差，以控制每個(gè)車(chē)輪的動(dòng)力大小。一些系統控制汽車(chē)的油門(mén)或火花控制，但大多數最終都集中在利用汽車(chē)的制動(dòng)系統上。事實(shí)上，大多數牽引力控制系統都有上一節中描述的ABS。牽引力控制和ABS一樣，是當今的標配功能。
穩定性控制
穩定性控制系統出現于20世紀90年代初。1995年，博世在梅賽德斯-奔馳S600轎跑車(chē)中引入了該系統。(Markus，2020年)
穩定性控制還與ABS和牽引系統集成，再加上額外的傳感器，以掌握汽車(chē)對駕駛員輸入(油門(mén)和轉向)的響應。將來(lái)自方向盤(pán)傳感器的數據與偏航傳感器和加速度計進(jìn)行比較，計算出汽車(chē)當前的行駛狀況。穩定性控制可以使用此信息調整制動(dòng)、油門(mén)或懸架，改善操控性。
在美國，2012年穩定性控制已成為汽車(chē)標配設備。牽引力和穩定性控制是重要的系統，但不如ABS和自適應巡航控制那么知名或常見(jiàn)。
總結
我們介紹了巡航控制、ABS、牽引力控制和穩定性控制的歷史和發(fā)展。每個(gè)系統都具有獨特而有趣的發(fā)展歷史，早期設計通常采用機械式起源。各個(gè)系統之間的共同點(diǎn)是，開(kāi)發(fā)、測試和驗證新系統通常需要數十年的時(shí)間，才能投放到市場(chǎng)。
后續文章將探討其他先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)及其發(fā)展歷史。最后一篇文章將重點(diǎn)介紹未來(lái)的系統以及向軟件定義汽車(chē)的發(fā)展。
來(lái)源：安森美，作者：Dan Clement
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