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          汽車ADAS進化的百年歷史(一)

          發布時間:2022-04-02 來源:安森美 責任編輯:wenwei

          【導讀】現代汽車配備了大量系統和小工具,每個車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者或提高舒適度。常見的例子包括氛圍照明、高端娛樂系統、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,通常稱為先進駕駛輔助系統(ADAS)。常見的例子包括自適應巡航控制、自動緊急制動、倒車攝像頭、前向感應、環視攝像頭等。


          在過去的100年里,這些駕駛輔助系統飛速發展,從最初簡單的機械巡航控制發展成為汽車愿景——使用軟件定義,沉浸于增強現實和虛擬現實(又稱為元宇宙),并達到完全自主駕駛。目前,汽車達到SAE International規定的2+級自動駕駛水平。2級是汽車允許部分自動駕駛,但駕駛員仍需保持注意力,隨時準備接管駕駛。2+級中的加號(+)是指自動駕駛極為復雜且持續時間超過行業預期的現實。作為背景知識,5級指的是完全自動駕駛,無需駕駛員,0級則是無自動駕駛。


          本文是有關先進駕駛輔助系統(ADAS)的發展歷史系列文章的第一部分。本系列由多個部分組成,將回顧各種不同系統的說明。最后一篇文章將討論未來的ADAS系統以及汽車將如何從一個機械機器轉變為完全數字化體驗。


          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和超強的專注力,他聲稱這就是使他成為如此偉大的發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行了精彩的概括。


          Speedostat(通常被稱為“Stat”,于1950年8月22日獲得專利)包含一個連接到源自汽車驅動軸的機械調速器裝置的儀表板速度選擇器。在調速器的驅動下,真空泵會向上推動油門踏板,向駕駛員發出減速觸覺信號。


          該專利獲批五年后,《大眾機械師》(Sears,2018年)在Speedostat的專題介紹中稱它是“一種帶有額外功能的動力加速器或調速器。它使我們在汽車自動駕駛的道路上向前邁進了幾英里?!?/p>


          克萊斯勒是第一家采用Speedostat的汽車制造商,并于1958年將其命名為“Auto-Pilot”。凱迪拉克也使用了該系統,不過他們將其命名為“巡航控制”,該名稱逐步泛化,甚至到今天仍被普遍用來指代這項技術(Teetor,2020年)。


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          圖1. 1957 年,Ralph Teetor手持巡航控制,圖片由汽車名人堂提供


          Teetor的Speedostat在量產車型中獲得成功后不久,另一場技術革命正在進行——隨著硅晶體管的發明,集成電路誕生了。隨著單個晶體管發展成為芯片上的整個電路,Daniel Wisner發明了第一個電子巡航控制系統,并獲得了專利(1971年),該系統被稱為“汽車速度控制系統”(Niemeier,2016年)。這種新的電子速度控制可以在閉環中調節車速,即使在上坡和下坡時也可調節,這是一個創舉。


          這項發明最終被稱為巡航控制,它徹底改變了汽車。隨著它越來越受歡迎,在20 世紀80年代末,摩托羅拉設計并制造了一款硅芯片來實現Wisner的算法。在很長一段時間內,許多汽車都使用了這款芯片。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。


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          圖2. MC14460巡航控制芯片的數據手冊封面頁,圖片由 hackaday.com提供


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          圖3. 1996年的通用汽車巡航控制模塊(圖片由 LS Engine DIY 提供),它顯示了用于控制油門線的電氣驅動與過去的真空泵系統的對比


          巡航控制的下一個重大創新是20世紀90年代初出現的自適應巡航控制。William Chundrlik和Pamela Labuhn發明了自適應巡航控制(Steinken,2020年)。該系統的工作原理類似于定速巡航控制,但采用了一個測距傳感器,使汽車能夠在車速較慢的汽車后面減速,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型的傳感器,包括雷達、激光雷達和攝像頭。


          ABS


          防抱死制動系統(ABS)起源于航空業,也有一段有趣的發展歷史。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。該系統采用一個飛輪,飛輪隨車輪旋轉并控制制動系統的液壓閥。當車輪和飛輪都以相同速度旋轉時,系統會釋放制動器。如果車輪突然減速(可能是車輪打滑時),飛輪將保持更快地旋轉,這種相對轉速的差異將打開液壓制動閥,從而讓輪胎再次旋轉。該系統使制動距離減少了30%,并使飛機在通常沒有該系統無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在1958年試用了首個ABS。全機械式系統證明ABS可大幅減少摩托車打滑,這是導致事故的常見原因。不幸的是,由于當時的技術總監沒有看到這個想法的價值,該公司放棄了此系統。


          在20世紀60年代,另一個全機械式系統在Ferguson P99、Jensen FF和四輪驅動的福特Zodiac上進行了有限的試驗。該系統并不可靠且過于昂貴,沒有流行起來。


          第一款全電子式ABS開發于20世紀60年代末期——并非面向汽車,而是用于協和式飛機。協和式飛機是一個高可見性的創新技術開發項目,舉世矚目。協和式飛機的起飛和著陸需要很長的跑道,配備ABS是避免在發生事故或其他偏移時滑出跑道的要求,是正常運行所必需的。協和式飛機的起飛速度為250節,遠比當時和現在的普通商用飛機(作者不詳,Heritage Concorde,2021年)要高得多。如果沒有ABS制動,在濕滑跑道上中斷起飛將很危險。


          電子式ABS進入的首款消費汽車是1971年的克萊斯勒 Imperial小轎車。本迪克斯公司于1970年為該ABS申請了專利,克萊斯勒將其命名為“Sure Brake”,通常稱為“防滑”(Schafer,1971年)。該系統非??煽?,業界其他公司也開始推出自己的版本。 


          對于本迪克斯公司來說遺憾的是,官方認為現代ABS歸功于菲亞特研究中心的Mario Palazzetti。Palazzetti 改進了該系統,他后來被稱為“ABS 先生”。Bosch Mobility Solutions收購了Palazzetti的系統,將其重新命名為“ABS”,并繼續對其進行改進以用于量產汽車,直至它成為標配功能(作者不詳,Did You Know Cars,未注明日期)。


          ABS成為所有汽車制造商的標配功能,幾乎每輛道路上行駛的汽車都使用它。與巡航控制一樣,ABS現在也成為一個泛化通用術語。


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          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)調節用于驅動車輪的動力大小。最初,驅動輪使用限滑差速器以機械方式限制打滑車輪的動力。在20世紀70年代初期,汽車添加了電子TCS。牽引力控制監控車輪速度和車輪之間的速度差,以控制每個車輪的動力大小。一些系統控制汽車的油門或火花控制,但大多數最終都集中在利用汽車的制動系統上。事實上,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,以掌握汽車對駕駛員輸入(油門和轉向)的響應。將來自方向盤傳感器的數據與偏航傳感器和加速度計進行比較,計算出汽車當前的行駛狀況。穩定性控制可以使用此信息調整制動、油門或懸架,改善操控性。


          在美國,2012年穩定性控制已成為汽車標配設備。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。


          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展。每個系統都具有獨特而有趣的發展歷史,早期設計通常采用機械式起源。各個系統之間的共同點是,開發、測試和驗證新系統通常需要數十年的時間,才能投放到市場。  


          后續文章將探討其他先進駕駛輔助系統(ADAS)及其發展歷史。最后一篇文章將重點介紹未來的系統以及向軟件定義汽車的發展。


          來源:安森美,作者:Dan Clement



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