ADAS發展史:從機械式系統到SDV

作者 : Dan Clement,onsemi 資深首席方案市場行銷工程師

本文介紹巡航控制、ABS、循跡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,早期設計通常採用機械式起源。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...

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、高階娛樂系統、各種性能模式、預設座位設置、後視鏡位置等。另外一些系統則是為了確保駕駛人和乘客的安全,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(ACC)、自動緊急煞車(AEB)、倒車攝影機、前向感應、環景攝影機等。

在過去的100年裡,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願景——軟體定義車輛(software-defined vehicles;SDV),沉浸於擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)——又稱為元宇宙,並達到完全自主駕駛。目前,汽車達到SAE International規定的2+級(Leve 2+)自動駕駛程度。Level 2是汽車允許部份自動駕駛,但駕駛員仍需保持注意力,隨時準備接管駕駛。Level 2+中的加號(+)是指自動駕駛極為複雜且持續時間超過業界預期的現實。Level 5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ADAS的發展歷史系列文章的第一部份。本系列由多個部份組成,將回顧各種不同系統的說明。最後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位化體驗。

巡航控制

最早的駕駛輔助系統或許是Speedostat。Speedostat是由美國盲人發明家Ralph Teetor設計的第一個定速控制系統設計。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。

Ralph Teetor with his ‘Speedostat’

圖1:1957年,Ralph Teetor手持巡航控制。(圖片來源:Automotive Hall of Fame)

Speedostat (通常被稱為“Stat”,於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錶板速度選擇器。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訊號。

該專利獲批五年後,《大眾機械師》(Popular Mechanics)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哩。」

Motorola’s MC14460

圖2:MC14460巡航控制晶片的資料手冊封面頁。(圖片來源:hackaday.com)

克萊斯勒(Chrysler)是第一家採用Speedostat的汽車製造商,並於1958年將其命名為“Auto-Pilot”。凱迪拉克(Cadillac)也使用了該系統,不過他們將其命名為「巡航控制」(Cruise Control),該名稱逐步被廣泛使用,甚至到今天仍被普遍用來指代這項技術。

Teetor的Speedostat在量產車型中獲得成功後不久,另一場技術革命正在進行——隨著矽電晶體的發明,積體電路誕生了。隨著單個電晶體發展成為晶片上的整個電路,Daniel Wisner發明了第一個電子巡航控制系統,並獲得了專利(1971年),該系統被稱為「汽車速度控制系統」。這種新的電子速度控制可以在閉路中調節車速,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1980年代末,摩托羅拉(Motorola)設計並製造了一款矽晶片來實現Wisner的演算法。在很長一段時間內,許多汽車都使用了這款晶片。其元件編號是MC14460,儘管MC14460晶片早已退役,但該演算法至今仍被廣泛使用。

巡航控制的下一個重大創新是1990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。該系統的工作原理類似於定速巡航控制,但採用了一個測距感測器,使汽車能夠在車速較慢的汽車後面減速,但仍然保持速度控制。首批系統採用了雷射,但各種方案使用了不同類型的感測器,包括雷達、光達和攝影機。

ABS

防鎖死煞車系統(ABS)起源於航空業,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。

GM all-electronic cruise control

圖3:1996年的通用汽車巡航控制模組,它顯示了用於控制油門線的電氣驅動與過去的真空泵系統的對比。(圖片來源:LS Engine DIY)

1920年,飛機和汽車先驅Gabriel Voisin為飛機設計並試驗了機械式ABS系統。該系統採用一個飛輪,飛輪隨車輪旋轉並控制煞車系統的液壓閥。當車輪和飛輪都以相同速度旋轉時,系統會釋放煞車器。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煞車閥,從而讓輪胎再次旋轉。該系統使煞車距離減少了30%,並使飛機在通常沒有該系統無法飛行的情況下也能飛行。由於該系統減少了打滑,也大幅降低了輪胎磨損。

除了飛機,Royal Enfield Super Meteor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。遺憾的是,由於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1960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。該系統並不可靠且過於昂貴,但並沒有流行起來。

第一款全電子式ABS開發於1960年代末期——並非針對汽車,而是用於協和式飛機。協和式飛機是一個高可見性的創新技術開發專案,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要高得多。如果沒有ABS煞車,在濕滑跑道上中斷起飛將很危險。

首款導入電子式ABS的消費汽車是1971年的克萊斯勒Imperial小轎車。Bendix公司於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」。該系統非常可靠,業界其他公司也開始推出自己的版本。

對於Bendix來說,遺憾的是官方認為現代ABS歸功於菲亞特研究中心(Fiat Research Center)的Mario Palazzetti。Palazzetti改進了該系統,他後來被稱為“ABS先生”。Bosch Mobility Solutions收購了Palazzetti的系統,將其重新命名為“ABS”,並繼續對其進行改進以用於量產汽車,直至它成為標配功能。

ABS成為所有汽車製造商的標配功能,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。

Mercedes-Benz testing ABS

41970年代Mercedes-BenzABS測試。(圖片來源:stuff

循跡控制系統

循跡控制系統(Traction Control Systrm;TCS)調節用於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1970年代初期,汽車添加了電子TCS。循跡控制系統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煞車系統上。事實上,大多數循跡控制系統都有上一節中描述的ABS。循跡控制和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於1990年代初。1995年,博世(Boscj)在賓士(Mercedes-Benz)S600轎跑車中引入了該系統。

穩定性控制還與ABS和循跡系統整合,再加上額外的感測器,以掌握汽車對駕駛員輸入(油門和轉向)的回應。將來自方向盤感測器的資料與偏航感測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資訊調整煞車、油門或懸吊,改善操控性。

在美國,2012年穩定性控制已成為汽車標配設備。循跡控制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麼知名或常見。

總結

我們介紹了巡航控制、ABS、循跡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,早期設計通常採用機械式起源。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。

後續文章將探討其他ADAS及其發展歷史。最後一篇文章將重點介紹未來的系統以及向軟體定義汽車的發展。

活動簡介
未來寬能隙半導體元件會在哪些應用成為主流?元件供應商又會開發出哪些新的應用寬能隙元件的電路架構,以協助電力系統開發商進一步簡化設計複雜度、提升系統整體效率?TechTaipei「寬能隙元件市場與技術發展研討會」將邀請寬能隙半導體的關鍵供應商一一為與會者解惑。
贊助廠商

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論