ADAS發展史:從機械式系統到SDV (II)

作者 : Dan Clement,onsemi 資深首席方案市場行銷工程師

本文繼續介紹各種先進駕駛輔助系統(ADAS)及其發展歷史,包括防撞系統、自動緊急煞車(AEB)、倒車攝影機、盲點警告、先進的前照燈和胎壓監測...

作為本系列文章的第二部份,本文繼續介紹各種先進駕駛輔助系統(ADAS)及其發展歷史。第一部份的文章中介紹了巡航控制、ABS、循跡控制系統和穩定性控制。本文將繼續介紹防撞系統、自動緊急煞車(AEB)、倒車攝影機、盲點警告、先進的前照燈和胎壓監測。

防撞和自動緊急煞車

自動緊急煞車(AEB)是指汽車檢測危險或檢測駕駛員在危險情況下缺乏回應的能力,在這種情況下,汽車將自動實施煞車,即使不能避免碰撞風險,也能將碰撞風險程度降到最低。這可能發生在停車、變道或前向碰撞檢測(包括行人等)期間。有時AEB也稱為前向碰撞感應。

與前幾項創新一樣,AEB系統也有著豐富的發展歷史。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了基於雷達的系統。戰後,RCA試圖尋找非軍事應用。Korman致力於雷達系統的速度控制研究,專注於改善交通流量。最初主要的關注點是火車系統,強調減少路口的交通流量和容量。後來他指出,道路汽車也可以使用這種系統。

Korman表示:「該發明利用一個雷達系統,此系統搭載在要控制的汽車上。雷達系統會根據與前車的距離產生一個電壓。將該電壓與依賴於汽車行駛速度的電壓進行比較;根據比較結果對汽車進行控制。」在一項於1948年提交並於1955年獲批的專利中對此系統進行了描述。

隨著時間的推移,業界意識到雷達在軍事和航空應用之外的價值。George Rashid居住在密西根湖附近,那裡經常有霧,於是他發明了第一個基於自動汽車的雷達控制煞車系統。這種霧天及其相關事故和險情激發了Rashid創建該系統的靈感,因為雷達可以穿透大霧,並且很可靠。Rashid還設想將其用於近期開發的高速公路系統,駕駛員在高速公路長途駕駛中很容易感覺疲勞,注意力難以集中。他還非常關注這項技術在幫助因年齡增長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,它會切斷汽車的油門並實施煞車。儘管該系統減少事故的能力在成功的測試中得到了證明,但它並未獲得商業化採用。與其他未配備該裝置的汽車發生連鎖反應事故的責任和訴訟是一個令人擔憂的問題。或許更令人擔憂的是,該系統使用的真空管相當笨重,加上對長期可靠性的質疑,使得該系統難以商業化。

Rashid 去世後,他的兒子尋找投資者並宣傳更具商業吸引力的基於電晶體的方案,使該系統重獲新生。電晶體和積體電路的商業化和小型化發生在1970年代中期。雖然更小、更可靠的方案極具吸引力,但他的兒子最終過度沉迷金錢和名利。他欺騙了投資者,削弱了投資界和商業界對此項技術的熱情。

幸運的是,許多汽車公司在開發他們的系統時關注並參考了Rashid的專利。或許最著名且最早採用該技術的是通用汽車1959款概念車型,設計者為Harley EarlBill Mitchell

Cyclone

圖1:通用汽車 1959 款凱迪拉克Cyclone概念車型,設計者為Harley Earl和Bill Mitchell (圖片來源:Piston Heads)。

Cyclone概念車型配備了基於雷達的碰撞檢測系統。前機艙(反映了那個時代的火箭和航空技術)別具一格地配備了雷達。該系統使用雷達計算與汽車前方物體的距離,並警告駕駛員有物體及其距離。根據警告採取行動仍然是駕駛員的責任,但這款概念車型是邁向商業化的重要一步。

在整個1960年代和1970年代,多家公司繼續設計各種類型的防撞系統。工程師和監管機構非常擔心駕駛員因過度依賴這些系統,可能會導致更多事故,而不是減少事故。他們在廣泛的測試中觀察到了這種行為。美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)建議,至少要到1980年代,這些系統才會足夠安全以供採用。

直到1990年代,該系統才被推向市場。1992年,三菱汽車在Debonair車型中發佈了一款基於雷射的系統,名為「距離警告」,該系統可在其他物體過於靠近汽車時提醒駕駛員。不久之後,又在Diamante車型中發佈了一個名為「預覽距離控制」的閉路系統。該系統會關閉油門以協助駕駛員避免檢測到的碰撞,從而增加反應時間。

1990年代,其他汽車公司也積極開發自己的系統。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煞車和巡航控制功能相結合。

2003年,本田(Honda)成為第一家銷售基於雷達的自動煞車系統公司,稱為「防撞減輕煞車系統」。豐田(Toyota)、賓士(Mercedes-Benz)和富豪(Volvo)也迅速進行了類似的開發。

Distronic

圖2:1990年代賓士的“Distronic”系統(圖片來源:Piston Heads)。

2012年的一篇文章向大眾介紹了自適應巡航控制(ACC)和自動緊急煞車(AEB)。這篇文章很好地解釋了ACC和AEB的工作原理。但最精彩的部份是關於未來的描繪,駕駛員坐在車裡閱讀《華爾街日報》,而汽車載送您去上班。這仍然是一個目標,雖然在過去九年中取得了長足進展,但距離我們徹底從駕駛過程中解脫出來,還有很長的路要走。

隨著產業競相實現完全自動駕駛,當今的汽車具有更加複雜的前向感應需求。早期的系統只能「看到」幾十公尺遠。儘管如此,由於高動態範圍攝影機、遠距離光達或雷達之間的感測器融合以及快速機器視覺處理,今天的系統可以看到最遠300m甚至更遠的距離。

除了本節中介紹的煞車和巡航控制功能外,還有更多功能使用前向感應系統。一些較簡單的系統僅在駕駛員偏離當前車道時發出警告,這被稱為車道保持輔助或車道偏離警告系統。透過採用電子轉向系統(線控驅動),可以借助前向感應資料自動調節方向盤,使汽車保持在原有車道中。這稱為車道保持系統或車道居中。Level 2+系統(例如特斯拉“Autopilot”)可以自動駕駛。然而,現在大多數人都知道,這個飽含爭議的功能名稱被認為具有誤導性。在Wikipedia 中提供廣泛的背景知識和額外連結。

倒車攝影機

第一個已知的倒車攝影機用例是1956年的Buick Centurion概念車型。它配備了一個後置電視攝影機,其影像顯示在駕駛艙的電視螢幕上,以取代後視鏡。

Centurion

31956年的Buick Centurion概念車型,帶後置倒車攝影機。(圖片來源:John Lloyd

儘管這個想法不錯,但經濟因素可能會禁止全面部署。事實上,人們認為這個系統從未完全發揮作用。

隨後已知的使用是由Volvo汽車在1972年的“富豪安全實驗概念車”中進行的測試。

Toyota汽車是首家將倒車攝影機放入量產車的OEM,即1991年的Soarer Limited,僅在日本銷售。在1997年之前的生產中,該系統使用彩色螢幕和安裝在擾流板上的CCD攝影機。

2000年,日產Infiniti配備了倒車攝影機。在該系統(2001年在美國市場提供的可選項)中,LCD屏上的彩色線條可估計到影像中物體的距離。業界還開發出其他後裝市場方案。

2015年,凱迪拉克(Cadillac)配備了高解析度寬視野倒車攝影機,使駕駛員能夠看到汽車後方更遠的地方,甚至可以看到旁邊的車道。到了2017年,速霸陸(Subaru)和Cadillac都將倒車攝影機與後部自動緊急煞車結合到了一起。

一些汽車還結合超聲波或短距離雷達來提供接近警告,以增強影像資料或警示有人突然接近汽車。

推動其大規模採用和立法的主要力量來自美國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在車道上倒車時,被意外撞傷致死。Cameron成為這個問題的象徵。在接下來的十年裡,展開了一場社會運動,最終以通過一項法案而告終,該法案要求所有2018年5月1日之後生產的汽車都必須配有倒車攝影機作為標配功能。

盲點警告

Volvo被譽為盲點警告(BSW)系統的發明者,該公司於2003年推出了名為BLIS的盲點資訊系統。BSW系統具有多種實現方式,可以使用雷達、超音波、攝影機或其組合。一些BSW系統可能與緊急煞車、車道保持系統等結合使用,具體取決於汽車和支援的整體ADAS功能。許多系統就像側面後視鏡上的警示燈一樣簡單。

另一個盲點是擋風玻璃和車門之間的支柱。BSW不能完全解決該問題,仍有可能造成事故。2019年,14歲的Alain Gassler提出了一個新穎的方案。雖然這個方案仍需進一步開發,但她的想法可以解決由障礙物支柱造成的剩餘可見度問題。

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圖4:美國賓州West Grove的Alaina Gassler因盲點創新方案贏得25,000美元獎金。(圖片來源:CNN)

她的方案是使用攝影機和投影儀將缺失的資訊疊加到柱子上。在這段YouTube 視訊中顯示了該專案的詳細資訊。

圖5:盲點系統工作方式。

儘管她很有創意,但量產車型尚未實施這種支柱系統,也許在未來,這種情況會發生改變。與此同時,當今道路上的大多數系統都使用雷達和/或攝影機(如上所述,內置於後視鏡中)。

先進的前照燈系統

先進的前照燈系統(AFLS,有時也稱為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視訊展示了各種可能性的概況。

1911年左右問世的早期電子前照燈沒有遠光燈功能,而且還需要駕駛員上下車才能完成其開關操作。1915年左右,凱迪拉克率先在儀錶板上配備了一個機械開關。早期的這些系統不可調,只能打開/關閉,並且方向和俯仰是固定的。

在1920年代中期,為了因應在某些條件下需要特定光照的法規,業界發明了雙燈絲前照燈,支持遠光燈和近光燈。汽車製造商提供了一個腳踏板控制,用於切換遠光燈和近光燈,以控制這些新型車燈。在1950年代至1990年代期間,多家汽車製造商實施了一項自動功能,利用感測器檢測迎面駛來的車輛,進而切換遠光燈和近光燈。

最初構想可追溯到1930年代,Willys、Tucker及其他製造商實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「獨眼巨人」前照燈,與方向盤機械連接。該額外的燈光將照向方向盤所指的方向(Laukkonen,2019年)。

直到1990年代,前照燈的主要創新都集中在照明技術本身。先是鹵素燈被採用,後來轉向HID(高強度氣體放電),最後在1990年代轉向LED(發光二極體)。LED的效率更高,使用壽命更長。隨著技術進步,我們預計LED將成為汽車中的主導光源。

高檔汽車在2000年代開始實施電子自我調整前照燈系統。首批系統使用微型步進電機來控制光束,並使用LED控制器有選擇地關閉各個LED。這些系統現在正在向全面電子版本轉變。

另一個相關系統是現代雨量光線感測器模組。雨量光線感測器檢測到潮濕的擋風玻璃,將控制雨刷器(雨量感測器)和前照燈(光線感測器),包括近光燈和遠光燈。一些公司正在嘗試在攝影機中實現此功能,但到目前為止,使用雨量光線感測器模組來實現此功能更為有效。

Hella

圖6:雨量光線感測器模組示例。(圖片來源:Hella)

胎壓監測

美國NHTSA早在1970年代就考慮了胎壓監測系統(TPMS)。雖然人們很早就知道,適當充氣的輪胎有益安全,但當時並沒有合適的自動監測系統。此外,在1970年代,印第安那州立大學的一項研究發現,充氣不足的輪胎會使煞車和操控性能下降,占事故原因的1.5%。固特異在一項獨立研究中也發現了同樣的情況。

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圖7:TPMS模組示例。(圖片來源:CARiD )

在1970年代末的燃油危機中,胎壓監測問題再次浮出水面,但這次是因為油耗而不是安全問題。適當充氣的輪胎平均可使當時道路上汽車的行駛里程提升3-4%。在80年代初期,TPMS技術有所改進,但還是不夠準確或可靠。成本也很高,每車高達200美元,在經濟衰退期間阻礙了採用(1970年的200美元相當於今天的1423美元)。

第一輛配備TPMS的車型是1987款保時捷959 (Porsche 959)。這款超級車型具有許多先進功能,甚至是高階性能汽車所獨有。除了是首款提供TPMS的車型外,它還配備了防鎖死煞車、液壓阻尼器(而非防傾桿)、自動懸架調節、電子行駛高度和阻尼控制等先進功能。

Porsche 959同時也是第一款使用防爆輪胎(洩氣保用輪胎)的汽車,這種輪胎需要胎壓監測。防爆輪胎即使在輪胎洩氣時仍然能正常行駛,駕駛員可能都不會注意到輪胎洩氣了。當然,洩氣的防爆輪胎對能夠以極高速行駛的高性能汽車的駕駛員會構成額外的危險。

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圖8:保時捷959。(圖片來源:CARiD)

從1999年開始,胎壓監測成為雪佛蘭Corvettes的標配功能,該車型也使用了防爆輪胎,因此需要TPMS。在其首次亮相後,更多標準款汽車開始採用胎壓監測。

然而,有望推動其大規模採用的是美國政府2000年的TREAD (輪胎召回增強、責任和文檔)法案。這項法律源於涉及福特探險者(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題,使用胎壓降低的凡士通輪胎進行糾正,而不是重新設計汽車。不幸的是,該輪胎最終也存在設計問題,因輪胎爆裂導致翻車事故,數千人受傷,數百人死亡。

TREAD法案要求每個車輪的TPMS通知駕駛員任何故障,在啟動期間進行系統自檢,並在使用者手冊中進行記錄。自2007年9月1日起,所有10,000磅以下的汽車都需要配備此系統。

將近14年過去了,沒有配備TPMS的道路行駛汽車越來越少見了。大多數國家/地區現在都要求TPMS,它已成為全球範圍的標準安全功能。

總結

本文介紹了防撞和自動緊急煞車、倒車攝影機、盲點警告、先進的前照燈和胎壓監測的發展歷史。

在下一篇也是最後一篇文章中,我們將繼續介紹駕駛員和乘員監控、環景及車聯網(V2X)。我們將討論軟體定義汽車(SDV)和汽車的完全數位化。最後並介紹擴增實境(AR)、虛擬實境(VR)和元宇宙,以及這些趨勢會對未來汽車產生怎樣的影響。

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