先進駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的發(fā)展歷史：從機械式系統(tǒng)到軟件定義汽車——第一部分

現(xiàn)代汽車配備了大量系統(tǒng)和小工具，每個車型年份中還在繼續(xù)增加。有些系統(tǒng)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(tǒng)、各種性能模式、預設座位設置、后視鏡位置等。另外一些系統(tǒng)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(tǒng) (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(huán)視攝像頭等。

在過去的 100 年里，這些駕駛輔助系統(tǒng)飛速發(fā)展，從最初簡單的機械巡航控制發(fā)展成為汽車愿景——使用軟件定義，沉浸于增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)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(guī)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(xù)時間超過行業(yè)預期的現(xiàn)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(tǒng) (ADAS) 的發(fā)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(tǒng)的說明。最后一篇文章將討論未來的 ADAS 系統(tǒng)以及汽車將如何從一個機械機器轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珨?shù)字化體驗。

巡航控制最早的駕駛員輔助系統(tǒng)或許是 Speedostat。Speedostat 是由 Ralph Teetor 設計的第一個速度控制系統(tǒng)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(yǎng)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(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(qū)動軸的機械調(diào)速器裝置的儀表板速度選擇器。在調(diào)速器的驅(qū)動下，真空泵會向上推動油門踏板，向駕駛員發(fā)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(diào)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?！?

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(tǒng)，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)。

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(chǎn)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(fā)明，集成電路誕生了。隨著單個晶體管發(fā)展成為芯片上的整個電路，Daniel Wisner 發(fā)明了第一個電子巡航控制系統(tǒng)，并獲得了專利(1971 年)，該系統(tǒng)被稱為“汽車速度控制系統(tǒng)”(Niemeier，2016年)。這種新的電子速度控制可以在閉環(huán)中調(diào)節(jié)車速，即使在上坡和下坡時也可調(diào)節(jié)，這是一個創(chuàng)舉。這項發(fā)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(xiàn) Wisner 的算法。在很長一段時間內(nèi)，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。

圖 2. MC14460 巡航控制芯片的數(shù)據(jù)手冊封面頁

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(qū)動與過去的真空泵系統(tǒng)的對比

巡航控制的下一個重大創(chuàng)新是 20 世紀 90 年代初出現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng) (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(tǒng)。(作者不詳，Wikipedia，2021年)

1920 年，飛機和汽車先驅(qū) Gabriel Voisin 為飛機設計并試驗了機械式 ABS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一個飛輪，飛輪隨車輪旋轉(zhuǎn)并控制制動系統(tǒng)的液壓閥。當車輪和飛輪都以相同速度旋轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)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(zhuǎn)，這種相對轉(zhuǎn)速的差異將打開液壓制動閥，從而讓輪胎再次旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)使制動距離減少了 30%，并使飛機在通常沒有該系統(tǒng)無法飛行的情況下也能飛行。由于該系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)沒有看到這個想法的價值，該公司放棄了此系統(tǒng)。

在 20 世紀 60 年代，另一個全機械式系統(tǒng)在 Ferguson P99、Jensen FF 和四輪驅(qū)動的福特 Zodiac 上進行了有限的試驗。該系統(tǒng)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(fā)于 20 世紀 60 年代末期——并非面向汽車，而是用于協(xié)和式飛機。協(xié)和式飛機是一個高可見性的創(chuàng)新技術開發(fā)項目，舉世矚目。協(xié)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(fā)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(xié)和式飛機的起飛速度為 250 節(jié)，遠比當時和現(xiàn)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(tǒng)非?？煽?，業(yè)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(xiàn)代 ABS 歸功于菲亞特研究中心的 Mario Palazzetti。Palazzetti 改進了該系統(tǒng)，他后來被稱為“ABS 先生”。Bosch Mobility Solutions 收購了 Palazzetti 的系統(tǒng)，將其重新命名為“ABS”，并繼續(xù)對其進行改進以用于量產(chǎn)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(xiàn)在也成為一個泛化通用術語。

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(tǒng) (TCS) 調(diào)節(jié)用于驅(qū)動車輪的動力大小。最初，驅(qū)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(jiān)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(tǒng)控制汽車的油門或火花控制，但大多數(shù)最終都集中在利用汽車的制動系統(tǒng)上。事實上，大多數(shù)牽引力控制系統(tǒng)都有上一節(jié)中描述的 ABS。牽引力控制和 ABS 一樣，是當今的標配功能。

穩(wěn)定性控制穩(wěn)定性控制系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)。(Markus，2020年)

穩(wěn)定性控制還與 ABS 和牽引系統(tǒng)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(zhuǎn)向)的響應。將來自方向盤傳感器的數(shù)據(jù)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(wěn)定性控制可以使用此信息調(diào)整制動、油門或懸架，改善操控性。

在美國，2012 年穩(wěn)定性控制已成為汽車標配設備。牽引力和穩(wěn)定性控制是重要的系統(tǒng)，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(wěn)定性控制的歷史和發(fā)展。每個系統(tǒng)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。各個系統(tǒng)之間的共同點是，開發(fā)、測試和驗證新系統(tǒng)通常需要數(shù)十年的時間，才能投放到市場。