先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的發(fā)展歷史：從機(jī)械式系統(tǒng)到軟件定義汽車——第二部分

簡介作為本系列文章的第二部分，本文繼續(xù)介紹各種先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 及其發(fā)展歷史。第一部分的文章介紹了巡航控制、ABS、牽引力控制和穩(wěn)定性控制。本文將繼續(xù)介紹防撞系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng) (AEB)、倒車攝像頭、盲點(diǎn)警告、先進(jìn)的前照燈和胎壓監(jiān)測。

防撞和自動(dòng)緊急制動(dòng)自動(dòng)緊急制動(dòng) (AEB) 是指汽車檢測危險(xiǎn)或檢測駕駛員在危險(xiǎn)情況下缺乏響應(yīng)的能力，在這種情況下，汽車將自動(dòng)實(shí)施制動(dòng)，即使不能避免碰撞風(fēng)險(xiǎn)，也能將碰撞風(fēng)險(xiǎn)程度降到最低。這可能發(fā)生在停車、變道或前向碰撞檢測(包括行人等)期間。有時(shí) AEB 也稱為前向碰撞感應(yīng)。

與前幾項(xiàng)創(chuàng)新一樣，AEB 系統(tǒng)也有著豐富的發(fā)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(zhàn)期間參與研發(fā)了基于雷達(dá)的系統(tǒng)。戰(zhàn)后，RCA 試圖尋找非軍事應(yīng)用。Korman 致力于雷達(dá)系統(tǒng)的速度控制研究，專注于改善交通流量。最初主要的關(guān)注點(diǎn)是火車系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)減少路口的交通流量和容量。后來他指出，道路汽車也可以使用這種系統(tǒng)。

Korman 表示：“該發(fā)明利用一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)，此系統(tǒng)搭載在要控制的汽車上。雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)與前車的距離產(chǎn)生一個(gè)電壓。將該電壓與依賴于汽車行駛速度的電壓進(jìn)行比較;根據(jù)比較結(jié)果對汽車進(jìn)行控制?！?Kingston，2018年)在一項(xiàng)于 1948 年提交并于 1955 年獲批的專利中對此系統(tǒng)進(jìn)行了描述。

隨著時(shí)間的推移，業(yè)界意識到雷達(dá)在軍事和航空應(yīng)用之外的價(jià)值。George Rashid 居住在密歇根湖附近，那里經(jīng)常有霧，于是他發(fā)明了第一個(gè)基于自動(dòng)汽車的雷達(dá)控制制動(dòng)系統(tǒng)。這種霧天及其相關(guān)事故和險(xiǎn)情激發(fā)了 Rashid 創(chuàng)建該系統(tǒng)的靈感，因?yàn)槔走_(dá)可以穿透大霧，并且很可靠。Rashid 還設(shè)想將其用于近期開發(fā)的高速公路系統(tǒng)，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(guān)注這項(xiàng)技術(shù)在幫助因年齡增長而反應(yīng)變慢的老年司機(jī)方面的潛力。

如果 Rashid 的系統(tǒng)檢測到碰撞威脅，它會(huì)切斷汽車的油門并實(shí)施制動(dòng)。盡管該系統(tǒng)減少事故的能力在成功的測試中得到了證明，但它并未獲得商業(yè)化采用。與其他未配備該裝置的汽車發(fā)生連鎖反應(yīng)事故的責(zé)任和訴訟是一個(gè)令人擔(dān)憂的問題。或許更令人擔(dān)憂的是，該系統(tǒng)使用的真空管相當(dāng)笨重，加上對長期可靠性的質(zhì)疑，使得該系統(tǒng)難以商業(yè)化。

Rashid 去世后，他的兒子尋找投資者并宣傳更具商業(yè)吸引力的基于晶體管的方案，使該系統(tǒng)重獲新生。晶體管和集成電路的商業(yè)化和小型化發(fā)生在 20 世紀(jì) 70 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于金錢和名利。他欺騙了投資者，削弱了投資界和商業(yè)界對此項(xiàng)技術(shù)的熱情。 幸運(yùn)的是，許多汽車公司在開發(fā)他們的系統(tǒng)時(shí)關(guān)注并參考了 Rashid 的專利。或許最著名且最早采用該技術(shù)的是通用汽車 1959 款概念車型，設(shè)計(jì)者為 Harley Earl 和 Bill Mitchell。

圖 1. 通用汽車 1959 款凱迪拉克 Cyclone 概念車型，設(shè)計(jì)者為 Harley Earl 和 Bill Mitchell，圖片由 Piston Heads 提供

Cyclone 概念車型配備了基于雷達(dá)的碰撞檢測系統(tǒng)。前機(jī)艙(反映了那個(gè)時(shí)代的火箭和航空技術(shù))別具一格地配備了雷達(dá)。該系統(tǒng)使用雷達(dá)計(jì)算與汽車前方物體的距離，并警告駕駛員有物體及其距離。根據(jù)警告采取行動(dòng)仍然是駕駛員的責(zé)任，但這款概念車型是邁向商業(yè)化的重要一步。

在整個(gè) 20 世紀(jì) 60 年代和 70 年代，多家公司繼續(xù)設(shè)計(jì)各種類型的防撞系統(tǒng)。工程師和監(jiān)管機(jī)構(gòu)非常擔(dān)心駕駛員因過度依賴這些系統(tǒng)，可能會(huì)導(dǎo)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 20 世紀(jì) 80 年代，這些系統(tǒng)才會(huì)足夠安全以供采用(Kingston，2018年)。

直到 20 世紀(jì) 90 年代，該系統(tǒng)才被推向市場。1992 年，三菱汽車在 Debonair 車型中發(fā)布了一款基于激光的系統(tǒng)，名為“距離警告”，該系統(tǒng)可在其他物體過于靠近汽車時(shí)提醒駕駛員。不久之后，又在 Diamante 車型中發(fā)布了一個(gè)名為“預(yù)覽距離控制”的閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉油門以幫助駕駛員避免檢測到的碰撞，從而增加反應(yīng)時(shí)間。

20 世紀(jì) 90 年代，其他汽車公司也積極開發(fā)自己的系統(tǒng)。人們很快意識到，這些前向感應(yīng)碰撞檢測系統(tǒng)可以而且應(yīng)該與自動(dòng)制動(dòng)和巡航控制功能相結(jié)合。

2003 年，本田成為第一家銷售基于雷達(dá)的自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的公司，稱為“防撞減輕制動(dòng)系統(tǒng)”。豐田、梅賽德斯和沃爾沃也迅速進(jìn)行了類似的開發(fā)。

圖 2. 20 世紀(jì) 90 年代梅賽德斯奔馳的“Distronic”系統(tǒng)，圖片由 Piston Heads 提供

2012 年的一篇文章向大眾介紹了自適應(yīng)巡航控制 (ACC) 和自動(dòng)緊急制動(dòng) (AEB) (Blackstone, 2012)。這篇文章很好地解釋了 ACC 和 AEB 的工作原理。但最精彩的部分是關(guān)于未來的描繪，駕駛員坐在車?yán)镩喿x《華爾街日報(bào)》，而汽車載送您去上班。這仍然是一個(gè)目標(biāo)，雖然在過去九年中取得了長足進(jìn)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。

隨著行業(yè)競相實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛，當(dāng)今的汽車具有更加復(fù)雜的前向感應(yīng)需求。早期的系統(tǒng)只能“看到”幾十米遠(yuǎn)。盡管如此，由于高動(dòng)態(tài)范圍攝像頭、遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)或雷達(dá)之間的傳感器融合以及快速機(jī)器視覺處理，今天的系統(tǒng)可以看到最遠(yuǎn) 300m 甚至更遠(yuǎn)的距離。

除了本節(jié)中介紹的制動(dòng)和巡航控制功能外，還有更多功能使用前向感應(yīng)系統(tǒng)。一些較簡單的系統(tǒng)僅在駕駛員偏離當(dāng)前車道時(shí)發(fā)出警告，這被稱為車道保持輔助或車道偏離警告系統(tǒng)。通過采用電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(線控驅(qū)動(dòng))，可以借助前向感應(yīng)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)方向盤，使汽車保持在原有車道中。這稱為車道保持系統(tǒng)或車道居中。2+ 級系統(tǒng)(例如特斯拉“Autopilot”)可以自動(dòng)駕駛。然而，現(xiàn)在大多數(shù)人都知道，這個(gè)飽含爭議的功能名稱被認(rèn)為具有誤導(dǎo)性。這個(gè) Wikipedia 頁面提供廣泛的背景知識和額外鏈接。

倒車攝像頭第一個(gè)已知的倒車攝像頭用例是 1956 年的 Buick Centurion 概念車型。它配備了一個(gè)后置電視攝像頭，其圖像顯示在駕駛艙的電視屏幕上，以取代后視鏡。

圖 3. 1956 年的 Buick Centurion 概念車型，帶后置倒車攝像頭，圖片由 John Lloyd 提供

盡管這個(gè)想法不錯(cuò)，但經(jīng)濟(jì)因素可能會(huì)禁止全面部署。事實(shí)上，人們認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)從未完全發(fā)揮作用(作者不詳，Wikipedia，2021年)。

隨后已知的使用是由沃爾沃汽車在 1972 年的“沃爾沃安全實(shí)驗(yàn)概念車”中進(jìn)行的測試。

豐田汽車是首家將倒車攝像頭放入量產(chǎn)車的 OEM，即 1991 年的 Soarer Limited，僅在日本銷售。在 1997 年之前的生產(chǎn)中，該系統(tǒng)使用彩色屏幕和安裝在擾流板上的 CCD 攝像頭。

2000 年，日產(chǎn)英菲尼迪配備了倒車攝像頭。在該系統(tǒng)(2001 年在美國市場提供的可選項(xiàng))中，LCD 屏上的彩色線條可估計(jì)到圖像中物體的距離。業(yè)界還開發(fā)出其他后裝市場方案。

2015 年，凱迪拉克配備了高分辨率寬視野倒車攝像頭，使駕駛員能夠看到汽車后方更遠(yuǎn)的地方，甚至可以看到旁邊的車道。到了 2017 年，斯巴魯和凱迪拉克都將倒車攝像頭與后部自動(dòng)緊急制動(dòng)結(jié)合到了一起。

一些汽車還結(jié)合超聲波或短距離雷達(dá)來提供接近警告，以增強(qiáng)圖像數(shù)據(jù)或警示有人突然接近汽車。

推動(dòng)其大規(guī)模采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(shí)，被意外撞傷致死(作者不詳，Cameron Gulbransen，2021年)。Cameron 成為這個(gè)問題的象征。在接下來的十年里，展開了一場社會(huì)運(yùn)動(dòng)，最終以通過一項(xiàng)法案而告終，該法案要求所有 2018 年 5 月 1 日之后生產(chǎn)的汽車都必須配有倒車攝像頭作為標(biāo)配功能。

盲點(diǎn)警告沃爾沃被譽(yù)為盲點(diǎn)警告 (BSW) 系統(tǒng)的發(fā)明者，該公司于 2003 年推出了名為 BLIS 的盲點(diǎn)信息系統(tǒng)(作者不詳，Lovering Volvo Cars Nashua，2021年)?。BSW 系統(tǒng)具有多種實(shí)現(xiàn)方式，可以使用雷達(dá)、超聲波、攝像頭或其組合。一些 BSW 系統(tǒng)可能與緊急制動(dòng)、車道保持系統(tǒng)等結(jié)合使用，具體取決于汽車和支持的整體先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 功能。許多系統(tǒng)就像側(cè)面后視鏡上的警示燈一樣簡單。

另一個(gè)盲點(diǎn)是擋風(fēng)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(gè)新穎的方案(如這篇文章所述)。雖然這個(gè)方案仍需進(jìn)一步開發(fā)，但她的想法可以解決由障礙物支柱造成的剩余可見度問題。

圖 4. 來自賓夕法尼亞州 West Grove 的 Alaina Gassler 因盲點(diǎn)創(chuàng)新方案贏得 25,000 美元獎(jiǎng)金，圖片由 CNN 提供

她的方案是使用攝像頭和投影儀將缺失的信息疊加到柱子上。這段 YouTube 視頻顯示了該項(xiàng)目的詳細(xì)信息。

圖 5. 盲點(diǎn)系統(tǒng)工作方式快照，截取自 YouTube 視頻

盡管她很有創(chuàng)意，但量產(chǎn)車型尚未實(shí)施這種支柱系統(tǒng)，也許在未來，這種情況會(huì)發(fā)生改變。與此同時(shí)，當(dāng)今道路上的大多數(shù)系統(tǒng)都使用雷達(dá)和/或攝像頭(如上所述，內(nèi)置于后視鏡中)。

先進(jìn)的前照燈系統(tǒng)先進(jìn)的前照燈系統(tǒng)(AFLS，有時(shí)也稱為 AFS)可以根據(jù)不同的速度、道路和天氣狀況控制和調(diào)整前照燈的強(qiáng)度和方向。Hella 提供的這段 YouTube 視頻很好地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(yuǎn)光燈功能，而且還需要駕駛員上下車才能完成其開關(guān)操作。1915 年左右，凱迪拉克率先在儀表板上配備了一個(gè)機(jī)械開關(guān)。早期的這些系統(tǒng)不可調(diào)，只能打開/關(guān)閉，并且方向和俯仰是固定的(作者不詳，The Retrofit Source，2021年)。

在 20 世紀(jì) 20 年代中期，為了應(yīng)對在某些條件下需要特定光照的法規(guī)，業(yè)界發(fā)明了雙燈絲前照燈，支持遠(yuǎn)光燈和近光燈。汽車制造商提供了一個(gè)腳踏板控制，用于切換遠(yuǎn)光燈和近光燈，以控制這些新型車燈。在 20 世紀(jì) 50 年代至 90 年代期間，多家汽車制造商實(shí)施了一項(xiàng)自動(dòng)功能，利用傳感器檢測迎面駛來的車輛，進(jìn)而切換遠(yuǎn)光燈和近光燈。

最初構(gòu)想可追溯到 20 世紀(jì) 30 年代，Willys、Tucker 及其他制造商實(shí)施了自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)由左右兩側(cè)的固定前照燈組成，中間有一個(gè)“獨(dú)眼巨人”前照燈，與方向盤機(jī)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 20 世紀(jì) 90 年代，前照燈的主要?jiǎng)?chuàng)新都集中在照明技術(shù)本身。先是鹵素?zé)舯徊捎茫髞磙D(zhuǎn)向 HID(高強(qiáng)度氣體放電)，最后在 20 世紀(jì) 90 年代轉(zhuǎn)向 LED(發(fā)光二極管)。LED 的效率更高，使用壽命更長。隨著技術(shù)進(jìn)步，我們預(yù)計(jì) LED 將成為汽車中的主導(dǎo)光源。

高檔汽車在 2000 年代開始實(shí)施電子自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)。首批系統(tǒng)使用微型步進(jìn)電機(jī)來控制光束，并使用 LED 控制器有選擇地關(guān)閉各個(gè) LED。這些系統(tǒng)現(xiàn)在正在向全面電子版本轉(zhuǎn)變。

另一個(gè)相關(guān)系統(tǒng)是現(xiàn)代雨量光線傳感器模塊。雨量光線傳感器檢測到潮濕的擋風(fēng)玻璃，將控制雨刷器(雨量傳感器)和前照燈(光線傳感器)，包括近光燈和遠(yuǎn)光燈。一些公司正在嘗試在攝像頭中實(shí)現(xiàn)此功能，但到目前為止，使用雨量光線傳感器模塊來實(shí)現(xiàn)此功能更為有效。

圖 6. 雨量光線傳感器模塊示例，圖片由 Hella 提供

胎壓監(jiān)測美國 NHTSA 早在 20 世紀(jì) 70 年代就考慮了胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱 TPMS)。雖然人們很早就知道，適當(dāng)充氣的輪胎有益安全，但當(dāng)時(shí)并沒有合適的自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。此外，在 20 世紀(jì) 70 年代，印第安納州立大學(xué)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，充氣不足的輪胎會(huì)使制動(dòng)和操控性能下降，占事故原因的 1.5%。固特異在一項(xiàng)獨(dú)立研究中也發(fā)現(xiàn)了同樣的情況(G，2016年)。

圖 7. TPMS 模塊示例，圖片由 CARiD 的文章提供

在 20 世紀(jì) 70 年代末的燃油危機(jī)中，胎壓監(jiān)測問題再次浮出水面，但這次是因?yàn)橛秃亩皇前踩珕栴}。適當(dāng)充氣的輪胎平均可使當(dāng)時(shí)道路上汽車的行駛里程提升 3-4%。在 80 年代初期，TPMS 技術(shù)有所改進(jìn)，但還是不夠準(zhǔn)確或可靠。成本也很高，每車高達(dá) 200 美元，在經(jīng)濟(jì)衰退期間阻礙了采用(根據(jù)這個(gè)計(jì)算器，1970 年的 200 美元相當(dāng)于今天的 1423 美元)。

第一輛配備 TPMS 的車型是 1987 款保時(shí)捷 959。這款超級車型具有許多先進(jìn)功能，甚至是高端性能汽車所獨(dú)有。除了是首款提供 TPMS 的車型外，它還配備了防抱死制動(dòng)、液壓阻尼器(而非防傾桿)、自動(dòng)懸架調(diào)節(jié)、電子行駛高度和阻尼控制等先進(jìn)功能(Huffman，2012年)。

保時(shí)捷 959 同時(shí)也是第一款使用防爆輪胎(泄氣保用輪胎)的汽車，這種輪胎需要胎壓監(jiān)測。防爆輪胎即使在輪胎泄氣時(shí)仍然能正常行駛，駕駛員可能都不會(huì)注意到輪胎泄氣了。當(dāng)然，泄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(huì)構(gòu)成額外的危險(xiǎn)。

圖 8. 保時(shí)捷 959，圖片由 CARiD 提供

從 1999 年開始，胎壓監(jiān)測成為雪佛蘭 Corvettes 的標(biāo)配功能，該車型也使用了防爆輪胎，因此需要 TPMS。在其首次亮相后，更多標(biāo)準(zhǔn)款汽車開始采用胎壓監(jiān)測。

然而，有望推動(dòng)其大規(guī)模采用的是美國政府 2000 年的 TREAD(輪胎召回增強(qiáng)、責(zé)任和文檔)法案。這項(xiàng)法律源于涉及福特探險(xiǎn)者 (Explorer) 和凡士通輪胎的重大爭議。很顯然，福特探險(xiǎn)者具有已知的穩(wěn)定性問題，使用胎壓降低的凡士通輪胎進(jìn)行糾正，而不是重新設(shè)計(jì)汽車。不幸的是，該輪胎最終也存在設(shè)計(jì)問題，因輪胎爆裂導(dǎo)致翻車事故，數(shù)千人受傷，數(shù)百人死亡。

TREAD 法案要求每個(gè)車輪的 TPMS 通知駕駛員任何故障，在啟動(dòng)期間進(jìn)行系統(tǒng)自檢，并在用戶手冊中進(jìn)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(tǒng)(作者不詳，Schrader TPMS Solutions，2021年)。

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(shù)國家/地區(qū)現(xiàn)在都要求 TPMS，它已成為全球范圍的標(biāo)準(zhǔn)安全功能。

總結(jié)本文介紹了防撞和自動(dòng)緊急制動(dòng)、倒車攝像頭、盲點(diǎn)警告、先進(jìn)的前照燈和胎壓監(jiān)測的發(fā)展歷史。

在下一篇也是最后一篇文章中，我們將繼續(xù)介紹駕駛員和乘員監(jiān)控、環(huán)視及 V2x。我們將討論軟件定義汽車和汽車的完全數(shù)字化。最后，我們將介紹增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和元宇宙，以及這些趨勢會(huì)對未來汽車產(chǎn)生怎樣的影響。