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汽车ADAS进化的百年历史(一)

发布时间:2022-03-17 来源:安森美 责任编辑:wenwei

【导读】现代汽车配备了大量系统和小工具,每个车型年份中还在继续增加。有些系统和小工具是为了吸引购买者或提高舒适度。常见的例子包括氛围照明,高端娱乐系统,各种性能模式,预设座位设置,后视镜位置等。另外一些系统则是为了确保驾驶员和乘客的安全,通常称为先进驾驶辅助系统(ADAS)。常见的例子包括自适应巡航控制,自动紧急制动,倒车摄像头,前向感应,环视摄像头等。


在过去的100年里,这些驾驶辅助系统飞速发展,从最初简单的机械巡航控制发展成为汽车愿景——使用软件定义,沉浸于增强现实和虚拟现实(又称为元宇宙),并达到完全自主驾驶。目前,汽车达到SAE International规定的2+级自动驾驶水平。2级是汽车允许部分自动驾驶,但驾驶员仍需保持注意力,随时准备接管驾驶。2+级中的加号(+)是指自动驾驶极为复杂且持续时间超过行业预期的现实。作为背景知识,5级指的是完全自动驾驶,无需驾驶员,0级则是无自动驾驶。


本文是有关先进驾驶辅助系统(ADAS)的发展历史系列文章的第一部分。本系列由多个部分组成,将回顾各种不同系统的说明。最后一篇文章将讨论未来的ADAS系统以及汽车将如何从一个机械机器转变为完全数字化体验。


巡航控制


最早的驾驶员辅助系统或许是Speedostat。Speedostat是由 Ralph Teetor设计的第一个速度控制系统设计(Steinken,2020年)。不可思议的是,他从小就双目失明。他利用视力的缺失培养了超常的触觉和超强的专注力,他声称这就是使他成为如此伟大的发明家和工程师的原因。《史密森尼》杂志(Sears,2018年)的一篇文章对他的一生进行了精彩的概括。


Speedostat(通常被称为“Stat”,于1950年8月22日获得专利)包含一个连接到源自汽车驱动轴的机械调速器装置的仪表板速度选择器。在调速器的驱动下,真空泵会向上推动油门踏板,向驾驶员发出减速触觉信号。


该专利获批五年后,《大众机械师》(Sears,2018年)在Speedostat的专题介绍中称它是“一种带有额外功能的动力加速器或调速器。它使我们在汽车自动驾驶的道路上向前迈进了几英里。”


克莱斯勒是第一家采用Speedostat的汽车制造商,并于1958年将其命名为“Auto-Pilot”。凯迪拉克也使用了该系统,不过他们将其命名为“巡航控制”,该名称逐步泛化,甚至到今天仍被普遍用来指代这项技术(Teetor,2020年)。


图1. 1957 年,Ralph Teetor手持巡航控制,图片由汽车名人堂提供


Teetor的Speedostat在量产车型中获得成功后不久,另一场技术革命正在进行——随着硅晶体管的发明,集成电路诞生了。随着单个晶体管发展成为芯片上的整个电路,Daniel Wisner发明了第一个电子巡航控制系统,并获得了专利(1971年),该系统被称为“汽车速度控制系统”(Niemeier,2016年)。这种新的电子速度控制可以在闭环中调节车速,即使在上坡和下坡时也可调节,这是一个创举。


这项发明最终被称为巡航控制,它彻底改变了汽车。随着它越来越受欢迎,在20 世纪80年代末,摩托罗拉设计并制造了一款硅芯片来实现Wisner的算法。在很长一段时间内,许多汽车都使用了这款芯片。其部件编号是MC14460,尽管MC14460芯片早已退役,但该算法至今仍被广泛使用。


图2. MC14460巡航控制芯片的数据手册封面页,图片由 hackaday.com提供


图3. 1996年的通用汽车巡航控制模块(图片由 LS Engine DIY 提供),它显示了用于控制油门线的电气驱动与过去的真空泵系统的对比


巡航控制的下一个重大创新是20世纪90年代初出现的自适应巡航控制。William Chundrlik和Pamela Labuhn发明了自适应巡航控制(Steinken,2020年)。该系统的工作原理类似于定速巡航控制,但采用了一个测距传感器,使汽车能够在车速较慢的汽车后面减速,但仍然保持速度控制。首批系统采用了激光,但各种方案使用了不同类型的传感器,包括雷达,激光雷达和摄像头。


ABS


防抱死制动系统(ABS)起源于航空业,也有一段有趣的发展历史。ABS与巡航控制一样,起初也是机械系统。(作者不详,Wikipedia,2021年)


1920年,飞机和汽车先驱Gabriel Voisin为飞机设计并试验了机械式ABS系统。该系统采用一个飞轮,飞轮随车轮旋转并控制制动系统的液压阀。当车轮和飞轮都以相同速度旋转时,系统会释放制动器。如果车轮突然减速(可能是车轮打滑时),飞轮将保持更快地旋转,这种相对转速的差异将打开液压制动阀,从而让轮胎再次旋转。该系统使制动距离减少了30%,并使飞机在通常没有该系统无法飞行的情况下也能飞行。由于该系统减少了打滑,也大幅降低了轮胎磨损。


除了飞机,皇家恩菲尔德超级流星摩托车在1958年试用了首个ABS。全机械式系统证明ABS可大幅减少摩托车打滑,这是导致事故的常见原因。不幸的是,由于当时的技术总监没有看到这个想法的价值,该公司放弃了此系统。


在20世纪60年代,另一个全机械式系统在Ferguson P99,Jensen FF和四轮驱动的福特Zodiac上进行了有限的试验。该系统并不可靠且过于昂贵,没有流行起来。


第一款全电子式ABS开发于20世纪60年代末期——并非面向汽车,而是用于协和式飞机。协和式飞机是一个高可见性的创新技术开发项目,举世瞩目。协和式飞机的起飞和着陆需要很长的跑道,配备ABS是避免在发生事故或其他偏移时滑出跑道的要求,是正常运行所必需的。协和式飞机的起飞速度为250节,远比当时和现在的普通商用飞机(作者不详,Heritage Concorde,2021年)要高得多。如果没有ABS制动,在湿滑跑道上中断起飞将很危险。


电子式ABS进入的首款消费汽车是1971年的克莱斯勒 Imperial小轿车。本迪克斯公司于1970年为该ABS申请了专利,克莱斯勒将其命名为“Sure Brake”,通常称为“防滑”(Schafer,1971年)。该系统非常可靠,业界其他公司也开始推出自己的版本。 


对于本迪克斯公司来说遗憾的是,官方认为现代ABS归功于菲亚特研究中心的Mario Palazzetti。Palazzetti 改进了该系统,他后来被称为“ABS 先生”。Bosch Mobility Solutions收购了Palazzetti的系统,将其重新命名为“ABS”,并继续对其进行改进以用于量产汽车,直至它成为标配功能(作者不详,Did You Know Cars,未注明日期)。


ABS成为所有汽车制造商的标配功能,几乎每辆道路上行驶的汽车都使用它。与巡航控制一样,ABS现在也成为一个泛化通用术语。


图4. 20世纪70年代梅赛德斯-奔驰的ABS测试,图片由stuff提供


牵引力控制


牵引力控制系统(TCS)调节用于驱动车轮的动力大小。最初,驱动轮使用限滑差速器以机械方式限制打滑车轮的动力。在20世纪70年代初期,汽车添加了电子TCS。牵引力控制监控车轮速度和车轮之间的速度差,以控制每个车轮的动力大小。一些系统控制汽车的油门或火花控制,但大多数最终都集中在利用汽车的制动系统上。事实上,大多数牵引力控制系统都有上一节中描述的ABS。牵引力控制和ABS一样,是当今的标配功能。


稳定性控制


稳定性控制系统出现于20世纪90年代初。1995年,博世在梅赛德斯-奔驰S600轿跑车中引入了该系统。(Markus,2020年)


稳定性控制还与ABS和牵引系统集成,再加上额外的传感器,以掌握汽车对驾驶员输入(油门和转向)的响应。将来自方向盘传感器的数据与偏航传感器和加速度计进行比较,计算出汽车当前的行驶状况。稳定性控制可以使用此信息调整制动,油门或悬架,改善操控性。


在美国,2012年稳定性控制已成为汽车标配设备。牵引力和稳定性控制是重要的系统,但不如ABS和自适应巡航控制那么知名或常见。


总结


我们介绍了巡航控制,ABS,牵引力控制和稳定性控制的历史和发展。每个系统都具有独特而有趣的发展历史,早期设计通常采用机械式起源。各个系统之间的共同点是,开发,测试和验证新系统通常需要数十年的时间,才能投放到市场。  


后续文章将探讨其他先进驾驶辅助系统(ADAS)及其发展历史。最后一篇文章将重点介绍未来的系统以及向软件定义汽车的发展。


来源:安森美,作者:Dan Clement



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