【導讀】作為本系列文章的第二部分，本文繼續介紹各種先進駕駛輔助系統(ADAS)及其發展歷史。第一部分的文章介紹了巡航控制、ABS、牽引力控制和穩定性控制。本文將繼續介紹防撞系統、自動緊急制動(AEB)、倒車攝像頭、盲點警告、先進的前照燈和胎壓監測。
防撞和自動緊急制動
自動緊急制動(AEB)是指汽車檢測危險或檢測駕駛員在危險情況下缺乏響應的能力，在這種情況下，汽車將自動實施制動，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于雷達的系統。戰后，RCA試圖尋找非軍事應用。Korman致力于雷達系統的速度控制研究，專注于改善交通流量。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。后來他指出，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。將該電壓與依賴于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。”(Kingston，2018年)在一項于1948年提交并于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居住在密歇根湖附近，那里經常有霧，于是他發明了第一個基于自動汽車的雷達控制制動系統。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，并且很可靠。
Rashid還設想將其用于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并實施制動。盡管該系統減少事故的能力在成功的測試中得到了證明，但它并未獲得商業化采用。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去世后，他的兒子尋找投資者并宣傳更具商業吸引力的基于晶體管的方案，使該系統重獲新生。晶體管和集成電路的商業化和小型化發生在20世紀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并參考了Rashid的專利。或許最著名且最早采用該技術的是通用汽車1959款概念車型，設計者為Harley Earl和Bill Mitchell。
圖1. 通用汽車1959款凱迪拉克Cyclone概念車型，設計者為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，并警告駕駛員有物體及其距離。根據警告采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20世紀60年代和70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20世紀80年代，這些系統才會足夠安全以供采用(Kingston，2018年)。
直到20世紀90年代，該系統才被推向市場。1992年，三菱汽車在Debonair車型中發布了一款基于激光的系統，名為“距離警告”，該系統可在其他物體過于靠近汽車時提醒駕駛員。不久之后，又在Diamante車型中發布了一個名為“預覽距離控制”的閉環系統。該系統會關閉油門以幫助駕駛員避免檢測到的碰撞，從而增加反應時間。
20世紀90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制動和巡航控制功能相結合。
2003年，本田成為第一家銷售基于雷達的自動制動系統的公司，稱為“防撞減輕制動系統”。豐田、梅賽德斯和沃爾沃也迅速進行了類似的開發。
圖2. 20世紀90年代梅賽德斯奔馳的“Distronic”系統，圖片由Piston Heads提供
2012年的一篇文章向大眾介紹了自適應巡航控制(ACC)和自動緊急制動(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于未來的描繪，駕駛員坐在車里閱讀《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。
隨著行業競相實現完全自動駕駛，當今的汽車具有更加復雜的前向感應需求。早期的系統只能“看到”幾十米遠。盡管如此，由于高動態范圍攝像頭、遠距離激光雷達或雷達之間的傳感器融合以及快速機器視覺處理，今天的系統可以看到最遠300 m甚至更遠的距離。
除了本節中介紹的制動和巡航控制功能外，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。
通過采用電子轉向系統(線控驅動)，可以借助前向感應數據自動調節方向盤，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。2+級系統(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。這個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(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“沃爾沃安全實驗概念車”中進行的測試。
豐田汽車是首家將倒車攝像頭放入量產車的OEM，即1991年的Soarer Limited，僅在日本銷售。在1997年之前的生產中，該系統使用彩色屏幕和安裝在擾流板上的CCD攝像頭。
2000年，日產英菲尼迪配備了倒車攝像頭。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圖像中物體的距離。業界還開發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緊急制動結合到了一起。
一些汽車還結合超聲波或短距離雷達來提供接近警告，以增強圖像數據或警示有人突然接近汽車。
推動其大規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，被意外撞傷致死(作者不詳，Cameron Gulbransen，2021年)。Cameron成為這個問題的象征。在接下來的十年里，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日之后生產的汽車都必須配有倒車攝像頭作為標配功能。
盲點警告
沃爾沃被譽為盲點警告(BSW)系統的發明者，該公司于2003年推出了名為BLIS的盲點信息系統(作者不詳，Lovering Volvo Cars Nashua，2021年)?。BSW系統具有多種實現方式，可以使用雷達、超聲波、攝像頭或其組合。一些BSW系統可能與緊急制動、車道保持系統等結合使用，具體取決于汽車和支持的整體先進駕駛輔助系統(ADAS)功能。許多系統就像側面后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(如這篇文章所述)。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余可見度問題。
圖4. 來自賓夕法尼亞州West Grove的Alaina Gassler因盲點創新方案贏得25,000美元獎金，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視頻顯示了該項目的詳細信息。
圖5. 盲點系統工作方式快照，截取自YouTube視頻
盡管她很有創意，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/或攝像頭(如上所述，內置于后視鏡中)。
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，凱迪拉克率先在儀表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，并且方向和俯仰是固定的(作者不詳，The Retrofit Source，2021年)。
在20世紀20年代中期，為了應對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。汽車制造商提供了一個腳踏板控制，用于切換遠光燈和近光燈，以控制這些新型車燈。在20世紀50年代至90年代期間，多家汽車制造商實施了一項自動功能，利用傳感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20世紀30年代，Willys、Tucker及其他制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20世紀90年代，前照燈的主要創新都集中在照明技術本身。先是鹵素燈被采用，后來轉向HID(高強度氣體放電)，最后在20世紀90年代轉向LED(發光二極管)。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適應前照燈系統。首批系統使用微型步進電機來控制光束，并使用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傳感器模塊。雨量光線傳感器檢測到潮濕的擋風玻璃，將控制雨刷器(雨量傳感器)和前照燈(光線傳感器)，包括近光燈和遠光燈。一些公司正在嘗試在攝像頭中實現此功能，但到目前為止，使用雨量光線傳感器模塊來實現此功能更為有效。
圖6. 雨量光線傳感器模塊示例，圖片由Hella提供
胎壓監測
美國NHTSA早在20世紀70年代就考慮了胎壓監測系統(簡稱 TPMS)。雖然人們很早就知道，適當充氣的輪胎有益安全，但當時并沒有合適的自動監測系統。此外，在20世紀70年代，印第安納州立大學的一項研究發現，充氣不足的輪胎會使制動和操控性能下降，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(G，2016年)。
圖7. TPMS模塊示例，圖片由CARiD的文章提供
在20世紀70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采用(根據這個計算器，1970年的 200美元相當于今天的1423美元)。
第一輛配備TPMS的車型是1987款保時捷959。這款超級車型具有許多先進功能，甚至是高端性能汽車所獨有。除了是首款提供TPMS的車型外，它還配備了防抱死制動、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(Huffman，2012年)。
保時捷959同時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測。防爆輪胎即使在輪胎泄氣時仍然能正常行駛，駕駛員可能都不會注意到輪胎泄氣了。當然，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構成額外的危險。
圖8. 保時捷959，圖片由CARiD提供
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。在其首次亮相后，更多標準款汽車開始采用胎壓監測。
然而，有望推動其大規模采用的是美國政府2000年的 TREAD(輪胎召回增強、責任和文檔)法案。這項法律源于涉及福特探險者(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，并在用戶手冊中進行記錄。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(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。大多數國家/地區現在都要求TPMS，它已成為全球范圍的標準安全功能。
總結
本文介紹了防撞和自動緊急制動、倒車攝像頭、盲點警告、先進的前照燈和胎壓監測的發展歷史。
在下一篇也是最后一篇文章中，我們將繼續介紹駕駛員和乘員監控、環視及V2x。我們將討論軟件定義汽車和汽車的完全數字化。最后，我們將介紹增強現實、虛擬現實和元宇宙，以及這些趨勢會對未來汽車產生怎樣的影響。
作者：安森美(onsemi)高級首席方案市場營銷工程師Dan Clement
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