【導(dǎo)讀】現(xiàn)代汽車配備了大量系統(tǒng)和小工具，每個(gè)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(gòu)買(mǎi)者或提高舒適度。常見(jiàn)的例子包括氛圍照明、高端娛樂(lè)系統(tǒng)、各種性能模式、預(yù)設(shè)座位設(shè)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(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)。常見(jiàn)的例子包括自適應(yīng)巡航控制、自動(dòng)緊急制動(dòng)、倒車攝像頭、前向感應(yīng)、環(huán)視攝像頭等。
在過(guò)去的100年里，這些駕駛輔助系統(tǒng)飛速發(fā)展，從最初簡(jiǎn)單的機(jī)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)(又稱為元宇宙)，并達(dá)到完全自主駕駛。目前，汽車達(dá)到SAE International規(guī)定的2+級(jí)自動(dòng)駕駛水平。2級(jí)是汽車允許部分自動(dòng)駕駛，但駕駛員仍需保持注意力，隨時(shí)準(zhǔn)備接管駕駛。2+級(jí)中的加號(hào)(+)是指自動(dòng)駕駛極為復(fù)雜且持續(xù)時(shí)間超過(guò)行業(yè)預(yù)期的現(xiàn)實(shí)。作為背景知識(shí)，5級(jí)指的是完全自動(dòng)駕駛，無(wú)需駕駛員，0級(jí)則是無(wú)自動(dòng)駕駛。
本文是有關(guān)先進(jìn)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(gè)部分組成，將回顧各種不同系統(tǒng)的說(shuō)明。最后一篇文章將討論未來(lái)的ADAS系統(tǒng)以及汽車將如何從一個(gè)機(jī)械機(jī)器轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珨?shù)字化體驗(yàn)。
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(shè)計(jì)的第一個(gè)速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(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(jué)和超強(qiáng)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(duì)他的一生進(jìn)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(gè)連接到源自汽車驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)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(dòng)下，真空泵會(huì)向上推動(dòng)油門(mén)踏板，向駕駛員發(fā)出減速觸覺(jué)信號(hào)。
該專利獲批五年后，《大眾機(jī)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(dòng)力加速器或調(diào)速器。它使我們?cè)谄囎詣?dòng)駕駛的道路上向前邁進(jìn)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(guò)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(lái)指代這項(xiàng)技術(shù)(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(chǎng)技術(shù)革命正在進(jìn)行——隨著硅晶體管的發(fā)明，集成電路誕生了。隨著單個(gè)晶體管發(fā)展成為芯片上的整個(gè)電路，Daniel Wisner發(fā)明了第一個(gè)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(shí)也可調(diào)節(jié)，這是一個(gè)創(chuàng)舉。
這項(xiàng)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(lái)越受歡迎，在20 世紀(jì)80年代末，摩托羅拉設(shè)計(jì)并制造了一款硅芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)Wisner的算法。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，許多汽車都使用了這款芯片。其部件編號(hào)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(cè)封面頁(yè)，圖片由 hackaday.com提供
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(mén)線的電氣驅(qū)動(dòng)與過(guò)去的真空泵系統(tǒng)的對(duì)比
巡航控制的下一個(gè)重大創(chuàng)新是20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的自適應(yīng)巡航控制。William Chundrlik和Pamela Labuhn發(fā)明了自適應(yīng)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(gè)測(cè)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(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭。
ABS
防抱死制動(dòng)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(jī)械系統(tǒng)。(作者不詳，Wikipedia，2021年)
1920年，飛機(jī)和汽車先驅(qū)Gabriel Voisin為飛機(jī)設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了機(jī)械式ABS系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一個(gè)飛輪，飛輪隨車輪旋轉(zhuǎn)并控制制動(dòng)系統(tǒng)的液壓閥。當(dāng)車輪和飛輪都以相同速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)釋放制動(dòng)器。如果車輪突然減速(可能是車輪打滑時(shí))，飛輪將保持更快地旋轉(zhuǎn)，這種相對(duì)轉(zhuǎn)速的差異將打開(kāi)液壓制動(dòng)閥，從而讓輪胎再次旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)使制動(dòng)距離減少了30%，并使飛機(jī)在通常沒(méi)有該系統(tǒng)無(wú)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(jī)，皇家恩菲爾德超級(jí)流星摩托車在1958年試用了首個(gè)ABS。全機(jī)械式系統(tǒng)證明ABS可大幅減少摩托車打滑，這是導(dǎo)致事故的常見(jiàn)原因。不幸的是，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)總監(jiān)沒(méi)有看到這個(gè)想法的價(jià)值，該公司放棄了此系統(tǒng)。
在20世紀(jì)60年代，另一個(gè)全機(jī)械式系統(tǒng)在Ferguson P99、Jensen FF和四輪驅(qū)動(dòng)的福特Zodiac上進(jìn)行了有限的試驗(yàn)。該系統(tǒng)并不可靠且過(guò)于昂貴，沒(méi)有流行起來(lái)。
第一款全電子式ABS開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)60年代末期——并非面向汽車，而是用于協(xié)和式飛機(jī)。協(xié)和式飛機(jī)是一個(gè)高可見(jiàn)性的創(chuàng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，舉世矚目。協(xié)和式飛機(jī)的起飛和著陸需要很長(zhǎng)的跑道，配備ABS是避免在發(fā)生事故或其他偏移時(shí)滑出跑道的要求，是正常運(yùn)行所必需的。協(xié)和式飛機(jī)的起飛速度為250節(jié)，遠(yuǎn)比當(dāng)時(shí)和現(xiàn)在的普通商用飛機(jī)(作者不詳，Heritage Concorde，2021年)要高得多。如果沒(méi)有ABS制動(dòng)，在濕滑跑道上中斷起飛將很危險(xiǎn)。
電子式ABS進(jìn)入的首款消費(fèi)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(qǐng)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)非常可靠，業(yè)界其他公司也開(kāi)始推出自己的版本。
對(duì)于本迪克斯公司來(lái)說(shuō)遺憾的是，官方認(rèn)為現(xiàn)代ABS歸功于菲亞特研究中心的Mario Palazzetti。Palazzetti 改進(jìn)了該系統(tǒng)，他后來(lái)被稱為“ABS 先生”。Bosch Mobility Solutions收購(gòu)了Palazzetti的系統(tǒng)，將其重新命名為“ABS”，并繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)以用于量產(chǎn)汽車，直至它成為標(biāo)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(biāo)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(gè)泛化通用術(shù)語(yǔ)。
圖4. 20世紀(jì)70年代梅賽德斯-奔馳的ABS測(cè)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(dòng)車輪的動(dòng)力大小。最初，驅(qū)動(dòng)輪使用限滑差速器以機(jī)械方式限制打滑車輪的動(dòng)力。在20世紀(jì)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(gè)車輪的動(dòng)力大小。一些系統(tǒng)控制汽車的油門(mén)或火花控制，但大多數(shù)最終都集中在利用汽車的制動(dòng)系統(tǒng)上。事實(shí)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(dāng)今的標(biāo)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(jì)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(duì)駕駛員輸入(油門(mén)和轉(zhuǎn)向)的響應(yīng)。將來(lái)自方向盤(pán)傳感器的數(shù)據(jù)與偏航傳感器和加速度計(jì)進(jìn)行比較，計(jì)算出汽車當(dāng)前的行駛狀況。穩(wěn)定性控制可以使用此信息調(diào)整制動(dòng)、油門(mén)或懸架，改善操控性。
在美國(guó)，2012年穩(wěn)定性控制已成為汽車標(biāo)配設(shè)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(yīng)巡航控制那么知名或常見(jiàn)。
總結(jié)
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(gè)系統(tǒng)都具有獨(dú)特而有趣的發(fā)展歷史，早期設(shè)計(jì)通常采用機(jī)械式起源。各個(gè)系統(tǒng)之間的共同點(diǎn)是，開(kāi)發(fā)、測(cè)試和驗(yàn)證新系統(tǒng)通常需要數(shù)十年的時(shí)間，才能投放到市場(chǎng)。
后續(xù)文章將探討其他先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)及其發(fā)展歷史。最后一篇文章將重點(diǎn)介紹未來(lái)的系統(tǒng)以及向軟件定義汽車的發(fā)展。
來(lái)源：安森美，作者：Dan Clement
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