智能化使汽车更安全

作者：Robert Cravotta

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 根据半导体市场研究公司 IC Insights 的报告，在 2004 年，电子部分占汽车总价值的 23%，而到 2010 年时，这个数字将上升至 40%。很多最早a期的车内电子系统替代了机械系统，它们比机械系统成本更低，更加可靠，运行效率也更高。很多最新的车载电子管理安全系统（如气囊和智能约束系统）会自动地尝试调整和改变车内环境，从而在发生碰撞时最大程度减少驾驶者和乘客出现严重伤害和死亡的风险。 除了新型安全功能以外，汽车还在融入辅助驾驶者的更多便利功能，以及为乘客提供信息和娱乐的更多功能。汽车制造厂商通常会把为乘客提供方便的电子系统与辅助驾驶者的安全系统隔离开来。本文将关注一些现有的或正在开发的电子设备，它们能够增强驾驶者操控车辆的能力。 在高档汽车中，越来越多地增加了一系列新兴的安全功能，如车身周围物体检测功能（图1）。该功能支持自适应巡驶控制，此时系统会根据道路的位置、距离以及物体（如其它车辆）的相对速度等调整自己的巡驶速度，无需驾驶者干预。其它实现的功能如停车辅助系统以及盲区警告系统等，当驾驶者目标位置中有物体或车辆处于危险位置时，系统便会发出提示警告。 认知周期 便利与安全系统有一个公认的价值，那就是它们可以使驾驶过程更安全、容易，或减轻驾驶者的压力。这些系统的内在价值是它们能提醒或将驾驶者的注意力指向重要的细节，从而避免事故。飞思卡尔(Freescale)运输与标准产品集团战略总监 Peter Schulmeyer 指出：“当前正在开发或早期部署的车载电子系统，其主要目标是减少驾驶员的负担。” 在 2004 年，警方报告了（指美国）约 620 万起汽车事故，死亡 42636 人，受伤人数约 280 万（参考文献 1）。根据 NHTSA（美国高速公路安全协会）和 VTTI（弗吉尼亚技术交通学院）的报告，驾驶者的粗心大意是大多数车祸的首要因素。报告发现，80% 的碰撞事故和 65% 的几乎碰撞事故都是由于驾驶者的疏忽，例如困倦或打手机，三秒钟之内就会发生事故。 被动安全系统的发展与部署可以增强汽车的碰撞能力与存活能力，但对于这方面不断改进的努力而获得的回报却在减少。预处理系统的实例包括即将碰撞时的预张紧安全带、将座椅移至一个最适合展开安全气囊的位置，以及关闭车窗和天窗。这个报告的研究成果支持了用电子系统弥补驾驶者注意力空白的重大潜在价值。现实促使人们关注新系统在安全中扮演的主动角色，它可以警告驾驶者，或主动地影响车辆操纵方式，以避免发生事故（图 2）。 随着汽车变得更为自主，驾驶者的注意力将转移到把汽车引导至目的地，而不是操纵汽车的机械装置。例如，自适应巡驶控制使用雷达（雷达检测和测距）保持与道路上其它车辆的安全距离，因而解除了驾驶者的一些认知负担，并在驾驶者注意力不集中时取而代之。这种系统能够比驾驶者更快、更精准地作出响应，改变引导汽车的速度。 电子稳定性控制系统组合了防抱死刹车、牵引力控制以及偏航控制，能帮助驾驶者保持对车辆的控制。系统工作时会比较驾驶者希望走的方向与车辆的实际响应，完成这项任务的方法是将方向盘和刹车传感器与传感器测量的汽车偏航、车轮加速度，以及每次方向盘的旋转关联起来。当系统检测到驾驶者的命令与汽车的表现不同时，系统便会介入，在相应的车轮上施加刹车力，校正汽车的轨迹，防止出现转向不足和转向过度。系统还有一个与汽车动力传动控制器的连接，会根据需要降低引擎扭矩。 意图推测 为提供避免碰撞事故的能力，系统需要能够在事故发生前数秒内识别出可能碰撞的指示器。重要的是安全系统要能推测出驾驶者的意图，并将这个意图与汽车的行为联系起来，这样就可以防止系统依据假象和不正确的结论作出预先动作。当碰撞刚开始时，主动安全系统会由于一组相当严密定义的条件而被激活，并以易变和遇险方式与车辆行为建立联系。 对于那些随时间预测、识别潜在威胁以避免事故的系统，最重要、最困难的是精确地推测驾驶者的意图。首先，虚假警报会立即降低并很快毁掉警报的价值，因为驾驶者会关闭系统，或者置之不理。对于有效的系统，报警次数必须少，驾驶者不会收到假警报和完全无关的情况。例如，一个驾驶者会先按固定的顺序起动车辆，然后再马上系上安全带，安全带报警系统要有宽容度，否则汽车一起动它就会不停地报警。 盲区检测系统面对的挑战也是要预测驾驶者的意图。如果无论何时，只要盲区内有物体，系统就向驾驶者报警，驾驶者应该很快关闭系统。系统应在驾驶者准备改变汽车位置，并确实可能与检测到的物体发生碰撞时告知驾驶者盲区的情况。这种要求超出了单纯检测物体的范畴，使通知驾驶者盲区状况的任务更加复杂。只检测一个驾驶者的操控（如转动方向盘的信号）不足以准确地判定驾驶者换道的意图。 除了用于检测车外环境的传感器以外，预测驾驶者意图的传感器可以从多处获得输入，如方向盘、刹车踏板、转向信号、汽车的惯性与加速度测量系统，甚至通过车内的可视系统检查驾驶者的肢体语言。现在不存在预测驾驶者换道意图的工业标准算法，这些算法都是一级汽车供应厂商们独自专门开发的结果。 传感器融合 为了支持在危险情况下动作时对高精度的要求，这些系统会从各种类型的多个传感器接受输入。每种类型的传感器都有长处和短处，而将不同类型的传感器交叉关联冗余信息组合在一起，系统就可以作出更好的决策。制造商们正在采用或探索的环境感知技术有雷达、LIDAR（光探测与测距）、红外、超声以及视频等（图 3）。这些传感器技术中，每一种都与其它技术有重合之处，但用在汽车不同部位有各自独特的优势。 有些汽车厂会在车里和车身上安装摄像头。摄像头不仅指向车外，而且还指向车内。向外的摄像头作为向外传感器的补充，提供更多的细节，使系统不仅完成物体探测，还用物体识别来支持行为预测。向内的摄像头为系统提供乘员信息，如大小、在车座上的位置、肢体语言，甚至面部表情等。向内的摄像头支持的功能包括智能气囊的部署，以及驾驶者困倦与醉酒检测等。 摄像头传感器在不断改进。例如，与线性动态范围的摄像头相比，支持 HDR（大动态范围）的摄像头可以在范围更宽的光照条件下获得更好的图像细节。汽车使用配备 HDR 功能的传感器很关键，因为它们必须能在阴暗和明亮的环境中工作。与线性传感器相比，HDR 传感器可以检测到被强光环境洗去的细节，在黑暗环境下丢失的细节也较少（图 4）。在画面中同时存在明亮和黑暗的情况下，HDR 尤为出色。如果画面保持在一个亮度水平上，则线性工作模式能更好地区分出不同亮度级别之间的差异。 其它相关传感器输入用于捕获汽车的行为信息。这些传感器包括陀螺仪、加速度计、方向盘与刹车踏板位置探测器，以及轮胎转速检测系统。其它信息源包括车内环境信息，以及GPS 定位系统的数字图像。道路上的嵌入设备能以无线方式为车辆提供更多的局部和实时信息。 “数据融合”既是指这些传感器的组合，也指与它们输入的关联。这些输入可以使车辆电子系统判定自己的位置，以及相对于其它车边物体的路径，但是，当这些系统从多类型传感器采集数据时，就会增加需要的实时处理能量和必须经过车载网络的数据量（见附文“车载网络”）。 车载网络不仅能减少部件而降低汽车的成本与重量，还能使设计者减少或去除冗余传感器。例如，气囊和底盘系统可以共享一个陀螺仪来检测汽车的稳定性以及翻车或碰撞情况。传感器或数据的融合甚至可以使设计者取消一些传感器，或用虚拟传感器测量难以放置传感器位置的变量。虚拟传感器的可能机会包括测量轮胎压力和道路表面类型以及摩擦力。 人机界面 电子辅助、便利和安全功能的最大挑战可能是实现 HMI（人机界面）。HMI 必须保证车上每个预测、主动和预防性系统的运行都能根据期望、人类工程学以及驾驶者的认知限制。这些功能为驾驶者提供支持，而对不同情况下驾驶者行为的如何变化，这些支持具有不可预知的结果。 随着这些系统越来越自主，驾驶者对车辆的控制也在减少。部分自主的系统可能会使驾驶更加危险，因为它们会让驾驶者更粗心大意，驾驶者可能会因为要对事件作判断而影响到响应时间。例如，如果快要发生碰撞，哪辆车应先撞以避免撞到另一辆？如果是两个行人呢？制造商不可能把所有决策都交给车辆控制系统，除非它能准确地识别这些概念，并根据事故当时的各种外部因素，作出适当的决策。 HMI 必须考虑到驾驶者的认知负担。将数据呈现给驾驶者的方式是一个重要的考虑因素。用一个显示屏把一切都展示给驾驶者是一个不错的想法，但显示屏要吸引驾驶者的注意力，并且他会不断地查看并理解当前的数据。显示屏可能成为分散驾驶者对道路注意力的诱因，如果显示屏成为驾驶中警告提示的一种机制，则认知负担可能过重。驾驶期间，显示屏上显示的信息越多，就需要驾驶者分出更多的认知能力来过滤和解析数据。 Telematic 系统可以为驾驶者提供大量的便利与价值，但重要的是驾驶者如何与这些系统交互。收音机换台已被证明是驾驶者的一个重要认知负担，或者会分散驾驶者对道路的注意力。VoiceBox 的 Telematics Navigator 是一种降低驾驶者使用无线电台和其它远程信息处理服务等认知负担的方案。使用这个系统，驾驶者能用会话语言完成搜索与导航。点击这里可获得长度为四分钟的系统演示视频。 随着这些类型系统所使用的部件价格持续下跌，新型车载电子便利与安全功能的机会将增加。伴随元器件价格不断下跌的是建立有更多智能、支持更复杂功能的软件层。发展的关键是实现软件可重用性，并在行业水平上验证复杂性日益增加的系统。AUTOSAR（汽车开放系统架构）正在尝试解决未来应用程序和软件模块中功能管理的基本架构问题。 新兴系统的最后一个障碍是，让汽车承担更多的驾驶任务在文化上的接受程度。汽车爱好者已经对现有系统如电子稳定控制等多有抱怨，因为缺少了很多驾驶乐趣。另外，随着这些系统更加相互依赖，车辆自动调节的机会也在减少，因为这种变化会对整体系统的性能造成负面影响。这些类型系统所包含的概念适用于任何运载工具，如飞机、火车和船只，而不只是汽车。某个系统在一种运载工具中的成功也可以为其它类型的运载工具所接受。 附文：车载网络 LIN（局域互连网络）协议正在车辆上获得广泛应用。它优化了 20 kbps 以下低速传送需求的用户模块之间的通信，如座椅、反光镜和电动车窗调整等。另一个车载通信协议 MOST（面向媒体的系统传输）是 D2B（家庭数字总线）协议的延续，它面向多媒体应用。 CAN（控制器局域网络）协议代替了很多专用的系统，用于车内各种电子子系统的链接，包括引擎控制器、传动系统以及排放控制器。CAN 可在恶劣环境中用低成本的现存元件实现实时的通信支持。CAN 采用 CSMA/CR（带碰撞解析的载波检测多路访问）方法，这是一种非破坏性的逐位仲裁机制。CAN 协议可在总线冲突期间首先发送最高优先级的消息，从而实现最高的总线利用率。CAN 的最高数据速率可达1Mbps，最大总线容量的限制因素是响应时间。最高优先级消息的最大延迟大约为150 ms。在设计的早期阶段，设计者会为一个消息赋予一个数值，该数值即确立了它的优先级；消息识别器中含有这个值。数值越小，优先级越高。 从 2000 年起，FlexRay 联盟开发了 FlexRay 通信技术，其目标是面向车辆中的高速控制应用，以提高安全性、可靠性和舒适度。FlexRay 将自己定位于 CAN 的替代品，用于那些需要超过 CAN 支持的数据速率的应用，或同时拥有多个 CAN 总线的应用。FlexRay 亦适合用作汽车的主干线，为多个网络间提供连接。 FlexRay 支持两个通信信道，每个信道的数据速率为 10 Mbps。该协议采用一种基于同步时基的访问方法，它在消息组织时使每个消息都有一个在确保严格变化范围内的已知延迟。FlexRay 可以选择性地冗余传输单个消息，以进一步提高网络可靠性，并保持网络带宽的最有效使用。 FlexRay 支持静态或动态带宽分配，灵活地优化系统的可用性和吞吐量。这种方案使设计者能够扩展系统的能力，而无需调整节点的软件。FlexRay 支持总线型和星型拓扑结构，以及各种配置参数，如通信周期持续时间或消息长度等。 从事件驱动的 CAN 转向时间驱动的 FlexRay 通信时，所有车载通信相关团体都要作重新训练。例如，FlexRay 的起动是最复杂的工作阶段之一，因为此时的通信是基于容错的同步时钟机制上的，在起动时主机还没有设定时基。因此，必须用其它步骤来建立一个时基。FlexRay 的采用将会花一些时间。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/4/2006)