智能化使汽車更安全

認(rèn)知周期

便利與安全系統(tǒng)有一個公認(rèn)的價值，那就是它們可以使駕駛過程更安全、容易，或減輕駕駛者的壓力。這些系統(tǒng)的內(nèi)在價值是它們能提醒或?qū)Ⅰ{駛者的注意力指向重要的細節(jié)，從而避免事故。飛思卡爾(Freescale)運輸與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品集團戰(zhàn)略總監(jiān) Peter Schulmeyer 指出：“當(dāng)前正在開發(fā)或早期部署的車載電子系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是減少駕駛員的負擔(dān)。”

在 2004 年，警方報告了（指美國）約 620 萬起汽車事故，死亡 42636 人，受傷人數(shù)約 280 萬（參考文獻 1）。根據(jù) NHTSA（美國高速公路安全協(xié)會）和 VTTI（弗吉尼亞技術(shù)交通學(xué)院）的報告，駕駛者的粗心大意是大多數(shù)車禍的首要因素。報告發(fā)現(xiàn)，80% 的碰撞事故和 65% 的幾乎碰撞事故都是由于駕駛者的疏忽，例如困倦或打手機，三秒鐘之內(nèi)就會發(fā)生事故。

被動安全系統(tǒng)的發(fā)展與部署可以增強汽車的碰撞能力與存活能力，但對于這方面不斷改進的努力而獲得的回報卻在減少。預(yù)處理系統(tǒng)的實例包括即將碰撞時的預(yù)張緊安全帶、將座椅移至一個最適合展開安全氣囊的位置，以及關(guān)閉車窗和天窗。這個報告的研究成果支持了用電子系統(tǒng)彌補駕駛者注意力空白的重大潛在價值。現(xiàn)實促使人們關(guān)注新系統(tǒng)在安全中扮演的主動角色，它可以警告駕駛者，或主動地影響車輛操縱方式，以避免發(fā)生事故（圖 2）。

隨著汽車變得更為自主，駕駛者的注意力將轉(zhuǎn)移到把汽車引導(dǎo)至目的地，而不是操縱汽車的機械裝置。例如，自適應(yīng)巡駛控制使用雷達（雷達檢測和測距）保持與道路上其它車輛的安全距離，因而解除了駕駛者的一些認(rèn)知負擔(dān)，并在駕駛者注意力不集中時取而代之。這種系統(tǒng)能夠比駕駛者更快、更精準(zhǔn)地作出響應(yīng)，改變引導(dǎo)汽車的速度。

電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)組合了防抱死剎車、牽引力控制以及偏航控制，能幫助駕駛者保持對車輛的控制。系統(tǒng)工作時會比較駕駛者希望走的方向與車輛的實際響應(yīng)，完成這項任務(wù)的方法是將方向盤和剎車傳感器與傳感器測量的汽車偏航、車輪加速度，以及每次方向盤的旋轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)起來。當(dāng)系統(tǒng)檢測到駕駛者的命令與汽車的表現(xiàn)不同時，系統(tǒng)便會介入，在相應(yīng)的車輪上施加剎車力，校正汽車的軌跡，防止出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過度。系統(tǒng)還有一個與汽車動力傳動控制器的連接，會根據(jù)需要降低引擎扭矩。

意圖推測

為提供避免碰撞事故的能力，系統(tǒng)需要能夠在事故發(fā)生前數(shù)秒內(nèi)識別出可能碰撞的指示器。重要的是安全系統(tǒng)要能推測出駕駛者的意圖，并將這個意圖與汽車的行為聯(lián)系起來，這樣就可以防止系統(tǒng)依據(jù)假象和不正確的結(jié)論作出預(yù)先動作。當(dāng)碰撞剛開始時，主動安全系統(tǒng)會由于一組相當(dāng)嚴(yán)密定義的條件而被激活，并以易變和遇險方式與車輛行為建立聯(lián)系。

對于那些隨時間預(yù)測、識別潛在威脅以避免事故的系統(tǒng)，最重要、最困難的是精確地推測駕駛者的意圖。首先，虛假警報會立即降低并很快毀掉警報的價值，因為駕駛者會關(guān)閉系統(tǒng)，或者置之不理。對于有效的系統(tǒng)，報警次數(shù)必須少，駕駛者不會收到假警報和完全無關(guān)的情況。例如，一個駕駛者會先按固定的順序起動車輛，然后再馬上系上安全帶，安全帶報警系統(tǒng)要有寬容度，否則汽車一起動它就會不停地報警。

盲區(qū)檢測系統(tǒng)面對的挑戰(zhàn)也是要預(yù)測駕駛者的意圖。如果無論何時，只要盲區(qū)內(nèi)有物體，系統(tǒng)就向駕駛者報警，駕駛者應(yīng)該很快關(guān)閉系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)在駕駛者準(zhǔn)備改變汽車位置，并確實可能與檢測到的物體發(fā)生碰撞時告知駕駛者盲區(qū)的情況。這種要求超出了單純檢測物體的范疇，使通知駕駛者盲區(qū)狀況的任務(wù)更加復(fù)雜。只檢測一個駕駛者的操控（如轉(zhuǎn)動方向盤的信號）不足以準(zhǔn)確地判定駕駛者換道的意圖。

除了用于檢測車外環(huán)境的傳感器以外，預(yù)測駕駛者意圖的傳感器可以從多處獲得輸入，如方向盤、剎車踏板、轉(zhuǎn)向信號、汽車的慣性與加速度測量系統(tǒng)，甚至通過車內(nèi)的可視系統(tǒng)檢查駕駛者的肢體語言?，F(xiàn)在不存在預(yù)測駕駛者換道意圖的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)算法，這些算法都是一級汽車供應(yīng)廠商們獨自專門開發(fā)的結(jié)果。

傳感器融合

為了支持在危險情況下動作時對高精度的要求，這些系統(tǒng)會從各種類型的多個傳感器接受輸入。每種類型的傳感器都有長處和短處，而將不同類型的傳感器交叉關(guān)聯(lián)冗余信息組合在一起，系統(tǒng)就可以作出更好的決策。制造商們正在采用或探索的環(huán)境感知技術(shù)有雷達、LIDAR（光探測與測距）、紅外、超聲以及視頻等（圖 3）。這些傳感器技術(shù)中，每一種都與其它技術(shù)有重合之處，但用在汽車不同部位有各自獨特的優(yōu)勢。

有些汽車廠會在車?yán)锖蛙嚿砩习惭b攝像頭。攝像頭不僅指向車外，而且還指向車內(nèi)。向外的攝像頭作為向外傳感器的補充，提供更多的細節(jié)，使系統(tǒng)不僅完成物體探測，還用物體識別來支持行為預(yù)測。向內(nèi)的攝像頭為系統(tǒng)提供乘員信息，如大小、在車座上的位置、肢體語言，甚至面部表情等。向內(nèi)的攝像頭支持的功能包括智能氣囊的部署，以及駕駛者困倦與醉酒檢測等。

攝像頭傳感器在不斷改進。例如，與線性動態(tài)范圍的攝像頭相比，支持 HDR（大動態(tài)范圍）的攝像頭可以在范圍更寬的光照條件下獲得更好的圖像細節(jié)。汽車使用配備 HDR 功能的傳感器很關(guān)鍵，因為它們必須能在陰暗和明亮的環(huán)境中工作。與線性傳感器相比，HDR 傳感器可以檢測到被強光環(huán)境洗去的細節(jié)，在黑暗環(huán)境下丟失的細節(jié)也較少（圖 4）。在畫面中同時存在明亮和黑暗的情況下，HDR 尤為出色。如果畫面保持在一個亮度水平上，則線性工作模式能更好地區(qū)分出不同亮度級別之間的差異。

其它相關(guān)傳感器輸入用于捕獲汽車的行為信息。這些傳感器包括陀螺儀、加速度計、方向盤與剎車踏板位置探測器，以及輪胎轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)。其它信息源包括車內(nèi)環(huán)境信息，以及GPS 定位系統(tǒng)的數(shù)字圖像。道路上的嵌入設(shè)備能以無線方式為車輛提供更多的局部和實時信息。

“數(shù)據(jù)融合”既是指這些傳感器的組合，也指與它們輸入的關(guān)聯(lián)。這些輸入可以使車輛電子系統(tǒng)判定自己的位置，以及相對于其它車邊物體的路徑，但是，當(dāng)這些系統(tǒng)從多類型傳感器采集數(shù)據(jù)時，就會增加需要的實時處理能量和必須經(jīng)過車載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量（見附文“車載網(wǎng)絡(luò)”）。

車載網(wǎng)絡(luò)不僅能減少部件而降低汽車的成本與重量，還能使設(shè)計者減少或去除冗余傳感器。例如，氣囊和底盤系統(tǒng)可以共享一個陀螺儀來檢測汽車的穩(wěn)定性以及翻車或碰撞情況。傳感器或數(shù)據(jù)的融合甚至可以使設(shè)計者取消一些傳感器，或用虛擬傳感器測量難以放置傳感器位置的變量。虛擬傳感器的可能機會包括測量輪胎壓力和道路表面類型以及摩擦力。

人機界面

電子輔助、便利和安全功能的最大挑戰(zhàn)可能是實現(xiàn) HMI（人機界面）。HMI 必須保證車上每個預(yù)測、主動和預(yù)防性系統(tǒng)的運行都能根據(jù)期望、人類工程學(xué)以及駕駛者的認(rèn)知限制。這些功能為駕駛者提供支持，而對不同情況下駕駛者行為的如何變化，這些支持具有不可預(yù)知的結(jié)果。

隨著這些系統(tǒng)越來越自主，駕駛者對車輛的控制也在減少。部分自主的系統(tǒng)可能會使駕駛更加危險，因為它們會讓駕駛者更粗心大意，駕駛者可能會因為要對事件作判斷而影響到響應(yīng)時間。例如，如果快要發(fā)生碰撞，哪輛車應(yīng)先撞以避免撞到另一輛？如果是兩個行人呢？制造商不可能把所有決策都交給車輛控制系統(tǒng)，除非它能準(zhǔn)確地識別這些概念，并根據(jù)事故當(dāng)時的各種外部因素，作出適當(dāng)?shù)臎Q策。

HMI 必須考慮到駕駛者的認(rèn)知負擔(dān)。將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給駕駛者的方式是一個重要的考慮因素。用一個顯示屏把一切都展示給駕駛者是一個不錯的想法，但顯示屏要吸引駕駛者的注意力，并且他會不斷地查看并理解當(dāng)前的數(shù)據(jù)。顯示屏可能成為分散駕駛者對道路注意力的誘因，如果顯示屏成為駕駛中警告提示的一種機制，則認(rèn)知負擔(dān)可能過重。駕駛期間，顯示屏上顯示的信息越多，就需要駕駛者分出更多的認(rèn)知能力來過濾和解析數(shù)據(jù)。

Telematic 系統(tǒng)可以為駕駛者提供大量的便利與價值，但重要的是駕駛者如何與這些系統(tǒng)交互。收音機換臺已被證明是駕駛者的一個重要認(rèn)知負擔(dān)，或者會分散駕駛者對道路的注意力。VoiceBox 的 Telematics Navigator 是一種降低駕駛者使用無線電臺和其它遠程信息處理服務(wù)等認(rèn)知負擔(dān)的方案。使用這個系統(tǒng)，駕駛者能用會話語言完成搜索與導(dǎo)航。點擊這里可獲得長度為四分鐘的系統(tǒng)演示視頻。

隨著這些類型系統(tǒng)所使用的部件價格持續(xù)下跌，新型車載電子便利與安全功能的機會將增加。伴隨元器件價格不斷下跌的是建立有更多智能、支持更復(fù)雜功能的軟件層。發(fā)展的關(guān)鍵是實現(xiàn)軟件可重用性，并在行業(yè)水平上驗證復(fù)雜性日益增加的系統(tǒng)。AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）正在嘗試解決未來應(yīng)用程序和軟件模塊中功能管理的基本架構(gòu)問題。

新興系統(tǒng)的最后一個障礙是，讓汽車承擔(dān)更多的駕駛?cè)蝿?wù)在文化上的接受程度。汽車愛好者已經(jīng)對現(xiàn)有系統(tǒng)如電子穩(wěn)定控制等多有抱怨，因為缺少了很多駕駛樂趣。另外，隨著這些系統(tǒng)更加相互依賴，車輛自動調(diào)節(jié)的機會也在減少，因為這種變化會對整體系統(tǒng)的性能造成負面影響。這些類型系統(tǒng)所包含的概念適用于任何運載工具，如飛機、火車和船只，而不只是汽車。某個系統(tǒng)在一種運載工具中的成功也可以為其它類型的運載工具所接受。

附文：車載網(wǎng)絡(luò)

LIN（局域互連網(wǎng)絡(luò)）協(xié)議正在車輛上獲得廣泛應(yīng)用。它優(yōu)化了 20 kbps 以下低速傳送需求的用戶模塊之間的通信，如座椅、反光鏡和電動車窗調(diào)整等。另一個車載通信協(xié)議 MOST（面向媒體的系統(tǒng)傳輸）是 D2B（家庭數(shù)字總線）協(xié)議的延續(xù)，它面向多媒體應(yīng)用。

CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）協(xié)議代替了很多專用的系統(tǒng)，用于車內(nèi)各種電子子系統(tǒng)的鏈接，包括引擎控制器、傳動系統(tǒng)以及排放控制器。CAN 可在惡劣環(huán)境中用低成本的現(xiàn)存元件實現(xiàn)實時的通信支持。CAN 采用 CSMA/CR（帶碰撞解析的載波檢測多路訪問）方法，這是一種非破壞性的逐位仲裁機制。CAN 協(xié)議可在總線沖突期間首先發(fā)送最高優(yōu)先級的消息，從而實現(xiàn)最高的總線利用率。CAN 的最高數(shù)據(jù)速率可達1Mbps，最大總線容量的限制因素是響應(yīng)時間。最高優(yōu)先級消息的最大延遲大約為150 ms。在設(shè)計的早期階段，設(shè)計者會為一個消息賦予一個數(shù)值，該數(shù)值即確立了它的優(yōu)先級；消息識別器中含有這個值。數(shù)值越小，優(yōu)先級越高。

從 2000 年起，F(xiàn)lexRay 聯(lián)盟開發(fā)了 FlexRay 通信技術(shù)，其目標(biāo)是面向車輛中的高速控制應(yīng)用，以提高安全性、可靠性和舒適度。FlexRay 將自己定位于 CAN 的替代品，用于那些需要超過 CAN 支持的數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，或同時擁有多個 CAN 總線的應(yīng)用。FlexRay 亦適合用作汽車的主干線，為多個網(wǎng)絡(luò)間提供連接。

FlexRay 支持兩個通信信道，每個信道的數(shù)據(jù)速率為 10 Mbps。該協(xié)議采用一種基于同步時基的訪問方法，它在消息組織時使每個消息都有一個在確保嚴(yán)格變化范圍內(nèi)的已知延遲。FlexRay 可以選擇性地冗余傳輸單個消息，以進一步提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，并保持網(wǎng)絡(luò)帶寬的最有效使用。

FlexRay 支持靜態(tài)或動態(tài)帶寬分配，靈活地優(yōu)化系統(tǒng)的可用性和吞吐量。這種方案使設(shè)計者能夠擴展系統(tǒng)的能力，而無需調(diào)整節(jié)點的軟件。FlexRay 支持總線型和星型拓撲結(jié)構(gòu)，以及各種配置參數(shù)，如通信周期持續(xù)時間或消息長度等。

從事件驅(qū)動的 CAN 轉(zhuǎn)向時間驅(qū)動的 FlexRay 通信時，所有車載通信相關(guān)團體都要作重新訓(xùn)練。例如，F(xiàn)lexRay 的起動是最復(fù)雜的工作階段之一，因為此時的通信是基于容錯的同步時鐘機制上的，在起動時主機還沒有設(shè)定時基。因此，必須用其它步驟來建立一個時基。FlexRay 的采用將會花一些時間。