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(gè)公認(rèn)的價(jià)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(jià)值是它們能提醒或?qū)Ⅰ{駛者的注意力指向重要的細(xì)節(jié)，從而避免事故。飛思卡爾(Freescale)運(yùn)輸與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品集團(tuán)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(fù)擔(dān)?！?BR>
在 2004 年，警方報(bào)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(xiàn) 1）。根據(jù) NHTSA（美國高速公路安全協(xié)會(huì)）和 VTTI（弗吉尼亞技術(shù)交通學(xué)院）的報(bào)告，駕駛者的粗心大意是大多數(shù)車禍的首要因素。報(bào)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(jī)，三秒鐘之內(nèi)就會(huì)發(fā)生事故。

被動(dòng)安全系統(tǒng)的發(fā)展與部署可以增強(qiáng)汽車的碰撞能力與存活能力，但對(duì)于這方面不斷改進(jìn)的努力而獲得的回報(bào)卻在減少。預(yù)處理系統(tǒng)的實(shí)例包括即將碰撞時(shí)的預(yù)張緊安全帶、將座椅移至一個(gè)最適合展開安全氣囊的位置，以及關(guān)閉車窗和天窗。這個(gè)報(bào)告的研究成果支持了用電子系統(tǒng)彌補(bǔ)駕駛者注意力空白的重大潛在價(jià)值?，F(xiàn)實(shí)促使人們關(guān)注新系統(tǒng)在安全中扮演的主動(dòng)角色，它可以警告駕駛者，或主動(dòng)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(jī)械裝置。例如，自適應(yīng)巡駛控制使用雷達(dá)（雷達(dá)檢測(cè)和測(cè)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(fù)擔(dān)，并在駕駛者注意力不集中時(shí)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(duì)車輛的控制。系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)比較駕駛者希望走的方向與車輛的實(shí)際響應(yīng)，完成這項(xiàng)任務(wù)的方法是將方向盤和剎車傳感器與傳感器測(cè)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(cè)到駕駛者的命令與汽車的表現(xiàn)不同時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)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(gè)與汽車動(dòng)力傳動(dòng)控制器的連接，會(huì)根據(jù)需要降低引擎扭矩。

意圖推測(cè)

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(shí)別出可能碰撞的指示器。重要的是安全系統(tǒng)要能推測(cè)出駕駛者的意圖，并將這個(gè)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(dòng)作。當(dāng)碰撞剛開始時(shí)，主動(dòng)安全系統(tǒng)會(huì)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(xiǎn)方式與車輛行為建立聯(lián)系。

對(duì)于那些隨時(shí)間預(yù)測(cè)、識(shí)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(cè)駕駛者的意圖。首先，虛假警報(bào)會(huì)立即降低并很快毀掉警報(bào)的價(jià)值，因?yàn)轳{駛者會(huì)關(guān)閉系統(tǒng)，或者置之不理。對(duì)于有效的系統(tǒng)，報(bào)警次數(shù)必須少，駕駛者不會(huì)收到假警報(bào)和完全無關(guān)的情況。例如，一個(gè)駕駛者會(huì)先按固定的順序起動(dòng)車輛，然后再馬上系上安全帶，安全帶報(bào)警系統(tǒng)要有寬容度，否則汽車一起動(dòng)它就會(huì)不停地報(bào)警。

盲區(qū)檢測(cè)系統(tǒng)面對(duì)的挑戰(zhàn)也是要預(yù)測(cè)駕駛者的意圖。如果無論何時(shí)，只要盲區(qū)內(nèi)有物體，系統(tǒng)就向駕駛者報(bào)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(shí)可能與檢測(cè)到的物體發(fā)生碰撞時(shí)告知駕駛者盲區(qū)的情況。這種要求超出了單純檢測(cè)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(cè)一個(gè)駕駛者的操控（如轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的信號(hào)）不足以準(zhǔn)確地判定駕駛者換道的意圖。

除了用于檢測(cè)車外環(huán)境的傳感器以外，預(yù)測(cè)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(hào)、汽車的慣性與加速度測(cè)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。現(xiàn)在不存在預(yù)測(cè)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(jí)汽車供應(yīng)廠商們獨(dú)自專門開發(fā)的結(jié)果。

傳感器融合

為了支持在危險(xiǎn)情況下動(dòng)作時(shí)對(duì)高精度的要求，這些系統(tǒng)會(huì)從各種類型的多個(gè)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(dá)、LIDAR（光探測(cè)與測(cè)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

有些汽車廠會(huì)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(bǔ)充，提供更多的細(xì)節(jié)，使系統(tǒng)不僅完成物體探測(cè)，還用物體識(shí)別來支持行為預(yù)測(cè)。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(cè)等。

攝像頭傳感器在不斷改進(jìn)。例如，與線性動(dòng)態(tài)范圍的攝像頭相比，支持 HDR（大動(dòng)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(xì)節(jié)。汽車使用配備 HDR 功能的傳感器很關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈儽仨毮茉陉幇岛兔髁恋沫h(huán)境中工作。與線性傳感器相比，HDR 傳感器可以檢測(cè)到被強(qiáng)光環(huán)境洗去的細(xì)節(jié)，在黑暗環(huán)境下丟失的細(xì)節(jié)也較少（圖 4）。在畫面中同時(shí)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(gè)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(jí)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(jì)、方向盤與剎車踏板位置探測(cè)器，以及輪胎轉(zhuǎn)速檢測(cè)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(shí)時(shí)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(duì)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(shí)，就會(huì)增加需要的實(shí)時(shí)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(jì)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(gè)陀螺儀來檢測(cè)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(jì)者取消一些傳感器，或用虛擬傳感器測(cè)量難以放置傳感器位置的變量。虛擬傳感器的可能機(jī)會(huì)包括測(cè)量輪胎壓力和道路表面類型以及摩擦力。

人機(jī)界面

電子輔助、便利和安全功能的最大挑戰(zhàn)可能是實(shí)現(xiàn) HMI（人機(jī)界面）。HMI 必須保證車上每個(gè)預(yù)測(cè)、主動(dòng)和預(yù)防性系統(tǒng)的運(yùn)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(duì)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(duì)車輛的控制也在減少。部分自主的系統(tǒng)可能會(huì)使駕駛更加危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈儠?huì)讓駕駛者更粗心大意，駕駛者可能會(huì)因?yàn)橐獙?duì)事件作判斷而影響到響應(yīng)時(shí)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(gè)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(shí)別這些概念，并根據(jù)事故當(dāng)時(shí)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(fù)擔(dān)。將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給駕駛者的方式是一個(gè)重要的考慮因素。用一個(gè)顯示屏把一切都展示給駕駛者是一個(gè)不錯(cuò)的想法，但顯示屏要吸引駕駛者的注意力，并且他會(huì)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(duì)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(jī)制，則認(rèn)知負(fù)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(jià)值，但重要的是駕駛者如何與這些系統(tǒng)交互。收音機(jī)換臺(tái)已被證明是駕駛者的一個(gè)重要認(rèn)知負(fù)擔(dān)，或者會(huì)分散駕駛者對(duì)道路的注意力。VoiceBox 的 Telematics Navigator 是一種降低駕駛者使用無線電臺(tái)和其它遠(yuǎn)程信息處理服務(wù)等認(rèn)知負(fù)擔(dān)的方案。使用這個(gè)系統(tǒng)，駕駛者能用會(huì)話語言完成搜索與導(dǎo)航。點(diǎn)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(jià)格持續(xù)下跌，新型車載電子便利與安全功能的機(jī)會(huì)將增加。伴隨元器件價(jià)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(shí)現(xiàn)軟件可重用性，并在行業(yè)水平上驗(yàn)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(gè)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(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)如電子穩(wěn)定控制等多有抱怨，因?yàn)槿鄙倭撕芏囫{駛樂趣。另外，隨著這些系統(tǒng)更加相互依賴，車輛自動(dòng)調(diào)節(jié)的機(jī)會(huì)也在減少，因?yàn)檫@種變化會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)的性能造成負(fù)面影響。這些類型系統(tǒng)所包含的概念適用于任何運(yùn)載工具，如飛機(jī)、火車和船只，而不只是汽車。某個(gè)系統(tǒng)在一種運(yùn)載工具中的成功也可以為其它類型的運(yùn)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(dòng)車窗調(diào)整等。另一個(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的通信支持。CAN 采用 CSMA/CR（帶碰撞解析的載波檢測(cè)多路訪問）方法，這是一種非破壞性的逐位仲裁機(jī)制。CAN 協(xié)議可在總線沖突期間首先發(fā)送最高優(yōu)先級(jí)的消息，從而實(shí)現(xiàn)最高的總線利用率。CAN 的最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)1Mbps，最大總線容量的限制因素是響應(yīng)時(shí)間。最高優(yōu)先級(jí)消息的最大延遲大約為150 ms。在設(shè)計(jì)的早期階段，設(shè)計(jì)者會(huì)為一個(gè)消息賦予一個(gè)數(shù)值，該數(shù)值即確立了它的優(yōu)先級(jí)；消息識(shí)別器中含有這個(gè)值。數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)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(shí)擁有多個(gè) CAN 總線的應(yīng)用。FlexRay 亦適合用作汽車的主干線，為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間提供連接。

FlexRay 支持兩個(gè)通信信道，每個(gè)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(shí)基的訪問方法，它在消息組織時(shí)使每個(gè)消息都有一個(gè)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(gè)消息，以進(jìn)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(dòng)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(jì)者能夠擴(kuò)展系統(tǒng)的能力，而無需調(diào)整節(jié)點(diǎn)的軟件。FlexRay 支持總線型和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及各種配置參數(shù)，如通信周期持續(xù)時(shí)間或消息長度等。

從事件驅(qū)動(dòng)的 CAN 轉(zhuǎn)向時(shí)間驅(qū)動(dòng)的 FlexRay 通信時(shí)，所有車載通信相關(guān)團(tuán)體都要作重新訓(xùn)練。例如，F(xiàn)lexRay 的起動(dòng)是最復(fù)雜的工作階段之一，因?yàn)榇藭r(shí)的通信是基于容錯(cuò)的同步時(shí)鐘機(jī)制上的，在起動(dòng)時(shí)主機(jī)還沒有設(shè)定時(shí)基。因此，必須用其它步驟來建立一個(gè)時(shí)基。FlexRay 的采用將會(huì)花一些時(shí)間。