启飞汽车

摘要

    汽车电子涉及领域广泛, 典型的有电控系统、安全系统、车载多媒体系统、车载通讯系统、车载家电等等。而近年来汽车电子化、智能化、多媒体化和网络化的应用, 不仅提高了汽车的动力性、安全性和环保性, 更改善了行驶的稳定性和舒适性, 推动了汽车工业的发展, 还为电子产品开拓了广阔的市场, 从而推动了电子工业的发展。因此, 大力发展汽车电子化、智能化、多媒体化和网络化, 加快汽车电子化速度, 是启动和振兴汽车工业的重要手段, 也是中国汽车零部件企业新的经济增长点。

一、防碰撞技术的发展

    近年来, 消费者越来越关注汽车的安全性。一项关于消费者购车影响因素的调查表明, 用户购车时所考虑的因素中, “安全”几乎是与“省油”、“价格”并驾齐驱的。通常来讲, 人们所重视的是撞击安全, 目的是在事故发生时将伤害程度降到最低, 诸如设置安全气囊、头部保护靠垫、安全带预拉伸、车身的撞击力吸收性能等。而如何在事故发生之前进行预防, 则是近来各研发机构考虑的重点。其中当属防碰撞技术为先。
    低速行驶时自动启动制动器刹车的“防碰撞汽车”在市场上出现已经有数年时间。最近, 配备防碰撞系统的车型越来越多, 并且更多厂商还在开发支持高时速的系统。防碰撞汽车将会进化到怎样的境界呢?
    利用传感器检测到前方障碍物后自动刹车以避免碰撞的“防碰撞汽车”, 其可避免碰撞的时速范围正由低时速向高时速扩展。瑞典沃尔沃曾于2009年8月导入了时速15km/h以下能够避免碰撞的系统, 此后在2010~2011年, 富士重工业、德国大众及沃尔沃相继推出了时速达到30km/h也能避免碰撞的汽车。另外, 日产汽车也宣布正在开发时速达到60km/h也能够避免碰撞的系统。汽车事故的数据分析显示, 在时速0~30km/h以下时, 多为轻伤事故, 而时速达到40~60km/h时, 死亡事故的比例骤然升高。
    最先导入避免碰撞系统的是沃尔沃, 沃尔沃在“XC60”上配备的制动器可以在碰撞前1.4s内启动, 只要时速在15km/h以下就能够避免碰撞。这种系统自动制动时可以保证不发生碰撞, 从而推翻了以碰撞为前提的条件。
    早前用户和技术人员都认定很难降低预防碰撞安全系统的价格, 而最先颠覆了这种观念的还是沃尔沃 (Volvo) , 随后是富士重工。两家公司通过采用比原来普遍采用的毫米波雷达更便宜的传感器实现了防碰撞能力的汽车。
    沃尔沃采用成本更低的帝国大陆公司 (Continental AG) 的激光雷达“CV sensor (接近速度传感器) ”, 实现了避免碰撞系统“City Safety (城市安全系统) ”。此系统通过3个激光点向前方照射激光, 通过比较回收到的激光来判断碰撞, 然后通过ESC启动制动器。
    不过, 激光雷达能够检测到的距离较短, 只有前方8m左右。由于只能识别靠近到某种程度的汽车, 因此只能在时速15km/h以下避免碰撞。德国大陆公司认为, 75%的交通事故发生在时速30km/h以下, 因此预防事故的效果很明显。CV Sensor的最大特点是成本低。以前的安全功能因为价格高, 所以配备率低, 而CV sensor问世之后, 很多汽车都开始配备避免碰撞功能。到2012年, 就有亚洲和欧洲的共五家公司 (两家是日本汽车厂商) 采用CV sensor。
    富士重工的避免碰撞系统“Eye Sight”利用立体摄像头检测前方的汽车和行人, 其检测距离比CV Sensor系统远, 可以检测到90m左右远处的障碍物。该系统在所有时速下工作, 只要在30km/h以下就能够介入从而避免碰撞。随着ECU (电子控制单元) 的小型化, 将得以在立体摄像头中内置ECU。该系统比原来提高了配置性且降低成本。价格方面, 上代为20万日元, 而此次为原来的一半, 仅10万日元。如今虽然时速范围有限, 但能够避免碰撞, 价格也大幅降低。
    基于上述措施, 配备新型Eye Sight的力狮从2010年5月上市到2011年2月的配备数量达到约1.1万辆, 配置率达到约60%。上一代EyeSight的配备率不到10%, 比上代大幅增加。
    除去沃尔沃XC60和富士重工力狮, 具备避免碰撞系统的还有大众“帕沙特CC”和沃尔沃“S60”。大众的系统“City Energency Brake”只要时速在30km/h以下就能够避免碰撞, 与富士重工的Eye Sight性能相同。不过, 富士重工的系统还能检测到行人, 而大众的系统只锁定前方车辆。其传感器采用的是配置在前格栅上的毫米波雷达。虽然后视镜安装了单反摄像头, 但仅用于车线识别系统, 尚未与避免碰撞系统联动。虽然毫米波雷达的成本比激光雷达高, 但大众公司认为通过今后扩大采用车型, 能够减低成本。
    沃尔沃在XC60上采用了在15km/h以下能够避免碰撞的City Safety系统, 而在S60上却采用了只要在35km/h以下就能够同时避免撞到车辆与行人的“Human Safety”系统。
    Human Safety系统是由1台毫米波雷达和后视镜上配备的单反摄像头组成, 毫米波雷达是把行人也视作障碍物, 在近距离范围内由摄像头判断是否为行人。
    而Eye Sight系统是用一个立体摄像头来检测汽车和行人, 在S60车型用激光雷达、毫米波雷达和单反摄像头三者来检测。由于配备有多个传感器, 因成本增加, 不久该公司于大众一样期待量产效果。
    沃尔沃提出了争取该公司车辆在2020年之前不发生事故的“Vision2020”计划。虽然目前Human Safety只配备在高端车S60上, 不过, 今后随着其成本的降低, 不就将配备更多的车型。
    虽然各公司避免碰撞的措施仅限于时速30km/h以下, 不过按照现在的规定和技术, 据了解这已是极限。因此, 在碰撞前1.4s内, ESC能够启动自动制动器刹车的速度是30km/h左右。如果采用比现在更高性能的ESC以高油压产生制动力, 轮胎很可能会发生侧滑。因此, 日产汽车正研究比碰撞前1.4s更早启动自动制动器。日产正在开发的系统可以在时速60km/h以上也能够避免碰撞。这种防撞系统利用毫米波雷达在碰撞前6s左右, 告知驾驶员存在碰撞危险, 一旦驾驶员松开油门等表现减速意志, 系统会在碰撞1.4s之前, 自动启动0.25G左右的弱制动。到了碰撞1.4s, 则产生1G左右的强制动力以避免碰撞。该系统由前车追随功能ACC的自动制动器 (最大0.25G) 和避免碰撞的自动制动器 (最大1.0G左右) 组合而成。
    结合ACC概念的避免碰撞安全系统, 其优点不仅在于能够支持高速。由于在早期进行弱制动, 因此在碰撞前1.4s内启动的自动制动器, 即使制动力弱也没关系。因此, 不仅能够减轻制动时对乘客的影响, 还能够减小被后方车辆追尾的危险性。

二、辅助泊车技术

    日产汽车在早前开发出了可检测出移动物体的“移动物体检测功能”, 作为可现车辆上俯瞰图像的“环视显示器”的一项新功能。该公司此前已开发出可合成4台车载摄像头的图像来显示正上方俯瞰图像的环视显示器, 并实现实用化。此次开发的系统中追加了图像识别功能, 当车辆周围出现行人等移动物体时, 可在显示屏上通过颜色和声音提醒驾驶员注意。车辆从停车场起步, 或驶入左右视野不良的十字路口时, 能够确保驾驶员的视野, 以防止因忽略移动物体而发生交通事故的可能性。系统启动时车辆前行速度不能超过10km/h, 倒车时则没有限制。摄像头仍像原来一样采用检测角度为180度的广角型, 配置在车辆的前后左右。如果装有环视显示器系统, 可通过追加软件实现上述功能。不过, 还仍需要提高ECU (电子控制单元) 的处理器性能等。环视显示器的作用是利用设置在车辆前后左右的4个摄像头, 在车载导航仪屏幕上显示类似于从车辆上空俯拍的影像。此前, 很多汽车也具备泊车功能, 除了显示图像外, 还包括了通过屏幕显示和语音来提示泊车方法的一些泊车引导功能, 并可在车辆前端和后端的左右侧获得180度宽视野功能。早前的日产汽车应用的功能, 除了原来类似于从车辆上方俯拍的影像之外, 还可以在泊车时的倒车起始位置及反打方向盘的位置等。目标泊车范围可依据驾驶员的喜好及泊车环境设置, 需要反打方向盘时也可提示如何泊车。
    前后方视野功能可将车辆前后方的左右两侧约180度的影像显示在显示器上。为了易于把握车辆周围的情况, 还可显示距离车辆保险杠更远的影像。车辆开出左右视野不清楚的停车场时, 可确认驾驶座无法看到的位置存在的靠近车辆及行人等。
    导航仪联动前方宽视野功能方面, 当接近导航仪地图上的登陆地点并停车时, 会自动显示前方左右两侧180度的影像。由于可在视野不清楚的十字路口等能够自动显示图像, 因此能够省去切换影像的麻烦, 用户不仅可安心泊车, 还会在道路上驾驶时更加放心。
    如同那句“懒人创造世界”一样, 当初产生这种技术思路的日产汽车技术人员就是因为不善于泊车, 并且发现, 从建筑物屋顶上拍摄的影像最易于辨认车辆的轨迹, 才产生了环视显示器的开发思路。
    当然, 泊车系统今后的发展, 将实现不仅能够呈现图像, 还能够自动转向、刹车等全自动化。而关于今后汽车配备的摄像头的数量, 专家普遍认为4个就够用。而且这种环视显示器的摄像头, 当然也可用作车辆前后的监控。

三、全景导航技术

    至今为止, 大多车辆导航系统的显示方式都为地图形式, 有时会令驾驶者感觉单调, 甚至很多时候发现实际的道路样子与显示屏中的标记差别很大, 令驾驶者不能确定准确的路线, 于是很多团队开始寻找一种人性化的导航显示方式。
    日本先锋公司在今年上市了新款车载导航仪Cyber Navi, Cyber Navi可把车载摄像头拍到的影像与各种信息重叠在一起在屏幕上显示。在车载导航仪的高端机型领域, 各大公司都在绞尽脑汁提出新的附加值, 先锋公司则计划利用实拍影像来形成差异化。究竟能否作为高端机型被普通消费者所接受呢?各大车载导航仪厂商都非常关心这方面的动向。
    在利用车载摄像头所拍影像方面, 已有多家汽车厂商在检测前方车辆和避免碰撞等安全性的提高上利用了实拍影像。不过, 此次先锋追求的方向不同于这些传统汽车厂商。先锋的目标是用车载导航仪来提高娱乐性, 让驾驶活动变得愉快舒适, 而非追求车辆的安全性。
    实拍影像的显示中, 先锋采用了将摄像头模块和影像处理专用单元组合使用的“Cruise Scouter Unit”。摄像头模块拍到的影像, 可与在影像专用单元内通过图像识别获得的信息, 一起在车载导航仪的画面上显示出来。
    影像处理专用单元由两张印刷基板构成。影像处理LSI采用了美国德州仪器 (YI) 生产的So C, 其中组合使用了ARM9系CPU内核与DSP。最大工作频率方面, CPU为324MHz、DSP为552MHz。为了降低成本, 影像处理采用通用So C而非ASIC等专用IC。因此, 图像识别是通过软件处理实施的, 而非专用硬件处理电路。
    在实拍影像上, 主要利用图像识别获得与前方车辆、道路标志线等行车线以及信号灯有关的信息, 然后通过画面显示和语音将该信息通知驾驶员。对于前方车辆, 除了显示已在实拍影像上捕捉到前方车辆之外, 还会在车载导航仪画面上显示推算车距。在高速公路上, 为了减轻堵车现象, 会通过显示画面提醒驾驶员将最佳车距保持在40m以上。在等信号期间识别到前方车辆起步时, 可通过路线的显示和提示音来提醒驾驶员。
    与前方车辆之间的距离, 采用三角学原理进行计算。因此, 关于摄像头模块的安装高度方面, 需要在车载导航仪的初期设定中实现输入以cm为单位的信号, 根据该数值和像素等推算出距离。
    行车路线识别功能, 目前只能在高速公路上使用。例如, 当在高速公路上压线行驶时, 会改变画面上的行车线颜色来提醒驾驶员注意, 另外, 可通过GPS定位与地图数据见得匹配程度, 来判断汽车是否正在高速公路上行驶。
    信号灯检测方面, 不仅能判断十字路口是否有信号灯, 还能识别前方的红灯信号, 还能在等待信号时检测出由红橙变为绿灯过程, 并通过图表通知驾驶员。此外, 车载导航仪的实拍影像, 可在导航时作为标记的设施上, 重叠图表和3D显示的多边形。在实拍影像上显示设施信息, 有助于将来在店铺信息和广告宣传等方面推广新型服务模式。
    Cyber Navi配备了可利用车载摄像头记录沿途风景的全新功能“形成储存器 (Drive Memory) ”。可以用专用软件在个人电脑等设备上浏览沿途风景。其采用32GB上网SD储存卡时, 可最长录像约100h。由于摄像头模块中配备了加速度传感器, 因此在发生事故或急加减速时, 可与自动存储视频的“汽车黑匣子”发挥相同的作用。
    另外, 当车辆经过地图上原来没有的路线时, 会自动在地图上生成路线。这就是这系列产品配备的“路线创建”功能。新路线会生成为普通路线, 成为下次的导航对象。在更新地图数据时, 如果有一致的数据, 也会自动更新。因此先锋表示, 通过出色的汽车定位精度, 已经可以准备掌握新路线的起点和终点。
    此次上市的Cyber Navi在1D+1D和2D机型中分别准备了两款产品, 共计4款。其中, 两款高端机型配备了可现实实拍影像功能, 以及3年内可免费使用通信功能的“数据通信专用通信模块”。无线通信网采用的是NTT DoCo Mo的第三代移动通信服务“FOMA”。据先锋介绍, 使用3年以后, 每年支付1万日元左右的费用, 可继续使用。

四、无钥匙系统

    根据Strategy Anaiytics的调查数据显示, 中国汽车市场上, 传统遥控钥匙占有率超过了60%。未来将逐步升级到无钥匙系统, 2017年前, 年均复合增长率为25%。
    恩智浦半导体 (NXP) 汽车电子事业部全球销售与市场营销副总裁Drue Freeman在媒体发布会上表示, 比亚迪的高端中级车型采用了恩智浦的无钥匙系统技术 (PKE/PKG) , 该方案整体成本在200美元以内。
    该系统的主要特点是将引擎防盗 (Immobilizer) 、遥控钥匙和无钥匙系统集成在单芯片中。其中的低频前段和微处理器提高了低频敏感度, 增加了遥控距离。低能耗的接收信号强度侦测模块 (RSSI) 可进行精确的车内外检测, 例如, 把钥匙贴近手机, 通过NFC技术, 可在手机上显示剩余用量等汽车状态信息;通过GPS技术实现钥匙对汽车的定位。96位的Hitag-3和128位的AES算法等多项加密技术, 快速认证协议可实现安全的快速响应, 并具有银行级安全的金融支付功能。唤醒功能可防止钥匙的误唤醒, 延长电池寿命。

五、车载局部网络实现节能减排

    在目前车载网络架构下, 汽车行驶中, 动力总成和底盘等的电子控制单元 (ECU) 一直处于激活状态, 在接受通信报文时都会有一定功耗, 而车门、座椅、门禁、泊车距离和预热等处于休眠的ECU也会消耗100m A、200 m A、400 m A……的功耗。例如, 电动汽车在停车充电时, 原来在传统车中平时不工作的ECU也会延长2~3倍的工作时间。于是, 在2011年6月德国路德维希堡举行的一次大型国际汽车会议上, 奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷和大众决定建立CAN局部网络架构和解决方案的行业标准。奥迪和大众准备在下一代车型中引入CAN局部网络技术。奥迪预计, 使用该技术后, 中期可预见减少的二氧化碳排放量约为2.6g/km, 百公里节约燃油0.11L。
    恩智浦半导体 (NXP) 宣布, 推出满足NWP ISO11898-6和AUTOSAR R3.2.1标准的CAN局部网络 (PN) 解决方案, 包括独立的高速CAN收发器TJA1165, 和集成5V/100m A微处理器供电的CAN系统基础芯片UJA1168。局部网络的技术原理是:普通总线流量不会唤醒局部网络ECU, 局部网络ECU仅在收到定义的唤醒消息时才唤醒, 在不需要时, 可有选择地回到休眠模式。也就是说, 不必改变ECU的物理连接, 而通过改变逻辑连接重新定义车载总线通信网络。
    TGA1145和UJA1168根据汽车行驶或停放状况, 通过“选择性唤醒”和“选择性休眠”功能, 实现对汽车总线通信网路的精确控制。只激活那些在功能上需要的ECU, 禁用那些当前无需激活的ECU, 可达到节能减排的目的。由于可扩大行驶里程和优化充电时间, CAN局部网络技术同样适用于纯电动和混合动力汽车。在技术实用初期, 局部网络技术将不涉及动力总成和底盘等关键部位的ECU, 仅限于非核心ECU, 如车门、天窗、座椅、后备箱、倒车影像系统、泊车辅助系统等。

六、更加人性化的多媒体中心

    汽车多媒体的发展方向变得越来越明确, 舒适将是驾驶者对车内娱乐的终极要求。数十年来, 车载多媒体经历了从卡带、调频收音机到自由互联网和数字影音系统的迅速转变, 当车载产品具备了所有五官享受时, 是时候将它们有机整合, 让人机交流更加流畅、高效的时候了。
    在早前, 行业中都认可宝马的i Drive系统是一种全新的、简单、安全和方便的未来驾驶概念, 属于自动化信息化驾驶系统的范畴, 并且只有在高级车和概念车上配备了这项最新的科技新技术。但关注福特的人会发现, 在近年的福特汽车车身上装载了一套全新多媒体互动系统My Ford Touch, 其强大的功能及人性化设计已经将宝马的i Drive技术追赶并试图将其抛在身后。
    实际上, My Ford Touch就是其之前Sync技术的升级版, 有媒体称之为“Sync 2.0”, 在福特公司的内部开发计划中, 该项目被命名为“Simplexity”, 意为简单化。福特公司就是希望在车辆内部设计越来越多功能的今天, 能够设计一款产品将这些功能集中化, 从而简单化用户的使用。
    这项技术中最突出的一点是其配合了福特引以为傲的HMI人机互动界面 (Humanmachine) , 驾驶者可通过语音、触摸以及方向盘来控制一切车内功能。通过扩容后的Sync词库, 驾驶者已经能够用更短的语音指令完成更多操控。目前, Sync的词库已经可以识别数以千计的初级指令。福特汽车称, VUI (语音用户界面) 、TUI (触摸式用户界面) 和GUI (欲行用户界面) 的完美结合, 将带给驾驶者前所未有的科技感受。
    福特汽车首席执行官艾伦穆拉 (Alan Mulally) 在本届CES做开幕主题演讲时说, 人们之所以对iphone情有独钟, 是因为它不仅仅是一台手机, 而是一台同时融合了PC特性的多功能产品。同样, 福特汽车也希望My Ford Touch成为车载领域的“瑞士军刀”, 能够无所不能。
    My Ford Touch系统上方向盘的五路控制按钮 (上下左右和单击) 分别位于左手和右手位置, 用来各自控制左右屏幕。如果你不喜欢用方向盘或者触摸屏来控制, 福特公司表示, My Ford Touch的语言识别系统运用了最新技术, 能够达到史无前例的精准度, 并且能够实现一定的互动, 例如当你说出“ipod”时, 系统将自动启动ipod功能, 并同时会询问你需要播放哪首歌曲或是哪位歌手的歌。
    另一个细节也体现了福特公司的人性化设计理念, 用户可以通过SD卡或闪存硬盘来保存和拷贝设置, 比如你的电台预设、配色方案、电话通讯录、甚至座椅调节方案等, 亦即是说驾驶者可以将他的个人喜好带到任何一辆装有My Ford Touch系统的车上。
    同时福特高层人士透露, 他们试图将更多的网络应用加入到My Ford Touch中, 除了Internet Radio网络广播之外, Wi-Fi技术以及Twitter微博功能也在将来会出现。

七、未来概念产品

    谈到人性化产品, My Ford Touch系统算是在实用化中做到了极致, 而在此不得不谈及的是剑桥大学教授Peter Robinson近期开发出的一款新型车载GPS导航系统, 该系统采用了摄像机与传感器感知司机情绪的功能, 由此可帮助预测态势并付诸驾驶。普通导航探测设备并未与司机情绪关联, 无法实现交互, 因而具有明显的感知局限。Peter Robinson教授在电脑图形图像与人机交互技术基础上, 开发了名为Charles的导航系统机器人, 分别使用摄像机与马达充当眼球和肌肉, 实现视觉与运动功能。
    该系统具有人类上半身外形, 采用多传感器布局结合精神状态预设算法 (Algorithms of Predefined Mental States) , 对司机面部表情、声音腔调、肢体语言和躯干姿态等讯号进行监控跟踪, 以70%的标准度阅读人类表情。另外该系统还能为司机提出行车路线建议。虽然该系统尚不足以取代My Ford Touch等智能导航系统, 但在人机交互和产品人性化方面有明显进步, 为将来技术发展指明了方向。