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电子技术助力打造对人类和环境友好的汽车

电子技术助力打造对人类和环境友好的汽车

全球变暖、交通事故…汽车的负面影响正在被不断地放大。然而,在2007年第40届东京车展上,多家汽车厂商都展出了以"对人类和环境友好"为主题的汽车。
        "这是能够让人越来越健康的汽车"--丰田汽车总裁渡边捷昭在该公司举行的发布会上对其概念车RiN进行了如此评价(见图1a)。为了营造出让驾驶者不会感到紧张的环境,使驾驶者保持良好的精神状态,RiN中采用了众多的电子技术。
        比如,车内设计有利用电极测定心跳次数的"调心方向盘",以及反映驾驶者心理状态的电动助推式滑动车门。凋心方向盘可通过安装在方向盘内的电极测量驾驶者的心跳次数,电子控制单元(ECU)能够对自律神经的活动量进行分析,并结合驾驶者当时的心理状态,再将用于提示放松或集中沣意力的抽象图像显示到方向盘中央的显示屏上。当驾驶者平静地开关滑动门时,电动系统将会进行适当地助推;当驾驶者粗暴地开关滑动门时,电动系统就会进行一些限制,以帮助驾驶者调整心态。
        另外,车内还有用于缓解肩部酸痛、发冷现象的"舒适加热座椅"、"氧气浓度调节器"、"定位加湿"等设备,并采用了让行人和其他车辆的驾驶者不会觉得晃眼的配光控制前照灯。丰田汽车表示:"这款车的目标是保护驾驶者的身心健康,并与自然环境相协调。"
        以驾驶者在心情放松时容易发生事故的研究结果为基础,日产汽车的概念车PIVO 2采用了能够根据表情和对话推断驾驶者状念并对其进行语音提示的"机器人总管(Robotic Agent)"(见图1b),驾驶者还可将机器人总管更换成可显示到监视器上的其他动画人物。该功能的应用软件由日产汽车开发,硬件(机器人头部)由NEC提供。
        本田的PUYO是一种燃料电池概念车,为了体现出对人类和环境友好的主题,车身采用硅树脂制成(见图1c),感觉较为柔软。设计工程师介绍说:"燃料电池车属于新一代汽车。我们的设计目标是想要改变过去汽车的冷硬形象。"PUYO的另一大特点是采用了操纵杆以取代方向盘。

       电动汽车的实用化日益临近
        此次车展让人感觉到,作为环境友好型汽车,电动汽车已经日益临近实用化。三菱汽车总裁益子修表示,电动汽车将于2009年进入实际应用,比之前的计划提前了1年。日产汽车总裁兼首席执行官CarlosGhosn在2007年10月26日的中期决算发布后,也发表了将于2012年建立电动汽车量产体制的宣言。
        继上述两家公司之后,富士重工业表示将在2010年之前实现电动汽车的产品化。也就是说,目前已有3家日本的汽车厂商明确表示要实现电动汽车的实用化。在此次车展上,这3家公司也展出了电动汽车的概念车,即日产汽车的PIVO 2、三菱汽车的i MiEV SPORT和富士重工业的G4e CONCEPT(见图2)。

        日产汽车的PIVO 2是在2005年东京车展上展出的PIVO基础上进化而成的电动汽车。与PIVO一样,PIVO 2的座舱也可旋转,并且,不仅能前后移动,还能够左右移动。以前,马达被安装于底盘下面,现在则换成了分别与各车轮直接连接的轮毂式马达。这种马达是由2个转子和1个定子构成的轴向间隙型马达,它是在富土通通用公司的技术支持下开发出来的。每个马达的输出功率为15kW,4个总共60kW。蓄电池采用锂离子充电电池,这种电池使用尖晶石结构的LiMn2O4作为正极材料,快速充电10~20分钟后可连续行驶120km以上。
        三菱汽车的i MiEV SPORT是一种比预定在2009年上市的i MiEV还轻便的概念车。该车以轻型汽车"i"的平台为基础,由马达驱动后轮。除了后轮马达外,左右前轮也配置了轮毂式马达。前轮的马达输出功率均为20kW,后轮为47kW。
        另外,该公司还展出了已在2007年中期进行实际行驶试验的iMiEV汽车。同以往的汽车相比,该产品除了提高了马达和逆变器的静音性外,还在维持原有的马达最大输出功率和最大扭矩的前提下,将马达减轻了10%,将逆变器缩小了30%。作为电源的锂离子允电电池采用了GS YUASA公司的产品,其电流容量为50Ah,电压为14.8V。汽车底盘下共安装了22个模块,每个模块含有4个电池。电力容量为16kWh,一次充电可行驶约160km。
        富士重工业的G4e CONCEPT中使用的锂离子充电电池是采用V2O5(五氧化钒)作正极材料的新一代电池,同该公司已进入实际行驶试验的电动汽车R1e上使用的LiMn2O4相比,能量密度提高到了原来的2倍。汽车底盘下配置了16个电池模块。电力容量为20kWh,一次充电可行驶200km。
        可俯视汽车的摄像设备
        在此次车展上,作为车载零部件展出较多的是车载摄像系统。如图3所示,车上安装4个摄像头后,驾驶者便能够利用汽车的俯视图来停车,并可防止汽车在左右转弯时发生冲撞。日产汽车在2007年10月底上市的ELGRAND便安装了这种系统。

         各公司车载摄像系统的基本结构大致相同,即一般在车辆的前方、左右两侧、后方分别安装1个摄像头,共计安装4个摄像头。系统对来自各摄像头的影像进行合成,然后将合成的影像显示到车载显示屏上,合成后,影像就如同从车顶上方看到的一样。各公司的不同之处在于影像提供方式、是否具有通过影像识别检测周围移动物体的功能等。
        日产汽车的方式是: 一旦变速杆被挂入"R(倒车)"档位,将自动在显示屏的左半部分显示汽车的俯视图,显示屏的右半部分则自动显示后方摄像头拍摄的影像。另外,屏幕左侧不仅可显示俯视图,还能切换为被称为"侧面盲点视图"的显示模式,以显示汽车左前方的情况,这对于汽车纵向出入时非常有用。汽车四角还配备了超声波传感器,一旦检测到周围的障碍物,就会发出警报。
        日野汽车也采用了通过变速杆位置切换显示影像的方式。通常情况下,显示屏只显示来自前方和两侧的3个摄像头拍摄的影像。一旦变速杆被挂入倒档,显示屏就会切换显示两侧和后方摄像头拍摄的影像。显示画面一般分为3个区域,如果在分割的区域内有物体移动,该区域将会显示为红色且不停闪烁,并通过警报声提醒驾驶者注意。
        松下电器产业和三洋电机的系统中也安装了检测周围移动物体的功能。在松下电器产业的系统中,当检测到车辆附近有移动物体时,在显示画面中,移动物体的上面将显示红色的惊叹号标记。而且,惊叹号的颜色会根据移动物体与车辆的距离发生改变,如果距离变远,就显示黄色的惊叹号。在三洋电机的系统中,如果检测到周围有移动物体,显示画面便会在移动物体四周标记一个红色方框,并在影像合成时通过精心制定的算法对影像接缝及接缝产生的偏移进行调整,几乎完全消除了接缝痕迹,实现了清晰的无缝影像。
        Clarion公司的方式则刚好与三洋电机相反,系统会故意将影像接缝清楚地显示出来。据该公司的解说员介绍:"这是为了通过显示影像的结合部位,让驾驶者意识到不能过度依赖接缝附近的影像。"
       影像处理的进化趋势
        图像识别技术今后还将不断进化(见图4)。富上重工业介绍了仅通过立体摄像头便可检测前方障碍物并控制制动器的新一代ADA(主动驾驶辅助)系统。即使是在夜间起雾、下雪等情况下,通过摄像头的灵敏度处理和影像处理,汽车就能够识别出前方的障碍物,其识别能力超出了大多数人的想像。
        富士重工业预定在2008年春将该系统集成到力狮(Legacy)车内。该系统不需要毫米波雷达,图像处理工作可由专用ASIC和普通微处理器完成,而且,这些专用ASIC和微处理器均内置于摄像头模块内。因此,与以往由立体摄像头和毫米波雷达构成的系统相比,新系统的销售价格大约能够减少一半。以前的价格大约为35万日元(约合2.3万元人民币)。
        影像处理的特点在于,制作三维图像时要使用摄像头模块内部的ASIC进行处理。该公司的解说员表示:"尽管三维处理的运算量较大,但算法较为简单,可以像传送带流水作业那样,通过并联电路进行处理。"利用三维化影像数据对前方车距、障碍物、白线、车辆摆动等进行识别的运算处理,全部由该公司独立开发的图像处理软件在微处理器上完成。
        日本电装公司发布了一种在行驶过程中利用一个摄像头对交通标志进行识别的技术。该技术可根据影像的浓淡,寻找标志中的特征点,然后将该特征点与保存于存储器内的图像进行比较,从而识别出前方的交通标志。该技术估汁将在5~10年后实现实用,目前需要的是提高微处辉器的影像处理性能。
        有效地传递危险信息
        如果能够在汽车上安装可收集周围信息的各种传感器,那么这些信息便可在显示屏上显示,从而将信息传递给驾驶者。尤其是在紧急情况下,通过这些传感器,就可以将多种信息中提示回避危险的重要信息立即传递给驾驶者。在此次车展上,有几家公司展出了可将危险信息高效传递给驾驶者的系统。
        CALSONIC KANSEI公司进行了信息投射演示,即采用抬头显示器(HUD)技术,可在前车窗的下部显示行车速度、行人检测警报、道路限速等交规限制内容及路线引导的箭头标志等信息(见图5a)。250×40像素的黑白液晶面板配置在仪表盘上,所显示的图像将被投射到前车窗下部。投射光源采用了多个白光LED,显示尺寸为128mm×20mm,抬头显示器模块的外形尺寸为150mm×150mm×40mm。该公司的解说员介绍说:"驾驶者只需在最小限度内移动视线便可获得各种信息,并小会影响到驾驶者透过车窗观察车外情况的通常驾驶状态。"
        将显示信息集中在最小范围内,驾驶者便可很容易地获得必要的信息,而不会产生混乱。另外,在警报的显示方法上也有所进步。比如,当检测到行人时,如果行人位于车前方右侧,那么行人检测警报就会出现在显示器的右侧;如果行人位于车前方左侧,警报就将出现在显示器的左侧。这样,驾驶者便能够更直观地获取警报。
        日本大发工业(Daihatsu)还进行了显示信息的实际演示,能够在驾驶者会经常观察的速度计等仪表盘的显示器上显示各种警报信息(见图5b)。显示器可重叠显示两种类型的图像信息,速度、发动机转数等仪表盘显示的一般信息位于下层,警报等需要引起驾驶者注意的信息位于上层。在图5(b)中,上层图像中央的黄色物体表示本车,左边的红色物体表示周围的其他车辆,下层颜色略浅,主要显示速度等。

        仪表盘的显示器模块上部设计有投射速度计等通常信息的面板,下部设计有投射警报等信息的面板,均采用反光镜投影。系统中对两种类型的图像信息部分别进行了调整,使得各图像与驾驶者对焦的位置不同,这样就可以让驾驶者容易地分辨出上层图像和下层图像。
        新型用户接口
        除此之外,新型的用户接口(UI)也是受到极大关注的车载零部件之一。Clarion和先锋展出了采用红外传感器的汽车导航仪UI,日立制作所展出了采用手指静脉认证传感器的UI(见图6)。



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