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百年博世的ADAS霸主之路

摘要: 博世依靠着此前的积累已经在汽车变革时代有了一个很好的开局,接下来就要看这家公司在未来 5 年、10 年、50 年中如何步步为营、攻城略地。

图片来源@视觉中国

图片来源@视觉中国

文 | 汽车之心(ID:Auto-Bit),作者 | 牧之,编辑 | 王德芙

全球汽车产业的发展及汽车产品的进化,离不开众多汽车一级供应商(Tier 1)长久以来的进取和创新,它们一直在互相成就。 智能汽车时代,全球的互联网巨头、自动驾驶明星企业头顶光环出场,计划给传统汽车产业来一场智能化革命。
但任何技术革新皆非一蹴而就,汽车诞生已有百余年之久,能进化至今天的形态,是穿过漫漫长夜、克服无数挑战的结果。

就全自动驾驶而言,业内最为资深的选手 Waymo 也不过才探索了短短 10 余年而已,即使如今已能很好地实现单车智能,但真正的大规模落地还为时尚早。

业内的选手、资本更多押注的是人类接下来 50 年甚至更久远未来的交通图景。 而眼下的这 5-10 年里,我们在汽车产品形态上所能看到的最大革新,应该还是 ADAS 系统/低级别自动驾驶功能成为各类车辆的标准配置

汽车产品将越来越稳定、安全,交通系统也将实现更低的事故率。而安全,正是汽车技术进化过程中一直以来要遵循的铁律。

毫无疑问的是,在这个进程中,市面上的老牌 Tier 1 依然会像在传统汽车时代那样扮演起重要的角色,因为他们在技术上有着深厚的历史底蕴以及可贵的传承。

当然,固步自封是不可取的,他们也需要不断转型、不断去适应市场的需求。 

那么,在 ADAS 系统/低级别自动驾驶功能真正走向普及甚至是车辆标配之前,我们来看看一家来自德国的老牌 Tier 1 如何积攒起了深厚的技术底蕴?又如何“大象转身”并适应智能汽车市场的需求? 

这家 Tier 1 便是至今已有 133 年历史的德国博世(Bosch),与世界上第一辆真正意义上的汽车同岁。

从小作坊到全球 Tier 1 

1886 年 11 月 15 日,罗伯特·博世创立了“精密机械和电气工程车间”,这就是博世公司最初的模样。

该工程车间一开始只是两名员工负责制造和安装各种电气设备,包括电话系统和远程电子水位表等。

1887 年,在工程车间创办几个月后,罗伯特·博世应客户需求,根据科隆发动机生产商 Deutz 的一款产品,制作了一台磁电点火装置,他在电磁的设计上进行了关键性的改进。

磁电点火装置的用途是产生电火花,从而点燃固定式内燃机内的空气燃料混合物。 10 年之后,博世率先将磁电点火装置应用到汽车发动机中,从而解决了汽车工程学发展初期所面临的重大技术难题并获得了大量订单。

随着车用磁电点火装置的进一步发展,博世在 1898 年获得了第一批汽车行业的订单,开始成为汽车配件供应商。

这家公司的业务慢慢从电气设备安装转为专营汽车配件,曾一度几乎垄断了磁电点火系统市场,1913 年全球市场份额超过 90%,并在两年后将生产总量提升至 200 万台。 1927 年,在博世成立的全新汽车技术部门中,诞生了针对卡车的柴油喷射系统,而且,从 1936 年起,这一系统又成功应用于乘用车上,为此后的汽油喷射系统奠定了技术基础。 在经历了漫长而残酷的二战后,20 世纪 50 年代,博世开始了各个产品领域的技术创新。

1951 年,推出了机械式汽油喷射系统;1958 年,开发了发电机调节器装置的电子元件,这是汽车电子领域的先驱性探索。 60 年代往后,博世开始在汽车技术领域大刀阔斧的进行探索和创新,诞生出了许多足以改变汽车行业历史的关键产品和系统,其中包括:

  • 1967 年推出的电子控制汽油喷射系统。

  • 1978 年量产的 ABS(Antilock Braking System)防抱死制动系统;

  • 1986 年的 EDC 柴油机电子控制系统;

  • 1989 年推出欧洲地区史上首个独立的汽车导航系统“蓝宝 TravelPilot”;

  • 1995 年,博世拥有专利的 ESP(Electronic Stability Program)系统量产。

  • 1996 年,博世收购了 AlliedSignal 的制动业务,这是博世在汽车技术领域的一项重大投资;

  • 1999 年博世与采埃孚成立了一家合资企业,主要生产轿车和商用车的转向系统。

进入 21 世纪,作为汽车供应商的博世,已经拥有了包括内燃机动力系统、制动系统、转向系统、导航系统以及主动安全系统等汽车部件业务,而且,其触角伸向了世界各地。

从 ABS 到 ESP 

整个 20 世纪,博世成为现今顶尖汽车 Tier 1。这个时间段中,有两大主动安全系统/产品不得不提。

因为这两大创新,与现阶段正火热的 ADAS 系统/低级别自动驾驶,甚至是全自动驾驶,都有千丝万缕的联系。
其一便是博世公司首创的 ABS 防抱死制动系统。

博世自 1978 年 6 月开始批量生产 ABS 系统。

自此之后,ABS 成为所有汽车主动安全系统的发展基础。该系统能够防止车轮抱死,使车辆即使在全力制动的情况下,仍然可以保持稳定,驾驶员可以采取避让动作,防止事故的发生。

凭借其电子控制技术,博世的 ABS 成为首个应用在车辆上最有效、最可靠的安全解决方案。 相关资料显示,自 20 世纪初以来,人们一直致力于车轮防抱死的研究,这不仅针对汽车,也包括火车及飞机。

博世于 1936 年注册了第一个该类技术专利。回顾早期应用于汽车上的设计,因为是“机械”控制,所以都存在着同样的问题:过于复杂,故障率高,并且运作速度慢。

1964 年,同在德国的 Teldix 公司开始进行首例全电子控制系统的研发,并且在两年后获得了成功。因为投入的资金过于庞大,ABS 初期的应用仅限于铁路车辆或航空器。

1970 年,Teldix 公司和奔驰车厂合作开发出第一具用于道路车辆的原型机—— ABS 1,这就是第一代 ABS。 但第一代 ABS 系统的性能仍有待提高,因为它应用了约 1000 个模拟元件和安全转换开关,导致该系统的可靠性和耐久性不符合批量生产的要求。

1975 年,博世从 Teldix 手中收购了 ABS 的研发成果。通过工程师专业的技术,特别是集成电路的应用,使该系统的电控元件减少到 140 个。

最终,在经历了 14 年的漫长开发历程后,博世于 1978 年开始成功批量生产第二代 ABS。该系统先后成为奔驰 S 级和宝马 7 系豪华轿车的可选配置。 此后,工程师们一直致力于该系统的简化。

1989 年,ABS 集成控制单元投入批量生产,由于其紧凑的设计,使它可以直接安装在液压模块上,这大大减少了 ABS 的整体重量。

1993 年,博世公司的工程师们通过运用新的电磁阀,开发了第五代 ABS 系统,并在随后几年中研发了 5.3 和 5.7 版本。

新版本的主要特点是进一步减轻了系统重量,增添了一些附加功能,例如电子制动力分配功能,它取代了安装在后轴上的机械式比例阀。        

博世 ABS 2 液压调制器与控制单元

博世工程团队测试 ABS 系统

事实上,ABS 系统刚推出的前三年都是非常艰难的,从 1978 到 1980 年底,博世总共才售出 24000 套 ABS 系统。

度过了艰难期后,ABS 系统的受欢迎程度不断提升,到了 1985 年,全球新出厂车辆安装 ABS 系统的比例首次超过 1%,通用也决定把 ABS 列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备。

如今,ABS 系统已经成为全球各大车市绝大多数出产车辆的标准配置。 ABS 系统之外,还有一大重要创新便是博世拥有专利的 ESP 系统。 在 ABS 的功能基础上,博世相继在 1986 年开发了牵引力控制系统(TCS),在 1995 年,开发了电子稳定程序(ESP)。

所谓 ESP,实际上是一组车身稳定性控制的综合策略,它包含了 ABS 以及牵引力控制系统(TCS)——也可以称之为驱动轮防滑系统(ASR)。

可以说 ESP 是在这两种系统基础之上的一种功能延伸,而非作为独立配置存在,旨在提升车辆的操控表现的同时,有效地防止车辆达到其动态极限时失控的系统。 博世 ESP 源于 1983 年,其工程师通过优化的 ABS 控制来增进车辆在全力制动时的稳定性。

接下来的几年,这个增强型的 ABS 系统不断改进,并在 1987 年获得相关的专利。

1991 年,博世与戴姆勒-克莱斯勒合作,双方在 1992 年建立了联合项目基地,开发和完善 ESP 系统。

ESP 通常由传感器、行车电脑、执行器组成:传感器负责收集车身行驶数据的状态;行车电脑负责分析这些数据;执行器会根据分析结果对行驶中的车辆采取措施。 1995 年 3 月,博世 ESP 开始批量生产,并首次装配于奔驰 S 级轿车。

在接下来的数年中,ESP 系统得到不断地改进,最新的博世 ESP 已经发展到第 9 代。

第 9 代 ESP 除了在原有车身稳定控制上精益求精,还为车辆增添众多实用的功能,如:车道检测、碰撞预警、自适应巡航等。

当然,这要与博世推出的毫米波雷达传感器互相配合起来才能实现相应功能。

例如,装配了第 9 代 ESP 升级型的车辆会装配博世第三代长距离雷达传感器(LRR3),系统相互配合,能实现具备启停功能的自适应巡航控制。        

博世第九代 ESP 博世是 ESP 的发明者,但随着机电一体化技术的发展,很多厂商也开始生产与博世 ESP 有相同功能的汽车零部件。

由于博世注册了“ESP”这个名称的专利商标,因而其他厂商不能把它们的电子车身稳定系统叫做 ESP,而是统一叫做 ESC(Electronic Stability Control)。

德国博世、美国天合、德国大陆特维斯、日本电装、日本爱信、美国德尔福是世界上 6 大主要电子车身稳定系统供应商。 随着汽车安全性和舒适性的要求不断提高,ESP 也成为了很多国家和地区车型的标准配置。 2002 年,博世在上海宣布其底盘系统开始在中国进行本土化生产,博世底盘系统有底盘管理系统(其中就包括了 ABS、ESP 系统)、基础制动系统(制动钳和鼓式制动器等)、助力器总成等组成,这也意味着国内有一大批车型需要这样的主动安全系统的装配需求。

2008 年,博世在中国制造的第 150 万个 ABS 在博世汽车部件(苏州)有限公司下线,而针对 ESP 的需求,国内车型的装配率也在不断增长。

据了解,小鹏汽车 G3 车型上,就搭配了博世的第 9 代 ESP 系统。

iBooster 和线控转向技术 

从 ABS 系统的量产到拿下 ESP 系统的专利,博世在汽车制动、转向系统领域的霸主地位也随之确立。

近些年,博世依然在这些领域不断创新。 其中不容忽视的一项关键产品就是其智能助力器 iBooster。       

博世 iBooster 产品 

在工作原理方面,iBooster 通过踏板行程传感器(Pedal Travel Sensor)探测助力器输入杆的位移,并将该位移信号发送至控制单元。

控制单元计算出电机应产生的扭矩要求,再由二级齿轮装置将该扭矩转化为助力器阀体的伺服制动力。

助力器阀体的输出力和助力器输入杆的输入力在制动主缸内共同转化为制动液压。 非常重要的一点是,iBooster 在助力时,增加了一个计算的过程,它会计算车辆制动需要多少力,然后再辅助驾驶员“踩”下刹车踏板。相较于传统的真空助力器,iBooster 更为灵巧。

当然,iBooster 在计算时速度是非常快的,并不需要担心其会影响制动时间。 iBooster 能够实现主动建压,无需驾驶员踩下制动踏板就能刹停车辆。

与 ESP 系统相比,获得所需制动力的速度提升了 3 倍,并且可通过电子控制系统进行更加精确的调节。这对自动紧急制动系统(AEB)来说是一个很大的优势。 而且,为了增加车辆制动的鲁棒性和安全冗余,博世为 iBooster 设置了多个应对失效情况的备份方案,保证在刹车机械结构未失效的前提下,驾驶员能制动车辆。

其中一项,就是将 iBooster 与 ESP 系统互为冗余,一旦 iBooster 失效,ESP 系统将会接管并且提供制动助力。

要知道,这样的冗余备份对于未来自动驾驶功能的实现,具备非常高的价值。所以博世每每在提到其自动驾驶制动策略时,都会将自家这个优势组合拿出来宣扬一番。

如今,iBooster 产品已经进化至第二代。 2019 年 3 月,博世在亚太地区的首个智能助力器生产基地于南京落成,耗资 7.7 亿元,可见博世对于这一先进的汽车制动配件寄予厚望。 还有一项值得一提的创新则是博世刚推出不久的线控转向系统(Steering By Wire)。

该系统取消了传统转向系统的中间轴连接,通过数字信号来执行转向指令的发送,通过对可识别的过度转向或者转向不足进行弥补,提升自动驾驶的安全性。

搭载了这个系统的车辆,将具备方向盘向左打,车辆向右转的奇妙能力。同样,博世也为这个系统搭配了全冗余的软硬件方案。 线控转向技术的基础是电动转向系统(Electric Power Steering),而 ADAS 和自动驾驶中的许多功能都是通过电动转向系统来实现的——例如车道保持辅助、交通拥堵辅助、泊车辅助、车道偏离警告等。

业界有观点认为,线控转向技术使汽车产业向自动驾驶迈出了一大步。        

博世电动转向装置 不断的技术积累,不断的创新,才有了博世如此深厚的历史底蕴。

无论是 ABS、ESP,还是 iBooster、线控转向技术,都是提升车辆操控安全性的重要技术,而这些技术还拥有一个非常重要的共性,那就是能够帮助博世更好地开发 ADAS、低级别自动驾驶,甚至是全自动驾驶。

因为这些技术之间都有开发的传承性,还能互相辅佐,互为冗余。为了打下这些技术基础,博世已经花费了百余年的时间。

迎接 ADAS 时代的到来 

汽车行业未来的 5-10 年,是为 ADAS 系统/低级别自动驾驶功能成为各类车辆的标准配置所准备的。

所以,从此刻便可以开始迎接 ADAS/低级别自动驾驶功能装配热潮的到来。 

资料显示,早在 2013 年,欧洲新车碰撞测试项目 Euro NCAP 就要求大型商用车必须配备 AEB,2014 年时 Euro NCAP 又提出乘用车要想获得 5 星评分,必须至少配备 AEB、ACC、LDW、LKA 等主动安全技术中的一项。

同年,日本国土交通省 MLIT 也宣布将 AEB 纳入安全评分体系。

美国对 ADAS 相关技术的标准法规制定更早,2011 年时美国高速公路安全管理局 NHTSA 就宣布将 FCW 纳入车辆安全评分,之后在 2015 年,NHTSA 又宣布从 2018 年开始会重新调整五星级评价制度,其中标配 AEB 是新车获得五星评价的必要条件。

而中国,关于 ADAS 相关标准的立法也在不断完善中,此前便有针对客、货运车辆的 ADAS 功能强制要求出台。 

而博世方面,也早已准备好迎接 ADAS 时代的到来。 针对 ADAS 系统、高阶自动驾驶系统,博世将其拆解为感知(Sense)、思考(Think)以及执行(Act)三大层面。        

凭借着在汽车制动和转向领域的深厚积累,博世的 ADAS 系统在执行层面(Act)有了充分的技术保障,包括 ESP 系统、iBooster 产品以及线控转向系统等等,负责车辆的横向与纵向控制。

这些产品的背后有博世底盘控制事业部的全力投入。 当然,要实现诸多 ADAS 系统功能/低级别自动驾驶功能,也离不开博世自家出色的传感器技术,而这就涉及到感知层面(Sense)。

在传感器产品阵列方面:

  • 博世的毫米波雷达已经发展至第五代;

  • 多功能/立体摄像头也已进化至第三代,加入了卷积神经网络技术;第六代超声波雷达传感器;

  • 第二代近距离摄像头及环视系统;

此外,博世也在进行扫描式激光雷达的研发,这是为了更高阶自动驾驶能力所进行的技术储备。这些产品有博世汽车电子事业部鼎力加持。        

博世部分传感器产品 而在思考层面(Think),博世内部也在不断迭代自家的域控制器产品(DASy),能够不断进化以适应更高阶自动驾驶的需求:

能够收集和融合毫米波雷达、摄像头、激光雷达、超声波雷达等多种传感器数据,而且对复杂的功能算法的处理能力也很强。

最重要的一点在于,该款控制器达到了最高功能安全的 ASIL 等级水平。

目前,该自动驾驶用域控制器由博世底盘控制事业部负责开发。        

博世域控制器产品 DASy 在 2014 年,博世已经在吉利博瑞这款车上实现了 L1 自动驾驶功能,搭载了包括 ACC、AEB 以及预测性制动系统等。

2016 年,博世还助力长安汽车完成了从重庆到北京的自动驾驶长途测试。

2018 年上半年,新上市的吉利博瑞GE上搭载了博世苏州本土打造的 L2 级自动驾驶功能,包括交通拥堵辅助以及自动泊车辅助。

同时诸如自动紧急制动、开门预警、自适应巡航等驾驶员辅助功能也越来越多的装配在中国市场的乘用车上。 2019 年,是博世进入中国的第 110 个年头,在今年的年度新闻发布会上,博世公布了 2018 年的相关业绩:

中国地区营收 1126 亿人民币,其中汽车业务达到 817 亿人民币,ADAS 相关业务比 2017 年增长了 30%。

同时宣布,今年将会有 40 款本土车型搭载博世的 L2 级自动驾驶系统。 博世中国区总裁陈玉东称今年会是 L2 级自动驾驶爆发之年。

他认为,比之好高骛远,解决当下痛点更应是当务之急。

比如,先实现特定情况下的自动驾驶,以解决堵车排队、高速路疲劳驾驶、自动停车等现实问题。

而博世也正在按照不同技术阶段,一步步推进自动驾驶的研发和发展,“未来再走全自动驾驶的路”。

为全自动驾驶扩充军备 

针对更高阶的自动驾驶(包括 Robotaxi),博世也已经有了其明确的开发、落地规划,未来 3 年还有 40 亿欧元的资本作为研发支持。

这些对于一家强调量产、强调实际落地的传统 Tier 1 来说,都是对未来的投资和技术预研,既然全自动驾驶是未来,谁又会有丝毫怠慢?        

按照博世的规划,其自动驾驶技术主要分为低速自动泊车场景、高速公路自动驾驶以及城市内 Robotaxi/无人驾驶小巴三大场景。

在自动驾驶实现路径上实行“双元战略”:

  • 为车企提供从 ADAS 到更高阶自动驾驶的成套技术;

  • 与整车企业合作开发 L4 及以上的 Robotaxi 服务。

回顾过去的百年,博世作为 Tier 1,更多是在硬件领域引领风潮,而来到智能汽车时代,软件服务能力亦变得举足轻重,“软硬并举”才能占有立身之地。 2018 年初,博世集团内部进行了组织架构调整,宣布成立全新的智能网联事业部,研发基于车联网技术的应用与服务。

今年 5 月于上海举办的年度新闻发布会上,博世宣布将在中国成立软件中心,计划斥资 3500 万元,至 2022 年形成 500 人的团队规模,为包括汽车在内的博世所有业务单元提供嵌入式、AI 等软件支持。 传统汽车时代,博世无疑是“关键先生”,仅看磁电点火装置、ABS 系统、ESP 系统这些创新,显然是窥豹一斑。

进入智能汽车时代,博世不仅有同行对手,还有诸如互联网巨头、自动驾驶科技公司在虎视眈眈。

特别是针对 ADAS/低级别自动驾驶领域,越来越多的新创车企选择自主研发、自力更生,试图摆脱对博世这样的 Tier 1 的依赖。

所以,强如博世也无法一直稳坐钓鱼台。 所幸的是,博世依靠着此前的积累已经在汽车变革时代有了一个很好的开局,接下来就要看这家公司在未来 5 年、10 年、50 年中如何步步为营、攻城略地。 

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本文系作者 汽车之心 授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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