汽車(chē)安全系統(tǒng)簡(jiǎn)介與技術(shù)分析

1、汽車(chē)安全系統(tǒng)簡(jiǎn)介與技術(shù)分析汽車(chē)作為高速交通工具一直伴隨著較高的危險(xiǎn)性，汽車(chē)的安全性也一度是人們關(guān)注的重點(diǎn)。 用戶在購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)時(shí)，安全性可能是其最關(guān)心的問(wèn)題之一，從車(chē)身的重量、車(chē)身抗沖擊能力、材料的強(qiáng)度等物理因素，到安全氣囊的個(gè)數(shù)，都是人們高度重視的要求。今天，安全帶、 氣囊等被動(dòng)式安全防護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足下一代車(chē)輛設(shè)計(jì)的需求，而傳感器、控制單元及內(nèi)部軟件算法等構(gòu)成主動(dòng)式安全保護(hù)機(jī)制的引入讓用戶的駕駛體驗(yàn)得到更有效的安全保障。汽車(chē)主動(dòng)式安全系統(tǒng)軍事專(zhuān)家在討論各國(guó)武器防御系統(tǒng)風(fēng)格的迥異之處時(shí)， 經(jīng)常涉及到所謂被動(dòng)型系統(tǒng)和主動(dòng)型系統(tǒng)，汽車(chē)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上也處處體現(xiàn)了這種思路。汽車(chē)被動(dòng)式安全系統(tǒng)的代表即

2、為傳統(tǒng)的保險(xiǎn)杠、安全帶、 安全氣囊等， 主要目的是在意外發(fā)生時(shí)能盡量降低事故對(duì)車(chē)內(nèi)人員的傷害程度。與之相對(duì)的主動(dòng)式安全系統(tǒng)則考慮的是如何避免這種事故的發(fā)生。實(shí)現(xiàn)對(duì)意外的主動(dòng)避免和預(yù)防需要各種傳感和探測(cè)系統(tǒng)，如前后視雷達(dá)、 夜視系統(tǒng)、 紅外線探測(cè)、測(cè)距、CMOS/CCD 影像監(jiān)視，以及胎壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS ）等。主要的工作原理即傳感器從外界獲得所需的物理模擬信號(hào)值，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后再交由特定的控制單元進(jìn)行分析，并進(jìn)行有效的決策和預(yù)防措施。圖一汽車(chē)安全系統(tǒng)從被動(dòng)向主動(dòng)方式發(fā)展的趨勢(shì)圖1. 預(yù)碰撞系統(tǒng)汽車(chē)交通事故大都由于相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)物體間的碰撞，而引起碰撞的原因大多與違反交通規(guī)則、 駕駛?cè)?/p>

3、視線受阻和精力不集中有關(guān)，如酒后駕車(chē)、疲勞駕駛、駕駛期間接打電話和聊天等。目前許多廠家都在研究預(yù)碰撞（Pre-Crash）安全系統(tǒng)作為應(yīng)對(duì)。預(yù)碰撞安全系統(tǒng)可分為對(duì)車(chē)內(nèi)人員（駕駛員和乘客）的保護(hù)和車(chē)外人員（車(chē)外行人和車(chē)輛）的保護(hù)兩類(lèi)， 但安全保障的核心都是對(duì)碰撞動(dòng)作的積極準(zhǔn)備和防護(hù)措施。對(duì)于車(chē)內(nèi)預(yù)碰撞安全系統(tǒng)，當(dāng)相關(guān)傳感器或雷達(dá)探測(cè)到潛在的碰撞危險(xiǎn)，會(huì)首先向車(chē)內(nèi)駕駛員發(fā)出警告，如警告無(wú)效則在 0.6 秒前啟動(dòng)自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)， 根據(jù)駕駛員的剎車(chē)力量增加輔助油壓以充分降低車(chē)速，避免碰撞。同時(shí)，預(yù)碰撞安全系統(tǒng)也會(huì)在車(chē)內(nèi)為被動(dòng)防護(hù)提供支持，如關(guān)閉車(chē)窗、調(diào)整座椅角度或安全帶松緊程度以減輕碰撞強(qiáng)度和讓安全氣囊

4、發(fā)揮更大作用等。在車(chē)外， 預(yù)碰撞安全系統(tǒng)也可通過(guò)一系列措施盡量保護(hù)被撞對(duì)象的安全。如碰撞不可避免， 安全系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)與行人受撞擊面相對(duì)的外部安全氣囊（如保險(xiǎn)杠、風(fēng)擋玻璃等處），盡量減少對(duì)其頭、胸、腰等脆弱和致命部位的撞擊力。2. ACC 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)所謂預(yù)碰撞系統(tǒng)，只能在碰撞發(fā)生之前做出的一系列積極準(zhǔn)備，而并不是 “預(yù)防 ”碰撞的發(fā)生。目前發(fā)展迅速的 ACC （ Adaptive Cruise Control ），即自適應(yīng)巡航控制，則能部分實(shí)現(xiàn)碰撞事故的預(yù)防。ACC 屬于前向行駛的速度控制系統(tǒng)，主要功能在于控制本車(chē)與周邊車(chē)輛的安全距離。其通過(guò)在車(chē)身四周配置的多個(gè)傳感器和車(chē)內(nèi)控制系統(tǒng)的先進(jìn)算

5、法向駕駛員提供安全駕車(chē)的輔助信息和建議， 并在探測(cè)到潛在危險(xiǎn)時(shí)向駕駛員及時(shí)發(fā)送警報(bào)， 甚至直接介入車(chē)輛的操控系統(tǒng)加以干預(yù)。然而無(wú)論如何， ACC 僅對(duì)剎車(chē)擁有部分干預(yù)程度，駕駛員仍然是駕駛的核心。ACC 實(shí)現(xiàn)速度和車(chē)距控制的關(guān)鍵在于鎖定前方目標(biāo)車(chē)輛，然后計(jì)算出該車(chē)的速度、加速度等行駛信息。車(chē)主會(huì)提前為ACC 設(shè)定反應(yīng)時(shí)間， ACC 在行駛時(shí)則會(huì)再依據(jù)輛車(chē)的相對(duì)速度和當(dāng)前車(chē)距計(jì)算出安全車(chē)距， 并判斷下一步的速度控制； 而當(dāng)輛車(chē)距離過(guò)近而超出 ACC 的控制范圍，則系統(tǒng)切換至預(yù)碰撞安全處理系統(tǒng)。3. 駕駛警示系統(tǒng)駕駛警示系統(tǒng)主要通過(guò)CCD/CMOS 等傳感器和影像設(shè)備作為監(jiān)視手段，通過(guò)內(nèi)置辨識(shí)系統(tǒng)

6、判斷車(chē)輛狀態(tài)和駕駛員的行為是否正常，如出現(xiàn)問(wèn)題則及時(shí)發(fā)出警示信號(hào)避免事故的發(fā)生。也有的駕駛警示系統(tǒng)能探測(cè)出駕駛員呼出氣體的酒精濃度并給予適當(dāng)?shù)木?。此外后方和?cè)面的監(jiān)視器也可屬于駕駛警示系統(tǒng)，其可消除駕駛員的視覺(jué)死角，避免倒車(chē)時(shí)常見(jiàn)的碰撞事故。駕駛警示系統(tǒng)的功能主要包括車(chē)道偏離警示（Lane Departure Warning, LDW ）、駕駛危險(xiǎn)警示、視覺(jué)死角警示（或稱(chēng)盲點(diǎn)檢測(cè)） 等。其中車(chē)道偏離警示主要在駕駛員駛?cè)脲e(cuò)誤的車(chē)道進(jìn)行警告，或在變換車(chē)道時(shí)提示其打方向燈等動(dòng)作。駕駛警示系統(tǒng)能為駕駛員的安全駕駛提供有效的輔助信息，但如果輔助信息不夠全面則無(wú)法起到其應(yīng)有的作用。不但對(duì)安全駕駛無(wú)益，事

7、故。另一方面， 一切事物都有其兩面性，如果輔助信息過(guò)多或過(guò)于復(fù)雜，有時(shí)反而會(huì)讓駕駛員疲于處理各種輔助信息而精力不集中，容易釀成此外，輔助信息通過(guò)何種手段發(fā)送給駕駛員也是值得研究的問(wèn)題之一。屏顯、儀表板、語(yǔ)音等屬于傳統(tǒng)的手段，目前還出現(xiàn)了 “體感警示 ”的方式，即汽車(chē)通過(guò)振動(dòng)踏板、座椅、方向盤(pán)等來(lái)向駕駛員發(fā)送信息，或引起其注意。4. 電子穩(wěn)定程序駕駛是人和車(chē)輛的結(jié)合，安全控制系統(tǒng)除了能對(duì)駕駛?cè)藛T的行為和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還應(yīng)能對(duì)車(chē)輛的行為實(shí)現(xiàn)有效控制。 ESP（ Electronic Stability Program ）即電子穩(wěn)定程序，其整合了 ABS （ Anti-lock Braking Sy

8、stem ）和 TCS（ Traction Control System ，循跡控制系統(tǒng)） ，屬于主動(dòng)式車(chē)輛安全系統(tǒng)， 可協(xié)助駕駛員保持車(chē)輛的正常狀態(tài)和行為， 防止出現(xiàn)例如輪胎打滑和失控等現(xiàn)象的發(fā)生。ABS 稱(chēng)為防死鎖剎車(chē)系統(tǒng)，當(dāng)汽車(chē)輪胎出現(xiàn)死鎖時(shí)，ABS 會(huì)迅速點(diǎn)放剎車(chē)，防止車(chē)輛跑偏。與之相對(duì)的TCS 稱(chēng)為循跡控制系統(tǒng)，當(dāng)輪胎空轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)降低扭矩或輪胎的死鎖來(lái)讓輪胎重獲抓地力。ESP 通過(guò)將二者整合，在車(chē)輛出現(xiàn)側(cè)滑或轉(zhuǎn)向不足時(shí)，會(huì)分別對(duì)每個(gè)輪胎施加不同的制動(dòng)力來(lái)修正行車(chē)軌跡。傳感器的類(lèi)型與選用無(wú)論是駕駛警示系統(tǒng)這類(lèi)的輔助提示系統(tǒng)，還是電子穩(wěn)定程序類(lèi)的系統(tǒng)接控，其有效的工作基礎(chǔ)是充分可靠的信息

9、以及后臺(tái)正確而迅速的判斷能力。 獲得可靠信息的關(guān)鍵是傳感器及其合理的分布；正確的判斷力則來(lái)自控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)和可靠算法。車(chē)輛用傳感器依據(jù)其具體的特性和用途，外線、 LIDAR （Light Detecting and Ranging 統(tǒng)等。分別位于車(chē)體的不同位置，）、超聲波、加速度傳感器、主要包括雷達(dá)、 紅CCD/CMOS 影像系預(yù)碰撞系統(tǒng)中主要運(yùn)用的傳感器為毫米波雷達(dá)或激光雷達(dá)。 其中毫米波雷達(dá)價(jià)格較高，主要面向高端車(chē)市場(chǎng)；而激光雷達(dá)的成本較低，僅為毫米波雷達(dá)的1/3 左右，針對(duì)低價(jià)車(chē)市場(chǎng)。 但在性能上，激光的波長(zhǎng)較短， 限制了其應(yīng)用范圍，不利于雨雪天等惡劣環(huán)境下的使用。紅外線及影像傳感器

10、為主的監(jiān)視器技術(shù)主要用于行車(chē)時(shí)的障礙物識(shí)別及輔助視野等。紅外線成像又可分為溫度探測(cè)的遠(yuǎn)紅外（ FIR）技術(shù)和用于夜視的近紅外（ NIR）技術(shù)。 FIR 可探測(cè)具有溫度的生物，其可將物體輻射出的熱量顯示為影像；NIR 則主要用于夜間等視線不良的情況， 可探測(cè)得比車(chē)燈照射距離更遠(yuǎn)，但同時(shí)也容易受到對(duì)面燈光的影響，其主要用于夜視等輔助路況顯示。如需要探測(cè)車(chē)外甚至車(chē)內(nèi)的具體情況，則可使用 CCD或 CMOS元件作為視覺(jué)影像傳感器。目前 CCD/CMOS的應(yīng)用日趨廣泛，配合先進(jìn)的視覺(jué)識(shí)別算法，其成像范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)物體、 路面狀況及摩擦系數(shù)、 路邊的交通信號(hào)與標(biāo)志、 路面車(chē)道分隔線等都可被視別，完全可成為駕

11、駛員的眼睛。CCD/CMOS也可實(shí)現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)，來(lái)表現(xiàn)昏暗和高反差環(huán)境下的圖像細(xì)節(jié)，該技術(shù)通過(guò)捕捉高感光度和低感光度兩種畫(huà)面并加以合成的方式實(shí)現(xiàn)。此外，CCD/CMOS如果與上文所述紅外線或雷達(dá)結(jié)合，則可組成混合式傳感器（ Sensor Fusion ）。紅外線發(fā)生器照射目標(biāo)物體后，反射回的紅外線被CCD/CMOS吸收，因此無(wú)論白天或夜晚均可對(duì)路況加以識(shí)別，為駕駛員提供功能強(qiáng)大的輔助視覺(jué)。系統(tǒng)構(gòu)架分析汽車(chē)安全系統(tǒng)的預(yù)碰撞處理、安全速度 / 車(chē)距控制等各種警示與應(yīng)變系統(tǒng)的原理都十分類(lèi)似， 即由 ECU（中央電子控制單元） 接受外界傳感器的相關(guān)信息后，通過(guò)內(nèi)置算法進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估并決定最佳的應(yīng)變措施。

12、 因此，汽車(chē)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上與一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)并無(wú)太大差異， 但硬實(shí)時(shí)性和可靠性是與其它電子控制系統(tǒng)相區(qū)別的顯著特點(diǎn)。首先以安全氣囊 （Airbag ）控制系統(tǒng)為例。 該系統(tǒng)主要由駕駛員及乘客面前的安全氣囊，位于車(chē)身外的沖撞傳感器（ Satellite Sensor），安置于車(chē)門(mén)、座位和車(chē)頂?shù)任恢玫募铀俣葌鞲衅鳎?G-Sensor），以及通常為 16 位或 32 位 MCU的 ECU等幾部分組成。當(dāng)車(chē)身受到碰撞， 沖撞傳感器會(huì)立即向 ECU發(fā)出信號(hào)，ECU則會(huì)收集碰撞強(qiáng)度、座椅位置、乘客重量、安全帶情況等參數(shù)來(lái)進(jìn)行迅速評(píng)估，并在極短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)電爆驅(qū)動(dòng)器（ Squib Driver ）打開(kāi)安全氣囊

13、來(lái)保護(hù)車(chē)內(nèi)人員的安全。圖二安全氣囊系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖三所示， 主動(dòng)式懸掛系統(tǒng) （ActiveSuspension ）也是汽車(chē)中比較常見(jiàn)的安保系統(tǒng)， 其可大幅提高車(chē)輛的操控性。 主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)主要由傳感器、 減震筒及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)可采集汽車(chē)的速度、加速度、負(fù)重、轉(zhuǎn)向程度、左右 G 力等數(shù)據(jù)來(lái)由程序?qū)覓煜禂?shù)，和底盤(pán)與地面的高度等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。圖三主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)架構(gòu)組成越來(lái)越多地國(guó)家的法律法規(guī)對(duì)防抱死煞車(chē)系統(tǒng)（ Anti-lock Brake Systems, ABS）的性能提出了要求，對(duì)其可靠性的更高要求增加了 ABS設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和研發(fā)難度。如圖四所示系統(tǒng)中， ABS的主要目的是防止

14、車(chē)輛失速滑行的危險(xiǎn)情況，當(dāng)控制環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)緊急剎車(chē)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，會(huì)迅速點(diǎn)放剎車(chē)， 給予輪胎足夠的滾動(dòng)空間和更大的抓地力， 防止車(chē)輛跑偏。 該系統(tǒng)的關(guān)鍵是輪胎轉(zhuǎn)速的測(cè)量。圖四ABS系統(tǒng)構(gòu)架圖圖五所示系統(tǒng)為電子式動(dòng)力輔助方向盤(pán)（ Electric Power Assisted Steering, EPAS）系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)力方向盤(pán)。 相對(duì)于傳統(tǒng)的油壓式方向盤(pán)， EPAS采用電子式馬達(dá)來(lái)為駕駛?cè)藛T提供車(chē)輪轉(zhuǎn)向的輔助控制。 EPAS一般由傳感器獲得方向盤(pán)的位置、扭矩，再結(jié)合車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、電池供電情況等參數(shù)實(shí)現(xiàn)電子式馬達(dá)的輔助控制。 EPAS目前已逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，其不但能使引擎負(fù)載降低，還能進(jìn)一步改善燃油的

15、使用效率。圖五動(dòng)力方向盤(pán)系統(tǒng)構(gòu)架預(yù)拉緊安全帶（ Seat Belt Tensioner ）也是先進(jìn)的行車(chē)安全保障系統(tǒng)，其可作為碰撞系統(tǒng)中的子系統(tǒng)。 預(yù)拉緊安全帶在車(chē)輛正常行駛時(shí)給駕駛員與乘客較大的肩部空間， 使其能享受駕駛與乘車(chē)的舒適； 但在事故發(fā)生的瞬間， 為保護(hù)人員安全，避免其向前沖擊而造成的身體傷害， 預(yù)拉緊安全帶可迅速收緊， 使人員緊靠座椅，減少其與前方物體發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。  圖六 預(yù)拉緊安全帶系統(tǒng)架構(gòu)圖結(jié)論隨著電子技術(shù)和控制科學(xué)的不斷進(jìn)步，汽車(chē)電子系統(tǒng)也發(fā)生了革命性的變革。車(chē)輛的安全防護(hù)系統(tǒng)也由傳統(tǒng)的安全帶、 氣囊等被動(dòng)式系統(tǒng)， 逐漸升級(jí)至預(yù)碰撞控制等主動(dòng)安全系統(tǒng)。 而這一切的實(shí)現(xiàn)則得益于多種傳感器及其控制系統(tǒng)對(duì)行車(chē)、制動(dòng)、引擎控制、車(chē)速控制、安全防護(hù)等性能的支持。未來(lái)的汽車(chē)電子系統(tǒng)中， 加速度傳感器、陀螺儀等先進(jìn)傳感器的進(jìn)一步發(fā)展、控制環(huán)節(jié)單芯片的趨勢(shì)，以及車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的形成，都將對(duì)實(shí)時(shí)性、處理速度、數(shù)據(jù)傳送能力等方面的性能大幅提高，屆時(shí)人們?cè)谙硎芨咚俚某鲂斜憷耐瑫r(shí)，也可得到最大限度的安全保障。For personaluse only in study and research;notfor commercial use僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。For