汽車安全系統(tǒng)簡介與技術(shù)分析

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

2、為傳統(tǒng)的保險杠、安全帶、 安全氣囊等， 主要目的是在意外發(fā)生時能盡量降低事故對車內(nèi)人員的傷害程度。與之相對的主動式安全系統(tǒng)則考慮的是如何避免這種事故的發(fā)生。實現(xiàn)對意外的主動避免和預(yù)防需要各種傳感和探測系統(tǒng)，如前后視雷達(dá)、 夜視系統(tǒng)、 紅外線探測、測距、CMOS/CCD 影像監(jiān)視，以及胎壓自動監(jiān)測系統(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值，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號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。圖一汽車安全系統(tǒng)從被動向主動方式發(fā)展的趨勢圖1. 預(yù)碰撞系統(tǒng)汽車交通事故大都由于相對高速運動狀態(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、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。預(yù)碰撞安全系統(tǒng)可分為對車內(nèi)人員（駕駛員和乘客）的保護(hù)和車外人員（車外行人和車輛）的保護(hù)兩類， 但安全保障的核心都是對碰撞動作的積極準(zhǔn)備和防護(hù)措施。對于車內(nèi)預(yù)碰撞安全系統(tǒng)，當(dāng)相關(guān)傳感器或雷達(dá)探測到潛在的碰撞危險，會首先向車內(nèi)駕駛員發(fā)出警告，如警告無效則在 0.6 秒前啟動自動剎車系統(tǒng)， 根據(jù)駕駛員的剎車力量增加輔助油壓以充分降低車速，避免碰撞。同時，預(yù)碰撞安全系統(tǒng)也會在車內(nèi)為被動防護(hù)提供支持，如關(guān)閉車窗、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。在車外， 預(yù)碰撞安全系統(tǒng)也可通過一系列措施盡量保護(hù)被撞對象的安全。如碰撞不可避免， 安全系統(tǒng)會打開與行人受撞擊面相對的外部安全氣囊（如保險杠、風(fēng)擋玻璃等處），盡量減少對其頭、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與周邊車輛的安全距離。其通過在車身四周配置的多個傳感器和車內(nèi)控制系統(tǒng)的先進(jìn)算

5、法向駕駛員提供安全駕車的輔助信息和建議， 并在探測到潛在危險時向駕駛員及時發(fā)送警報， 甚至直接介入車輛的操控系統(tǒng)加以干預(yù)。然而無論如何， ACC 僅對剎車擁有部分干預(yù)程度，駕駛員仍然是駕駛的核心。ACC 實現(xiàn)速度和車距控制的關(guān)鍵在于鎖定前方目標(biāo)車輛，然后計算出該車的速度、加速度等行駛信息。車主會提前為ACC 設(shè)定反應(yīng)時間， ACC 在行駛時則會再依據(jù)輛車的相對速度和當(dāng)前車距計算出安全車距， 并判斷下一步的速度控制； 而當(dāng)輛車距離過近而超出 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CCD/CMOS 等傳感器和影像設(shè)備作為監(jiān)視手段，通過內(nèi)置辨識系統(tǒng)

6、判斷車輛狀態(tài)和駕駛員的行為是否正常，如出現(xiàn)問題則及時發(fā)出警示信號避免事故的發(fā)生。也有的駕駛警示系統(tǒng)能探測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死角，避免倒車時常見的碰撞事故。駕駛警示系統(tǒng)的功能主要包括車道偏離警示（Lane Departure Warning, LDW ）、駕駛危險警示、視覺死角警示（或稱盲點檢測） 等。其中車道偏離警示主要在駕駛員駛?cè)脲e誤的車道進(jìn)行警告，或在變換車道時提示其打方向燈等動作。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法起到其應(yīng)有的作用。不但對安全駕駛無益，事

7、故。另一方面， 一切事物都有其兩面性，如果輔助信息過多或過于復(fù)雜，有時反而會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，輔助信息通過何種手段發(fā)送給駕駛員也是值得研究的問題之一。屏顯、儀表板、語音等屬于傳統(tǒng)的手段，目前還出現(xiàn)了 “體感警示 ”的方式，即汽車通過振動踏板、座椅、方向盤等來向駕駛員發(fā)送信息，或引起其注意。4. 電子穩(wěn)定程序駕駛是人和車輛的結(jié)合，安全控制系統(tǒng)除了能對駕駛?cè)藛T的行為和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還應(yīng)能對車輛的行為實現(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)） ，屬于主動式車輛安全系統(tǒng)， 可協(xié)助駕駛員保持車輛的正常狀態(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 稱為防死鎖剎車系統(tǒng)，當(dāng)汽車輪胎出現(xiàn)死鎖時，ABS 會迅速點放剎車，防止車輛跑偏。與之相對的TCS 稱為循跡控制系統(tǒng)，當(dāng)輪胎空轉(zhuǎn)時，通過降低扭矩或輪胎的死鎖來讓輪胎重獲抓地力。ESP 通過將二者整合，在車輛出現(xiàn)側(cè)滑或轉(zhuǎn)向不足時，會分別對每個輪胎施加不同的制動力來修正行車軌跡。傳感器的類型與選用無論是駕駛警示系統(tǒng)這類的輔助提示系統(tǒng)，還是電子穩(wěn)定程序類的系統(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；正確的判斷力則來自控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)和可靠算法。車輛用傳感器依據(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)價格較高，主要面向高端車市場；而激光雷達(dá)的成本較低，僅為毫米波雷達(dá)的1/3 左右，針對低價車市場。 但在性能上，激光的波長較短， 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)主要用于行車時的障礙物識別及輔助視野等。紅外線成像又可分為溫度探測的遠(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， 可探測得比車燈照射距離更遠(yuǎn)，但同時也容易受到對面燈光的影響，其主要用于夜視等輔助路況顯示。如需要探測車外甚至車內(nèi)的具體情況，則可使用 CCD或 CMOS元件作為視覺影像傳感器。目前 CCD/CMOS的應(yīng)用日趨廣泛，配合先進(jìn)的視覺識別算法，其成像范圍內(nèi)的運動物體、 路面狀況及摩擦系數(shù)、 路邊的交通信號與標(biāo)志、 路面車道分隔線等都可被視別，完全可成為駕

11、駛員的眼睛。CCD/CMOS也可實現(xiàn)較大的動態(tài)，來表現(xiàn)昏暗和高反差環(huán)境下的圖像細(xì)節(jié)，該技術(shù)通過捕捉高感光度和低感光度兩種畫面并加以合成的方式實現(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，因此無論白天或夜晚均可對路況加以識別，為駕駛員提供功能強(qiáng)大的輔助視覺。系統(tǒng)構(gòu)架分析汽車安全系統(tǒng)的預(yù)碰撞處理、安全速度 / 車距控制等各種警示與應(yīng)變系統(tǒng)的原理都十分類似， 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，通過內(nèi)置算法進(jìn)行實時評估并決定最佳的應(yīng)變措施。

12、 因此，汽車電子系統(tǒng)的設(shè)計上與一般系統(tǒng)設(shè)計并無太大差異， 但硬實時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。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，位于車身外的沖撞傳感器（ Satellite Sensor），安置于車門、座位和車頂?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)車身受到碰撞， 沖撞傳感器會立即向 ECU發(fā)出信號，ECU則會收集碰撞強(qiáng)度、座椅位置、乘客重量、安全帶情況等參數(shù)來進(jìn)行迅速評估，并在極短的時間內(nèi)通過電爆驅(qū)動器（ Squib Driver ）打開安全氣囊

13、來保護(hù)車內(nèi)人員的安全。圖二安全氣囊系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖三所示， 主動式懸掛系統(tǒng) （ActiveSuspension ）也是汽車中比較常見的安保系統(tǒng)， 其可大幅提高車輛的操控性。 主動式懸掛系統(tǒng)主要由傳感器、 減震筒及計算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)可采集汽車的速度、加速度、負(fù)重、轉(zhuǎn)向程度、左右 G 力等數(shù)據(jù)來由程序?qū)覓煜禂?shù)，和底盤與地面的高度等進(jìn)行實時調(diào)整。圖三主動式懸掛系統(tǒng)架構(gòu)組成越來越多地國家的法律法規(guī)對防抱死煞車系統(tǒng)（ Anti-lock Brake Systems, ABS）的性能提出了要求，對其可靠性的更高要求增加了 ABS設(shè)計的復(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、車輛失速滑行的危險情況，當(dāng)控制環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)緊急剎車導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過低時，會迅速點放剎車， 給予輪胎足夠的滾動空間和更大的抓地力， 防止車輛跑偏。 該系統(tǒng)的關(guān)鍵是輪胎轉(zhuǎn)速的測量。圖四ABS系統(tǒng)構(gòu)架圖圖五所示系統(tǒng)為電子式動力輔助方向盤（ Electric Power Assisted Steering, EPAS）系統(tǒng)，簡稱動力方向盤。 相對于傳統(tǒng)的油壓式方向盤， EPAS采用電子式馬達(dá)來為駕駛?cè)藛T提供車輪轉(zhuǎn)向的輔助控制。 EPAS一般由傳感器獲得方向盤的位置、扭矩，再結(jié)合車速、發(fā)動機(jī)溫度、電池供電情況等參數(shù)實現(xiàn)電子式馬達(dá)的輔助控制。 EPAS目前已逐漸進(jìn)入市場，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。圖五動力方向盤系統(tǒng)構(gòu)架預(yù)拉緊安全帶（ Seat Belt Tensioner ）也是先進(jìn)的行車安全保障系統(tǒng)，其可作為碰撞系統(tǒng)中的子系統(tǒng)。 預(yù)拉緊安全帶在車輛正常行駛時給駕駛員與乘客較大的肩部空間， 使其能享受駕駛與乘車的舒適； 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。  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，汽車電子系統(tǒng)也發(fā)生了革命性的變革。車輛的安全防護(hù)系統(tǒng)也由傳統(tǒng)的安全帶、 氣囊等被動式系統(tǒng)， 逐漸升級至預(yù)碰撞控制等主動安全系統(tǒng)。 而這一切的實現(xiàn)則得益于多種傳感器及其控制系統(tǒng)對行車、制動、引擎控制、車速控制、安全防護(hù)等性能的支持。未來的汽車電子系統(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，以及車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的形成，都將對實時性、處理速度、數(shù)據(jù)傳送能力等方面的性能大幅提高，屆時人們在享受高速的出行便利的同時，也可得到最大限度的安全保障。For personaluse only in study and research;notfor commercial use僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。For