汽車主動(dòng)式安全系統(tǒng)

　　軍事專家在討論各國(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)，汽車安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上也處處體現(xiàn)了這種思路。

　　汽車被動(dòng)式安全系統(tǒng)的代表即為傳統(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)艘暰€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(duì)。

　　預(yù)碰撞安全系統(tǒng)可分為對(duì)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(duì)碰撞動(dòng)作的積極準(zhǔn)備和防護(hù)措施。對(duì)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(cè)到潛在的碰撞危險(xiǎn)，會(huì)首先向車內(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(shí)，預(yù)碰撞安全系統(tǒng)也會(huì)在車內(nèi)為被動(dòng)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)度和讓安全氣囊發(fā)揮更大作用等。在車外，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與周邊車輛的安全距離。其通過(guò)在車身四周配置的多個(gè)傳感器和車內(nèi)控制系統(tǒng)的先進(jìn)算法向駕駛員提供安全駕車的輔助信息和建議，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)速度和車距控制的關(guān)鍵在于鎖定前方目標(biāo)車輛，然后計(jì)算出該車的速度、加速度等行駛信息。車主會(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)輛車的相對(duì)速度和當(dāng)前車距計(jì)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(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)判斷車輛狀態(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(或稱盲點(diǎn)檢測(cè))等。其中車道偏離警示主要在駕駛員駛?cè)脲e(cuò)誤的車道進(jìn)行警告，或在變換車道時(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。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，不但對(duì)安全駕駛無(wú)益，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，容易釀成事故。

　　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，即汽車通過(guò)振動(dòng)踏板、座椅、方向盤等來(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 System)和TCS(Traction Control System，循跡控制系統(tǒng))，屬于主動(dòng)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(shí)，ABS會(huì)迅速點(diǎn)放剎車，防止車輛跑偏。與之相對(duì)的TCS稱為循跡控制系統(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)修正行車軌跡。

　　傳感器的類型與選用

　　無(wú)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。

　　車輛用傳感器依據(jù)其具體的特性和用途，分別位于車體的不同位置，主要包括雷達(dá)、紅外線、LIDAR(Light Detecting and Ranging)、超聲波、加速度傳感器、CCD/CMOS影像系統(tǒng)等。

　　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為主的監(jiān)視器技術(shù)主要用于行車時(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)車外甚至車內(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、路面車道分隔線等都可被視別，完全可成為駕駛員的眼睛。

　　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(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。因此，汽車電子系統(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?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(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)安全氣囊來(lái)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(dòng)式懸掛系統(tǒng)(Active Suspension)也是汽車中比較常見(jiàn)的安保系統(tǒng)，其可大幅提高車輛的操控性。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的主要目的是防止車輛失速滑行的危險(xiǎn)情況，當(dāng)控制環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)緊急剎車導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，會(huì)迅速點(diǎn)放剎車，給予輪胎足夠的滾動(dòng)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(cè)量。

　　圖四　 ABS系統(tǒng)構(gòu)架圖

　　具圖五所示系統(tǒng)為電子式動(dòng)力輔助方向盤(Electric power Assisted Steering, EPAS)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱動(dòng)力方向盤。相對(duì)于傳統(tǒng)的油壓式方向盤，EPAS采用電子式馬達(dá)來(lái)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(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)一步改善燃油的使用效率。

　　圖五　動(dòng)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(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(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、制動(dòng)、引擎控制、車速控制、安全防護(hù)等性能的支持。