汽車(chē)安全系統技術(shù)架構分析

　　軍事專(zhuān)家在討論各國武器防御系統風(fēng)格的迥異之處時(shí)，經(jīng)常涉及到所謂被動(dòng)型系統和主動(dòng)型系統，汽車(chē)安全系統的設計上也處處體現了這種思路。

　　汽車(chē)被動(dòng)式安全系統的代表即為傳統的保險杠、安全帶、安全氣囊等，主要目的是在意外發(fā)生時(shí)能盡量降低事故對車(chē)內人員的傷害程度。與之相對的主動(dòng)式安全系統則考慮的是如何避免這種事故的發(fā)生。

　　實(shí)現對意外的主動(dòng)避免和預防需要各種傳感和探測系統，如前后視雷達、夜視系統、紅外線(xiàn)探測、測距、CMOS/CCD影像監視，以及胎壓自動(dòng)監測系統(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，轉化為數字信號后再交由特定的控制單元進(jìn)行分析，并進(jìn)行有效的決策和預防措施。

　　圖一　汽車(chē)安全系統從被動(dòng)向主動(dòng)方式發(fā)展的趨勢圖

　　1. 預碰撞系統

　　汽車(chē)交通事故大都由于相對高速運動(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則、駕駛人視線(xiàn)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(huà)和聊天等。目前許多廠(chǎng)家都在研究預碰撞(Pre-Crash)安全系統作為應對。

　　預碰撞安全系統可分為對車(chē)內人員(駕駛員和乘客)的保護和車(chē)外人員(車(chē)外行人和車(chē)輛)的保護兩類(lèi)，但安全保障的核心都是對碰撞動(dòng)作的積極準備和防護措施。對于車(chē)內預碰撞安全系統，當相關(guān)傳感器或雷達探測到潛在的碰撞危險，會(huì )首先向車(chē)內駕駛員發(fā)出警告，如警告無(wú)效則在0.6秒前啟動(dòng)自動(dòng)x車(chē)系統，根據駕駛員的剎車(chē)力量增加輔助油壓以充分降低車(chē)速，避免碰撞。同時(shí)，預碰撞安全系統也會(huì )在車(chē)內為被動(dòng)防護提供支持，如關(guān)閉車(chē)窗、調整座椅角度或安全帶松緊程度以減輕碰撞強度和讓安全氣囊發(fā)揮更大作用等。在車(chē)外，預碰撞安全系統也可通過(guò)一系列措施盡量保護被撞對象的安全。如碰撞不可避免，安全系統會(huì )打開(kāi)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自適應巡航控制系統

　　所謂預碰撞系統，只能在碰撞發(fā)生之前做出的一系列積極準備，而并不是“預防”碰撞的發(fā)生。目前發(fā)展迅速的ACC(Adaptive Cruise Control)，即自適應巡航控制，則能部分實(shí)現碰撞事故的預防。

　　ACC屬于前向行駛的速度控制系統，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)內控制系統的先進(jìn)算法向駕駛員提供安全駕車(chē)的輔助信息和建議，并在探測到潛在危險時(shí)向駕駛員及時(shí)發(fā)送警報，甚至直接介入車(chē)輛的操控系統加以干預。然而無(wú)論如何，ACC僅對剎車(chē)擁有部分干預程度，駕駛員仍然是駕駛的核心。

　　ACC實(shí)現速度和車(chē)距控制的關(guān)鍵在于鎖定前方目標車(chē)輛，然后計算出該車(chē)的速度、加速度等行駛信息。車(chē)主會(huì )提前為ACC設定反應時(shí)間，ACC在行駛時(shí)則會(huì )再依據輛車(chē)的相對速度和當前車(chē)距計算出安全車(chē)距，并判斷下一步的速度控制;而當輛車(chē)距離過(guò)近而超出ACC的控制范圍，則系統切換至預碰撞安全處理系統。

　　3. 駕駛警示系統

　　駕駛警示系統主要通過(guò)CCD/CMOS等傳感器和影像設備作為監視手段，通過(guò)內置辨識系統判斷車(chē)輛狀態(tài)和駕駛員的行為是否正常，如出現問(wèn)題則及時(shí)發(fā)出警示信號避免事故的發(fā)生。也有的駕駛警示系統能探測出駕駛員呼出氣體的酒精濃度并給予適當的警告。此外后方和側面的監視器也可屬于駕駛警示系統，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。

　　駕駛警示系統的功能主要包括車(chē)道偏離警示(Lane Departure Warning, LDW)、駕駛危險警示、視覺(jué)死角警示(或稱(chēng)盲點(diǎn)檢測)等。其中車(chē)道偏離警示主要在駕駛員駛入錯誤的車(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)于復雜，不但對安全駕駛無(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)音等屬于傳統的手段，目前還出現了“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. 電子穩定程序

　　駕駛是 人和車(chē)輛的結合，安全控制系統除了能對駕駛人員的行為和狀態(tài)進(jìn)行監控，還應能對車(chē)輛的行為實(shí)現有效控制。ESP(Electronic Stability Program)即電子穩定程序，其整合了ABS(Anti-lock Braking System)和TCS(Traction Control System，循跡控制系統)，屬于主動(dòng)式車(chē)輛安全系統，可協(xié)助駕駛員保持車(chē)輛的正常狀態(tài)和行為，防止出現例如輪胎打滑和失控等現象的發(fā)生。

　　ABS稱(chēng)為防死鎖x車(chē)系統，當汽車(chē)輪胎出現死鎖時(shí)，ABS會(huì )迅速點(diǎn)放剎車(chē)，防止車(chē)輛跑偏。與之相對的TCS稱(chēng)為循跡控制系統，當輪胎空轉時(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)輛出現側滑或轉向不足時(shí)，會(huì )分別對每個(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)論是駕駛警示系統這類(lèi)的輔助提示系統，還是電子穩定程序類(lèi)的系統接控，其有效的工作基礎是充分可靠的信息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(lái)自控制系統的快速響應和可靠算法。

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

　　預碰撞系統中主要運用的傳感器為毫米波雷達或激光雷達。其中毫米波雷達價(jià)格較高，主要面向高端車(chē)市場(chǎng);而激光雷達的成本較低，僅為毫米波雷達的1/3左右，針對低價(jià)車(chē)市場(chǎng)。但在性能上，激光的波長(cháng)較短，限制了其應用范圍，不利于雨雪天等惡劣環(huán)境下的使用。

　　紅外線(xiàn)及影像傳感器為主的監視器技術(shù)主要用于行車(chē)時(shí)的障礙物識別及輔助視野等。紅外線(xiàn)成像又可分為溫度探測的遠紅外(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(xiàn)不良的情況，可探測得比車(chē)燈照射距離更遠，但同時(shí)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(chē)外甚至車(chē)內的具體情況，則可使用CCD或CMOS元件作為視覺(jué)影像傳感器。目前CCD/CMOS的應用日趨廣泛，配合先進(jìn)的視覺(jué)識別算法，其成像范圍內的運動(dòng)物體、路面狀況及摩擦系數、路邊的交通信號與標志、路面車(chē)道分隔線(xiàn)等都可被視別，完全可成為駕駛員的眼睛。

　　CCD/CMOS也可實(shí)現較大的動(dòng)態(tài)，來(lái)表現昏暗和高反差環(huán)境下的圖像細節，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。此外，CCD/CMOS如果與上文所述紅外線(xiàn)或雷達結合，則可組成混合式傳感器(Sensor Fusion)。紅外線(xiàn)發(fā)生器照射目標物體后，反射回的紅外線(xiàn)被CCD/CMOS吸收，因此無(wú)論白天或夜晚均可對路況加以識別，為駕駛員提供功能強大的輔助視覺(jué)。

　　系統構架分析

　　汽車(chē)安全系統的預碰撞處理、安全速度/車(chē)距控制等各種警示與應變系統的原理都十分類(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)內置算法進(jìn)行實(shí)時(shí)評估并決定最佳的應變措施。因此，汽車(chē)電子系統的設計上與一般系統設計并無(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相區別的顯著(zhù)特點(diǎn)。

　　首先以安全氣囊(Airbag)控制系統為例。該系統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)頂等位置的加速度傳感器(G-Sensor)，以及通常為16位或32位MCU的ECU等幾部分組成。當車(chē)身受到碰撞，沖撞傳感器會(huì )立即向ECU發(fā)出信號，ECU則會(huì )收集碰撞強度、座椅位置、乘客重量、安全帶情況等參數來(lái)進(jìn)行迅速評估，并在極短的時(shí)間內通過(guò)電爆驅動(dòng)器(Squib Driver)打開(kāi)安全氣囊來(lái)保護車(chē)內人員的安全。

　　圖二　安全氣囊系統架構圖