從細節出發(fā)闡述汽車(chē)安全系統技術(shù)架構

　　汽車(chē)主動(dòng)式安全系統

　　為預防汽車(chē)發(fā)生事故，避免人員受到傷害而采取的安全設計，稱(chēng)為主動(dòng)安全設計，如ABS，EBD，TCS等都是主動(dòng)安全設計。它們的特點(diǎn)是提高汽車(chē)的行駛穩定性，盡力防止車(chē)禍發(fā)生。其它像高位剎車(chē)燈，前后霧燈，后窗除霧燈也是主動(dòng)安全設計。

　　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

　　AWS是Advance Warning System縮寫(xiě)。是一個(gè)意外事故預防和緩和的駕駛輔助系統，在危險發(fā)生前給駕駛員提供及時(shí)的聲音和視覺(jué)報警。目前，公路交通事故已成為全球范圍內日益嚴重的公共安全問(wèn)題。統計資料表明，其中駕駛員的人為因素導致的公路交通事故率最高。無(wú)論是事故數量。還是傷亡人數均分別高達各自總數的90%左右。并且。在導致這些公路交通事故的駕駛員的人為因素中，疲勞和精神分散駕駛是重要原因之一。駕駛員在3s時(shí)間內的注意力不集中，造成了其中80%的交通事故，主要表現為車(chē)道偏離和追尾事故。 目前。國內外在防止車(chē)道偏離和保持安全車(chē)距兩個(gè)方面都開(kāi)展了相當多有益的探索，在雷達、激光、超聲波、紅外線(xiàn)、機器視覺(jué)等傳感器技術(shù)方面都取得了一些突破。經(jīng)過(guò)長(cháng)期大量的研究實(shí)踐，人們逐步認識到采用單目視覺(jué)技術(shù)，僅使用一臺攝像機，即能在一定程度上實(shí)現對前方道路環(huán)境、車(chē)輛探測及車(chē)距監測的功能。 車(chē)元素研究顯示，若在公路交通事故發(fā)生前的1.5s給駕駛員發(fā)出預警，則可避免90%的這類(lèi)事故。因此，通過(guò)在汽車(chē)上安裝汽車(chē)碰撞預警系統，利用技術(shù)手段分析車(chē)道、周?chē)?chē)輛的狀況等駕駛環(huán)境信息，一旦當駕駛員發(fā)生疲勞及精神分散、汽車(chē)出現無(wú)意識的車(chē)道偏離及汽車(chē)間車(chē)距過(guò)近。存在追尾可能時(shí)。能夠及時(shí)給予駕駛主動(dòng)預警，是減少公路交通事故行之有效的技術(shù)措施。

　　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

　　電子穩定裝置（ElectronicStablityProgram）是一種牽引力控制系統，不但控制驅動(dòng)輪，而且可以控制從動(dòng)輪。如后輪驅動(dòng)汽車(chē)常出現的轉向過(guò)度的情況，此時(shí)后輪會(huì )失控而甩尾，ESP便會(huì )通過(guò)對外側的前輪的適度制動(dòng)來(lái)穩定車(chē)輛。轉向不足時(shí)，為了校正循跡方向，ESP則會(huì )對內后輪制動(dòng)，從而校正行駛方向。

　　隨著(zhù)近年電子科技的發(fā)展，各種汽車(chē)智能安全系統也開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，主要是通過(guò)由雷達和攝像機組成的“預知傳感器”，對行車(chē)危險進(jìn)行判斷并幫助駕車(chē)者進(jìn)行處理。這一系統能夠在汽車(chē)與其它物體發(fā)生撞前的瞬間，自動(dòng)進(jìn)行干預以保證安全。

　　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

　　如圖三所示，主動(dòng)式懸掛系統（Active Suspension）也是汽車(chē)中比較常見(jiàn)的安保系統，其可大幅提高車(chē)輛的操控性。主動(dòng)式懸掛系統主要由傳感器、減震筒及計算機控制系統等組成。該系統可采集汽車(chē)的速度、加速度、負重、轉向程度、左右G力等數據來(lái)由程序對懸掛系數，和底盤(pán)與地面的高度等進(jìn)行實(shí)時(shí)調整。

　　圖三　主動(dòng)式懸掛系統架構組成

　　越來(lái)越多地國家的法律法規對防抱死煞車(chē)系統（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設計的復雜程度和研發(fā)難度。如圖四所示系統中，ABS的主要目的是防止車(chē)輛失速滑行的危險情況，當控制環(huán)節發(fā)現緊急剎車(chē)導致轉速過(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。該系統的關(guān)鍵是輪胎轉速的測量。

　　圖四　 ABS系統構架圖

　　具圖五所示系統為電子式動(dòng)力輔助方向盤(pán)（Electric power Assisted Steering， EPAS）系統，簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)力方向盤(pán)。相對于傳統的油壓式方向盤(pán)，EPAS采用電子式馬達來(lái)為駕駛人員提供車(chē)輪轉向的輔助控制。EPAS一般由傳感器獲得方向盤(pán)的位置、扭矩，再結合車(chē)速、發(fā)動(dòng)機溫度、電池供電情況等參數實(shí)現電子式馬達的輔助控制。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(pán)系統構架

　　預拉緊安全帶（Seat Belt Tensioner）也是先進(jìn)的行車(chē)安全保障系統，其可作為碰撞系統中的子系統。預拉緊安全帶在車(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，為保護人員安全，避免其向前沖擊而造成的身體傷害，預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　預拉緊安全帶系統架構圖

　　結論

　　隨著(zhù)電子技術(shù)和控制科學(xué)的不斷進(jìn)步，汽車(chē)電子系統也發(fā)生了革命性的變革。車(chē)輛的安全防護系統也由傳統的安全帶、氣囊等被動(dòng)式系統，逐漸升級至預碰撞控制等主動(dòng)安全系統。而這一切的實(shí)現則得益于多種傳感器及其控制系統對行車(chē)、制動(dòng)、引擎控制、車(chē)速控制、安全防護等性能的支持。

　　未來(lái)的汽車(chē)電子系統中，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)節單芯片的趨勢，以及車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統的形成，都將對實(shí)時(shí)性、處理速度、數據傳送能力等方面的性能大幅提高，屆時(shí)人們在享受高速的出行便利的同時(shí)，也可得到最大限度的安全保障。