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)成主動式安全保護機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)的代表即為傳統(tǒng)

2、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防需要各種傳感和探測系統(tǒng)，如前后視雷達、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Undvrflcfir Co 官 Spl-Pauive SafetyirduCii9 peFOTEJ； mjkJTy In case or an 后ccidenh(avokjmg an accidentjEMI

3、 Pro帕儂叫/尸 Airbag /引 懂 jCcmpountf /心,aSa*aty進行分析，并進行有效的決策和預防措施。utenomou書Drivingrvcognitiori (LDW)Autaromnus Cru.se CentalHigh.ayCoptfollatQonjng/EirhtfjtneyfirdkiEnviranmentrecogn.ton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)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

4、家都在研究預碰撞（Pre-Crash）安全系統(tǒng)作為應對。預碰撞安全系統(tǒng)可分為對車內(nèi)人員（駕駛員和乘客）的保護和車外人員（車外行人和車輛）的保護兩類，但安全保障的核心都是對碰撞動作的積極準備和防護措施。對于車內(nèi)預碰撞安全系統(tǒng)，當相關(guān)傳感器或雷達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，預碰撞安全系統(tǒng)也會在車內(nèi)為被動防護提供支持，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度和讓安全氣囊發(fā)揮更大作用等。在車外，預碰撞安全系統(tǒng)也可通過一系列措施盡量保護被撞對象的安全。如碰撞不可避

5、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(tǒng)所謂預碰撞系統(tǒng)，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（AdaptiveCruiseControl），即自適應巡航控制，則能部分實現(xiàn)碰撞事故的預防。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)的先進算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

6、。然而無論如何，ACC僅對剎車擁有部分干預程度，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)定反應時間，ACC在行駛時則會再依據(jù)輛車的相對速度和當前車距計算出安全車距，并判斷下一步的速度控制；而當輛車距離過近而超出ACC的控制范圍，則系統(tǒng)切換至預碰撞安全處理系統(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)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?shù)?/p>

7、警告。此外后方和側(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（LaneDepartureWarning,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，如果輔助信息過多或過于復雜，不但對安全駕駛無益，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，容易釀成事故。此外，輔助信息通過何種手段發(fā)

8、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)進行監(jiān)控，還應能對車輛的行為實現(xiàn)有效控制。ESP(ElectronicStabilityProgram)即電子穩(wěn)定程序，其整合了ABS(Anti-lockBrakingSystem)和TCS(TractionControlSystem，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)

9、生。ABS稱為防死鎖剎車系統(tǒng)，當汽車輪胎出現(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、紅外線、L

10、IDAR(LightDetectingandRanging)、超聲波、加速度傳感器、CCD/CMOS影像系統(tǒng)等。預碰撞系統(tǒng)中主要運用的傳感器為毫米波雷達或激光雷達。其中毫米波雷達價格較高，主要面向高端車市場；而激光雷達的成本較低，僅為毫米波雷達的1/3左右，針對低價車市場。但在性能上，激光的波長較短，限制了其應用范圍，不利于雨雪天等惡劣環(huán)境下的使用。紅外線及影像傳感器為主的監(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

11、的情況，可探測得比車燈照射距離更遠，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CC或CMO瓦件作為視覺影像傳感器。目前CCD/CMO的應用日趨廣泛，配合先進的視覺識別算法，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/CMOSL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/CMO如果與上文所述紅外線或雷達結(jié)合，則可組成混合式傳感器(SensorFusion)。紅外線發(fā)生器

12、照射目標物體后，反射回的紅外線被CCD/CMO瞰收，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大的輔助視覺。系統(tǒng)構(gòu)架分析汽車安全系統(tǒng)的預碰撞處理、安全速度/車距控制等各種警示與應變系統(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)置算法進行實時評估并決定最佳的應變措施。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(SatelliteSensor)，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?幾部分組成。當車身受到碰撞，沖撞傳感器會立即向ECU出彳S號，ECU則會收集碰撞強度、座椅位置、乘客重量、安全帶情況等參數(shù)來進行迅速評估，并在極短的時間內(nèi)通過電爆驅(qū)動器(SquibDriver)打開安全氣囊來保護車內(nèi)人員的安全。pcw*fMorw漸EeIC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)，具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、減震筒及計算機控制系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)可采集汽車的速度、加速度、負重、轉(zhuǎn)向程度