《智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全》課件第3章

3.1

汽車主動安全概述

汽車主動安全性主要包括制動性能、操縱穩(wěn)定性能、動力性能、輪胎性能、照明燈和信號燈的性能以及汽車前后視野性能等,這些性能綜合起來,形成了汽車主動安全評價體系。

汽車的制動性能是使行駛的車輛減速或停車,以及在長下坡時維持一定車速和在坡道及平路駐車的能力;汽車的操縱穩(wěn)定性能是指駕駛員以最少的修正來維持汽車按給定的路線行駛,以及按駕駛員的愿望轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤以改變汽車行駛方向的性能;汽車的動力性能主要包括爬坡能力、加速能力及最大車速三個方面,一般選用加速時間作為評價汽車動力性能的主要參數(shù)。汽車輪胎與安全行駛性能與負荷、氣壓、高速性能、側(cè)偏性能、水滑效應(yīng)、耐磨性等有關(guān)

針對汽車主動安全的綜合評價體系,汽車產(chǎn)業(yè)在相應(yīng)的主動安全環(huán)節(jié)加大了投資力度,開展關(guān)鍵技術(shù)的研究及試驗,現(xiàn)已成熟的相關(guān)技術(shù)有ABS、ASR、ESP、EBD、LDWS、ACC等。

3.2

汽車主動安全關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1ABS概述

ABS(AntilockBrakingSystem,車輪防抱死制動系統(tǒng))是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點的汽車安全控制系統(tǒng)。圖3．1所示為電子ABS結(jié)構(gòu)。圖3．1電子ABS結(jié)構(gòu)

ABS的工作原理為:汽車制動時,根據(jù)ABS電控單元的控制指令,自動調(diào)節(jié)制動輪缸的制動壓力的大小,使車輪不抱死,并處于理想滑移率的狀態(tài)。其具體工作分為四個過程。

(1)常規(guī)制動過程:當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時,制動主缸產(chǎn)生的油壓通過管路,進入制動輪缸,從而使車輪制動器產(chǎn)生制動力。

(2)保壓制動過程:隨著制動壓力升高,當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速下降到一定程度、車輪開始出現(xiàn)部分滑移現(xiàn)象時,ABS電控單元向制動壓力調(diào)節(jié)裝置發(fā)出指令,關(guān)閉制動主缸與制動輪缸的通道,使制動輪缸的油壓保持不變,即處于一個穩(wěn)定的油壓狀態(tài)。

(3)降壓制動過程:當(dāng)制動油壓保持不變而車輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降,車輪滑移率超過20%時,ABS電控單元將向制動壓力調(diào)節(jié)裝置輸出控制信號,打開制動輪缸與儲能器的通道,制動輪缸內(nèi)的高壓油流入儲能器,制動油壓下降,車輪轉(zhuǎn)速由下降逐漸變?yōu)樯仙?/p>

(4)增壓制動過程:當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速上升,滑移率下降到低于10%時,ABS電控單元向制動壓力調(diào)節(jié)裝置發(fā)出指令,使制動主缸和制動輪缸油路接通,高壓油進入制動輪缸,制動油壓增加,車輪轉(zhuǎn)速又開始下降。

3.2.2ASR概述

ASR(AccelerationSlipRegulation,驅(qū)動防滑系統(tǒng))是繼ABS后采用的一套防滑控制系統(tǒng),是ABS功能的進一步發(fā)展和重要補充。ASR可獨立設(shè)立,但大多數(shù)與ABS組合在一起,常用ABS/ASR表示,統(tǒng)稱為防滑控制系統(tǒng)。

SR主要由傳感器、電控單元和執(zhí)行器等組成,其主要控制流程如圖3．2所示。圖3．2ASR主要控制流程

ASR的電控單元具有運算功能,根據(jù)前后輪速傳感器傳遞的信號及發(fā)動機和自動變速器的電子控制單元中節(jié)氣門開度信號來判斷汽車的行駛條件,經(jīng)過分析判斷,對副節(jié)氣門

執(zhí)行器、ASR制動執(zhí)行器發(fā)出指令,執(zhí)行器完成對發(fā)動機供油系統(tǒng)或點火時刻的控制,或?qū)χ苿訅毫M行調(diào)整。圖3．3所示為ASR控制系統(tǒng)控制模式示意圖。圖3．3ASR控制系統(tǒng)控制模式示意圖

3.2.3ESP概述

ESP(ElectronicStabilityProgram,電子穩(wěn)定程序系統(tǒng))是對旨在提升車輛的操控表現(xiàn)的同時,有效地防止汽車達到其動態(tài)極限時失控的系統(tǒng)或程序的通稱。圖3．4所示為ESP

的組成。圖3．4ESP的組成

ESP主要由傳感器、ECU和執(zhí)行器等部分組成,在實時監(jiān)控汽車運行狀態(tài)的前提下,對發(fā)動機及制動系統(tǒng)進行干預(yù)和調(diào)控。在汽車行駛過程中,方向盤轉(zhuǎn)角傳感器感知駕駛員

轉(zhuǎn)彎的方向和角度,輪速傳感器感知車輪的速度,制動壓力傳感器感知制動裝置的制動壓力,而橫擺角速度傳感器則感知汽車?yán)@垂直軸線的運動,橫向加速度傳感器感知汽車發(fā)生橫向移動時的橫向加速度。

汽車與路面之間力的作用全靠輪胎,輪胎通過縱向、橫向滑轉(zhuǎn)來傳遞地面施加的縱向力及側(cè)向力。輪胎力和其他外力決定了汽車的運動,也由此決定了其穩(wěn)定性。ESP通過對

每個車輪滑移率的精確控制,使各個車輪的縱向分力和側(cè)向分力迅速改變,從而在所有工況下均能獲得期望的操縱穩(wěn)定性。圖3．5所示為ESP的工作流程。圖3．5ESP的工作流程

3.2.4EBD概述

EBD(ElectronicBrake-forceDistribution,電子制動力分配系統(tǒng))完善并提高了ABS的功能,它在ABS開始動作之前就已經(jīng)平衡了每一車輪的制動力。ABS可以在汽車制動過程中自動控制和調(diào)節(jié)車輪制動力,防止車輪抱死,保持最大的車輪附著系數(shù),從而得到最佳制動效果,即最短的制動距離、最小的側(cè)向滑移量和最好的制動轉(zhuǎn)向性能。EBD可以在制

動時控制制動力在各輪間的分配,更好地利用后橋的附著系數(shù),不僅提高了汽車制動的穩(wěn)定性和汽車制動時的操縱性能,而且使后輪獲得更好的制動效能。

EBD必須在ABS的基礎(chǔ)上工作。從硬件而言,它并沒有增加新的元器件,而是通過軟件升級和改變應(yīng)用程序來實現(xiàn)制動力的合理分配,這樣也就降低了成本。EBD在汽車制動

時根據(jù)各輪速傳感器的信號來運算滑移率(定義為車輛實際車速與車輪線速度之差和車輛實際車速之比),通過控制后輪制動壓力,使后輪滑移始終保持小于或等于前輪滑移率,取代機械式分配閥對后輪的控制,實現(xiàn)接近于理想制動力分配曲線的制動效果。圖3．6所示為有、無EBD的汽車制動情況對比,可以看出EBD能更好地控制汽車滑移。圖3．6有、無EBD的汽車制動情況對比

3.2.5LDWS概述

LDWS(LaneDepartureWarningSystem,車道偏離預(yù)警系統(tǒng))主要由HUD抬頭顯示器、攝像頭、控制器以及傳感器組成。當(dāng)車道偏離系統(tǒng)開啟時,攝像頭(一般安置在車身側(cè)

面或后視鏡位置)會時刻采集行駛車道的標(biāo)志線,通過圖像處理獲得汽車在當(dāng)前車道中的位置參數(shù),當(dāng)檢測到汽車偏離車道時,傳感器會及時收集車輛數(shù)據(jù)和駕駛員的操作狀態(tài),之后由控制器發(fā)出警報信號,整個過程大約在0.5s內(nèi)完成,為駕駛者提供更多的反應(yīng)時間。如果駕駛者打開轉(zhuǎn)向燈,進行正常變線行駛,那么LDWS不會做出任何提示。

LDWS的工作過程:如圖3．7所示,當(dāng)車輛越過路標(biāo)(白色行車道表示)、沒有啟動轉(zhuǎn)向指示燈時,前保險杠后的紅外傳感器檢測到這個動作,并且觸發(fā)ECU,根據(jù)偏離車道的方向,通過司機座椅的左側(cè)或者右側(cè)的震動,來對司機進行警示。圖3．7車道偏離預(yù)警示意圖

無論是側(cè)視系統(tǒng)還是前視系統(tǒng),都由道路和車輛狀態(tài)感知、車道偏離評價算法和信號顯示界面三個基本模塊組成。系統(tǒng)首先通過狀態(tài)感知模塊感知道路幾何特征和車輛的動態(tài)

參數(shù),然后由車道偏離評價算法對車道偏離的可能性進行評價,必要的時候通過信號顯示界面向駕駛員報警。

3.2.6ACC概述

ACC(AdaptiveCruiseControl,自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng))是定速巡航控制系統(tǒng)的提升和擴展,它除了定速巡航功能外,還具有獲取前方道路信息,并基于與前車的間距和相對速度等信息,控制汽車的節(jié)氣門開度和制動力矩,調(diào)節(jié)其縱向速度,使其相對前車以合適的安全間距行駛的功能。當(dāng)與前車之間的距離過小時,ACC控制單元可以通過與制動防抱死系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)動作,使車輪適當(dāng)制動,并使發(fā)動機的輸出功率下降,以使車輛與前方車輛始終保持安全距離。

1.ACC的架構(gòu)

ACC的架構(gòu)如圖3．8所示,包括信號采集、信號控制、執(zhí)行控制和人機交互界面等幾部分。信息采集單元主要采集本車狀態(tài)信息與行車環(huán)境等信息,如前車與本車間距和相對速度等;信號控制單元根據(jù)車載傳感器采集到的行駛信息,確定本車的控制方案,并調(diào)節(jié)油門控制單元或剎車制動執(zhí)行單元;執(zhí)行控制單元根據(jù)信號控制單元發(fā)出的指令動作,主要包括使油門踏板動作、使剎車踏板動作等;人機交互界面供駕駛員對ACC進行功能選擇和參數(shù)設(shè)定。圖3．8ACC的架構(gòu)

2.ACC的功能概述

ACC在特定工況下實現(xiàn)了汽車的縱向自動駕駛,減輕了駕駛員的操作負擔(dān)。起初ACC只能在車速大于一定的情況下才能啟用,隨著技術(shù)的不斷進步,ACC逐漸得到完善,可以

具有起停跟隨功能,工作范圍擴展到全車速,可以應(yīng)對城市中多信號燈、擁堵等路況。

1)ACC的具體作用

通過車距傳感器的反饋信號,ACC控制單元可以根據(jù)靠近車輛物體的移動速度判斷道路情況,并控制車輛的行駛狀態(tài),通過反饋式加速踏板感知駕駛者施加在踏板上的力,ACC控制單元可以決定是否執(zhí)行巡航控制,以減輕駕駛者的疲勞感。圖3．9所示為車距判斷示意圖。圖3．9車距判斷示意圖

2)ACC在典型路況的應(yīng)用

當(dāng)前方?jīng)]有車輛時,ACC會以一定的速度巡航(巡航的車速在設(shè)定的車速限值范圍內(nèi)),當(dāng)雷達監(jiān)測范圍內(nèi)出現(xiàn)車輛時,如果車速過高,此時汽車會減速,并以一定的車速跟隨前車行駛,保持安全距離;若前車又切出本車道,則本車會自動加速至設(shè)定車速。如圖3．10所示,前方車道無車,此時車速約為80km/h。如圖3．11所示,前方車道出現(xiàn)車輛,車速下降,此時車速約為70km/h。圖3．10前方道路無車圖3．11前方道路有車

3.2.7APS概述

APS(AutomaticParkingSystem,自動泊車系統(tǒng))由最初的泊車輔助系統(tǒng)演化而來。APS借助雷達或倒車影像等聲效或影像技術(shù),輔助駕駛員安全、準(zhǔn)確地停車入位,能夠?qū)崿F(xiàn)車輛在縱向和橫向上的同時控制。

如圖3．12所示,APS主要由傳感器、ECU、執(zhí)行器以及人機交互單元等組成。傳感器系統(tǒng)包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和車身運動狀態(tài)感知系統(tǒng)。環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般具有兩種檢測方式,即圖像采集檢測(如攝像頭)和距離探測(如超聲波),用以采集在泊車過程中的周邊環(huán)境信息以及停車位空間參數(shù)。圖3．12自動泊車系統(tǒng)組成

APS涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下:

(1)泊車車位檢測技術(shù):通過超聲波雷達或者攝像頭等裝置來檢測目標(biāo)泊車車位,判斷目標(biāo)車位類型,分析車位空間大小,確定車位起點和終點。在車位識別的技術(shù)方面,停車泊位一般分為兩種類型:一種是空間車位,如兩車之間的停車區(qū)域;另一種是線車位,即地面劃有停車標(biāo)線的區(qū)域。前者多采用超聲波進行車位探測,后者常利用攝像頭獲取車位信息。用于超聲波檢測的傳感器(雷達),其主要功能是對前后障礙物的感知和車位的識別,一般在汽車前部和后部各配置4只雷達。

(2)泊車路徑規(guī)劃技術(shù):運用轉(zhuǎn)向幾何學(xué)和運動學(xué)原理,利用汽車在泊車過程中圍繞轉(zhuǎn)向中心做圓周運動的特點。通過車位檢測信息獲取停車位空間的幾何形狀,以及當(dāng)前