汽車安全系統(tǒng)技術架構分析

　　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)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，轉化為數(shù)字信號后再交由特定的控制單元進行分析，并進行有效的決策和預防措施。

　　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、駕駛人視線受阻和精力不集中有關，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(Adaptive Cruise Control)，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。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)木妗４送夂蠓胶蛡让娴谋O(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(Lane Departure Warning, 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入錯誤的車道進行警告，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)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 人和車輛的結合，安全控制系統(tǒng)除了能對駕駛人員的行為和狀態(tài)進行監(jiān)控，還應能對車輛的行為實現(xiàn)有效控制。ESP(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)側滑或轉向不足時，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、LIDAR(Light Detecting and Ranging)、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)技術和用于夜視的近紅外(NIR)技術。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CCD或CMOS元件作為視覺影像傳感器。目前CCD/CMOS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/CMOS也可實現(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/CMOS如果與上文所述紅外線或雷達結合，則可組成混合式傳感器(Sensor Fusion)。紅外線發(fā)生器照射目標物體后，反射回的紅外線被CCD/CMOS吸收，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)的設計上與一般系統(tǒng)設計并無太大差異，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(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。當車身受到碰撞，沖撞傳感器會立即向ECU發(fā)出信號，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)通過電爆驅動器(Squib Driver)打開安全氣囊來保護車內(nèi)人員的安全。

　　圖二　安全氣囊系統(tǒng)架構圖

　　如圖三所示，主動式懸掛系統(tǒng)(Active Suspension)也是汽車中比較常見的安保系統(tǒng)，其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、轉向程度、左右G力等數(shù)據(jù)來由程序對懸掛系數(shù)，和底盤與地面的高度等進行實時調(diào)整。

　　圖三　主動式懸掛系統(tǒng)架構組成

　　越來越多地國家的法律法規(guī)對防抱死煞車系統(tǒng)(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(tǒng)中，ABS的主要目的是防止車輛失速滑行的危險情況，當控制環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)緊急剎車導致轉速過低時，會迅速點放剎車，給予輪胎足夠的滾動空間和更大的抓地力，防止車輛跑偏。該系統(tǒng)的關鍵是輪胎轉速的測量。

　　圖四　 ABS系統(tǒng)構架圖

　　具圖五所示系統(tǒng)為電子式動力輔助方向盤(Electric power Assisted Steering, EPAS)系統(tǒng)，簡稱動力方向盤。相對于傳統(tǒng)的油壓式方向盤，EPAS采用電子式馬達來為駕駛人員提供車輪轉向的輔助控制。EPAS一般由傳感器獲得方向盤的位置、扭矩，再結合車速、發(fā)動機溫度、電池供電情況等參數(shù)實現(xiàn)電子式馬達的輔助控制。EPAS目前已逐漸進入市場，其不但能使引擎負載降低，還能進一步改善燃油的使用效率。

　　圖五　動力方向盤系統(tǒng)構架

　　預拉緊安全帶(Seat Belt Tensioner)也是先進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)。預拉緊安全帶在車輛正常行駛時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(tǒng)架構圖

　　結論

　　隨著電子技術和控制科學的不斷進步，汽車電子系統(tǒng)也發(fā)生了革命性的變革。車輛的安全防護系統(tǒng)也由傳統(tǒng)的安全帶、氣囊等被動式系統(tǒng)，逐漸升級至預碰撞控制等主動安全系統(tǒng)。而這一切的實現(xiàn)則得益于多種傳感器及其控制系統(tǒng)對行車、制動、引擎控制、車速控制、安全防護等性能的支持。