汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)
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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(duì)駕駛?cè)藛T的行為和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還應(yīng)能對(duì)車輛的行為實(shí)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(dòng)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(dāng)汽車輪胎出現(xiàn)死鎖時(shí)，ABS會(huì)迅速點(diǎn)放剎車，防止車輛跑偏。與之相對(duì)的TCS稱為循跡控制系統(tǒng)，當(dāng)輪胎空轉(zhuǎn)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，在車輛出現(xiàn)側(cè)滑或轉(zhuǎn)向不足時(shí)，會(huì)分別對(duì)每個(gè)輪胎施加不同的制動(dòng)力來(lái)修正行車軌跡。
傳感器的類型與選用
無(wú)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(tái)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(tǒng)的快速響應(yīng)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(dá)、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(yù)碰撞系統(tǒng)中主要運(yùn)用的傳感器為毫米波雷達(dá)或激光雷達(dá)。其中毫米波雷達(dá)價(jià)格較高，主要面向高端車市場(chǎng)；而激光雷達(dá)的成本較低，僅為毫米波雷達(dá)的1/3左右，針對(duì)低價(jià)車市場(chǎng)。但在性能上，激光的波長(zhǎng)較短，限制了其應(yīng)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(shí)的障礙物識(shí)別及輔助視野等。紅外線成像又可分為溫度探測(cè)的遠(yuǎn)紅外（FIR）技術(shù)和用于夜視的近紅外（NIR）技術(shù)。FIR可探測(cè)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(cè)得比車燈照射距離更遠(yuǎn)，但同時(shí)也容易受到對(duì)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(cè)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(jué)影像傳感器。目前CCD/CMOS的應(yīng)用日趨廣泛，配合先進(jìn)的視覺(jué)識(shí)別算法，其成像范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)物體、路面狀況及摩擦系數(shù)、路邊的交通信號(hào)與標(biāo)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(shí)現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)，來(lái)表現(xiàn)昏暗和高反差環(huán)境下的圖像細(xì)節(jié)，該技術(shù)通過(guò)捕捉高感光度和低感光度兩種畫面并加以合成的方式實(shí)現(xiàn)。此外，CCD/CMOS如果與上文所述紅外線或雷達(dá)結(jié)合，則可組成混合式傳感器（Sensor Fusion）。紅外線發(fā)生器照射目標(biāo)物體后，反射回的紅外線被CCD/CMOS吸收，因此無(wú)論白天或夜晚均可對(duì)路況加以識(shí)別，為駕駛員提供功能強(qiáng)大的輔助視覺(jué)。
系統(tǒng)構(gòu)架分析
汽車安全系統(tǒng)的預(yù)碰撞處理、安全速度/車距控制等各種警示與應(yīng)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(guò)內(nèi)置算法進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估并決定最佳的應(yīng)變措施。因此，汽車電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上與一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)相區(qū)別的顯著特點(diǎn)。
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鳎℅-Sensor），以及通常為16位或32位MCU的ECU等幾部分組成。當(dāng)車身受到碰撞，沖撞傳感器會(huì)立即向ECU發(fā)出信號(hào)，ECU則會(huì)收集碰撞強(qiáng)度、座椅位置、乘客重量、安全帶情況等參數(shù)來(lái)進(jìn)行迅速評(píng)估，并在極短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)電爆驅(qū)動(dòng)器（Squib Driver）打開(kāi)安全氣囊來(lái)保護(hù)車內(nèi)人員的安全。
圖二 安全氣囊系統(tǒng)架構(gòu)圖
如圖三所示，主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)（Active Suspension）也是汽車中比較常見(jiàn)的安保系統(tǒng)，其可大幅提高車輛的操控性。主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)主要由傳感器、減震筒及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)可采集汽車的速度、加速度、負(fù)重、轉(zhuǎn)向程度、左右G力等數(shù)據(jù)來(lái)由程序?qū)覓煜禂?shù)，和底盤與地面的高度等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。
圖三 主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)架構(gòu)組成越來(lái)越多地國(guó)家的法律法規(guī)對(duì)防抱死煞車系統(tǒng)（Anti-lock Brake Systems, ABS）的性能提出了要求，對(duì)其可靠性的更高要求增加了ABS設(shè)計(jì)的復(fù)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(xiǎn)情況，當(dāng)控制環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)緊急剎車導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，會(huì)迅速點(diǎn)放剎車，給予輪胎足夠的滾動(dòng)空間和更大的抓地力，防止車輛跑偏。該系統(tǒng)的關(guān)鍵是輪胎轉(zhuǎn)速的測(cè)量。
評(píng)論