從細節(jié)出發(fā)闡述汽車安全系統(tǒng)技術架構

　　汽車主動式安全系統(tǒng)

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

　　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)

　　AWS是Advance Warning System縮寫。是一個意外事故預防和緩和的駕駛輔助系統(tǒng)，在危險發(fā)生前給駕駛員提供及時的聲音和視覺報警。目前，公路交通事故已成為全球范圍內(nèi)日益嚴重的公共安全問題。統(tǒng)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。無論是事故數(shù)量。還是傷亡人數(shù)均分別高達各自總數(shù)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時間內(nèi)的注意力不集中，造成了其中80%的交通事故，主要表現(xiàn)為車道偏離和追尾事故。 目前。國內(nèi)外在防止車道偏離和保持安全車距兩個方面都開展了相當多有益的探索，在雷達、激光、超聲波、紅外線、機器視覺等傳感器技術方面都取得了一些突破。經(jīng)過長期大量的研究實踐，人們逐步認識到采用單目視覺技術，僅使用一臺攝像機，即能在一定程度上實現(xiàn)對前方道路環(huán)境、車輛探測及車距監(jiān)測的功能。 車元素研究顯示，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%的這類事故。因此，通過在汽車上安裝汽車碰撞預警系統(tǒng)，利用技術手段分析車道、周圍車輛的狀況等駕駛環(huán)境信息，一旦當駕駛員發(fā)生疲勞及精神分散、汽車出現(xiàn)無意識的車道偏離及汽車間車距過近。存在追尾可能時。能夠及時給予駕駛主動預警，是減少公路交通事故行之有效的技術措施。

　　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?。此外后方和?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（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?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)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

　　電子穩(wěn)定裝置（ElectronicStablityProgram）是一種牽引力控制系統(tǒng)，不但控制驅(qū)動輪，而且可以控制從動輪。如后輪驅(qū)動汽車常出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向過度的情況，此時后輪會失控而甩尾，ESP便會通過對外側(cè)的前輪的適度制動來穩(wěn)定車輛。轉(zhuǎn)向不足時，為了校正循跡方向，ESP則會對內(nèi)后輪制動，從而校正行駛方向。

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

　　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(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鳎℅-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(qū)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(zhuǎn)向程度、左右G力等數(shù)據(jù)來由程序?qū)覓煜禂?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(zhuǎn)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(zhuǎn)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?cè)藛T提供車輪轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)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。

　　未來的汽車電子系統(tǒng)中，加速度傳感器、陀螺儀等先進傳感器的進一步發(fā)展、控制環(huán)節(jié)單芯片的趨勢，以及車載網(wǎng)絡系統(tǒng)的形成，都將對實時性、處理速度、數(shù)據(jù)傳送能力等方面的性能大幅提高，屆時人們在享受高速的出行便利的同時，也可得到最大限度的安全保障。