汽車主動安全技術(shù)探討

袁海軍，肖 茂，謝云峰

（1.重慶華渝電氣集團(tuán)有限公司，重慶 400021；2.重慶市九龍坡職業(yè)教育中心，重慶 400052）

0 引言

據(jù)聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織最新的 “世界災(zāi)難報(bào)告”報(bào)道：目前，每年全世界約有130萬人因道路交通事故喪生，因此汽車的安全性與人類生命財(cái)產(chǎn)的安全有著至關(guān)重要的影響[1,2]。 汽車行駛安全性問題變得尤為突出，傳統(tǒng)的被動安全裝置及技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前消費(fèi)者的需要。

由于主動安全技術(shù)及裝置能夠提前感知潛在的行車危險(xiǎn)并可以立即采取相關(guān)措施降低發(fā)生事故的機(jī)率，人們開始關(guān)注安全技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，更多先進(jìn)的電子技術(shù)被移植到汽車主動安全技術(shù)領(lǐng)域。安全技術(shù)主要有被動和主動安全之分。所謂被動安全技術(shù)是指當(dāng)車輛發(fā)生行車危險(xiǎn)時(shí)車輛對車內(nèi)乘員的防護(hù)或者對被撞車輛或行人的防護(hù)裝置技術(shù)；所謂主動安全技術(shù)是指安全裝置可以自主感知、采取相應(yīng)措施來避免車輛發(fā)生行車危險(xiǎn)的技術(shù)[1～3]。

1 汽車主動安全技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1886年汽車問世，1896年汽車撞死第一名行人，1898年第一名汽車司機(jī)在交通事故中喪生[2]。從那時(shí)人們就開始嘗試研究提高汽車的安全性能。汽車安全技術(shù)分類劃分如圖1所示。可以說汽車的發(fā)展和安全事故的發(fā)生推動了安全技術(shù)的進(jìn)步。自1966年美國頒布了 “國家交通和汽車安全法”后，人們更加重視汽車的安全性能。汽車廠商也更積極主動研究新的安全技術(shù)裝備來提高安全性能。

圖1 汽車安全技術(shù)分類Fig.1 Class of automobile safety technology

目前，研究先進(jìn)的安全技術(shù)已經(jīng)成為汽車開發(fā)的重要研究方向。由于被動安全裝置的功能有限，人們對車輛安全性能要求轉(zhuǎn)向主動安全技術(shù)領(lǐng)域。常見的典型汽車主動安全技術(shù)裝置主要有ESP 電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)、ABS 防抱死制動裝置、EBD 電子制動力分配系統(tǒng)、TCS牽引力控制系統(tǒng)、車道偏離警示系統(tǒng)、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)、夜視輔助系統(tǒng)、ACC 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)。目前，我國對汽車主動安全技術(shù)的重視程度還很低，雖然國家已經(jīng)通過立法來推行安全裝置，但其裝機(jī)率與世界平均水平相比還是很低。

常見的ABS 防抱死制動系統(tǒng)、EBD 分配系統(tǒng)、ESP穩(wěn)定系統(tǒng)等先進(jìn)的安全技術(shù)均為國外汽車研究機(jī)構(gòu)發(fā)明。而ABS 和ESP 系統(tǒng)在我國乘用車的裝配率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美地區(qū)，甚至低于全球平均數(shù)值。2011年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，歐美地區(qū)的車輛裝配ABS的比例約為88%，ESP的裝配比例約為45%，而在中國這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)分別為63%和5%[4]。 目前，ABS 系統(tǒng)、EBD 系統(tǒng)、TCS 系統(tǒng)主要裝配在中高檔乘用車輛上使用，而ESP 系統(tǒng)及車道偏離警示系統(tǒng)、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)、夜視輔助系統(tǒng)、ACC 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)則主要裝配在國產(chǎn)高檔車輛及進(jìn)口高檔車輛上使用，由于其價(jià)格較貴，中低檔乘用車一般為選裝，根據(jù)客戶需要進(jìn)行選擇性安裝，市場裝配率較低。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前在高檔車輛上使用較多，中低檔車輛還沒有配置該系統(tǒng)，而2000年11月美國推出的安全法案則要求2003年12月31日后所有新車都必須配置輪胎壓力監(jiān)測裝置。

2 常用汽車主動安全技術(shù)介紹

2.1 ESP 電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)

電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)（簡稱ESP 系統(tǒng)）是在其他牽引控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的非獨(dú)立的行車安全控制技術(shù)，其涵蓋了ABS 制動系統(tǒng)、EBD 制動力分配系統(tǒng)、TCS 控制系統(tǒng)的功能。ESP 系統(tǒng)在行車時(shí)，能夠確保汽車在多種突發(fā)路況條件下都能安全轉(zhuǎn)向并穩(wěn)定車身，特別是在汽車過度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向角度不夠的時(shí)候更能體現(xiàn)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過采集車輛上的各種行駛數(shù)據(jù)來動態(tài)監(jiān)控車輛的行駛狀態(tài)，并根據(jù)車輛狀態(tài)自動向一個(gè)或者多個(gè)車輪實(shí)施安全制動，校正車輪的行駛方向，保持車輛在正常的車道上行駛。

ESP 系統(tǒng)的基本原理是行車過程中電子控制單元實(shí)時(shí)采集方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)分析確定出車輛理想的行駛方向，然后對采集的側(cè)向加速度和車身橫擺角速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定出車輛的真實(shí)行駛方向。當(dāng)系統(tǒng)檢測到車輛真實(shí)行駛方向與車輛的理想行駛方向不同時(shí)，電子控制單元首先利用TCS 牽引力控制系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行控制，并向發(fā)動機(jī)控制模塊（ECM）發(fā)送一個(gè)串行數(shù)據(jù)通信信號，減小發(fā)動機(jī)輸出扭矩。同時(shí)，系統(tǒng)程序會通過對車輛前后輪施加制動壓力進(jìn)行輪速調(diào)整，消除車輛存在的側(cè)向滑移危險(xiǎn)，保持車輛的正確行使軌跡。

2.2 ABS 防抱死制動系統(tǒng)

ABS 防抱死制動系統(tǒng)主要由輪速傳感器、電子控制單元（ECU）和液壓控制單元（HCU）三部分組成。ABS 系統(tǒng)能使車輛在緊急制動下實(shí)現(xiàn)安全轉(zhuǎn)向，保證車輛的行車方向受控，防止車輛產(chǎn)生側(cè)滑和跑偏危險(xiǎn)，是制動效果最佳的安全裝置。ABS 系統(tǒng)的原理是汽車輪速傳感器實(shí)時(shí)將輪速信息傳遞給ABS 電子控制單元（ECU），經(jīng)ECU 進(jìn)行邏輯判斷、分析和計(jì)算后，一旦識別出一個(gè)或幾個(gè)車輪有抱死傾向時(shí)，電子控制單元（ECU）將向液壓調(diào)節(jié)器總成傳送控制指令來自動調(diào)節(jié)各個(gè)車輪制動缸中的制動壓力，讓汽車在制動過程中車輪始終處于即將抱死的最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車輛安全轉(zhuǎn)向及制動。

2.3 EBD 電子制動力分配系統(tǒng)

EBD 系統(tǒng)是ABS 系統(tǒng)的輔助功能，可以提高ABS系統(tǒng)的功效，特別是改善車輛滿載和彎道制動性能，可以根據(jù)車輛的重量和路面條件來控制制動過程，防止汽車制動時(shí)車輪抱死。EBD 系統(tǒng)是在車輛緊急剎車瞬間就開始對車輪的制動力進(jìn)行控制，而ABS 系統(tǒng)是車輪存在有抱死傾向時(shí)才開始對車輪輪速進(jìn)行控制。EBD 系統(tǒng)的優(yōu)勢在于車輛在各種路況下都可以獲得最佳制動效果，縮短制動距離，提高車輛制動的響應(yīng)和協(xié)調(diào)性能，改善制動的舒適性能。

EBD 系統(tǒng)的工作原理是汽車在緊急制動瞬間，系統(tǒng)的控制器分別對四個(gè)車輪的滑移率及輪胎與地面附著系數(shù)進(jìn)行感應(yīng)和運(yùn)算，得出不同的摩擦力數(shù)值，使四個(gè)車輪的制動器根據(jù)不同的路面采用不同的制動壓力進(jìn)行制動，并在制動過程中自動調(diào)節(jié)，平衡每一個(gè)車輪的有效地面抓地力，使制動力與摩擦力相匹配，防止部分車輪出現(xiàn)抱死現(xiàn)象。

2.4 TCS 牽引力控制系統(tǒng)

TCS 系統(tǒng)是利用車輛從動輪的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速來判斷車輛驅(qū)動輪是否發(fā)生打滑，如果驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速高于從動輪的轉(zhuǎn)速，則說明驅(qū)動輪發(fā)生打滑現(xiàn)象，此時(shí)系統(tǒng)通過控制驅(qū)動輪輪速來實(shí)現(xiàn)車輪防滑。車輛在行駛過程中，提速需要增大驅(qū)動力，轉(zhuǎn)向時(shí)需要側(cè)向驅(qū)動力，兩者都是依靠輪胎與路面的摩擦力產(chǎn)生。但輪胎對地面的摩擦力有一個(gè)極限值，而TCS的作用是使汽車在各種行駛狀況下都能獲得最佳的牽引力，保持車輛行駛的穩(wěn)定性。

TCS 系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)系統(tǒng)檢測到車輛車輪發(fā)生打滑現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)利用發(fā)動機(jī)引擎控制系統(tǒng)來調(diào)整引擎的點(diǎn)火時(shí)間，降低發(fā)動機(jī)的輸出扭矩或者利用ABS 系統(tǒng)對打滑車輪進(jìn)行制動力控制以防止其打滑。如果車輪打滑現(xiàn)象比較嚴(yán)重，TCS 系統(tǒng)會再次改變發(fā)動機(jī)引擎的點(diǎn)火時(shí)間，直至車輪打滑現(xiàn)象消除。

TCS 系統(tǒng)沒有獨(dú)立的系統(tǒng)組件，主要是借用車輛上已經(jīng)安裝的ABS 控制系統(tǒng)，輪速傳感器和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)以及變速箱控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)其功能。TCS 系統(tǒng)與ABS 系統(tǒng)的區(qū)別在于，ABS 防抱死系統(tǒng)是利用輪速傳感器來實(shí)時(shí)感知車輪是否出現(xiàn)打滑抱死，然后利用液壓控制單元調(diào)整輪缸制動壓力防止車輪抱死。而TCS 系統(tǒng)是利用調(diào)整發(fā)動機(jī)引擎的點(diǎn)火時(shí)間和變速箱擋位以及調(diào)整車輪制動壓力來降低車輪打滑。

2.5 車道偏離警示系統(tǒng)

車道偏離警示系統(tǒng)是根據(jù)汽車前端的攝像頭采集的車道標(biāo)線信息判斷車輛的行車位置，如果駕駛員沒有使用變道信號而車輛超越了車道標(biāo)線，系統(tǒng)就自動向駕駛員報(bào)警。車輛在行駛過程中，車輛前端的車載攝像頭首先采集車輛與車道標(biāo)線的影像資料，然后傳輸至車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行影像資料處理，動態(tài)監(jiān)測車輛與車道標(biāo)線的相對位置。當(dāng)車輛車輪稍微偏離了車道標(biāo)線且駕駛員沒有發(fā)出車輛變道信號時(shí)，系統(tǒng)會自動發(fā)出車道修正報(bào)警信息提醒駕駛員及時(shí)修正車輛行駛方向。如果駕駛員仍然沒有及時(shí)采取修正措施，系統(tǒng)會自動幫助駕駛員主動修正行駛方向，使車輛回到正確的行駛方向上。

2.6 輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)[6,7]

汽車輪胎是汽車的主要部件之一，對車輛行駛的安全性、經(jīng)濟(jì)性有重要的作用。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是汽車安全和故障診斷系統(tǒng)中主要的汽車安全報(bào)警設(shè)備，該系統(tǒng)主要用于車輛行駛時(shí)實(shí)時(shí)地對輪胎氣壓及胎內(nèi)溫度進(jìn)行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全。汽車在行駛過程中，輪胎壓力正常時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)無任何動作，不干擾駕駛員的正常行駛；而當(dāng)壓力出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信息，提醒駕駛員采取相應(yīng)措施，防止爆胎引起車輛安全事故。

2.7 夜視輔助系統(tǒng)

事故統(tǒng)計(jì)表明夜間行車的危險(xiǎn)性非常大，夜視輔助系統(tǒng)在夜間行車時(shí)，可以幫助司機(jī)提前識別危險(xiǎn)情況。該系統(tǒng)主要采用熱敏成像攝像頭來實(shí)現(xiàn)其夜視功能，就是說可以將發(fā)熱對象（比如人和動物）從其背景中提取出來。在夜間行車時(shí)，駕駛員可以根據(jù)天氣條件開啟夜視輔助系統(tǒng)，當(dāng)車輛正前方有行人、動物等在道路上行走時(shí)，系統(tǒng)通過熱敏成像攝像頭提前發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)信號，并通過儀表盤報(bào)警提醒駕駛員采取減速或者避讓措施。

2.8 ACC 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)

自適應(yīng)巡航系統(tǒng)是一種智能化的自動控制系統(tǒng)，是利用汽車相關(guān)傳感器進(jìn)行信號采集來對車速進(jìn)行控制的技術(shù)。車輛在行駛過程中，安裝在車輛前端的雷達(dá)傳感器一直掃描車輛前方道路，而輪速傳感器實(shí)時(shí)采集車輛速度信號，當(dāng)檢測到與前方車輛之間的距離低于安全制動長度時(shí)，ACC 控制系統(tǒng)即通過ABS 制動系統(tǒng)、EBD系統(tǒng)對車輛進(jìn)行協(xié)調(diào)動作，實(shí)施車輪制動，并降低發(fā)動機(jī)的輸出功率，使車輛與前方車輛保持在安全距離內(nèi)，當(dāng)檢測到與前方車輛的安全距離加大時(shí)，ACC 控制系統(tǒng)控制車輛按照設(shè)定的車速進(jìn)行行駛。

自適應(yīng)巡航系統(tǒng)一般在車速大于25km/h時(shí)才會起作用，而當(dāng)車速降低到25km/h 以下時(shí)則需要進(jìn)行人工控制。在低速狀態(tài)下，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) “停車/起步”功能，使車輛在非常低的速度下仍然與前方車輛保持安全距離，當(dāng)前方車輛起步后，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)會提醒駕駛員操控車輛起步。

3 汽車主動安全技術(shù)未來發(fā)展方向[5,8]

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展和人類社會文明的進(jìn)步提高，人們對汽車的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能、舒適性能、安全性能提出了更高的要求，汽車廠商對汽車安全技術(shù)的研究和應(yīng)用也越來越重視。實(shí)踐證明，主動安全技術(shù)可以在一定程度上避免汽車安全事故的發(fā)生和減輕危害程度，但不能完全取代被動安全裝置。所以，主動安全技術(shù)和被動安全技術(shù)是相互補(bǔ)充、相輔相成的，二者缺一不可。

鑒于主動安全裝置的優(yōu)越性能，未來的汽車安全技術(shù)應(yīng)以發(fā)展主動安全技術(shù)為主，被動安全技術(shù)為輔。汽車主動安全技術(shù)在未來應(yīng)向系統(tǒng)集成、智能控制、主動預(yù)防方向發(fā)展。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖通信技術(shù)、汽車CAN總線技術(shù)、聲納傳感技術(shù)、衛(wèi)星通訊技術(shù)等更先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展，汽車安全系統(tǒng)將向智能控制領(lǐng)域邁進(jìn)發(fā)展。

先進(jìn)的主動安全技術(shù)將替代駕駛者的部分駕駛習(xí)慣，降低駕駛者的勞動強(qiáng)度，提升駕駛的舒適性和安全性。先進(jìn)傳感技術(shù)配合微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用，將使?jié)撛诘男熊囄ｋU(xiǎn)提前被主動安全系統(tǒng)感知并采取相應(yīng)的自動避讓措施或者報(bào)警，達(dá)到主動預(yù)防安全事故發(fā)生的目的，提高駕駛的安全性。隨著車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和汽車CAN總線技術(shù)的應(yīng)用，多種主動安全技術(shù)將采用CAN總線進(jìn)行通信，使多種主動安全系統(tǒng)集成在一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，縮小安裝空間。隨著先進(jìn)技術(shù)廣泛地被應(yīng)用到汽車上，可以發(fā)現(xiàn)，未來的汽車在安全性方面將越來越高，越來越可靠，越來越智能化。

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