汽車主動安全技術探討

袁海軍，肖 茂，謝云峰

（1.重慶華渝電氣集團有限公司，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 “世界災難報告”報道：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產(chǎn)的安全有著至關重要的影響[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已經(jīng)遠遠不能滿足當前消費者的需要。

由于主動安全技術及裝置能夠提前感知潛在的行車危險并可以立即采取相關措施降低發(fā)生事故的機率，人們開始關注安全技術的發(fā)展和應用，更多先進的電子技術被移植到汽車主動安全技術領域。安全技術主要有被動和主動安全之分。所謂被動安全技術是指當車輛發(fā)生行車危險時車輛對車內乘員的防護或者對被撞車輛或行人的防護裝置技術；所謂主動安全技術是指安全裝置可以自主感知、采取相應措施來避免車輛發(fā)生行車危險的技術[1～3]。

1 汽車主動安全技術發(fā)展現(xiàn)狀

1886年汽車問世，1896年汽車撞死第一名行人，1898年第一名汽車司機在交通事故中喪生[2]。從那時人們就開始嘗試研究提高汽車的安全性能。汽車安全技術分類劃分如圖1所示。可以說汽車的發(fā)展和安全事故的發(fā)生推動了安全技術的進步。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裝備來提高安全性能。

圖1 汽車安全技術分類Fig.1 Class of automobile safety technology

目前，研究先進的安全技術已經(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向主動安全技術領域。常見的典型汽車主動安全技術裝置主要有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 自適應巡航系統(tǒng)。目前，我國對汽車主動安全技術的重視程度還很低，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)等先進的安全技術均為國外汽車研究機構發(fā)明。而ABS 和ESP 系統(tǒng)在我國乘用車的裝配率遠遠低于歐美地區(qū)，甚至低于全球平均數(shù)值。2011年統(tǒng)計數(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 自適應巡航系統(tǒng)則主要裝配在國產(chǎn)高檔車輛及進口高檔車輛上使用，由于其價格較貴，中低檔乘用車一般為選裝，根據(jù)客戶需要進行選擇性安裝，市場裝配率較低。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)當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)的基礎上構建的非獨立的行車安全控制技術，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，能夠確保汽車在多種突發(fā)路況條件下都能安全轉向并穩(wěn)定車身，特別是在汽車過度轉向和轉向角度不夠的時候更能體現(xiàn)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)運行時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)自動向一個或者多個車輪實施安全制動，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時采集方向盤轉角傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)分析確定出車輛理想的行駛方向，然后對采集的側向加速度和車身橫擺角速度傳感器數(shù)據(jù)進行計算，確定出車輛的真實行駛方向。當系統(tǒng)檢測到車輛真實行駛方向與車輛的理想行駛方向不同時，電子控制單元首先利用TCS 牽引力控制系統(tǒng)對發(fā)動機的輸出扭矩進行控制，并向發(fā)動機控制模塊（ECM）發(fā)送一個串行數(shù)據(jù)通信信號，減小發(fā)動機輸出扭矩。同時，系統(tǒng)程序會通過對車輛前后輪施加制動壓力進行輪速調整，消除車輛存在的側向滑移危險，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現(xiàn)安全轉向，保證車輛的行車方向受控，防止車輛產(chǎn)生側滑和跑偏危險，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時將輪速信息傳遞給ABS 電子控制單元（ECU），經(jīng)ECU 進行邏輯判斷、分析和計算后，一旦識別出一個或幾個車輪有抱死傾向時，電子控制單元（ECU）將向液壓調節(jié)器總成傳送控制指令來自動調節(jié)各個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)，實現(xiàn)車輛安全轉向及制動。

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行控制，而ABS 系統(tǒng)是車輪存在有抱死傾向時才開始對車輪輪速進行控制。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和協(xié)調性能，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車輪的滑移率及輪胎與地面附著系數(shù)進行感應和運算，得出不同的摩擦力數(shù)值，使四個車輪的制動器根據(jù)不同的路面采用不同的制動壓力進行制動，并在制動過程中自動調節(jié)，平衡每一個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速和驅動輪的轉速來判斷車輛驅動輪是否發(fā)生打滑，如果驅動輪的轉速高于從動輪的轉速，則說明驅動輪發(fā)生打滑現(xiàn)象，此時系統(tǒng)通過控制驅動輪輪速來實現(xiàn)車輪防滑。車輛在行駛過程中，提速需要增大驅動力，轉向時需要側向驅動力，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)的工作原理是當系統(tǒng)檢測到車輛車輪發(fā)生打滑現(xiàn)象時，系統(tǒng)利用發(fā)動機引擎控制系統(tǒng)來調整引擎的點火時間，降低發(fā)動機的輸出扭矩或者利用ABS 系統(tǒng)對打滑車輪進行制動力控制以防止其打滑。如果車輪打滑現(xiàn)象比較嚴重，TCS 系統(tǒng)會再次改變發(fā)動機引擎的點火時間，直至車輪打滑現(xiàn)象消除。

TCS 系統(tǒng)沒有獨立的系統(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)動機控制系統(tǒng)以及變速箱控制系統(tǒng)來實現(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時感知車輪是否出現(xiàn)打滑抱死，然后利用液壓控制單元調整輪缸制動壓力防止車輪抱死。而TCS 系統(tǒng)是利用調整發(fā)動機引擎的點火時間和變速箱擋位以及調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線，系統(tǒng)就自動向駕駛員報警。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線的影像資料，然后傳輸至車載計算機進行影像資料處理，動態(tài)監(jiān)測車輛與車道標線的相對位置。當車輛車輪稍微偏離了車道標線且駕駛員沒有發(fā)出車輛變道信號時，系統(tǒng)會自動發(fā)出車道修正報警信息提醒駕駛員及時修正車輛行駛方向。如果駕駛員仍然沒有及時采取修正措施，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警設備，該系統(tǒng)主要用于車輛行駛時實時地對輪胎氣壓及胎內溫度進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全。汽車在行駛過程中，輪胎壓力正常時，監(jiān)測系統(tǒng)無任何動作，不干擾駕駛員的正常行駛；而當壓力出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)將發(fā)出報警信息，提醒駕駛員采取相應措施，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)計表明夜間行車的危險性非常大，夜視輔助系統(tǒng)在夜間行車時，可以幫助司機提前識別危險情況。該系統(tǒng)主要采用熱敏成像攝像頭來實現(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，駕駛員可以根據(jù)天氣條件開啟夜視輔助系統(tǒng)，當車輛正前方有行人、動物等在道路上行走時，系統(tǒng)通過熱敏成像攝像頭提前發(fā)現(xiàn)危險信號，并通過儀表盤報警提醒駕駛員采取減速或者避讓措施。

2.8 ACC 自適應巡航系統(tǒng)

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

自適應巡航系統(tǒng)一般在車速大于25km/h時才會起作用，而當車速降低到25km/h 以下時則需要進行人工控制。在低速狀態(tài)下，系統(tǒng)可以實現(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，當前方車輛起步后，自適應巡航系統(tǒng)會提醒駕駛員操控車輛起步。

3 汽車主動安全技術未來發(fā)展方向[5,8]

隨著現(xiàn)代電子技術的快速發(fā)展和人類社會文明的進步提高，人們對汽車的動力性能、經(jīng)濟性能、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的研究和應用也越來越重視。實踐證明，主動安全技術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，主動安全技術和被動安全技術是相互補充、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應以發(fā)展主動安全技術為主，被動安全技術為輔。汽車主動安全技術在未來應向系統(tǒng)集成、智能控制、主動預防方向發(fā)展。隨著微型計算機技術、軟件技術、車載網(wǎng)絡技術、光纖通信技術、汽車CAN總線技術、聲納傳感技術、衛(wèi)星通訊技術等更先進的技術發(fā)展，汽車安全系統(tǒng)將向智能控制領域邁進發(fā)展。

先進的主動安全技術將替代駕駛者的部分駕駛習慣，降低駕駛者的勞動強度，提升駕駛的舒適性和安全性。先進傳感技術配合微型計算機系統(tǒng)的應用，將使?jié)撛诘男熊囄ｋU提前被主動安全系統(tǒng)感知并采取相應的自動避讓措施或者報警，達到主動預防安全事故發(fā)生的目的，提高駕駛的安全性。隨著車載網(wǎng)絡技術和汽車CAN總線技術的應用，多種主動安全技術將采用CAN總線進行通信，使多種主動安全系統(tǒng)集成在一個微型計算機系統(tǒng)上，縮小安裝空間。隨著先進技術廣泛地被應用到汽車上，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。

[1]呂光輝，等.汽車主動安全技術-過去與未來[J].輕型汽車技術，2012，11.

[2]楊秀芳，張新，等.汽車主動安全技術的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].重慶工學院學報(自然科學)，2008，4.

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[7]魏彥軍.淺析汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)TPMS[J].汽車電器，2006，2.

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