基于嵌入式的車(chē)載主動(dòng)安全系統(tǒng)的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

羅茂元

摘 要通過(guò)對(duì)車(chē)載主動(dòng)安全系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)在事故發(fā)生前提醒，避免事故發(fā)生的主動(dòng)安全預(yù)防的解決方案。以實(shí)現(xiàn)降低交通事故發(fā)生率，減小交通事故帶來(lái)的危害的目的。本方案主要通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的智能化，結(jié)合傳感器、圖像監(jiān)控系統(tǒng)、近紅外夜視技術(shù)和電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)等技術(shù)，提出方案設(shè)計(jì)的思考。同時(shí)，采用嵌入式技術(shù)，還可有效解決以往通過(guò)PC機(jī)平臺(tái)出現(xiàn)的冗余功能部分和相對(duì)龐大的體積等，給車(chē)載系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響和高額成本。

【關(guān)鍵詞】車(chē)載主動(dòng)安全系統(tǒng) 主動(dòng)制動(dòng) 夜間預(yù)警 道路反饋

隨著全球機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的增加，面臨的交通安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻，汽車(chē)消費(fèi)者和政府管理者對(duì)汽車(chē)安全性的期望越來(lái)越高，僅靠普通的剎車(chē)系統(tǒng)、安全氣囊等被動(dòng)防御技術(shù)已無(wú)法解決如此嚴(yán)峻的交通問(wèn)題，發(fā)展以預(yù)防為核心的先進(jìn)汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)已成為現(xiàn)代交通的迫切要求。

在互聯(lián)設(shè)備日漸豐富的今天，汽車(chē)已不僅僅是幫助我們從A點(diǎn)到B點(diǎn)的工具。在對(duì)未來(lái)的規(guī)劃中，減少事故的發(fā)生，解放人類(lèi)成為了新時(shí)代研發(fā)的愿景，基于嵌入式的電子化智能系統(tǒng)成為了達(dá)到這一目標(biāo)的利器。如何將汽車(chē)主動(dòng)安全的理念與飛速發(fā)展的電子系統(tǒng)相結(jié)合，成為了當(dāng)今重要的研究課題。

1 總體設(shè)計(jì)

基于人—車(chē)—路危險(xiǎn)狀態(tài)監(jiān)控的汽車(chē)主動(dòng)安全預(yù)警與干預(yù)系統(tǒng)，主要包括行車(chē)環(huán)境與車(chē)輛狀態(tài)的全向感知技術(shù)、基于駕駛?cè)吮O(jiān)控與行為辨識(shí)技術(shù)的安全駕駛策略?xún)?yōu)化技術(shù)、基于交通環(huán)境和駕駛?cè)藸顟B(tài)的適應(yīng)式干預(yù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)以人（駕駛員）為中心，人與車(chē)載系統(tǒng)，以及道路系統(tǒng)的反饋，達(dá)到共同感知、共同決策，協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)。

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)環(huán)境信息、汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)信息在被駕駛員感知的同時(shí)，通過(guò)各種車(chē)載傳感器傳遞到嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)將決策結(jié)果一部分直接傳遞給汽車(chē)各種主動(dòng)安全裝置，一部分傳遞給駕駛員，供駕駛員參考、決策。駕駛員結(jié)合自己的實(shí)際情況，作出相應(yīng)的決策，采取相應(yīng)的措施，實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)技術(shù)的一體化。

在汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)中，駕駛員能夠訪(fǎng)問(wèn)諸如：道路情況、線(xiàn)路方向、故障診斷、防撞警告和駕駛員的身體狀況等多方面信息。由于相關(guān)數(shù)據(jù)過(guò)多，會(huì)引起在某個(gè)給定時(shí)間內(nèi)，駕駛員難以同時(shí)接受大量的信息。那么，就需要汽車(chē)本身具有“數(shù)據(jù)過(guò)濾”的過(guò)程，在“安全優(yōu)先”為最高優(yōu)先級(jí)別的總原則下，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的過(guò)濾。

2 城市低速主動(dòng)制動(dòng)方案

主動(dòng)剎車(chē)制動(dòng)是指車(chē)輛在非自適應(yīng)巡航的情況下正常行駛，如車(chē)輛遇到突發(fā)危險(xiǎn)情況時(shí)能自身主動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)效果讓車(chē)輛減速（但具備這種功能的車(chē)輛并不一定能夠?qū)④?chē)輛完全剎停），從而提高行車(chē)安全性的制動(dòng)方案。

有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，75%的追尾事故都發(fā)生在大約30km/h的速度下，而本系統(tǒng)能夠有效避免這些追尾事故：當(dāng)車(chē)輛的速度達(dá)到30km/h時(shí)，這套主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，通過(guò)前風(fēng)擋上的光學(xué)雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)視交通狀況，尤其是車(chē)頭前6米內(nèi)的情況。如圖2所示，當(dāng)前車(chē)剎車(chē)、停止或者有其它障礙物的時(shí)候，這套系統(tǒng)首先會(huì)自動(dòng)在剎車(chē)系統(tǒng)上加力，以幫助駕駛員在做出動(dòng)作前縮短剎車(chē)距離；或者它還可以通過(guò)調(diào)整方向盤(pán)，來(lái)改變車(chē)輛行駛路徑，以避開(kāi)障礙物。當(dāng)然，如果距離障礙物已經(jīng)很近，這套系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)緊急剎車(chē)而無(wú)需駕駛員的操作，幫助駕駛員避免城市交通常見(jiàn)的低速行駛時(shí)的追尾事故。

由于是低速主動(dòng)制動(dòng)，因此該系統(tǒng)的分析計(jì)算速度達(dá)到每秒50次即可，根據(jù)距離和車(chē)速等方面準(zhǔn)確的分析出，需要在什么時(shí)候剎車(chē)才能夠避免事故的發(fā)生。而且這套系統(tǒng)在白天和夜間都可以正常使用，不過(guò)和其它雷達(dá)裝置一樣，在有霧、下雨和下雪的時(shí)候都會(huì)受到一定的限制。

3 高速主動(dòng)制動(dòng)安全方案

在高速緊急制動(dòng)過(guò)程中，采用電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng) （electro-mechanical braking，簡(jiǎn)稱(chēng)EMB）作為制動(dòng)方案。所謂電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，就是將傳統(tǒng)液壓或氣壓制動(dòng)執(zhí)行元件轉(zhuǎn)變?yōu)殡婒?qū)動(dòng)元件，便于實(shí)現(xiàn)線(xiàn)控制動(dòng)（BBW：brake-by-wire）。它是一種全新的制動(dòng)理念，主要采用制動(dòng)系統(tǒng)ECU控制直流力矩電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力，形成行車(chē)制動(dòng)。由于線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)均采用電子控制裝置，能更好的與ABS、ESP等其他電子控制方式結(jié)合，易于融入整車(chē)的電子通訊網(wǎng)絡(luò)，明顯提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性；并且使用電控方式取消了各種液壓元件，減少了液壓油由油泵通過(guò)液壓管路傳遞到制動(dòng)主缸的時(shí)間消耗，響應(yīng)速度得以極大提升。

由于EMB完全采用電子控制裝置，如圖3所示，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，易于融入整車(chē)電子通訊網(wǎng)絡(luò)，EMB系統(tǒng)的電子控制器根據(jù)電子踏板模塊傳感器的位移和速度信號(hào)，并且結(jié)合車(chē)速等其它傳感器信號(hào)，通過(guò)整車(chē)的電子通訊網(wǎng)絡(luò)與 ABS、ESP、ACC、EFBA等其他控制方式相結(jié)合，向車(chē)輪制動(dòng)模塊的電機(jī)發(fā)出信號(hào)，控制其電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，進(jìn)而產(chǎn)生所需的制動(dòng)力，能極大的提高汽車(chē)主動(dòng)安全性能。

在本方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮以下因素：

在約90%的緊急制動(dòng)情況下，駕駛員往往缺乏果斷，不能迅速踩下制動(dòng)踏板產(chǎn)生緊急制動(dòng)的效果；或即使能迅速踩下制動(dòng)踏板，但卻力度不足，制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)判斷駕駛員采用的是點(diǎn)制動(dòng)，同樣不能產(chǎn)生緊急制動(dòng)。

在這些情況下，制動(dòng)系統(tǒng)ECU利用踏板位移傳感器、踏板力模擬機(jī)構(gòu)、踏板力傳感器等感知駕駛員對(duì)制動(dòng)踏板踩踏的速度和力度大小，得到駕駛員的目標(biāo)制動(dòng)力信號(hào)，以此判斷駕駛員此次制動(dòng)的意圖。

因此，經(jīng)駕駛員意圖感知系統(tǒng)計(jì)算，如果分析其屬于非常緊急的制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)ECU就會(huì)指示制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生更高的制動(dòng)力，控制ABS發(fā)揮作用，從而使制動(dòng)力快速產(chǎn)生，減小制動(dòng)距離；而對(duì)于正常情況的制動(dòng)，ECU則會(huì)通過(guò)判斷不予啟動(dòng)ABS。通常情況下，制動(dòng)踏板的感知及判斷響應(yīng)速度都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于駕駛員，這大大的縮短了制動(dòng)距離，極大的增加行車(chē)主動(dòng)安全性。

4 夜間預(yù)警方案

在夜間開(kāi)車(chē)時(shí)，多數(shù)駕駛?cè)藦陌l(fā)現(xiàn)前方有人或障礙物，到做出剎車(chē)動(dòng)作的應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間大約為1秒，即汽車(chē)在120km/h的速度時(shí)已經(jīng)跑了33m，而從120km/h到完全停止的制動(dòng)距離在50m以上。因此，當(dāng)駕駛員在120km/h的速度時(shí)，必須看到前方80m以外的視野，至少要給駕駛員3秒的應(yīng)急處理時(shí)間?？墒?，汽車(chē)近光燈的有效可視距離為30-50m，遠(yuǎn)光燈的有效可視距離70m，故在夜間行車(chē)必須注意力非常集中，一點(diǎn)都不能分神，否則后果很?chē)?yán)重。

在夜間行車(chē)時(shí)，采用“近紅外汽車(chē)夜視系統(tǒng)技術(shù)”作為預(yù)警方案。所謂近紅外主動(dòng)成像，就是通過(guò)主動(dòng)發(fā)出近紅外光進(jìn)行成像的技術(shù)。采用該技術(shù)，在夜間行車(chē)時(shí)，能見(jiàn)度無(wú)論高低，可自動(dòng)匹配車(chē)速，智能變焦，給駕駛員帶來(lái)更寬、更遠(yuǎn)的視野范圍，距離可達(dá)150米-400米，這意味著采用近紅外汽車(chē)夜視系統(tǒng)，可以讓駕駛員提前3-6秒發(fā)現(xiàn)人或障礙物，可提前做好應(yīng)急處理，為夜晚行車(chē)的安全系數(shù)提高2-3倍。

汽車(chē)夜視系統(tǒng)主要由嵌入式主控制器與四大傳感器組成。

汽車(chē)夜視安全系統(tǒng)配置的4大傳感器（如圖4所示）分別為：

（1）圖像傳感器，在低照底或者零照度時(shí)，通過(guò)紅外補(bǔ)光，感應(yīng)波長(zhǎng)為近紅外的波段進(jìn)行成像。

（2）照度傳感器，自動(dòng)檢測(cè)場(chǎng)境的照度高或低，當(dāng)檢測(cè)到場(chǎng)景為高照度時(shí)，紅外夜視不會(huì)啟動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到場(chǎng)景為低照度或照度為零時(shí)，紅外夜視會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，為汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)補(bǔ)光，給駕駛員帶來(lái)更寬更遠(yuǎn)的行車(chē)視野，當(dāng)遇到強(qiáng)光時(shí)，則會(huì)對(duì)強(qiáng)光進(jìn)行抑制。

（3）行人探測(cè)傳感器，當(dāng)檢測(cè)到前方有行人或大型障礙物時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警。

（4）車(chē)道偏離傳感器，當(dāng)檢測(cè)到汽車(chē)偏離行車(chē)道時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)。

夜視系統(tǒng)為嵌入式主控制器分別連接攝像頭和視頻顯示器；主控制器對(duì)攝像頭采集的夜視圖像進(jìn)行分析，確定當(dāng)前道路環(huán)境符合遠(yuǎn)光燈的開(kāi)啟條件后主控制器控制汽車(chē)遠(yuǎn)光燈開(kāi)啟進(jìn)行夜視補(bǔ)光。由于采用上述的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)利用圖像處理技術(shù)識(shí)別道路環(huán)境，結(jié)合道路安全行駛的法規(guī)，自動(dòng)控制遠(yuǎn)光燈的開(kāi)啟和關(guān)閉，充分利用遠(yuǎn)光燈來(lái)實(shí)現(xiàn)近紅外夜視系統(tǒng)的補(bǔ)光，提高了夜間駕車(chē)的安全性和舒適性。

5 道路反饋方案

隨著汽車(chē)上傳感器收集的信息越來(lái)越多，通過(guò)路口設(shè)立道路信號(hào)狀態(tài)監(jiān)視、信息發(fā)送系統(tǒng)，如圖5所示，車(chē)輛可實(shí)時(shí)得到更豐富的路況信息，由此，進(jìn)行準(zhǔn)確的邏輯判斷，不僅增添躲避擁堵的功能，還能加入云端技術(shù)，當(dāng)眾多車(chē)輛反饋一個(gè)地區(qū)運(yùn)動(dòng)、擁堵情況較嚴(yán)重時(shí)，系統(tǒng)可以給車(chē)輛分配正確行駛路線(xiàn)，從躲避擁堵，變?yōu)槭柰〒矶隆?/p>

6 結(jié)論

通過(guò)利用智能化的嵌入式電子信息技術(shù)、傳感技術(shù)、圖像監(jiān)控系統(tǒng)、近紅外夜視技術(shù)和電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)等技術(shù)的車(chē)載主動(dòng)安全系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，拓展了駕駛員的認(rèn)知局限性，在人—車(chē)—路的綜合信息中辨識(shí)是否存在安全隱患，并有效的提前避免。開(kāi)發(fā)高性能的行車(chē)安全狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)和信息服務(wù)平臺(tái)，可為駕駛員提供有效的駕駛輔助，有效主動(dòng)降低交通事故的發(fā)生率。

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作者單位

四川城市職業(yè)學(xué)院 四川省成都市 610110