基于智能輔助駕駛系統(tǒng)的汽車主動安全性能提升研究

關(guān)鍵詞：智能輔助駕駛系統(tǒng)；主動安全；環(huán)境感知；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判；人機(jī)交互

中圖分類號： U461 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.06.002

Research on the Improvement of Vehicle Active Safety Performance Based on Intelligent Assisted Driving System

Abstract： With the development of intelligent transportation system， intelligent assisted driving system can effectively prevent andreduce traffic accidents based on environmental perception， risk prediction， auxiliary control and other technologies. This study discussesthe key technologies of intelligent assisted driving system， including active safety warning， decision planning control， multi-sensor fusionbraking and human-computer interaction technology. In order to improve road safety and reduce accident rate， the functions of adaptivecruise control， emergency automatic braking， lane keeping assistance and blind spot monitoring are designed in detail.

Key words： Intelligent assistant driving system；Active safety；Environmental perception；Risk prejudgment；Human-computerinteraction

0 引言

隨著汽車保有量的持續(xù)增長，道路交通安全面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)汽車安全措施大多局限于被動應(yīng)對事故，在預(yù)防事故發(fā)生方面存在局限性。而智能輔助駕駛系統(tǒng)的出現(xiàn)，為提升汽車主動安全性能帶來了新的機(jī)遇。現(xiàn)代傳感器技術(shù)、算法技術(shù)以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使得汽車具備了環(huán)境感知、決策規(guī)劃等能力，有望從源頭上減少交通事故。因此，深入研究智能輔助駕駛系統(tǒng)如何能夠切實(shí)提升汽車的主動安全性能，對于減少交通事故、保障公眾出行安全具有重要意義。

1智能輔助駕駛系統(tǒng)概述

1.1智能輔助駕駛系統(tǒng)組成

智能輔助駕駛系統(tǒng)主要由環(huán)境感知模塊、決策規(guī)劃模塊、控制執(zhí)行模塊以及人機(jī)交互模塊構(gòu)成[1]。環(huán)境感知模塊利用各類傳感器采集車輛周邊信息；決策規(guī)劃模塊依據(jù)感知數(shù)據(jù)，運(yùn)用算法制定行駛策略；控制執(zhí)行模塊將決策指令轉(zhuǎn)化為車輛的實(shí)際操控動作；人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與駕駛員間的信息傳遞，各模塊協(xié)同運(yùn)作，共同支撐起智能輔助駕駛系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

1.2智能輔助駕駛系統(tǒng)工作原理

智能輔助駕駛系統(tǒng)在工作時(shí)，其環(huán)境感知模塊的傳感器會實(shí)時(shí)獲取車輛周圍的路況信息、障礙物位置等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將這些信息傳輸至決策規(guī)劃模塊。決策規(guī)劃模塊基于預(yù)先設(shè)定的安全規(guī)則和高效算法，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，規(guī)劃出安全合理的行駛路徑與速度等策略。隨后，控制執(zhí)行模塊接收決策指令，精確控制車輛的加速、減速、轉(zhuǎn)向等操作，同時(shí)人機(jī)交互模塊向駕駛員反饋系統(tǒng)狀態(tài)，確保駕駛員了解車輛運(yùn)行情況，從而提升駕駛安全性與舒適性，實(shí)現(xiàn)智能輔助駕駛。

2汽車智能輔助駕駛的安全機(jī)制

2.1環(huán)境感知與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判

智能輔助駕駛系統(tǒng)利用多種高精度傳感器，如激光雷達(dá)、攝像頭和毫米波雷達(dá)等，對車輛周邊環(huán)境進(jìn)行全方位、實(shí)時(shí)且精準(zhǔn)的感知。這些傳感器能夠捕捉到目標(biāo)物體的位置、速度、形狀等關(guān)鍵信息。系統(tǒng)通過運(yùn)用復(fù)雜的算法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理和分析，構(gòu)建出周圍環(huán)境的動態(tài)模型。這一模型使得系統(tǒng)能夠提前預(yù)判潛在風(fēng)險(xiǎn)[2]，例如預(yù)測其他車輛的異常行駛軌跡、道路障礙物的突然出現(xiàn)以及行人的闖入等，這樣的預(yù)判為后續(xù)的決策規(guī)劃提供了充足的時(shí)間和準(zhǔn)確的依據(jù)，顯著提升了汽車的主動安全性能，并有效降低了事故發(fā)生的可能性。

2.2輔助操控與事故避免

當(dāng)系統(tǒng)完成環(huán)境感知與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判后，智能輔助駕駛系統(tǒng)的決策規(guī)劃模塊會迅速制定出應(yīng)對策略，并通過控制執(zhí)行模塊輔助駕駛員操控車輛。在緊急情況下，如遇到前車突然剎車或側(cè)滑等危險(xiǎn)場景，系統(tǒng)能夠自動且精確地控制制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速且平穩(wěn)的剎車或避讓操作，避免碰撞事故。在日常駕駛中，系統(tǒng)則能夠輔助調(diào)整車速、保持安全車距以及穩(wěn)定行駛軌跡等，減輕駕駛員疲勞，降低人為操作失誤風(fēng)險(xiǎn)。

3汽車智能輔助駕駛的主動安全技術(shù)

3.1主動安全預(yù)警技術(shù)

主動安全預(yù)警技術(shù)依賴于先進(jìn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，對車輛周圍環(huán)境進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集，包括車輛狀態(tài)、道路狀況及障礙物信息等。智能算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，構(gòu)建環(huán)境模型，預(yù)測潛在危險(xiǎn)。一旦檢測到可能引發(fā)事故的情況，如前方車輛急剎、行人闖入等，系統(tǒng)會立即發(fā)出視覺、聽覺等多模態(tài)預(yù)警信號，提醒駕駛員及時(shí)采取措施。這一技術(shù)顯著提升了駕駛員的危險(xiǎn)感知能力，為其提供了充足的反應(yīng)時(shí)間，從而有效避免或減輕事故的危害，增強(qiáng)了汽車的主動安全性能。

3.2主動安全控制技術(shù)

決策規(guī)劃算法基于環(huán)境感知數(shù)據(jù)，運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和邏輯規(guī)則，迅速生成安全合理的行駛策略。它綜合考慮車輛動力學(xué)特性、交通規(guī)則以及周邊環(huán)境的動態(tài)變化等因素，規(guī)劃出最佳的行駛路徑、速度及加速度等參數(shù)。在面對突發(fā)狀況時(shí)，如車輛偏離正常行駛軌跡或與前車距離過近，算法能夠迅速計(jì)算出應(yīng)對方案，并通過控制執(zhí)行系統(tǒng)對車輛進(jìn)行精準(zhǔn)操控，如自動轉(zhuǎn)向、加速或減速，以確保車輛行駛的穩(wěn)定性和安全性，主動預(yù)防事故的發(fā)生。

3.3主動制動技術(shù)

汽車主動制動技術(shù)融合了激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭等多種傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對車輛前方目標(biāo)的高精度識別與定位，精確測定目標(biāo)的速度、距離以及相對運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)判斷車輛與前方障礙物存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，會基于融合后的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)觸發(fā)制動系統(tǒng)的預(yù)制動和緊急制動指令。通過協(xié)調(diào)電子控制單元（ECU）對制動壓力進(jìn)行精確調(diào)控，使車輛在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全制動，有效降低碰撞的嚴(yán)重程度，甚至避免碰撞的發(fā)生。

3.4主動安全交互技術(shù)

主動安全交互技術(shù)旨在建立駕駛員與智能輔助駕駛系統(tǒng)之間高效且安全的溝通機(jī)制。通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩反饋、座椅振動、抬頭顯示等多種交互方式，系統(tǒng)向駕駛員傳達(dá)車輛狀態(tài)、系統(tǒng)操作意圖及潛在危險(xiǎn)信息，使駕駛員能夠直觀感知系統(tǒng)的運(yùn)行情況。該技術(shù)還具備駕駛員狀態(tài)監(jiān)測功能，如疲勞檢測和注意力監(jiān)測等，能夠根據(jù)駕駛員的實(shí)時(shí)狀態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的干預(yù)程度和交互方式[3]，確保駕駛員在必要時(shí)能夠及時(shí)接管車輛。

4汽車主動安全性能的提升設(shè)計(jì)

4.1自適應(yīng)巡航控制設(shè)計(jì)

（1）目標(biāo)識別與跟蹤子功能。

利用毫米波雷達(dá)與攝像頭傳感器的融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對前方車輛的精準(zhǔn)識別與持續(xù)跟蹤。毫米波雷達(dá)擅長準(zhǔn)確測量目標(biāo)車輛的距離和相對速度，而攝像頭則擅長識別目標(biāo)車輛的類型、輪廓及行駛方向等詳細(xì)信息。通過將這2種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的交通環(huán)境中穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)車輛。即使目標(biāo)車輛進(jìn)行變道或出現(xiàn)短暫的遮擋情況，系統(tǒng)也能迅速重新鎖定目標(biāo)，為自適應(yīng)巡航提供準(zhǔn)確的目標(biāo)信息，從而確保跟車的安全性和穩(wěn)定性。

（2）速度調(diào)節(jié)子功能。

根據(jù)設(shè)定的巡航速度和當(dāng)前與前車的距離，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)車速。在與前車或前車距離較遠(yuǎn)時(shí)，車輛將保持預(yù)設(shè)的巡航速度穩(wěn)定行駛；當(dāng)系統(tǒng)檢測到前方有車輛且距離逐漸減小時(shí)，通過電子控制單元（ECU）向發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)或制動系統(tǒng)發(fā)送指令，平穩(wěn)地降低車速，以保持與前車的安全距離。

（3）安全距離保持子功能。

系統(tǒng)根據(jù)車輛的行駛速度和當(dāng)前的路況條件，動態(tài)地計(jì)算并維持一個(gè)安全的跟車距離。為此，系統(tǒng)預(yù)設(shè)了多種安全距離模式，如城市擁堵模式、高速行駛模式等，駕駛員可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的模式。在行駛過程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測前車的速度變化以及與本車的距離。當(dāng)檢測到實(shí)際距離小于預(yù)設(shè)的安全閾值時(shí)，系統(tǒng)會及時(shí)采取制動措施；而當(dāng)距離大于安全閾值且前車開始加速時(shí)，系統(tǒng)會適度地加速以保持合理的跟車距離，確保行駛過程中的安全性和舒適性。

4.2緊急自動剎車設(shè)計(jì)

（1）障礙物檢測子功能。

采用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和攝像頭等多種傳感器協(xié)同工作，對車輛前方的障礙物進(jìn)行全方位、高精度的檢測。激光雷達(dá)能提供高精度的距離信息和三維空間數(shù)據(jù)，毫米波雷達(dá)可在惡劣天氣條件下準(zhǔn)確檢測目標(biāo)的速度和距離，攝像頭則用于識別障礙物的類型（如行人、車輛、其他物體等）和位置[4]。系統(tǒng)利用傳感器數(shù)據(jù)融合算法，能快速、準(zhǔn)確地確定障礙物的存在、位置、速度和運(yùn)動方向，即使在復(fù)雜的交通場景和光照條件下，也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)障礙物，為緊急制動決策提供可靠的依據(jù)。

（2）碰撞風(fēng)險(xiǎn)評估子功能。

基于檢測到的障礙物信息，結(jié)合本車的行駛速度、方向和加速度等參數(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)評估算法，實(shí)時(shí)計(jì)算車輛與障礙物發(fā)生碰撞的可能性和嚴(yán)重程度。該算法考慮了多種因素，如相對速度、相對距離、障礙物的運(yùn)動趨勢以及車輛的制動性能等，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行動態(tài)分析，準(zhǔn)確預(yù)測碰撞時(shí)間（TTC）和碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級。

（3）制動系統(tǒng)控制子功能。

在觸發(fā)緊急自動剎車指令后，系統(tǒng)迅速與車輛的電子制動系統(tǒng)（EBS）進(jìn)行通信，精確控制制動壓力的施加。根據(jù)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的評估結(jié)果和車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)，系統(tǒng)的電子控制單元（ECU）向制動執(zhí)行器發(fā)送信號，按照預(yù)設(shè)的制動策略，快速、平穩(wěn)地增加制動壓力，使車輛在最短的制動距離內(nèi)停下來。系統(tǒng)還會協(xié)調(diào)車輛的其他安全系統(tǒng)，如防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）等，確保在緊急制動過程中車輛的穩(wěn)定性和操控性。

4.3車道保持輔助設(shè)計(jì)

（1）車道線識別子功能。

利用攝像頭對道路上的車道線進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和圖像識別。攝像頭采用高分辨率、高靈敏度的傳感器，能在不同的光照條件（如強(qiáng)光、弱光、逆光等）和路面狀況（如干燥、潮濕、積雪等）下清晰地捕捉車道線的圖像信息。通過先進(jìn)的圖像處理算法，包括邊緣檢測、霍夫變換等技術(shù)，對采集到的圖像進(jìn)行分析和處理，準(zhǔn)確識別出車道線的類型（如實(shí)線、虛線、雙黃線等）、位置和形狀[5]，為車道保持輔助系統(tǒng)提供精確的車道線信息，確保系統(tǒng)能穩(wěn)定地跟蹤車道線。

（2）車輛位置監(jiān)測子功能。

結(jié)合車道線識別結(jié)果和車輛的運(yùn)動狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛在車道內(nèi)的位置。利用安裝在車輛上的慣性測量單元（IMU）、輪速傳感器等設(shè)備，獲取車輛的行駛速度、加速度、橫擺角速度等參數(shù)。利用這些參數(shù)和車道線的幾何關(guān)系，計(jì)算出車輛相對于車道中心線的偏移量和偏航角。系統(tǒng)能精確地判斷車輛是否偏離了正常的行駛車道，以及偏離的程度和方向，確保車輛始終保持在車道內(nèi)行駛。

（3）轉(zhuǎn)向控制子功能。

當(dāng)車輛被檢測到有偏離車道的趨勢時(shí)，車道保持輔助系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)向控制功能。根據(jù)車輛的位置偏移量和偏航角，電子控制單元（ECU）向電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）發(fā)送控制信號，精確控制轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動角度和力度，使車輛自動回到車道中心位置。轉(zhuǎn)向控制算法采用了先進(jìn)的比例-積分-微分（PID）控制或模型預(yù)測控制（MPC）技術(shù)，能根據(jù)車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)和道路情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，確保轉(zhuǎn)向過程平穩(wěn)、自然，避免過度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向不足的情況發(fā)生。

4.4盲點(diǎn)監(jiān)測與預(yù)警設(shè)計(jì)

（1）盲點(diǎn)區(qū)域檢測子功能。

利用安裝在車輛兩側(cè)后視鏡附近的毫米波雷達(dá)傳感器，對車輛的盲點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。毫米波雷達(dá)能發(fā)射高頻電磁波，并接收反射回來的信號，通過對信號的處理和分析，檢測出盲點(diǎn)區(qū)域內(nèi)是否存在其他車輛或物體。傳感器的探測范圍和角度經(jīng)過精確設(shè)計(jì)，能覆蓋車輛兩側(cè)后方一定范圍內(nèi)的區(qū)域，這些區(qū)域通常為車輛后視鏡視野之外、但在車輛變道時(shí)可能影響行車安全的區(qū)域。系統(tǒng)對盲點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行持續(xù)掃描，實(shí)時(shí)更新檢測結(jié)果，確保能及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)入盲點(diǎn)區(qū)域的目標(biāo)，為盲點(diǎn)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)信息[6]，即使在惡劣的天氣條件下，如雨天、霧天、雪天等，毫米波雷達(dá)也能保持較高的檢測精度和可靠性，有效避免因視線受阻而導(dǎo)致的盲點(diǎn)危險(xiǎn)。

（2）目標(biāo)識別與跟蹤子功能。

在檢測到盲點(diǎn)區(qū)域內(nèi)有目標(biāo)存在后，系統(tǒng)啟動目標(biāo)識別與跟蹤程序。對毫米波雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)合目標(biāo)的速度、距離、運(yùn)動方向等參數(shù)，利用先進(jìn)的目標(biāo)識別算法，判斷目標(biāo)的類型（如轎車、貨車、摩托車等）和運(yùn)動狀態(tài)（如靜止、同向行駛、超車等）。系統(tǒng)能對多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行同時(shí)跟蹤和區(qū)分，確保在復(fù)雜的交通環(huán)境下，準(zhǔn)確識別出對車輛變道構(gòu)成潛在威脅的目標(biāo)，并持續(xù)跟蹤其位置和運(yùn)動變化，為預(yù)警決策提供詳細(xì)的目標(biāo)信息。

（3）預(yù)警信號生成與發(fā)送子功能。

當(dāng)系統(tǒng)判斷盲點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)對車輛變道存在潛在危險(xiǎn)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)的接近程度和危險(xiǎn)程度，生成相應(yīng)的預(yù)警信號。預(yù)警信號包括視覺預(yù)警和聽覺預(yù)警2種方式。視覺預(yù)警通過安裝在車輛兩側(cè)后視鏡上的指示燈閃爍，直觀地向駕駛員提示盲點(diǎn)區(qū)域內(nèi)有危險(xiǎn)目標(biāo)存在；聽覺預(yù)警則利用車內(nèi)揚(yáng)聲器發(fā)出特定的聲音警報(bào)，提醒駕駛員注意盲點(diǎn)區(qū)域的情況。預(yù)警信號的強(qiáng)度和頻率會根據(jù)目標(biāo)的危險(xiǎn)程度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。預(yù)警信號的生成和發(fā)送由系統(tǒng)的電子控制單元（ECU）精確控制，確保預(yù)警信息能及時(shí)、準(zhǔn)確地傳達(dá)給駕駛員，為駕駛員提供足夠的反應(yīng)時(shí)間，避免發(fā)生側(cè)面碰撞事故。

5結(jié)束語

本文深入探究了智能輔助駕駛系統(tǒng)對汽車主動安全性能的提升作用，通過關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與功能設(shè)計(jì)的優(yōu)化，為汽車安全保障提供了新的范式。然而，當(dāng)前仍面臨傳感器精度優(yōu)化、算法在復(fù)雜場景下的適應(yīng)性等挑戰(zhàn)。未來，我們需要深化技術(shù)融合，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，并拓展功能應(yīng)用。例如，可以結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)協(xié)同安全；優(yōu)化傳感器融合算法以提升感知精度，并強(qiáng)化決策規(guī)劃算法的魯棒性；注重人因工程研究，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的無縫對接；同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)車測試與驗(yàn)證，積累更多工況數(shù)據(jù)以不斷完善系統(tǒng)性能。