車載傳感器應(yīng)用于汽車動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)與控制

摘 要：車載傳感器在現(xiàn)代汽車動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)與控制中扮演著越來越重要的角色。本文探討了各類車載傳感器的工作原理、特點(diǎn)及其在汽車動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)與控制中的應(yīng)用。通過對(duì)加速度傳感器、角速度傳感器、輪速傳感器等的分析，闡述了利用傳感器采集和分析車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)態(tài)行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與主動(dòng)控制的方法。本文討論了傳感器融合技術(shù)在提高監(jiān)測(cè)與控制精度、可靠性方面的應(yīng)用前景。車載傳感器與先進(jìn)控制算法的結(jié)合，將有助于實(shí)現(xiàn)更安全、更智能、更高效的車輛運(yùn)動(dòng)控制，促進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：車載傳感器 汽車動(dòng)態(tài)性能 車輛運(yùn)動(dòng)控制 傳感器融合

0 引言

隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展和智能網(wǎng)聯(lián)汽車時(shí)代的到來，車載傳感器在汽車工程領(lǐng)域扮演著日益關(guān)鍵的角色。車載傳感器采集車輛行駛過程中的各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性，為車輛動(dòng)態(tài)性能的監(jiān)測(cè)與控制提供重要的信息支撐。合理應(yīng)用車載傳感器，對(duì)于提升車輛安全性、舒適性以及操控性能具有重要意義。本文將系統(tǒng)探討車載傳感器在汽車動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)與控制中的應(yīng)用，分析其工作原理、特點(diǎn)，討論面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，展望未來的應(yīng)用前景。

1 車載傳感器概述

車載傳感器是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)控制的基礎(chǔ)。它可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器主要用于采集車輛自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，如車速、加速度、角速度、輪速等；外部傳感器則用于感知車輛周圍的環(huán)境，如超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等[1]。車載傳感器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從單一的機(jī)電式傳感器發(fā)展到多種類、高集成、高精度的智能傳感器，并逐漸形成了多傳感器融合的發(fā)展趨勢(shì)。車載傳感器的應(yīng)用極大地促進(jìn)了車輛主動(dòng)安全技術(shù)和自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)向“智能化、網(wǎng)聯(lián)化”方向轉(zhuǎn)型。

2 常見車載傳感器工作原理與特點(diǎn)

2.1 加速度傳感器

加速度傳感器是測(cè)量汽車線性加速度的傳感器，常用的有壓電式、電容式和MEMS加速度傳感器。它的基本工作原理是，當(dāng)車輛發(fā)生加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器中的敏感元件（如質(zhì)量塊）會(huì)受到慣性力作用而發(fā)生位移或形變，通過檢測(cè)這種位移或形變，換算出加速度值。加速度傳感器一般安裝在車輛重心位置，可以測(cè)量車輛縱向、橫向和垂向三個(gè)方向的加速度，為車輛動(dòng)力性、制動(dòng)性、平順性和操縱穩(wěn)定性的評(píng)估提供重要數(shù)據(jù)支撐。表1列出了三種主要加速度傳感器的性能對(duì)比。

2.2 角速度傳感器

角速度傳感器又稱陀螺儀傳感器，用于測(cè)量車輛繞三個(gè)坐標(biāo)軸（俯仰、橫滾、偏航）的旋轉(zhuǎn)角速度。常見的角速度傳感器有機(jī)械式、光學(xué)式和MEMS型。其基本工作原理是利用角速度與物體所受科氏力之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)測(cè)量。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎或轉(zhuǎn)向時(shí)，角速度傳感器可以準(zhǔn)確感知車身的姿態(tài)變化，廣泛應(yīng)用于電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）和主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)中。與加速度傳感器類似，MEMS角速度傳感器以其尺寸小、成本低、集成度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)，成為車載領(lǐng)域應(yīng)用的主流選擇[2]。表2比較了三種角速度傳感器的主要性能指標(biāo)。

2.3 輪速傳感器

輪速傳感器安裝在車輪轂上，通過檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速來獲取車速信息。常用的輪速傳感器種類有霍爾式、磁電式和磁阻式三種。它們的基本工作原理是利用車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)齒輪或磁極經(jīng)過傳感器，導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)發(fā)生周期性變化，通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，即可求得輪速。輪速傳感器可提供車輛縱向速度、加速度以及車輪打滑等行駛狀態(tài)信息，在ABS、TCS、ESP等主動(dòng)安全系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用?；魻柺捷喫賯鞲衅鲬{借高精度、高可靠性優(yōu)勢(shì)在車載領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。表3列出了三種輪速傳感器的關(guān)鍵性能參數(shù)。

2.4 其他車載傳感器

除上述三種主要用于車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感器外，汽車上裝配有多種其他傳感器。如用于駕駛員輔助和自動(dòng)駕駛的機(jī)器視覺傳感器（攝像頭）、超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)傳感器等，它們感知車外環(huán)境，實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)、車道偏離預(yù)警、自動(dòng)泊車等功能；用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制的溫度傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器等，有助于優(yōu)化燃燒過程、降低排放；用于車廂環(huán)境調(diào)節(jié)的溫濕度傳感器、光照傳感器、空氣質(zhì)量傳感器等，可提升乘客舒適度。表4列舉了部分其他車載傳感器的功能和特點(diǎn)。車載傳感器種類日益豐富，朝著網(wǎng)絡(luò)化、集成化方向發(fā)展。

3 車載傳感器在汽車動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 車輛縱向動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)

車輛縱向動(dòng)態(tài)性能主要包括動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和制動(dòng)性，對(duì)行駛安全和燃油經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。通過裝配在車輪上的輪速傳感器和安裝在車身上的加速度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車速、加速度等縱向運(yùn)動(dòng)參數(shù)[3]。輪速傳感器測(cè)量驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差，評(píng)估車輪抱死和打滑狀態(tài)，防止車輪空轉(zhuǎn)和溜滑。加速度傳感器提供的縱向加速度信號(hào)，用于評(píng)價(jià)車輛的起步、加速和制動(dòng)性能，優(yōu)化整車動(dòng)力匹配和能量管理策略?；谒俣群图铀俣葦?shù)據(jù)，結(jié)合道路坡度信息，估算車輛行駛阻力和有效質(zhì)量，為節(jié)能控制提供依據(jù)。表5列出了縱向動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)及傳感器配置。

3.2 車輛橫向動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)

車輛橫向動(dòng)態(tài)性能決定了車輛的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)性，對(duì)行駛安全和駕駛樂趣有著重要影響。橫向加速度傳感器測(cè)量車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心加速度，判斷車輛是否會(huì)發(fā)生甩尾、側(cè)翻等失穩(wěn)情況。橫擺角速度傳感器測(cè)量車身繞鉛垂軸的旋轉(zhuǎn)角速度，反映車輛轉(zhuǎn)向靈敏度和方向穩(wěn)定性。

3.3 車輛垂向動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)

車輛垂向動(dòng)態(tài)性能包括平順性和舒適性，影響乘坐體驗(yàn)和車輛部件壽命。垂向加速度傳感器和車輪垂向位移傳感器是垂向動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的兩大利器。垂向加速度傳感器安裝在車身重心和懸架處，測(cè)量車輛遭遇顛簸時(shí)車身的垂向振動(dòng)加速度，評(píng)價(jià)路感性能。車輪垂向位移傳感器裝于簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量之間，監(jiān)測(cè)車輪相對(duì)車身的位移量，判斷是否存在過度跳動(dòng)、貼地不良等情況。利用垂向加速度和位移傳感器，可分析車輛的共振頻率、阻尼比和振動(dòng)能量分布，為懸架阻尼可變控制、主動(dòng)隔振控制等提供依據(jù)。結(jié)合輪速和制動(dòng)壓力信號(hào)，有助于動(dòng)態(tài)評(píng)估輪胎動(dòng)態(tài)載荷和地面附著狀況，優(yōu)化制動(dòng)力分配，改善制動(dòng)性能[4]。表6列出了垂向動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)和傳感器配置。

4 車載傳感器在汽車動(dòng)態(tài)性能控制中的應(yīng)用

4.1 縱向動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)

防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）利用輪速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力避免車輪抱死打滑，縮短制動(dòng)距離。牽引力控制系統(tǒng)（TCS）同樣基于輪速傳感器，檢測(cè)驅(qū)動(dòng)輪空轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和施加制動(dòng)力，防止車輪空轉(zhuǎn)和動(dòng)力損失。電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)（EPB）通過傳感器監(jiān)測(cè)駐車狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)一鍵式駐車和起步輔助等功能。

4.2 橫向動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)

橫向加速度傳感器和橫擺角速度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的橫向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）的重要信息來源。當(dāng)監(jiān)測(cè)到車輛出現(xiàn)甩尾、側(cè)滑等失穩(wěn)趨勢(shì)時(shí)，ESC通過控制單側(cè)車輪制動(dòng)力矩，產(chǎn)生矯正橫擺力矩，使車輛保持期望軌跡，避免發(fā)生事故。集成式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)合前輪轉(zhuǎn)角傳感器、橫向加速度傳感器等，根據(jù)駕駛員意圖和路面狀況，自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向助力，優(yōu)化轉(zhuǎn)向手感，提高行駛穩(wěn)定性。

4.3 垂向動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)

主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)利用車輪垂向加速度傳感器和位移傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路面輸入和車身響應(yīng)，通過改變電磁閥或電機(jī)控制的阻尼力和彈性力，抑制車身的俯仰、橫滾和垂蕩振動(dòng)，確保車輛平順性和乘坐舒適性[5]。車身高度傳感器和水平傳感器可感知車輛負(fù)載變化和道路坡度，配合氣壓彈簧，實(shí)現(xiàn)車身高度調(diào)節(jié)和自動(dòng)水平控制。

5 車載傳感器融合技術(shù)

5.1 傳感器融合的概念與分類

傳感器融合是指將多個(gè)傳感器獲取的信息進(jìn)行綜合處理，以期獲得比單個(gè)傳感器更準(zhǔn)確、可靠、全面的感知結(jié)果。車載傳感器融合技術(shù)可分為三大類：競(jìng)爭(zhēng)型融合、互補(bǔ)型融合和協(xié)作型融合。競(jìng)爭(zhēng)型融合是指對(duì)同一被測(cè)對(duì)象，利用多個(gè)同類型傳感器進(jìn)行并行測(cè)量，通過加權(quán)平均、投票等策略，提高測(cè)量結(jié)果的置信度?；パa(bǔ)型融合是指融合多個(gè)異類傳感器的信息，揚(yáng)長(zhǎng)避短，擴(kuò)展感知維度，如融合相機(jī)和雷達(dá)數(shù)據(jù)，獲得目標(biāo)的位置、速度和類別信息。

5.2 多傳感器融合算法

多傳感器融合涉及信息融合的多個(gè)層次，可分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。數(shù)據(jù)層融合是傳感器層面的融合，直接對(duì)傳感器原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，常用算法包括卡爾曼濾波、粒子濾波、貝葉斯估計(jì)等。特征層融合是將傳感器數(shù)據(jù)提取為特征向量，在特征空間進(jìn)行融合，代表性算法有支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等。決策層融合是綜合各傳感器的局部決策，生成全局決策結(jié)果，如投票法、Dempster-Shafer證據(jù)理論、行為層次模型等。

5.3 傳感器融合技術(shù)在汽車動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)與控制中的應(yīng)用

在車輛狀態(tài)估計(jì)方面，通過融合慣性測(cè)量單元（IMU）、差分GPS、輪速傳感器等，利用卡爾曼濾波算法，可獲得高精度的車輛位置、速度、姿態(tài)和輪胎力信息，為車輛動(dòng)力學(xué)控制提供狀態(tài)反饋。在駕駛員行為識(shí)別方面，通過融合方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、油門和制動(dòng)踏板傳感器等，利用隱馬爾可夫模型等算法，可識(shí)別駕駛員的駕駛風(fēng)格和意圖，實(shí)現(xiàn)人機(jī)共駕。在主動(dòng)安全系統(tǒng)中，通過融合前向毫米波雷達(dá)、攝像頭、超聲波傳感器等，利用目標(biāo)跟蹤和場(chǎng)景理解算法，可實(shí)現(xiàn)AEB自動(dòng)緊急制動(dòng)、FCW前碰預(yù)警等多項(xiàng)ADAS功能。

6 結(jié)語

車載傳感器是實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)與控制的重要基礎(chǔ)。隨著傳感技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，車載傳感器正朝著智能化、集成化、網(wǎng)聯(lián)化的方向演進(jìn)。新型傳感器件與先進(jìn)算法的結(jié)合應(yīng)用，將進(jìn)一步提升車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與控制的智能化水平。未來，高性能車載傳感器必將在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中得到廣泛應(yīng)用，為提升車輛本身的安全性、舒適性、環(huán)保性以及交通系統(tǒng)的效率做出重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]車載傳感器故障診斷方法、設(shè)備、介質(zhì)及車輛[J].傳感器世界，2023，29（07）：47.

[2]吳東昊.面向車載傳感器基于時(shí)空?qǐng)D卷積的駕駛行為識(shí)別研究[D].天津：天津師范大學(xué)，2023.

[3]張建，劉金波，高原，等.基于多模交互的車載傳感器定位算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2023，53（03）：772-780.

[4]楊斌.人工智能時(shí)代車載氣體傳感器研究與應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2022，41（09）：156-160.

[5]何孝起.車載傳感器芯片電流源設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（20）：36-38.