汽车安全系统技术架构分析

汽车作为高速交通工具一直伴随着较高的危险性，汽车的安全性也一度是人们关注的重点。用户在购买汽车时，安全性可能是其最关心的问题之一，从车身的重量、车身抗冲击能力、材料的强度等物理因素，到安全气囊的个数，都是人们高度重视的要求。 今天，安全带、气囊等被动式已经不能满足下一代车辆设计的需求，而传感器、控制单元及内部软件算法等构成保护机制的引入让用户的得到更有效的安全保障。 汽车主动式安全系统 军事专家在讨论各国武器防御系统风格的迥异之处时，经常涉及到所谓被动型系统和主动型系统，系统的设计上也处处体现了这种思路。 汽车被动式安全系统的代表即为传统的保险杠、安全带、安全气囊等，主要目的是在意外发生时能尽量降低事故对车内人员的伤害程度。与之相对的主动式安全系统则考虑的是如何避免这种事故的发生。 实现对意外的主动避免和预防需要各种传感和探测系统，如前后视雷达、夜视系统、红外线探测、测距、CMOS/CCD影像监视，以及胎压自动监测系统（TPMS）等。主要的工作原理即传感器从外界获得所需的物理模拟信号值，转化为数字信号后再交由特定的控制单元进行分析，并进行有效的决策和预防措施。 图一　汽车安全系统从被动向主动方式发展的趋势图 1. 预碰撞系统 汽车交通事故大都由于相对高速运动状态物体间的碰撞，而引起碰撞的原因大多与违反交通规则、驾驶人视线受阻和精力不集中有关，如酒后驾车、疲劳驾驶、驾驶期间接打电话和聊天等。目前许多厂家都在研究预碰撞（Pre-Crash）安全系统作为应对。 预碰撞安全系统可分为对车内人员（驾驶员和乘客）的保护和车外人员（车外行人和车辆）的保护两类，但安全保障的核心都是对碰撞动作的积极准备和防护措施。对于车内预碰撞安全系统，当相关传感器或雷达探测到潜在的碰撞危险，会首先向车内驾驶员发出警告，如警告无效则在0.6秒前启动自动剎车系统，根据驾驶员的刹车力量增加辅助油压以充分降低车速，避免碰撞。同时，预碰撞安全系统也会在车内为被动防护提供支持，如关闭车窗、调整座椅角度或安全带松紧程度以减轻碰撞强度和让安全气囊发挥更大作用等。在车外，预碰撞安全系统也可通过一系列措施尽量保护被撞对象的安全。如碰撞不可避免，安全系统会打开与行人受撞击面相对的外部安全气囊（如保险杠、风挡玻璃等处），尽量减少对其头、胸、腰等脆弱和致命部位的撞击力。 2. ACC自适应巡航控制系统 所谓预碰撞系统，只能在碰撞发生之前做出的一系列积极准备，而并不是“预防”碰撞的发生。目前发展迅速的ACC（Adaptive Cruise Control），即自适应巡航控制，则能部分实现碰撞事故的预防。 ACC属于前向行驶的速度控制系统，主要功能在于控制本车与周边车辆的安全距离。其通过在车身四周配置的多个传感器和车内控制系统的先进算法向驾驶员提供安全驾车的辅助信息和建议，并在探测到潜在危险时向驾驶员及时发送警报，甚至直接介入车辆的操控系统加以干预。然而无论如何，ACC仅对刹车拥有部分干预程度，驾驶员仍然是驾驶的核心。 ACC实现速度和车距控制的关键在于锁定前方目标车辆，然后计算出该车的速度、加速度等行驶信息。车主会提前为ACC设定反应时间，ACC在行驶时则会再依据辆车的相对速度和当前车距计算出安全车距，并判断下一步的速度控制；而当辆车距离过近而超出ACC的控制范围，则系统切换至预碰撞安全处理系统。 3. 驾驶警示系统 驾驶警示系统主要通过CCD/CMOS等传感器和影像设备作为监视手段，通过内置辨识系统判断车辆状态和驾驶员的行为是否正常，如出现问题则及时发出警示信号避免事故的发生。也有的驾驶警示系统能探测出驾驶员呼出气体的酒精浓度并给予适当的警告。此外后方和侧面的监视器也可属于驾驶警示系统，其可消除驾驶员的视觉死角，避免倒车时常见的碰撞事故。 驾驶警示系统的功能主要包括车道偏离警示（Lane Departure Warning, LDW）、驾驶危险警示、视觉死角警示（或称盲点检测）等。其中车道偏离警示主要在驾驶员驶入错误的车道进行警告，或在变换车道时提示其打方向灯等动作。 驾驶警示系统能为驾驶员的安全驾驶提供有效的辅助信息，但如果辅助信息不够全面则无法起到其应有的作用。另一方面，一切事物都有其两面性，如果辅助信息过多或过于复杂，不但对安全驾驶无益，有时反而会让驾驶员疲于处理各种辅助信息而精力不集中，容易酿成事故。 此外，辅助信息通过何种手段发送给驾驶员也是值得研究的问题之一。屏显、仪表板、语音等属于传统的手段，目前还出现了“体感警示”的方式，即汽车通过振动踏板、座椅、方向盘等来向驾驶员发送信息，或引起其注意。 4. 电子稳定程序 驾驶是 人和车辆的结合，安全控制系统除了能对驾驶人员的行为和状态进行监控，还应能对车辆的行为实现有效控制。ESP（Electronic Stability Program）即电子稳定程序，其整合了ABS（Anti-lock Braking System）和TCS（Traction Control System，循迹控制系统），属于主动式车辆安全系统，可协助驾驶员保持车辆的正常状态和行为，防止出现例如轮胎打滑和失控等现象的发生。 ABS称为防死锁剎车系统，当汽车轮胎出现死锁时，ABS会迅速点放刹车，防止车辆跑偏。与之相对的TCS称为循迹控制系统，当轮胎空转时，通过降低扭矩或轮胎的死锁来让轮胎重获抓地力。ESP通过将二者整合，在车辆出现侧滑或转向不足时，会分别对每个轮胎施加不同的制动力来修正行车轨迹。 传感器的类型与选用 无论是驾驶警示系统这类的辅助提示系统，还是电子稳定程序类的系统接控，其有效的工作基础是充分可靠的信息以及后台正确而迅速的判断能力。获得可靠信息的关键是传感器及其合理的分布；正确的判断力则来自控制系统的快速响应和可靠算法。 车辆用传感器依据其具体的特性和用途，分别位于车体的不同位置，主要包括雷达、红外线、LIDAR（Light Detecting and Ranging）、超声波、加速度传感器、CCD/CMOS影像系统等。 预碰撞系统中主要运用的传感器为毫米波雷达或激光雷达。其中毫米波雷达价格较高，主要面向高端车市场；而激光雷达的成本较低，仅为毫米波雷达的1/3左右，针对低价车市场。但在性能上，激光的波长较短，限制了其应用范围，不利于雨雪天等恶劣环境下的使用。 红外线及影像传感器为主的监视器技术主要用于行车时的障碍物识别及辅助视野等。红外线成像又可分为温度探测的远红外（FIR）技术和用于夜视的近红外（NIR）技术。FIR可探测具有温度的生物，其可将物体辐射出的热量显示为影像；NIR则主要用于夜间等视线不良的情况，可探测得比车灯照射距离更远，但同时也容易受到对面灯光的影响，其主要用于夜视等辅助路况显示。 如需要探测车外甚至车内的具体情况，则可使用CCD或CMOS元件作为视觉影像传感器。目前CCD/CMOS的应用日趋广泛，配合先进的视觉识别算法，其成像范围内的运动物体、路面状况及摩擦系数、路边的交通信号与标志、路面车道分隔线等都可被视别，完全可成为驾驶员的眼睛。 CCD/CMOS也可实现较大的动态，来表现昏暗和高反差环境下的图像细节，该技术通过捕捉高感光度和低感光度两种画面并加以合成的方式实现。此外，CCD/CMOS如果与上文所述红外线或雷达结合，则可组成混合式传感器（Sensor Fusion）。红外线发生器照射目标物体后，反射回的红外线被CCD/CMOS吸收，因此无论白天或夜晚均可对路况加以识别，为驾驶员提供功能强大的辅助视觉。 系统构架分析 汽车安全系统的预碰撞处理、安全速度/车距控制等各种警示与应变系统的原理都十分类似，即由ECU（中央电子控制单元）接受外界传感器的相关信息后，通过内置算法进行实时评估并决定最佳的应变措施。因此，汽车电子系统的设计上与一般系统设计并无太大差异，但硬实时性和可靠性是与其它电子控制系统相区别的显著特点。 首先以安全气囊（Airbag）控制系统为例。该系统主要由驾驶员及乘客面前的安全气囊，位于车身外的冲撞传感器（Satellite Sensor），安置于车门、座位和车顶等位置的加速度传感器（G-Sensor），以及通常为16位或32位MCU的ECU等几部分组成。当车身受到碰撞，冲撞传感器会立即向ECU发出信号，ECU则会收集碰撞强度、座椅位置、乘客重量、安全带情况等参数来进行迅速评估，并在极短的时间内通过电爆驱动器（Squib Driver）打开安全气囊来保护车内人员的安全。 图二　安全气囊系统架构图 如图三所示，主动式悬挂系统（Active Suspension）也是汽车中比较常见的安保系统，其可大幅提高车辆的操控性。主动式悬挂系统主要由传感器、减震筒及计算机控制系统等组成。该系统可采集汽车的速度、加速度、负重、转向程度、左右G力等数据来由程序对悬挂系数，和底盘与地面的高度等进行实时调整。 图三　主动式悬挂系统架构组成 越来越多地国家的法律法规对防抱死煞车系统（Anti-lock Brake Systems, ABS）的性能提出了要求，对其可靠性的更高要求增加了ABS设计的复杂程度和研发难度。如图四所示系统中，ABS的主要目的是防止车辆失速滑行的危险情况，当控制环节发现紧急刹车导致转速过低时，会迅速点放刹车，给予轮胎足够的滚动空间和更大的抓地力，防止车辆跑偏。该系统的关键是轮胎转速的测量。 图四　 ABS系统构架图 具图五所示系统为电子式动力辅助方向盘（Electric power Assisted Steering, EPAS）系统，简称动力方向盘。相对于传统的油压式方向盘，EPAS采用电子式马达来为驾驶人员提供车轮转向的辅助控制。EPAS一般由传感器获得方向盘的位置、扭矩，再结合车速、发动机温度、电池供电情况等参数实现电子式马达的辅助控制。EPAS目前已逐渐进入市场，其不但能使引擎负载降低，还能进一步改善燃油的使用效率。 图五　动力方向盘系统构架 预拉紧安全带（Seat Belt Tensioner）也是先进的行车安全保障系统，其可作为碰撞系统中的子系统。预拉紧安全带在车辆正常行驶时给驾驶员与乘客较大的肩部空间，使其能享受驾驶与乘车的舒适；但在事故发生的瞬间，为保护人员安全，避免其向前冲击而造成的身体伤害，预拉紧安全带可迅速收紧，使人员紧靠座椅，减少其与前方物体发生碰撞的危险。 图六　预拉紧安全带系统架构图 结论 随着电子技术和控制科学的不断进步，汽车电子系统也发生了革命性的变革。车辆的安全防护系统也由传统的安全带、气囊等被动式系统，逐渐升级至预碰撞控制等主动安全系统。而这一切的实现则得益于多种传感器及其控制系统对行车、制动、引擎控制、车速控制、安全防护等性能的支持。 未来的汽车电子系统中，加速度传感器、陀螺仪等先进传感器的进一步发展、控制环节单芯片的趋势，以及车载网络系统的形成，都将对实时性、处理速度、数据传送能力等方面的性能大幅提高，届时人们在享受高速的出行便利的同时，也可得到最大限度的安全保障。