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汽車主動安全技術的構成論文
0 引言
汽車在人們的生產和生活中得到廣泛應用的同時，道路交通安全形勢也愈加嚴峻，造成道路交通事故頻發(fā)。據統(tǒng)計，每年有120萬人死于交通事故，2千萬~5千萬人受傷，總損失占GDP的1%~2%.為此，對于駕駛人輔助系統(tǒng)等主動安全技術的研發(fā)，減少駕駛員的誤判機率預防交通事故的發(fā)生具有深遠的現實意義。
1 汽車主動安全技術的發(fā)展現狀
20世紀80年代前，汽車安全性的研發(fā)重點在安全帶、安全座椅等被動安全設備上。后來人們意識到事故前對車輛運動狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并在必要時進行干涉或預警更具有現實意義。開始從提高車輛制動性能的角度來提高其主動安全性，其中制動防抱死裝置（ABS）有效抑制制動抱死導致的跑偏與側滑事故，保證了汽車的制動安全性。ABS在20世紀90年代廣泛普及，隨后迎來了電子制動系統(tǒng)（EBS）、制動輔助系統(tǒng)（BAS）及驅動防滑系統(tǒng)（ASR）等相關主動安全系統(tǒng)，多種安全系統(tǒng)集成化趨勢初現。
隨著電子技術、通信技術和傳感技術的廣泛應用，汽車安全技術迎來日新月異的發(fā)展局面。1986年，奔馳汽車公司發(fā)起，聯(lián)合歐洲的14家汽車制造廠、70多家零部件企業(yè)和120個大學制定普羅米修斯（Prometheus）計劃，在駕駛員、車輛、駕駛和交通環(huán)境及運輸系統(tǒng)間建立必要的聯(lián)系[1],從而實現車輛智能化。 ASV計劃是日本運輸省在1991年為了防止重大交通事故的發(fā)生，成立由汽車產業(yè)界和學界組成的先進安全車推進檢討會，開始了先進安全車ASV （Advanced Safety Vehicle）的研究計劃，為智能交通系統(tǒng)ITS（Intelligent Traf-fic System）的汽車做準備[2].
2 主動安全技術的構成
駕駛員駕車的過程是人、車和環(huán)境之間信息交流的過程，構成人-車-環(huán)境信息流的閉環(huán)系統(tǒng)，車輛性能的完善取決于閉環(huán)系統(tǒng)中三者相互作用的協(xié)調與各自特性的最佳匹配[3].對于三者的研究成為主動安全技術的主要內容，具體分為底盤控制系統(tǒng)、駕駛人輔助系統(tǒng)和基于車聯(lián)網的通訊系統(tǒng)等。圖1為主動安全系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)關系示意圖。
2.1底盤控制系統(tǒng)
汽車底盤使汽車按照駕駛人的意圖作加速、減速和轉向運動。汽車底盤控制的原理是在給定的路面附著系數和車輪法向力下對車輪滑動（轉）率和側偏角進行控制，來間接調控輪胎的縱向力和側向力，最大限度地利用輪胎和路面之間的附著力，提高汽車的主動安全性、機動性和舒適性[4].
汽車底盤控制系統(tǒng)按汽車的運動方向可以分為三類：縱向的制動和驅動控制、橫向的轉向和橫擺力矩控制以及垂向的懸架控制[5].縱向控制主要通過改變輪胎縱向力實現制動或驅動控制，包括 制 動 防 抱 死 系 統(tǒng)（ABS）、牽 引 力 控 制 系 統(tǒng)（TCS）、電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）等；橫向控制主要通過改變輪胎的側向力實現轉向控制，包括四輪轉向系統(tǒng)（4WS）、可變傳動比系統(tǒng)（VGS）、主動前輪轉向系統(tǒng)（AFS）等；垂向控制通過改變輪胎垂向力實現懸架調節(jié)，包括阻尼連續(xù)可調的半主動懸架系統(tǒng)（CDC）、主動懸架系統(tǒng)（ASS）、主動橫向穩(wěn)定桿（ARS）等。由于汽車各個方向的運動相互聯(lián)系和影響，底盤各主動控制子系統(tǒng)集成控制已成為車輛主動安全控制領域的研究熱點。
底盤集成控制是將現有的各子系統(tǒng)聯(lián)合起來，使其協(xié)調各自的特性來優(yōu)化控制結果。有兩種ECU布置方式：一種是僅有一個中控ECU,另一種是每個子系統(tǒng)各有一個獨立的ECU,各ECU之間通過信息交互協(xié)同控制[6].底盤集成在降低系統(tǒng)復雜性、消除各子系統(tǒng)沖突、實現信息共享和提高汽車綜合性能方面的優(yōu)越性使其在主動防側翻等領域發(fā)揮重要作用。其中，統(tǒng)一底盤控制系統(tǒng)UCC （Unified Chassis Control System）集成ESC和AFS等底盤控制模塊，在預防車輛側翻的同時確保車輛保持良好的操縱性和橫向穩(wěn)定性。車速控制算法用來預防車輛翻轉，側滑控制算法提高操縱性和橫向穩(wěn)定性[7].
2.2駕駛人輔助系統(tǒng)
駕駛員是引發(fā)交通事故的首要因素。在行車過程中，車輛、駕駛人、環(huán)境三者相互作用，構成一個閉環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入為駕駛目標，輸出是汽車的反應，駕駛員相當于系統(tǒng)的控制器[8].汽車行駛的安全性取決于道路交通環(huán)境的復雜性，同時也取決于這種復雜環(huán)境能否以“信息”的形式客觀地顯示出來，并為駕駛員所感受[9].基于這種需求出現了駕駛人輔助系統(tǒng)，包括汽車避撞系統(tǒng)、車道保持系統(tǒng)等。
2.2.1汽車避撞系統(tǒng)
汽車避撞系統(tǒng)運用雷達、紅外激光、超聲波和機器視覺等多種傳感器來監(jiān)測汽車周圍環(huán)境和行駛路徑，同時采集車輛本身的速度、滑移率、加速度和不同控制元件（制動踏板等）的狀態(tài)并評估駕駛人的注意力狀況，將以上信息運用避撞算法進行處理，然后判斷出對駕駛人進行預警或對車輛進行主動干預和控制的時機[10].汽車避撞系統(tǒng)根據從預警到控制和駕駛情景的不同具體分類如下：
�。�1）行車前撞預警系統(tǒng)（Forward CollisionWarning Systems,FCW）
行車前撞預警系統(tǒng)也被稱為追尾碰撞預警系統(tǒng)，旨在提醒后方跟隨車輛駕駛人前方即將到來的碰撞危險，從而減少追尾碰撞的次數和危害，并減輕人員和財產損失。目前市面上存在兩種行車前撞預警系統(tǒng)：完全行車前撞預警系統(tǒng)（主要應用于乘用車）和制動能效行車前撞預警系統(tǒng)（主要應用于貨車）。前者獨立于自動巡航系統(tǒng)，當與前方車輛共同行駛在直線路段且存在碰撞風險時優(yōu)先發(fā)出預警提醒后方駕駛人，一般用于可能出現重大碰撞事故的狀況；后者與自動巡航系統(tǒng)相連，當貨車趕上前方緩慢行駛的車輛并且自動巡航系統(tǒng)不能有效制動時發(fā)出碰撞警告，此時預警信號提醒駕駛人采取制動等合理的應對措施來避免或減輕碰撞事故[11-12].
（2）汽車轉向避撞輔助（Steering and EvasionAssist）
目前，國內外汽車主動避撞的研究絕大多數集中在避撞系統(tǒng)的縱向控制[13],對于橫向控制方面的研究較少。緊急制動系統(tǒng)可以減輕甚至阻止碰撞的發(fā)生，但是當障礙物突然出現或者即使以最大強度制動仍然不能避免碰撞等狀況下，駕駛人的反應不足以避免碰撞事故的發(fā)生，轉向干預不失為一個新的避撞選擇。此時的緊急避撞行為可視為一個自動干預的過程，通過傳感器探測障礙物位置，采集車輛周圍環(huán)境信息并據此計算避撞軌跡，然后車輛在橫向引導控制器的作用下沿預定避撞軌跡規(guī)避障礙物而不需要駕駛人的協(xié)助[14].
�。�3）自適應巡航控制系統(tǒng)（Adaptive CruiseControl,ACC）
汽車自適應巡航控制系統(tǒng)（ACC）是在傳統(tǒng)巡航控制系統(tǒng)（CCC）基礎上發(fā)展起來的，除了可以定速巡航外，當交通環(huán)境的變化使得車輛變速行駛時，ACC系統(tǒng)應用車載傳感器信息自動調整車速，保持與前車的安全距離。在適當的交通工況下部分地取代駕駛員對車輛進行合理的縱向控制，以提高車輛的主動安全性與乘坐舒適性[15-16].
�。�4）泊車輔助系統(tǒng)（Parking Assist）
汽車的外形大都被設計成近似楔形的結構以減輕空氣阻力降低燃油消耗，這種楔形結構在車輛行駛時會對駕駛員的視野產生極大的限制，從而影響其對障礙物的判斷。 20世紀末期，基于超聲波的泊車輔助系統(tǒng)被引入歐洲市場，這類系統(tǒng)監(jiān)測車輛的前部和后部來探測停車區(qū)域的尺寸，當存在引起碰撞風險的障礙物時提醒駕駛人。近年來，基于傳感器技術的半自動泊車輔助系統(tǒng)已經在部分車型上得到了應用，該輔助系統(tǒng)可以在駕駛人控制車輛的縱向運動的同時，通過自動轉向將車輛駛入平行的停車位置。
2.2.2車道保持系統(tǒng)（Lane Keeping System）
由于駕駛人的注意力分散、疾病或疲勞而引起的無意識車道偏離是大部分交通事故尤其是重大交通事故的成因[17].為了避免此類事故，將提高車輛行駛安全性和長途行駛的舒適性結合起來的車道保持系統(tǒng)應運而生。
車道保持系統(tǒng)根據主動和被動分為車道保持輔助系統(tǒng)和車道偏離預警系統(tǒng)。前者不依賴于駕駛人，而是直接控制車輛運動方向來保持安全行駛。與全自動車輛相比，這種輔助系統(tǒng)中，駕駛人仍然具有對于車輛的優(yōu)先控制權[18].文獻[19]中提出了一類車道保持輔助系統(tǒng)，應用車上現有的ABS系統(tǒng)等硬件，當車輛一側制動時，另一側車輪仍然轉動，通過這種差速制動引起的側偏運動來回正車輛，同時駕駛人對于車輛轉向的操縱性能不受影響。文獻[20]提出了一種車輛四周分布“虛擬減震器”的設想來應對橫向和縱向的障礙物。車道偏離預警系統(tǒng)通過聲音或振動提醒駕駛人即將出現的車道偏離，這種系統(tǒng)依賴于駕駛人對于預警采取應對措施而不能主動地對車輛進行控制[21-22].以上兩種車道保持系統(tǒng)都需要傳感技術來確定車輛在道路上所處的位置，通過視覺技術分辨道路標志標線來確定車輛的位置和方向。
2.3基于車聯(lián)網的通訊系統(tǒng)
基于車聯(lián)網的通訊系統(tǒng)是一種包括車-車互聯(lián)（V2V）和車-設施互聯(lián)（V2I和I2V）無線通訊的智能協(xié)同系統(tǒng)，旨在增加駕駛人與環(huán)境的交互能力，并且改善交通狀況和道路安全性。除了提供雙向通訊（V2V、 V2I和I2V）以外，還為多種應用和服務的集成提供開放的平臺[23],是物聯(lián)網在智能交 通 系 統(tǒng)ITS領 域 的 延 伸。其 中，車-車 互 聯(lián)（V2V）和車-設施互聯(lián)（V2I和I2V）都采用專用的短 距 離 通 訊DSRC作 為 媒 介，由 于 車-車 互 聯(lián)（V2V）通訊有權采取Ad-hoc網與其他車輛聯(lián)系，故又被稱作車輛Ad-hoc網絡。
在歐洲，車聯(lián)網通訊系統(tǒng)主要基于三種類型信息的交換：環(huán)境認知信息CAMs、分散式環(huán)境通知信息DENMs和服務聲明信息SAMs. CAMs由控制頻道上的所有車輛和設施單元定期傳播以提供 和接收短距 離鄰近節(jié) 點的位 置 和 狀 態(tài) 信 息。DENMs對于事件驅動的應用提供支持，用來將特殊事件（某車輛的緊急制動等）告知周圍的車輛，包括事件的屬性、嚴重性和位置信息。通常一旦檢測到一起事件，車輛或設施單元立刻會廣播一條分散式環(huán)境通知信息給事件相關區(qū)域的鄰近節(jié)點，并會在整個事件期間重復播出。 SAMs也會由控制頻道上的所有車輛和設施傳播，旨在聲明服務頻道上的各項服務的有效性。在美國，這三類信息的功能主要被車輛環(huán)境無線準入的短信息和服務廣告實現[24].
3 總結
主動安全技術可以在事故發(fā)生前及時監(jiān)測并排除不安全因素，對駕駛人的行為進行預警或干預，確保行車安全。盡管主動安全技術有著優(yōu)越的特性，但是也不能完全取代被動安全裝置。并且由于主被動技術的獨立性，使得傳感器等的功能重復，增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。因此，主被動安全技術的集成已經成為未來汽車安全技術研發(fā)的重點，在此基礎上結合ITS智能交通系統(tǒng)技術，汽車安全技術進入了汽車一體化安全的新階段。
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