汽車主動安全技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

王毅（山東科技大學(xué)　交通學(xué)院，山東　青島　266590）

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汽車主動安全技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

王毅
（山東科技大學(xué)交通學(xué)院，山東青島266590）

摘要：汽車主動安全技術(shù)能夠在一定程度上預(yù)防和避免交通事故的發(fā)生，近年來汽車主動安全技術(shù)得到了巨大的發(fā)展，許多主流的主動安全技術(shù)例如ABS，ESP，ACC，LWDS和TPMS等在新型汽車上得到了廣泛應(yīng)用.本文分析了汽車主動安全技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了上述主流主動安全技術(shù)并對未來的汽車主動安全技術(shù)發(fā)展趨勢做出了詳細(xì)闡釋.

關(guān)鍵詞：汽車；主動安全；主流技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展

1　前言

汽車產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在作為一個國家的支柱產(chǎn)業(yè)，在創(chuàng)造大量就業(yè)崗位并極大地拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同時(shí)，也帶來了許多讓人們擔(dān)心的問題.交通事故，環(huán)境污染等問題在隨著汽車產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展逐漸暴露出來.尤其是交通事故問題，給人類社會帶來了極大的生命和財(cái)產(chǎn)損失.據(jù)聯(lián)合國衛(wèi)生組織報(bào)告，目前全球有每年超過130萬人死于各類交通事故.在心腦血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病和惡性腫瘤之后，交通事故已經(jīng)成了人類生命安全的第四大威脅.另外每年因交通事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上千億美元.由此可見道路交通事故對社會的危害不容小覷.在此背景下，汽車安全技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它因能保障乘坐人員在發(fā)生事故時(shí)的安全和盡量避免事故的發(fā)生而越來越受到社會的重視.目前越來越多先進(jìn)技術(shù)被不斷的應(yīng)用到汽車安全技術(shù)領(lǐng)域，而汽車安全性則能成為了消費(fèi)者評價(jià)汽車產(chǎn)品的又一重要標(biāo)準(zhǔn).

2　汽車主動安全技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1886年第一部汽車問世，幾年便后出現(xiàn)了交通事故導(dǎo)致人員傷亡.自那以后人們便意識到汽車安全性能的重要性.在隨后的一百多年里，汽車的發(fā)展突飛猛進(jìn)，汽車安全技術(shù)也相應(yīng)的不斷發(fā)展和完善.時(shí)至今日，汽車安全技術(shù)已經(jīng)已經(jīng)走向電子化，智能化，集成化的發(fā)展道路.汽車安全技術(shù)共分為兩類：主動安全技術(shù)和被動安全技術(shù).（圖1）

圖1　汽車安全技術(shù)分類

自從上世紀(jì)80年代汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）發(fā)明后，其它的幾種主動安全技術(shù)類似汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP），車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LDWS）等也隨之出現(xiàn).人們的注意力從怎樣在交通事故發(fā)生后盡可能減少損失逐漸轉(zhuǎn)移到了怎樣盡可能避免交通事故的發(fā)生從而力求從源頭上解決問題.

所謂汽車主動安全技術(shù)，就是為預(yù)防汽車發(fā)生事故，避免人員受到傷害而采取的安全技術(shù)，稱為主動安全技術(shù)，如防抱死制動系統(tǒng)(ABS),電子制動力分配系統(tǒng)（EBD），車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LDWS）等都是主動安全技術(shù).它們的特點(diǎn)是提高汽車的行駛穩(wěn)定性，盡力防止車禍發(fā)生.其它像自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）、汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）等也是主動安全技術(shù).對于像安全氣囊，安全帶這樣的被動安全技術(shù)只能在交通事故發(fā)生以后對乘坐人員進(jìn)行一定程度保護(hù)而類似防抱死制動系統(tǒng)（ABS）,車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LDWS）等主動安全技術(shù)則可在很大程度上避免交通事故的發(fā)生.因此主動安全技術(shù)得到了人們更多的關(guān)注，越來越多的主動安全技術(shù)在避免交通事故的發(fā)生上起到了巨大的作用.目前在市場上的主流主動安全技術(shù)主要有：防抱死制動系統(tǒng)（ABS），汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP），自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACC)和車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LWDS）以及胎壓檢測系統(tǒng)（TPMS）等.下文將對其進(jìn)行一一介紹.

3　主流汽車安全技術(shù)介紹

3.1防抱死制動系統(tǒng)（ABS）

汽車防抱死制動系統(tǒng)（Anti-lock Braking System,簡稱ABS）是汽車上應(yīng)用最廣泛的汽車主動安全技術(shù)，目前絕大部分的汽車都裝有此系統(tǒng).此系統(tǒng)極大地提高了汽車在緊急制動時(shí)的安全性，防止汽車因?yàn)榫o急制動時(shí)車輪出現(xiàn)抱死現(xiàn)象而產(chǎn)生側(cè)滑，甩尾從而導(dǎo)致事故的發(fā)生.防抱死制動系統(tǒng)因其在緊急制動時(shí)對汽車操控性能的穩(wěn)定而挽救了無數(shù)生命.（ABS組成見圖2）

圖2　ABS的組成

制動器制動力大于車輪和路面的附著力是汽車發(fā)生制動滑移的主要原因.要想取得最佳制動效果，汽車車輪的滑移率最后控制在10%～20%.防抱死制動系統(tǒng)是在普通的汽車制動系統(tǒng)上加裝了電子控制單元﹑輪速傳感器﹑自動壓力調(diào)節(jié)裝置等組成的.其工作原理為：制動輪缸的制動壓力由電子控制單元自動控制，從而使得車輪在制動時(shí)不出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，并且滑移率控制在合適的范圍（10%～20%）.ABS總共有四個工作過程：（1）常規(guī)制動過程：駕駛員根據(jù)路況做出剎車反應(yīng)，將剎車踏板踩下.動力通過主缸經(jīng)液壓傳動到剎車片對制動盤進(jìn)行擠壓從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)制動；（2）保壓制動過程：汽車車輪由于制動壓力的不斷升高和速度的不斷下降而產(chǎn)生了部分滑移.此時(shí)電子控制單元控制自動壓力調(diào)節(jié)裝置關(guān)閉主缸與輪缸制動器之間的液壓通道.輪缸制動器得不到油液的補(bǔ)充，于是維持在一個穩(wěn)定的壓力狀態(tài).剎車片對制動盤的制動力也維持穩(wěn)定；（3）降壓制動過程：車輪轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定的制動壓力下不斷下降，車輪的滑移率不斷上升并超過了最佳滑移率范圍（10%～20%）.此時(shí)ABS電控單元會向自動壓力調(diào)節(jié)裝置下達(dá)指令，使其減少制動油壓從而使車輪的轉(zhuǎn)速由下降變?yōu)樯仙囕喕片F(xiàn)象消失；（4）增壓制動過程：隨著車輪的轉(zhuǎn)速不斷增加，汽車的滑移率將低于10%～20%.此時(shí)ABS電子控制單元將會通過自動壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)油壓的大小.主缸與制動輪缸之間的油壓增大，剎車片對制動盤的擠壓力增大，車輪轉(zhuǎn)速再一次下降.綜上所述，汽車防抱死制動系統(tǒng)的工作原理就是電子控制單元判斷車輪是否處于抱死狀態(tài)，然后通過對自動壓力調(diào)節(jié)裝置的控制來控制剎車油壓的大小使車輪處于抱死—松開—抱死—松開的循環(huán)直至制動結(jié)束.在整個制動過程中，車輪始終處于半抱死半滾動狀態(tài)，滑移率被控制在10%～20%左右，車輪與地面之間附著力充足，從而避免了緊急制動造成的側(cè)滑，甩尾，翻車等現(xiàn)象，極大地提高了制動的操控性和安全性.

3.2汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）

汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program簡稱ESP）最早由德國的兩大工業(yè)巨頭奔馳公司和博世公司共同研發(fā).它是一個綜合的，復(fù)雜的集成系統(tǒng)，綜合了牽引力控制系統(tǒng)（TPS）﹑防抱死制動系統(tǒng)（ABS）以及電子制動力分配系統(tǒng)（TCS）等系統(tǒng)的功能.其主要組成部分有控制單元﹑液壓調(diào)節(jié)器﹑電控油門裝置以及輪速傳感器等.（ESP組成見圖3）汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)是一個可以自動識別汽車不正常行駛狀態(tài)并據(jù)此做出自動調(diào)整，使汽車在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常行駛狀態(tài)的電子系統(tǒng).它本質(zhì)上是通過控制汽車行駛的牽引力來實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的，主動輪以及從動輪都受此系統(tǒng)的控制進(jìn)行選擇性制動從而保證了汽車行駛軌跡的正常.和僅裝有防抱死制動系統(tǒng)（ABS）的汽車不同，ESP系統(tǒng)可以主動對汽車軌跡進(jìn)行調(diào)整.例如，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎過急時(shí)一側(cè)會產(chǎn)生甩尾現(xiàn)象，極大地影響到汽車的行駛安全性.這時(shí)ESP系統(tǒng)就會迅速檢測到甩尾并作出及時(shí)的反應(yīng)，將這一側(cè)的前輪制動使車輪恢復(fù)良好的附著性.

圖3　ESP的組成

ESP系統(tǒng)主要有三個特點(diǎn)：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控.ESP系統(tǒng)在車輛的行駛過程中一直保持工作狀態(tài)，對車輛行駛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不斷地發(fā)出控制調(diào)整指令.（2）主動干預(yù).ESP系統(tǒng)通過控制對四個車輪的制動力來對駕駛員的駕駛進(jìn)行主動干預(yù)，修正轉(zhuǎn)向過度或轉(zhuǎn)向不足.（3）事先提醒.當(dāng)駕駛員操作不當(dāng)導(dǎo)致汽車行駛出現(xiàn)狀況時(shí)，ESP系統(tǒng)會向駕駛員發(fā)出警告.ESP系統(tǒng)的這三個特點(diǎn)使駕駛的安全性大大提升，即使在復(fù)雜的路況下，ESP也能精確控制車輪的制動，使汽車保持一個較為穩(wěn)定的行駛狀態(tài).根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，安裝ESP系統(tǒng)可以減少超過百分之二十的單車碰撞事故和降低至少百分之六十的側(cè)翻事故.美國交通部的報(bào)告顯示，安裝ESP系統(tǒng)將每年減少近一萬例的交通傷亡事故.因此一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)出臺規(guī)定限制在特定噸位下的汽車必須強(qiáng)制安裝ESP系統(tǒng).同時(shí)安裝有ESP系統(tǒng)的汽車可以在汽車安全碰撞等級中獲得更高的評分，從而獲得消費(fèi)者更多青睞.

目前ESP系統(tǒng)的技術(shù)主要被國外的幾家實(shí)力雄厚的零部件企業(yè)所壟斷.中國國內(nèi)電子安全技術(shù)尚處于落后狀態(tài)，但一些高校和企業(yè)已經(jīng)開始起步并實(shí)現(xiàn)了一部分產(chǎn)權(quán)自主化而且將其運(yùn)用到了自主產(chǎn)品中.汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)堪稱汽車主動安全技術(shù)領(lǐng)域里“里程碑式”的突破，其重要性不言而喻，不僅僅是對汽車行駛的安全性，對汽車市場的開拓和發(fā)展也有著極大的影響.因此中國的ESP汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)技術(shù)還需要進(jìn)一步的發(fā)展和突破.

3.3車道偏離預(yù)警系統(tǒng)

車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（Lane Departure Warning System,簡稱LDWS）可以通過對駕駛員發(fā)出預(yù)警信號而避免或減少因偏離預(yù)定駕駛軌道而發(fā)生的交通事故.LDWS是一種智能的檢測和提醒系統(tǒng).在汽車正常行駛過程中，它會通過攝像頭對路面標(biāo)識線進(jìn)行信息采集，然后進(jìn)行圖像處理計(jì)算出當(dāng)前的行駛軌跡.當(dāng)汽車不提供主動偏離預(yù)定軌道的信息（例如駕駛員打轉(zhuǎn)向燈）卻偏離原來行駛軌道時(shí)，車道偏離預(yù)警系統(tǒng)就會在零點(diǎn)幾秒內(nèi)做出反應(yīng)，對駕駛員進(jìn)行報(bào)警，提醒駕駛員已偏離當(dāng)前行駛軌道.由此可見，車道偏離預(yù)警系統(tǒng)對因疲勞駕駛或其他原因引起的注意力分散行為有著良好的監(jiān)控和糾正作用.在長途駕駛中，疲勞成為了干擾安全駕駛的主要因素，據(jù)調(diào)查，超過百分之二十的駕駛員一個月內(nèi)至少在方向盤上睡著過一次，超過百分之五十的長途卡車駕駛員在夜晚的駕駛中打瞌睡.LDWS雖然不能從源頭上解決疲勞駕駛的問題，但它可以及時(shí)提醒，實(shí)時(shí)監(jiān)控，很大程度上避免了因?yàn)槠隈{駛引起的交通事故.

目前市場上的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)都是以視覺檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的.根據(jù)攝像頭的不同安裝位置，分為測試系統(tǒng)和前視系統(tǒng).但它們的基本組成相似，都由道路和車輛狀態(tài)感知，車道偏離評價(jià)算法和信號顯示界面三個基本模塊組成（見圖4）.

圖4　車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

3.4自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control簡稱ACC）是一種新型的智能巡航系統(tǒng)，和普通的巡航系統(tǒng)只具有單一的車速控制功能不同，ACC系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了和前車保持一定車距的智能功能.因此ACC在緩解疲勞駕駛，提升跟隨巡航安全性方面有著巨大作用.自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的簡單工作原理如下（ACC工作原理圖見圖5）：當(dāng)汽車啟動自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，并且車速達(dá)到了ACC系統(tǒng)工作所要求的最低車速（一般為25km/h）時(shí)，汽車前部雷達(dá)不斷對前方路況進(jìn)行掃描，同時(shí)輪速傳感器不斷對車速信號采集并將其發(fā)送到ECU控制單元.當(dāng)雷達(dá)掃描到與前車距離過近時(shí)，ECU控制單元馬上對ABS防抱死制動系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使汽車進(jìn)行一定程度的制動并控制發(fā)動機(jī)的功率輸出，以達(dá)到與前車始終保持適度的安全距離.當(dāng)雷達(dá)掃描不到前車信號時(shí)，汽車又會恢復(fù)巡航速度繼續(xù)行駛.

圖5　自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)工作原理

3.5胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System簡稱TPMS）是一種對汽車輪胎的氣壓進(jìn)行智能監(jiān)測的系統(tǒng).它通過對輪胎氣壓的直接或間接監(jiān)測對輪胎高壓，低壓，高溫或者漏氣現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，預(yù)防因?yàn)檩喬鈮簡栴}所導(dǎo)致的失控，翻車等交通事故.根據(jù)監(jiān)測方式不同，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)可分為直接式和間接式：直接式通過胎壓傳感器進(jìn)行工作；間接式通過監(jiān)測輪胎的轉(zhuǎn)速差進(jìn)行工作.

4　汽車主動安全技術(shù)的發(fā)展趨勢

汽車工業(yè)在不斷地隨著技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展，作為保障行車安全的技術(shù)基礎(chǔ)―汽車安全技術(shù)也在不斷地更新?lián)Q代.主動安全技術(shù)作為更高端，更有效的安全技術(shù)吸引著大批公司進(jìn)行研究和開發(fā)，隨著電子技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集成技術(shù)，軟件技術(shù)的發(fā)展，汽車主動安全技術(shù)將會主要呈現(xiàn)出三個發(fā)展趨勢：（1）電子化，汽車主動安全技術(shù)本來就依靠各種電路實(shí)現(xiàn)信息的獲取與傳遞，未來的汽車主動安全技術(shù)將會更加仰仗電子技術(shù)的發(fā)展，電子信息的快速傳遞和便于處理的特點(diǎn)將會使汽車主動安全技術(shù)更加迅速化，精確化. （2）智能化，歸根結(jié)底，汽車主動安全技術(shù)是為了人類服務(wù).因此，為了操作使用更加方便，更加符合人機(jī)關(guān)系，未來的汽車主動安全技術(shù)必將會是更加的智能，減少了更多人類不必要的操作，使主動安全技術(shù)更加自動化，便利化.（3）集成化，汽車主動安全技術(shù)包括許多分類，各個分類之間有著密切的聯(lián)系，將這些主動安全技術(shù)集成在一起，互相合作，實(shí)現(xiàn)信息的交互式信息傳遞，可以實(shí)現(xiàn)更好的安全效果，使主動安全技術(shù)更加一體化，高效化.

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，汽車主動安全技術(shù)將會插上騰飛的翅膀，越來越多的先進(jìn)技術(shù)會應(yīng)用到此領(lǐng)域，汽車主動安全技術(shù)必將會提供更好的安全保障.

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收稿日期：2015-11-05

中圖分類號：U463.99

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0068-03