汽車主動安全控制技術(shù)淺析

汽車主動安全技術(shù)是指在車輛發(fā)生事故之前能夠發(fā)出危險信號并主動做出反應或提示駕駛員采取必要應急措施以保護駕乘人員免遭傷害。為降低交通事故給人類帶來的傷害和損失，汽車主動安全技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。迄今為止，國內(nèi)外很多大學和科研機構(gòu)也開發(fā)出了很多主動安全控制技術(shù)，其關(guān)鍵點在于預警控制系統(tǒng)的突破，使得車輛在危險發(fā)生前可以主動采取措施防護，本文就幾種相對比較成熟的預警系統(tǒng)及控制技術(shù)做簡要介紹。

1 車道偏離預警系統(tǒng)[1]

車道偏離實際上是一種傳感器響應失真。車道偏離預警作為汽車的一種主動安全技術(shù)，同時也是汽車輔助駕駛技術(shù)的關(guān)鍵問題，調(diào)查顯示，配備該系統(tǒng)的車輛至少能夠減少24%的由于車道偏離所造成的交通事故。

車道偏離預警系統(tǒng)主要由平視顯示器、攝像頭、控制器和傳感器組成。攝像頭通常安裝在駕駛員身體或后視鏡的側(cè)面。當車道偏離預警系統(tǒng)正常工作時，攝像頭會持續(xù)不斷地采集行車道的標線信息，然后將車輛在行車道中的所獲得的當前位置信息參數(shù)進行圖像處理。同時，傳感器也能夠采集道路數(shù)據(jù)并感知駕駛員的駕駛狀態(tài)，然后控制器發(fā)出預警信號。從采集信息到發(fā)出預警，整個過程大約0.5 s，這就給駕駛員提供了充足的反應時間以應對可能發(fā)生的危險情況。如果駕駛員打開車燈或進行正常的變道，車道偏離預警系統(tǒng)不會作出任何提示。道路和車輛狀態(tài)感知模塊，車道偏離評價算法模塊和信號顯示接口模塊是車道偏離預警系統(tǒng)的三個基本組件。其基本工作流程如圖1所示。

有關(guān)車輛偏離預警的方法，近年來國內(nèi)外學者就提出了很多模型和算法。如雙曲線道路模型，該模型首先搜索出車道標志的邊緣點，然后使用最小二乘法確定與車道標志相關(guān)的參數(shù)，通過粒子濾波算法跟蹤所檢測出來的車道線，最后通過空間-時態(tài)模型判斷車輛行駛是否偏離正常車道線；此外，還有基于可變形模板和遺傳算法的車道檢測方法，該方法首先使用遺傳算法求出似然函數(shù)的最大似然估計值，然后獲得模板參數(shù)的最大分配值；再者，還出現(xiàn)了基于車道檢測和車道跟蹤方法的B-Snake模型，該模型使用消失點的霍夫估計確定車道線的初始位置，然后使用最小均方誤差方法更新車道線的控制點。除上述這些常用的方法和模型之外，國內(nèi)外學者還提出過車道檢測和跟蹤的模糊算法以及用于車道偏離檢測的樣條曲線模型。

圖1 車道偏離預警系統(tǒng)的基本工作流程[1]

2 車輛安全距離預警系統(tǒng)[2]

在眾多導致交通事故的因素中，駕駛員主觀行為無疑是最主要原因。跟車距離是交通安全的一項重要指標。車輛安全距離預警系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測主車與前車之間的距離。

車輛安全距離預警系統(tǒng)的目標就是根據(jù)車輛實時狀態(tài)和道路狀態(tài)向駕駛員做出提示，以便其采取必要的操縱動作。在對主車的實際速度和其與前車的跟車距離做出檢測之后，如果跟車距離低于系統(tǒng)中設(shè)定的安全距離，則系統(tǒng)做出降低車速的提示；如果跟車距離高于系統(tǒng)中設(shè)定的最大距離，則系統(tǒng)做出提高車速的提示；如果跟車距離在設(shè)定的安全距離范圍內(nèi)，則系統(tǒng)做出保持車速的提示。此外，系統(tǒng)必須不間斷地對實時數(shù)據(jù)進行處理，從采集數(shù)據(jù)到做出報警提示，整個過程如圖2所示。

第一步，收集主車實際車速及其與前車之間的跟車距離；

第二步，調(diào)整收集到的數(shù)據(jù)值，使其適合于七位數(shù)字顯示，以用于下一階段的數(shù)據(jù)處理步驟；

第三步，通過估計主車實際速度，確定其與前車的安全參考距離。安全距離不是恒定的，其與主車實際速度成比例變化；

第四步，比較安全參考距離和前后車實際距離的差值；

第五步，根據(jù)差值向駕駛員做出相應的報警提示。

圖2 車輛安全距離預警系統(tǒng)示意圖[2]

3 車輛碰撞預警系統(tǒng)[3]

在汽車主動安全技術(shù)和無人駕駛技術(shù)中，車輛碰撞預警系統(tǒng)意義重大。開發(fā)出有效但不昂貴的障礙檢測和障礙物狀態(tài)分類算法是實現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵。在各種用于障礙檢測的傳感器中，攝像機和毫米波雷達不僅比激光雷達便宜，而且還能夠提供最大可能的信息量。

車輛碰撞預警系統(tǒng)所要實現(xiàn)的目標便是利用這兩種傳感器檢測出一些動態(tài)的或相對動態(tài)（包括靜態(tài)）的目標并對他們做出分類，以判斷其是否為“潛在的危險”。具體來說，該系統(tǒng)首先要獲取障礙物的感興趣區(qū)域圖，然后對動態(tài)或相對動態(tài)的物體做出檢測，將其與障礙物的感興趣區(qū)域圖進行融合以過濾掉非障礙物，如圖3所示，根據(jù)車輛的實時運行狀態(tài)將障礙物劃分為不同的狀態(tài)。

圖3 車輛碰撞預警系統(tǒng)中障礙檢測和障礙物狀態(tài)分類示意圖[3]

考慮到大部分交通事故主要發(fā)生在車輛行駛過程中，因此車輛碰撞預警系統(tǒng)主要對動態(tài)目標和相對動態(tài)目標加以研究。動態(tài)目標是指那些相對于地面移動的物體，相對動態(tài)目標是指那些相對于車輛移動的物體。此外，在我們的系統(tǒng)中，對目標進行檢測并對其狀態(tài)準確分類，根據(jù)車輛運動模型而不是結(jié)構(gòu)化的道路環(huán)境來對車輛進行碰撞預警。因此，我們所定義的碰撞預警功能也適用于非結(jié)構(gòu)化的道路環(huán)境。

在正常的交通環(huán)境中，車輛總是在非結(jié)構(gòu)化的道路或結(jié)構(gòu)化的道路中行駛，而不是靜止在交叉口或嚴格按照交通標線行駛。毫米波雷達作為一種相對動態(tài)目標檢測器，立體攝像機作為一種動態(tài)目標檢測器，當車輛正常行駛時，運用這兩種傳感器并使用運動補償功能和多源信息融合的方法，同時將車輛的運動學模型考慮在內(nèi)，能夠更好地完成實時障礙物的檢測和分類，并且將成本維持在較低范圍。

4 汽車前照燈智能控制系統(tǒng)[4]

根據(jù)汽車主動安全的定義，汽車前照燈智能控制系統(tǒng)（汽車自適應前照燈系統(tǒng)）也屬于汽車主動安全技術(shù)的范疇。該系統(tǒng)基于汽車行駛狀況和道路環(huán)境自動對汽車前照燈做出光線調(diào)節(jié)，即能夠根據(jù)路面條件、環(huán)境光照、駕駛員身體狀態(tài)等實時改變前照燈的照明方向和光型分布。前照燈智能控制系統(tǒng)能夠給駕駛員提供最大的視野范圍，從而在很大程度上減小了夜間行車發(fā)生交通事故的幾率。該系統(tǒng)的主要組成部分及具體工作原理如下。

（1）前照燈左右調(diào)節(jié)：如果汽車在彎曲道路或照明條件差的道路環(huán)境行駛，當車輛的方向盤轉(zhuǎn)角和行駛速度發(fā)生改變時，方向盤角度傳感器和車輪速度傳感器檢測到相應的信號，并且將該信號發(fā)送給汽車的電子控制單元ECU以確定車輛進入了彎曲線路段，進而向前照燈電機發(fā)出相應的控制指令。電機執(zhí)行模塊改變前照燈的照射方向和照射位置，從而擴大了駕駛員的夜間視野范圍，提高了汽車的行駛安全性。

圖4 前照燈左右方向調(diào)節(jié)原理圖[4]

（2）前照燈上下調(diào)節(jié)：當車輛夜間進入坡道或照明條件差的道路條件時，汽車車身的前后高度和車速會發(fā)生變化，車身傾斜角傳感器和車速傳感器將信號發(fā)送給ECU以確定車輛進入了斜坡道，ECU將相應的信號發(fā)送給前照燈的電機執(zhí)行模塊，通過調(diào)節(jié)照射范圍和位置，進而改變前照燈的垂直方向角。

（3）其它特殊路況下的調(diào)節(jié)：汽車在高速條件下行駛時，車速越高，制動距離越長，所以需要前照燈照得更遠、更寬。系統(tǒng)通過發(fā)出更寬廣的光型來解決這一問題；汽車在陰雨天氣下行駛時，地面積水容易將對面車輛發(fā)出的光線反射到司機眼睛中，使其產(chǎn)生炫目，系統(tǒng)通過發(fā)出一種特殊光型，減弱地面可能會對會車產(chǎn)生炫目的區(qū)域的光強。

圖5 前照燈上下方向調(diào)節(jié)原理圖[4]

5 汽車橫擺力矩控制系統(tǒng)[5]

汽車橫擺力矩控制作為汽車主動安全技術(shù)的一種重要控制技術(shù)，在汽車無人駕駛和輔助駕駛中得到了廣泛應用。總體來說，汽車橫擺力矩控制分為主動轉(zhuǎn)向控制（ASC）和直接橫擺力矩控制（DYC）。

主動轉(zhuǎn)向控制通過改變車輪轉(zhuǎn)向角進而改變車輛的橫擺力矩。當車輪（通常是前輪）轉(zhuǎn)向角發(fā)生變化時，由此而產(chǎn)生的側(cè)向摩擦力會產(chǎn)生影響車輛橫擺運動的力矩。然而，由于非線性的輪胎縱向力和側(cè)向力的存在，通過主動轉(zhuǎn)向控制所產(chǎn)生的可控的側(cè)向摩擦力和相應的橫擺力矩是有限的，這種現(xiàn)象在低附著系數(shù)的路面上更為明顯。

針對橫擺力矩控制系統(tǒng)在低附著系數(shù)路面上所面臨的問題，國內(nèi)外學者也提出了很多解決方法，如：引入一種控制車輪動量的系統(tǒng)來為車輛的橫擺力矩控制產(chǎn)生一定的橫擺校正力矩；使用一種主動陀螺儀裝置以產(chǎn)生額外的橫擺力矩；將鐘擺穩(wěn)定器與橫擺力矩控制系統(tǒng)相結(jié)合以提高汽車的主動安全性能。受輪轂電機應用的啟發(fā)，目前國內(nèi)外最先進的橫擺力矩控制技術(shù)是使用一種主動偏航穩(wěn)定器（AYS）來產(chǎn)生兩個額外的橫擺力矩以控制汽車的橫擺運動，其原理如圖6所示。

圖6 主動偏航穩(wěn)定器控制原理圖[5]