羅茂元

摘 要通過對車載主動安全系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)在事故發(fā)生前提醒，避免事故發(fā)生的主動安全預(yù)防的解決方案。以實(shí)現(xiàn)降低交通事故發(fā)生率，減小交通事故帶來的危害的目的。本方案主要通過嵌入式系統(tǒng)的智能化，結(jié)合傳感器、圖像監(jiān)控系統(tǒng)、近紅外夜視技術(shù)和電子機(jī)械制動系統(tǒng)等技術(shù)，提出方案設(shè)計(jì)的思考。同時，采用嵌入式技術(shù)，還可有效解決以往通過PC機(jī)平臺出現(xiàn)的冗余功能部分和相對龐大的體積等，給車載系統(tǒng)帶來的不利影響和高額成本。

【關(guān)鍵詞】車載主動安全系統(tǒng) 主動制動 夜間預(yù)警 道路反饋

隨著全球機(jī)動車保有量的增加，面臨的交通安全形勢日益嚴(yán)峻，汽車消費(fèi)者和政府管理者對汽車安全性的期望越來越高，僅靠普通的剎車系統(tǒng)、安全氣囊等被動防御技術(shù)已無法解決如此嚴(yán)峻的交通問題，發(fā)展以預(yù)防為核心的先進(jìn)汽車主動安全技術(shù)已成為現(xiàn)代交通的迫切要求。

在互聯(lián)設(shè)備日漸豐富的今天，汽車已不僅僅是幫助我們從A點(diǎn)到B點(diǎn)的工具。在對未來的規(guī)劃中，減少事故的發(fā)生，解放人類成為了新時代研發(fā)的愿景，基于嵌入式的電子化智能系統(tǒng)成為了達(dá)到這一目標(biāo)的利器。如何將汽車主動安全的理念與飛速發(fā)展的電子系統(tǒng)相結(jié)合，成為了當(dāng)今重要的研究課題。

1 總體設(shè)計(jì)

基于人—車—路危險狀態(tài)監(jiān)控的汽車主動安全預(yù)警與干預(yù)系統(tǒng)，主要包括行車環(huán)境與車輛狀態(tài)的全向感知技術(shù)、基于駕駛?cè)吮O(jiān)控與行為辨識技術(shù)的安全駕駛策略優(yōu)化技術(shù)、基于交通環(huán)境和駕駛?cè)藸顟B(tài)的適應(yīng)式干預(yù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)以人（駕駛員）為中心，人與車載系統(tǒng)，以及道路系統(tǒng)的反饋，達(dá)到共同感知、共同決策，協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)。

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。在這個系統(tǒng)中，動態(tài)環(huán)境信息、汽車運(yùn)行狀態(tài)信息在被駕駛員感知的同時，通過各種車載傳感器傳遞到嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)將決策結(jié)果一部分直接傳遞給汽車各種主動安全裝置，一部分傳遞給駕駛員，供駕駛員參考、決策。駕駛員結(jié)合自己的實(shí)際情況，作出相應(yīng)的決策，采取相應(yīng)的措施，實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)技術(shù)的一體化。

在汽車主動安全系統(tǒng)中，駕駛員能夠訪問諸如：道路情況、線路方向、故障診斷、防撞警告和駕駛員的身體狀況等多方面信息。由于相關(guān)數(shù)據(jù)過多，會引起在某個給定時間內(nèi)，駕駛員難以同時接受大量的信息。那么，就需要汽車本身具有“數(shù)據(jù)過濾”的過程，在“安全優(yōu)先”為最高優(yōu)先級別的總原則下，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的過濾。

2 城市低速主動制動方案

主動剎車制動是指車輛在非自適應(yīng)巡航的情況下正常行駛，如車輛遇到突發(fā)危險情況時能自身主動產(chǎn)生制動效果讓車輛減速（但具備這種功能的車輛并不一定能夠?qū)④囕v完全剎停），從而提高行車安全性的制動方案。

有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，75%的追尾事故都發(fā)生在大約30km/h的速度下，而本系統(tǒng)能夠有效避免這些追尾事故：當(dāng)車輛的速度達(dá)到30km/h時，這套主動制動系統(tǒng)就會自動啟動，通過前風(fēng)擋上的光學(xué)雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)視交通狀況，尤其是車頭前6米內(nèi)的情況。如圖2所示，當(dāng)前車剎車、停止或者有其它障礙物的時候，這套系統(tǒng)首先會自動在剎車系統(tǒng)上加力，以幫助駕駛員在做出動作前縮短剎車距離；或者它還可以通過調(diào)整方向盤，來改變車輛行駛路徑，以避開障礙物。當(dāng)然，如果距離障礙物已經(jīng)很近，這套系統(tǒng)會自動緊急剎車而無需駕駛員的操作，幫助駕駛員避免城市交通常見的低速行駛時的追尾事故。

由于是低速主動制動，因此該系統(tǒng)的分析計(jì)算速度達(dá)到每秒50次即可，根據(jù)距離和車速等方面準(zhǔn)確的分析出，需要在什么時候剎車才能夠避免事故的發(fā)生。而且這套系統(tǒng)在白天和夜間都可以正常使用，不過和其它雷達(dá)裝置一樣，在有霧、下雨和下雪的時候都會受到一定的限制。

3 高速主動制動安全方案

在高速緊急制動過程中，采用電子機(jī)械制動系統(tǒng) （electro-mechanical braking，簡稱EMB）作為制動方案。所謂電子機(jī)械制動系統(tǒng)，就是將傳統(tǒng)液壓或氣壓制動執(zhí)行元件轉(zhuǎn)變?yōu)殡婒?qū)動元件，便于實(shí)現(xiàn)線控制動（BBW：brake-by-wire）。它是一種全新的制動理念，主要采用制動系統(tǒng)ECU控制直流力矩電機(jī)產(chǎn)生制動力，形成行車制動。由于線控制動系統(tǒng)均采用電子控制裝置，能更好的與ABS、ESP等其他電子控制方式結(jié)合，易于融入整車的電子通訊網(wǎng)絡(luò)，明顯提高汽車的主動安全性；并且使用電控方式取消了各種液壓元件，減少了液壓油由油泵通過液壓管路傳遞到制動主缸的時間消耗，響應(yīng)速度得以極大提升。

由于EMB完全采用電子控制裝置，如圖3所示，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，易于融入整車電子通訊網(wǎng)絡(luò)，EMB系統(tǒng)的電子控制器根據(jù)電子踏板模塊傳感器的位移和速度信號，并且結(jié)合車速等其它傳感器信號，通過整車的電子通訊網(wǎng)絡(luò)與 ABS、ESP、ACC、EFBA等其他控制方式相結(jié)合，向車輪制動模塊的電機(jī)發(fā)出信號，控制其電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，進(jìn)而產(chǎn)生所需的制動力，能極大的提高汽車主動安全性能。

在本方案設(shè)計(jì)過程中，主要考慮以下因素：

在約90%的緊急制動情況下，駕駛員往往缺乏果斷，不能迅速踩下制動踏板產(chǎn)生緊急制動的效果；或即使能迅速踩下制動踏板，但卻力度不足，制動系統(tǒng)會判斷駕駛員采用的是點(diǎn)制動，同樣不能產(chǎn)生緊急制動。

在這些情況下，制動系統(tǒng)ECU利用踏板位移傳感器、踏板力模擬機(jī)構(gòu)、踏板力傳感器等感知駕駛員對制動踏板踩踏的速度和力度大小，得到駕駛員的目標(biāo)制動力信號，以此判斷駕駛員此次制動的意圖。

因此，經(jīng)駕駛員意圖感知系統(tǒng)計(jì)算，如果分析其屬于非常緊急的制動，制動系統(tǒng)ECU就會指示制動系統(tǒng)產(chǎn)生更高的制動力，控制ABS發(fā)揮作用，從而使制動力快速產(chǎn)生，減小制動距離；而對于正常情況的制動，ECU則會通過判斷不予啟動ABS。通常情況下，制動踏板的感知及判斷響應(yīng)速度都會遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于駕駛員，這大大的縮短了制動距離，極大的增加行車主動安全性。

4 夜間預(yù)警方案

在夜間開車時，多數(shù)駕駛?cè)藦陌l(fā)現(xiàn)前方有人或障礙物，到做出剎車動作的應(yīng)急反應(yīng)時間大約為1秒，即汽車在120km/h的速度時已經(jīng)跑了33m，而從120km/h到完全停止的制動距離在50m以上。因此，當(dāng)駕駛員在120km/h的速度時，必須看到前方80m以外的視野，至少要給駕駛員3秒的應(yīng)急處理時間?？墒牵嚱鉄舻挠行Э梢暰嚯x為30-50m，遠(yuǎn)光燈的有效可視距離70m，故在夜間行車必須注意力非常集中，一點(diǎn)都不能分神，否則后果很嚴(yán)重。

在夜間行車時，采用“近紅外汽車夜視系統(tǒng)技術(shù)”作為預(yù)警方案。所謂近紅外主動成像，就是通過主動發(fā)出近紅外光進(jìn)行成像的技術(shù)。采用該技術(shù)，在夜間行車時，能見度無論高低，可自動匹配車速，智能變焦，給駕駛員帶來更寬、更遠(yuǎn)的視野范圍，距離可達(dá)150米-400米，這意味著采用近紅外汽車夜視系統(tǒng)，可以讓駕駛員提前3-6秒發(fā)現(xiàn)人或障礙物，可提前做好應(yīng)急處理，為夜晚行車的安全系數(shù)提高2-3倍。

汽車夜視系統(tǒng)主要由嵌入式主控制器與四大傳感器組成。

汽車夜視安全系統(tǒng)配置的4大傳感器（如圖4所示）分別為：

（1）圖像傳感器，在低照底或者零照度時，通過紅外補(bǔ)光，感應(yīng)波長為近紅外的波段進(jìn)行成像。

（2）照度傳感器，自動檢測場境的照度高或低，當(dāng)檢測到場景為高照度時，紅外夜視不會啟動，當(dāng)檢測到場景為低照度或照度為零時，紅外夜視會自動啟動，為汽車主動安全系統(tǒng)補(bǔ)光，給駕駛員帶來更寬更遠(yuǎn)的行車視野，當(dāng)遇到強(qiáng)光時，則會對強(qiáng)光進(jìn)行抑制。

（3）行人探測傳感器，當(dāng)檢測到前方有行人或大型障礙物時，系統(tǒng)會自動發(fā)出語音報(bào)警。

（4）車道偏離傳感器，當(dāng)檢測到汽車偏離行車道時，系統(tǒng)會自動發(fā)出語音警報(bào)。

夜視系統(tǒng)為嵌入式主控制器分別連接攝像頭和視頻顯示器；主控制器對攝像頭采集的夜視圖像進(jìn)行分析，確定當(dāng)前道路環(huán)境符合遠(yuǎn)光燈的開啟條件后主控制器控制汽車遠(yuǎn)光燈開啟進(jìn)行夜視補(bǔ)光。由于采用上述的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)利用圖像處理技術(shù)識別道路環(huán)境，結(jié)合道路安全行駛的法規(guī)，自動控制遠(yuǎn)光燈的開啟和關(guān)閉，充分利用遠(yuǎn)光燈來實(shí)現(xiàn)近紅外夜視系統(tǒng)的補(bǔ)光，提高了夜間駕車的安全性和舒適性。

5 道路反饋方案

隨著汽車上傳感器收集的信息越來越多，通過路口設(shè)立道路信號狀態(tài)監(jiān)視、信息發(fā)送系統(tǒng)，如圖5所示，車輛可實(shí)時得到更豐富的路況信息，由此，進(jìn)行準(zhǔn)確的邏輯判斷，不僅增添躲避擁堵的功能，還能加入云端技術(shù)，當(dāng)眾多車輛反饋一個地區(qū)運(yùn)動、擁堵情況較嚴(yán)重時，系統(tǒng)可以給車輛分配正確行駛路線，從躲避擁堵，變?yōu)槭柰〒矶隆?/p>

6 結(jié)論

通過利用智能化的嵌入式電子信息技術(shù)、傳感技術(shù)、圖像監(jiān)控系統(tǒng)、近紅外夜視技術(shù)和電子機(jī)械制動系統(tǒng)等技術(shù)的車載主動安全系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，拓展了駕駛員的認(rèn)知局限性，在人—車—路的綜合信息中辨識是否存在安全隱患，并有效的提前避免。開發(fā)高性能的行車安全狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)和信息服務(wù)平臺，可為駕駛員提供有效的駕駛輔助，有效主動降低交通事故的發(fā)生率。

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作者單位

四川城市職業(yè)學(xué)院 四川省成都市 610110