孫德鑫 石振周 王子奇

合肥工業(yè)大學(xué) 安徽省合肥市 230009

1 引言

汽車，作為現(xiàn)代主要交通工具，給人們工作和生活帶來了重要的影響。一方面，汽車極大地便利了人們的生活，縮短了出行時(shí)間，擴(kuò)大了活動(dòng)范圍；汽車產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步也推動(dòng)了國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，創(chuàng)造了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)。但是另一方面，隨著汽車保有量的急劇上升，道路交通安全形勢愈加嚴(yán)峻，道路交通事故頻發(fā)，造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，近些年我國因交通事故造成的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失高居不下，我國是因交通事故死亡人數(shù)最多的國家，帶來的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1400億人民幣，大約是我國GDP的1.5%。[1]研究表明：在所發(fā)生的交通事故中，絕大部分是由于駕駛員反應(yīng)不及時(shí)而造成的。如果駕駛員能夠在交通意外發(fā)生之前，提前意識(shí)到事故的發(fā)生趨勢，及時(shí)采取相關(guān)應(yīng)對措施，就能夠有效避免事故的發(fā)生。因此，大力開發(fā)汽車主動(dòng)安全技術(shù)，對提高交通安全起到重要作用。安全性能高的汽車一般都是在事故發(fā)生前采取相應(yīng)的措施來避免事故的發(fā)生，而不是在事故發(fā)生時(shí)甚至是事故發(fā)生后再采取措施。汽車主動(dòng)安全技術(shù)因在安全性上起到保護(hù)作用，可提高駕駛安全性，故受到廣泛關(guān)注與認(rèn)可。

2 主動(dòng)安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀

自1898年發(fā)生第一起汽車安全事故以來,人類就開始思考行車安全的問題了。最早在汽車誕生之際，人們對于行車安全問題的思考幾乎為零，汽車以一種新鮮的代步工具呈現(xiàn)在人們眼前。一百多年來，隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步與科技的不斷創(chuàng)新，汽車行業(yè)發(fā)生巨大變革，汽車數(shù)量的不斷增加，導(dǎo)致汽車交通事故問題愈發(fā)凸顯，于是汽車安全技術(shù)問題也逐漸走到人們的視野中。歐美發(fā)達(dá)國家最早在上世紀(jì)六十年代先后制定的汽車安全法與交通安全法，確保行車安全受到廣泛重視。安全技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)設(shè)備的研發(fā)也在同步進(jìn)行。最早在七十年代，出現(xiàn)了以保護(hù)兒童為主的安全座椅、安全頭枕等，隨后相繼出現(xiàn)安全輪胎等設(shè)備，汽車被動(dòng)安全得到一定程度的提高。進(jìn)入到八十年代，汽車數(shù)量猛增，交通安全事故并未減少，反而逐年增加，人們開始意識(shí)到車輛運(yùn)動(dòng)過程中的安全性與穩(wěn)定性，并開始入手車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測，通過對速度監(jiān)測來采取必要的預(yù)警或干涉措施，由此避免車輛安全事故的發(fā)生，提高制動(dòng)性能。九十年代隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車主動(dòng)安全技術(shù)也迎來快速發(fā)展，各種新技術(shù)層出不窮。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，汽車主動(dòng)安全技術(shù)也向著集成化、智能化的方向發(fā)展。

3 主動(dòng)安全技術(shù)的基本概念

汽車主動(dòng)安全技術(shù)不再以被動(dòng)安全保護(hù)為主，而是基于先進(jìn)的預(yù)防措施來提前避免事故的發(fā)生。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展與大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，汽車的主動(dòng)安全系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，一方面表現(xiàn)在主動(dòng)安全技術(shù)的種類越來越多，涵蓋了對車輛狀態(tài)的檢測、對駕駛員狀態(tài)的檢測、對駕駛員駕駛的輔助等方面，另一方面表現(xiàn)為主動(dòng)安全技術(shù)越來越平民化，不僅僅裝配于大部分人購買力外的豪華車上，而是下放到中型車甚至是中小型車上。

4 主動(dòng)安全技術(shù)的分類

按照主動(dòng)安全技術(shù)作用的時(shí)間，可以分為事故預(yù)防安全技術(shù)以及事故前的安全技術(shù)。其中事故預(yù)防安全技術(shù)主要有：車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、車道變更輔助系統(tǒng)、前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)、盲點(diǎn)檢測系統(tǒng)、夜視行車輔助、抬頭顯示；事故前的安全技術(shù)主要有：防抱死系統(tǒng)、電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)、緊急剎車輔助、牽引力控制系統(tǒng)、電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)等。

圖1 多種主動(dòng)安全技術(shù)展示

5 前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)

根據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查研究報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，中國每年因交通事故死亡的人數(shù)超過26萬人，中國四分之一的交通事故死者是步行者，其中男性達(dá)到71%以上，交通安全問題已經(jīng)成為我國的重要問題。如圖2為各種類型交通事故的比較：

圖2 交通事故種類及比例

從上圖可以看出，前向碰撞已占所有交通事故的60%以上，而如果配有前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)，將大幅降低此類事故的發(fā)生率，能夠有效避免交通事故造成的人身財(cái)產(chǎn)損害。前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義，能夠達(dá)到對障礙物距離的實(shí)時(shí)自動(dòng)測量，并及時(shí)向駕駛員提出預(yù)警通知，便于及時(shí)采取相應(yīng)安全措施。

汽車前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)（FCWS）可自行測距并比較與前車距離的裝置，該裝置的作用下，當(dāng)車輛間行駛距離小于安全距離時(shí)，就會(huì)發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)，提醒駕駛員及時(shí)采取制動(dòng)措施。該裝置以主動(dòng)安全技術(shù)理念能夠做到將安全事故提前消除，保護(hù)駕駛員及車上人員人生安全，并保障了財(cái)產(chǎn)安全。該系統(tǒng)為車輛出行提供了安全保障，在一定程度上能夠降低交通事故的發(fā)生率，并減少國民經(jīng)濟(jì)損失。

5.1 發(fā)展歷程

世界各國對于前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的研究時(shí)間不一，最早在上世紀(jì)六十年代 初期，以美國、德國、日本為首的發(fā)達(dá)國家對前向碰撞預(yù)警機(jī)制展開了相關(guān)研究，隨著數(shù)十年的發(fā)展，取得了很大的成就，不少技術(shù)與系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中。八十年代中期，考慮到成本因素，雷達(dá)防碰撞等系統(tǒng)逐漸落后并被抱起。奔馳汽車生產(chǎn)商與汽車安全問題研究所聯(lián)合，對雷達(dá)系統(tǒng)防碰撞技術(shù)展開研究，在芯片技術(shù)的發(fā)展下，研制出了性能良好的防碰撞系統(tǒng)，并應(yīng)用到部分汽車安全領(lǐng)域中。

圖3 FCWS功能展示

到了九十年代中期，在工業(yè)技術(shù)上精益求精的德國也開始將汽車安全技術(shù)的研究推上世界舞臺(tái)的前列，德國、日本等汽車生產(chǎn)商也紛紛聯(lián)合，參與到ASV計(jì)劃中。1995年，日本豐田公司對主動(dòng)預(yù)防安全裝置的研究取得了巨大的成功。美國汽車生產(chǎn)商對于安全裝置的研究則相對落后，但是進(jìn)入到21世紀(jì)以來，隨著投入的加大，也取得了不錯(cuò)的成果，在一些技術(shù)上超過了許多發(fā)達(dá)國家。比如福特公司所研發(fā)的防碰撞系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的距離探測，控制頻率范圍在24.75GHz以內(nèi)。然而該裝置有一項(xiàng)缺點(diǎn)，即報(bào)警準(zhǔn)確率相對較低，且成本比較高，最終沒有在全世界得到廣泛的應(yīng)用。

我國對于前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的研究起步較為落后，許多關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)還不是很成熟，從九十年代末期一直由高校承擔(dān)先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)，如清華大學(xué)等。再加上政策因素及國外技術(shù)的封鎖，我國許多技術(shù)尚停留在實(shí)驗(yàn)階段。

5.2 實(shí)施方式

汽車自動(dòng)防碰撞系統(tǒng)作為智能轎車的重要安全防護(hù)部分，能夠智能防止汽車碰撞，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)可能會(huì)發(fā)生碰撞的車輛、行人及物體，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，采取制動(dòng)措施。該系統(tǒng)工作過程可以概括為三個(gè)部分：

（1）車輛正常行駛的情況下，防碰撞系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算車輛安全行駛距離，以及評(píng)價(jià)車輛安全程度，對汽車行駛安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，此時(shí)不做動(dòng)作，避免影響正常駕駛。

（2）系統(tǒng)判斷車輛為危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，就會(huì)及時(shí)展開動(dòng)作，自動(dòng)關(guān)閉油門，警示駕駛員采取相關(guān)制動(dòng)措施。如果駕駛員未采取措施，則系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)控制車輛制動(dòng)或轉(zhuǎn)向，及時(shí)避免車輛碰撞，直至回到安全行駛狀態(tài)后，系統(tǒng)將解鎖自動(dòng)控制。

（3）系統(tǒng)判斷車輛無法避免危險(xiǎn)時(shí)，將會(huì)采取最優(yōu)化方案，盡最大可能減少危險(xiǎn)傷害，及時(shí)采取被動(dòng)安全控制措施，主要根據(jù)障礙物危險(xiǎn)程度進(jìn)行自動(dòng)判斷。具體的工作過程如圖3所示。

汽車防撞系統(tǒng)額工作模塊可分為以下三個(gè)部分：

圖4 FCWS實(shí)施方式

（1）行駛信息感知模塊：主要由各種傳感器構(gòu)成，其作用是不斷獲得車輛行駛信息，并將這些信息提供給處理裝置進(jìn)行處理；

（2）中央控制器ECU：將采集的各種行車信息進(jìn)行分析處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序及算法進(jìn)行計(jì)算，判斷是否存在危險(xiǎn)，必要時(shí)向執(zhí)行器發(fā)出控制指令；

（3）控制執(zhí)行器模塊：接受來自ECU的控制指令，執(zhí)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)車輛的減速與制動(dòng)。

5.3 核心元件

汽車防撞雷達(dá)最為汽車前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的核心部分，對汽車的安全性能起著至關(guān)重要的影響。防撞雷達(dá)是由感應(yīng)器與藏有微電腦控制器、蜂鳴器所構(gòu)成的系統(tǒng)裝置撞雷達(dá)的主要工作特點(diǎn)在于能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)車輛行駛速度、方向等，測量判斷可能引起碰撞的障礙物，是汽車自動(dòng)防碰撞系統(tǒng)的核心裝置。該裝置適用于能見度較低或判斷程度較低的情況，比如車距較短、速度過快等，及時(shí)警示駕駛員打開安全氣囊，操縱制動(dòng)設(shè)備等，控制車輛速度和方向來避免發(fā)生碰撞。

現(xiàn)階段廣泛使用的車輛防撞雷達(dá)有超聲波、紅外線、激光等幾種不同類型，其工作方式不同，但是基本原理一致。均通過探測方式來提前判斷危險(xiǎn)障礙物，根據(jù)障礙物危險(xiǎn)程度做出相應(yīng)的預(yù)防措施。筆者在此介紹一種毫米波防撞雷達(dá)的工作原理與性能特點(diǎn)：

防撞雷達(dá)按照系統(tǒng)工作性能可以分為四個(gè)部分，天線、傳輸系統(tǒng)、信號(hào)處理器、終端控制器。如圖4所示為結(jié)構(gòu)框圖。傳輸系統(tǒng)包括調(diào)制信號(hào)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、混頻器、振蕩源等。信號(hào)采集處理系統(tǒng)由解調(diào)器、濾波器等組成。終端控制系統(tǒng)由顯示模塊、報(bào)警模塊組成。

圖5 車載防撞雷達(dá)的結(jié)構(gòu)框圖

汽車防撞雷達(dá)在工作的過程中，信號(hào)源產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，并通過混頻器作為本振信號(hào)，另一部分通過發(fā)射機(jī)，以電磁波的形式傳遞出去。雷達(dá)信號(hào)電磁波的傳播過程中，天線接收并形成回波信號(hào)，將其輸入混頻器與本振信號(hào)混頻，得到差拍信號(hào)，包含前方車輛距離信息與相對速度信息等。再將信號(hào)放大處理，就能夠獲取相關(guān)速度與距離信息，再將數(shù)據(jù)與剎車距離對比，及時(shí)發(fā)出減速信號(hào)與剎車信號(hào)。

6 主動(dòng)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(dòng)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(dòng)安全技術(shù)將會(huì)主要呈現(xiàn)出三個(gè)發(fā)展趨勢：

（1）電子化：汽車主動(dòng)安全技術(shù)與電子化技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，系統(tǒng)電路的實(shí)現(xiàn)就是依靠電子化技術(shù)的運(yùn)用，包括信息獲取與傳遞等。汽車主動(dòng)安全技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，電子化技術(shù)的運(yùn)用將會(huì)進(jìn)一步完善安全系統(tǒng)，電子信息的傳遞速度將會(huì)不斷提升，處理便利性也會(huì)不斷完善，確保汽車主動(dòng)安全技術(shù)穩(wěn)定、迅速。

（2）智能化。汽車智能化發(fā)展是當(dāng)今汽車生產(chǎn)商廣泛重視的內(nèi)容。汽車主動(dòng)安全技術(shù)的運(yùn)用本身就是為了人的安全著想，智能化汽車將會(huì)提高安全性，更加人性化，減少不必要的操作，確保安全技術(shù)的自動(dòng)化與智能化，避免安全事故的發(fā)生。

（3）集成化。隨著汽車主動(dòng)安全技術(shù)的不斷發(fā)展，分類技術(shù)將不斷完善，集成化發(fā)展將成為汽車主動(dòng)安全技術(shù)的發(fā)展趨勢，各部分的聯(lián)系將更為緊密，技術(shù)的集成與系統(tǒng)的研發(fā)將會(huì)更便于信息的傳遞，確保主動(dòng)預(yù)警的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，提高安全保障效率。

在未來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車生產(chǎn)與安全技術(shù)研發(fā)也將不斷進(jìn)步，汽車保有量不斷增加的情況下，汽車安全性問題也將始終受到各領(lǐng)域廣泛關(guān)注，只有不斷發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，才能夠保障汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)運(yùn)作的精準(zhǔn)化與高效化。