汽車主動安全技術的構(gòu)成探析
汽車底盤控制的原理是在給定的路面附著系數(shù)和車輪法向力下對車輪滑動(轉(zhuǎn))率和側(cè)偏角進行控制，下面是小編搜集整理的一篇探究汽車主動安全技術的論文范文，供大家閱讀參考。
引言
汽車在人們的生產(chǎn)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(jù)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?cè)溯o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(xiàn)實意義。
1汽車主動安全技術的發(fā)展現(xiàn)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(xiàn)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(cè)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(qū)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(xiàn)。
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(xiàn)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(chǎn)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(AdvancedSafetyVehicle)的研究計劃，為智能交通系統(tǒng)ITS(IntelligentTraf-ficSystem)的汽車做準備[2].
2主動安全技術的構(gòu)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(gòu)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(diào)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(nèi)容，具體分為底盤控制系統(tǒng)、駕駛?cè)溯o助系統(tǒng)和基于車聯(lián)網(wǎng)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?cè)说囊鈭D作加速、減速和轉(zhuǎn)向運動。汽車底盤控制的原理是在給定的路面附著系數(shù)和車輪法向力下對車輪滑動(轉(zhuǎn))率和側(cè)偏角進行控制，來間接調(diào)控輪胎的縱向力和側(cè)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(qū)動控制、橫向的轉(zhuǎn)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(xiàn)制動或驅(qū)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(cè)向力實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，包括四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(4WS)、可變傳動比系統(tǒng)(VGS)、主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(AFS)等;垂向控制通過改變輪胎垂向力實現(xiàn)懸架調(diào)節(jié)，包括阻尼連續(xù)可調(diào)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(xiàn)有的各子系統(tǒng)聯(lián)合起來，使其協(xié)調(diào)各自的特性來優(yōu)化控制結(jié)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(xiàn)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(cè)翻等領域發(fā)揮重要作用。其中，統(tǒng)一底盤控制系統(tǒng)UCC(UnifiedChassisControlSystem)集成ESC和AFS等底盤控制模塊，在預防車輛側(cè)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(zhuǎn)，側(cè)滑控制算法提高操縱性和橫向穩(wěn)定性[7].
2.2駕駛?cè)溯o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?cè)�、環(huán)境三者相互作用，構(gòu)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(xiàn)了駕駛?cè)溯o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?cè)说淖⒁饬顩r，將以上信息運用避撞算法進行處理，然后判斷出對駕駛?cè)诉M行預警或?qū)囕v進行主動干預和控制的時機[10].汽車避撞系統(tǒng)根據(jù)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)(ForwardCollisionWarningSystems,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?cè)饲胺郊磳⒌絹淼呐鲎参ｋU，從而減少追尾碰撞的次數(shù)和危害，并減輕人員和財產(chǎn)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?cè)�，一般用于可能出現(xiàn)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?cè)瞬扇≈苿拥群侠淼膽獙Υ胧﹣肀苊饣驕p輕碰撞事故[11-12].
(2)汽車轉(zhuǎn)向避撞輔助(SteeringandEvasionAssist)
目前，國內(nèi)外汽車主動避撞的研究絕大多數(shù)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(xiàn)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?cè)说姆磻蛔阋员苊馀鲎彩鹿实陌l(fā)生，轉(zhuǎn)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(jù)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?cè)说膮f(xié)助[14].
(3)自適應巡航控制系統(tǒng)(AdaptiveCruiseControl,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(diào)整車速，保持與前車的安全距離。在適當?shù)慕煌ür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)(ParkingAssist)
汽車的外形大都被設計成近似楔形的結(jié)構(gòu)以減輕空氣阻力降低燃油消耗，這種楔形結(jié)構(gòu)在車輛行駛時會對駕駛員的視野產(chǎn)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?cè)恕＝陙�，基于傳感器技術的半自動泊車輔助系統(tǒng)已經(jīng)在部分車型上得到了應用，該輔助系統(tǒng)可以在駕駛?cè)丝刂栖囕v的縱向運動的同時，通過自動轉(zhuǎn)向?qū)④囕v駛?cè)肫叫械耐＼囄恢谩?/p>
2.2.2車道保持系統(tǒng)(LaneKeepingSystem)
由于駕駛?cè)说淖⒁饬Ψ稚�、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(jié)合起來的車道保持系統(tǒng)應運而生。
車道保持系統(tǒng)根據(jù)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?cè)�，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?cè)巳匀痪哂袑τ谲囕v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(xiàn)有的ABS系統(tǒng)等硬件，當車輛一側(cè)制動時，另一側(cè)車輪仍然轉(zhuǎn)動，通過這種差速制動引起的側(cè)偏運動來回正車輛，同時駕駛?cè)藢τ谲囕v轉(zhuǎn)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?cè)思磳⒊霈F(xiàn)的車道偏離，這種系統(tǒng)依賴于駕駛?cè)藢τ陬A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(wǎng)的通訊系統(tǒng)
基于車聯(lián)網(wǎng)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?cè)伺c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(wǎng)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(wǎng)與其他車輛聯(lián)系，故又被稱作車輛Ad-hoc網(wǎng)絡。
在歐洲，車聯(lián)網(wǎng)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(qū)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(xiàn)[24].
3總結(jié)
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?cè)说男袨檫M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(jīng)成為未來汽車安全技術研發(fā)的重點，在此基礎上結(jié)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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