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汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)的構成探析
汽車(chē)底盤(pán)控制的原理是在給定的路面附著(zhù)系數和車(chē)輪法向力下對車(chē)輪滑動(dòng)(轉)率和側偏角進(jìn)行控制，下面是小編搜集整理的一篇探究汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)的論文范文，供大家閱讀參考。
引言
汽車(chē)在人們的生產(chǎn)和生活中得到廣泛應用的同時(shí)，道路交通安全形勢也愈加嚴峻，造成道路交通事故頻發(fā)。據統計，每年有120萬(wàn)人死于交通事故，2千萬(wàn)~5千萬(wàn)人受傷，總損失占GDP的1%~2%.為此，對于駕駛人輔助系統等主動(dòng)安全技術(shù)的研發(fā)，減少駕駛員的誤判機率預防交通事故的發(fā)生具有深遠的現實(shí)意義。
1汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)的發(fā)展現狀
20世紀80年代前，汽車(chē)安全性的研發(fā)重點(diǎn)在安全帶、安全座椅等被動(dòng)安全設備上。后來(lái)人們意識到事故前對車(chē)輛運動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并在必要時(shí)進(jìn)行干涉或預警更具有現實(shí)意義。開(kāi)始從提高車(chē)輛制動(dòng)性能的角度來(lái)提高其主動(dòng)安全性，其中制動(dòng)防抱死裝置(ABS)有效抑制制動(dòng)抱死導致的跑偏與側滑事故，保證了汽車(chē)的制動(dòng)安全性。ABS在20世紀90年代廣泛普及，隨后迎來(lái)了電子制動(dòng)系統(EBS)、制動(dòng)輔助系統(BAS)及驅動(dòng)防滑系統(ASR)等相關(guān)主動(dòng)安全系統，多種安全系統集成化趨勢初現。
隨著(zhù)電子技術(shù)、通信技術(shù)和傳感技術(shù)的廣泛應用，汽車(chē)安全技術(shù)迎來(lái)日新月異的發(fā)展局面。1986年，奔馳汽車(chē)公司發(fā)起，聯(lián)合歐洲的14家汽車(chē)制造廠(chǎng)、70多家零部件企業(yè)和120個(gè)大學(xué)制定普羅米修斯(Prometheus)計劃，在駕駛員、車(chē)輛、駕駛和交通環(huán)境及運輸系統間建立必要的聯(lián)系[1],從而實(shí)現車(chē)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(chē)產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界組成的先進(jìn)安全車(chē)推進(jìn)檢討會(huì )，開(kāi)始了先進(jìn)安全車(chē)ASV(AdvancedSafetyVehicle)的研究計劃，為智能交通系統ITS(IntelligentTraf-ficSystem)的汽車(chē)做準備[2].
2主動(dòng)安全技術(shù)的構成
駕駛員駕車(chē)的過(guò)程是人、車(chē)和環(huán)境之間信息交流的過(guò)程，構成人-車(chē)-環(huán)境信息流的閉環(huán)系統，車(chē)輛性能的完善取決于閉環(huán)系統中三者相互作用的協(xié)調與各自特性的最佳匹配[3].對于三者的研究成為主動(dòng)安全技術(shù)的主要內容，具體分為底盤(pán)控制系統、駕駛人輔助系統和基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的通訊系統等。圖1為主動(dòng)安全系統與閉環(huán)系統關(guān)系示意圖。
2.1底盤(pán)控制系統
汽車(chē)底盤(pán)使汽車(chē)按照駕駛人的意圖作加速、減速和轉向運動(dòng)。汽車(chē)底盤(pán)控制的原理是在給定的路面附著(zhù)系數和車(chē)輪法向力下對車(chē)輪滑動(dòng)(轉)率和側偏角進(jìn)行控制，來(lái)間接調控輪胎的縱向力和側向力，最大限度地利用輪胎和路面之間的附著(zhù)力，提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性、機動(dòng)性和舒適性[4].
汽車(chē)底盤(pán)控制系統按汽車(chē)的運動(dòng)方向可以分為三類(lèi)：縱向的制動(dòng)和驅動(dòng)控制、橫向的轉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(guò)改變輪胎縱向力實(shí)現制動(dòng)或驅動(dòng)控制，包括制動(dòng)防抱死系統(ABS)、牽引力控制系統(TCS)、電子穩定性控制系統(ESC)等;橫向控制主要通過(guò)改變輪胎的側向力實(shí)現轉向控制，包括四輪轉向系統(4WS)、可變傳動(dòng)比系統(VGS)、主動(dòng)前輪轉向系統(AFS)等;垂向控制通過(guò)改變輪胎垂向力實(shí)現懸架調節，包括阻尼連續可調的半主動(dòng)懸架系統(CDC)、主動(dòng)懸架系統(ASS)、主動(dòng)橫向穩定桿(ARS)等。由于汽車(chē)各個(gè)方向的運動(dòng)相互聯(lián)系和影響，底盤(pán)各主動(dòng)控制子系統集成控制已成為車(chē)輛主動(dòng)安全控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
底盤(pán)集成控制是將現有的各子系統聯(lián)合起來(lái)，使其協(xié)調各自的特性來(lái)優(yōu)化控制結果。有兩種ECU布置方式：一種是僅有一個(gè)中控ECU,另一種是每個(gè)子系統各有一個(gè)獨立的ECU,各ECU之間通過(guò)信息交互協(xié)同控制[6].底盤(pán)集成在降低系統復雜性、消除各子系統沖突、實(shí)現信息共享和提高汽車(chē)綜合性能方面的優(yōu)越性使其在主動(dòng)防側翻等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。其中，統一底盤(pán)控制系統UCC(UnifiedChassisControlSystem)集成ESC和AFS等底盤(pán)控制模塊，在預防車(chē)輛側翻的同時(shí)確保車(chē)輛保持良好的操縱性和橫向穩定性。車(chē)速控制算法用來(lái)預防車(chē)輛翻轉，側滑控制算法提高操縱性和橫向穩定性[7].
2.2駕駛人輔助系統
駕駛員是引發(fā)交通事故的首要因素。在行車(chē)過(guò)程中，車(chē)輛、駕駛人、環(huán)境三者相互作用，構成一個(gè)閉環(huán)系統，系統的輸入為駕駛目標，輸出是汽車(chē)的反應，駕駛員相當于系統的控制器[8].汽車(chē)行駛的安全性取決于道路交通環(huán)境的復雜性，同時(shí)也取決于這種復雜環(huán)境能否以“信息”的形式客觀(guān)地顯示出來(lái)，并為駕駛員所感受[9].基于這種需求出現了駕駛人輔助系統，包括汽車(chē)避撞系統、車(chē)道保持系統等。
2.2.1汽車(chē)避撞系統
汽車(chē)避撞系統運用雷達、紅外激光、超聲波和機器視覺(jué)等多種傳感器來(lái)監測汽車(chē)周?chē)h(huán)境和行駛路徑，同時(shí)采集車(chē)輛本身的速度、滑移率、加速度和不同控制元件(制動(dòng)踏板等)的狀態(tài)并評估駕駛人的注意力狀況，將以上信息運用避撞算法進(jìn)行處理，然后判斷出對駕駛人進(jìn)行預警或對車(chē)輛進(jìn)行主動(dòng)干預和控制的時(shí)機[10].汽車(chē)避撞系統根據從預警到控制和駕駛情景的不同具體分類(lèi)如下：
(1)行車(chē)前撞預警系統(ForwardCollisionWarningSystems,FCW)
行車(chē)前撞預警系統也被稱(chēng)為追尾碰撞預警系統，旨在提醒后方跟隨車(chē)輛駕駛人前方即將到來(lái)的碰撞危險，從而減少追尾碰撞的次數和危害，并減輕人員和財產(chǎn)損失。目前市面上存在兩種行車(chē)前撞預警系統：完全行車(chē)前撞預警系統(主要應用于乘用車(chē))和制動(dòng)能效行車(chē)前撞預警系統(主要應用于貨車(chē))。前者獨立于自動(dòng)巡航系統，當與前方車(chē)輛共同行駛在直線(xiàn)路段且存在碰撞風(fēng)險時(shí)優(yōu)先發(fā)出預警提醒后方駕駛人，一般用于可能出現重大碰撞事故的狀況;后者與自動(dòng)巡航系統相連，當貨車(chē)趕上前方緩慢行駛的車(chē)輛并且自動(dòng)巡航系統不能有效制動(dòng)時(shí)發(fā)出碰撞警告，此時(shí)預警信號提醒駕駛人采取制動(dòng)等合理的應對措施來(lái)避免或減輕碰撞事故[11-12].
(2)汽車(chē)轉向避撞輔助(SteeringandEvasionAssist)
目前，國內外汽車(chē)主動(dòng)避撞的研究絕大多數集中在避撞系統的縱向控制[13],對于橫向控制方面的研究較少。緊急制動(dòng)系統可以減輕甚至阻止碰撞的發(fā)生，但是當障礙物突然出現或者即使以最大強度制動(dòng)仍然不能避免碰撞等狀況下，駕駛人的反應不足以避免碰撞事故的發(fā)生，轉向干預不失為一個(gè)新的避撞選擇。此時(shí)的緊急避撞行為可視為一個(gè)自動(dòng)干預的過(guò)程，通過(guò)傳感器探測障礙物位置，采集車(chē)輛周?chē)h(huán)境信息并據此計算避撞軌跡，然后車(chē)輛在橫向引導控制器的作用下沿預定避撞軌跡規避障礙物而不需要駕駛人的協(xié)助[14].
(3)自適應巡航控制系統(AdaptiveCruiseControl,ACC)
汽車(chē)自適應巡航控制系統(ACC)是在傳統巡航控制系統(CCC)基礎上發(fā)展起來(lái)的，除了可以定速巡航外，當交通環(huán)境的變化使得車(chē)輛變速行駛時(shí)，ACC系統應用車(chē)載傳感器信息自動(dòng)調整車(chē)速，保持與前車(chē)的安全距離。在適當的交通工況下部分地取代駕駛員對車(chē)輛進(jìn)行合理的縱向控制，以提高車(chē)輛的主動(dòng)安全性與乘坐舒適性[15-16].
(4)泊車(chē)輔助系統(ParkingAssist)
汽車(chē)的外形大都被設計成近似楔形的結構以減輕空氣阻力降低燃油消耗，這種楔形結構在車(chē)輛行駛時(shí)會(huì )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(chē)輔助系統被引入歐洲市場(chǎng)，這類(lèi)系統監測車(chē)輛的前部和后部來(lái)探測停車(chē)區域的尺寸，當存在引起碰撞風(fēng)險的障礙物時(shí)提醒駕駛人。近年來(lái)，基于傳感器技術(shù)的半自動(dòng)泊車(chē)輔助系統已經(jīng)在部分車(chē)型上得到了應用，該輔助系統可以在駕駛人控制車(chē)輛的縱向運動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)自動(dòng)轉向將車(chē)輛駛入平行的停車(chē)位置。
2.2.2車(chē)道保持系統(LaneKeepingSystem)
由于駕駛人的注意力分散、疾病或疲勞而引起的無(wú)意識車(chē)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(lèi)事故，將提高車(chē)輛行駛安全性和長(cháng)途行駛的舒適性結合起來(lái)的車(chē)道保持系統應運而生。
車(chē)道保持系統根據主動(dòng)和被動(dòng)分為車(chē)道保持輔助系統和車(chē)道偏離預警系統。前者不依賴(lài)于駕駛人，而是直接控制車(chē)輛運動(dòng)方向來(lái)保持安全行駛。與全自動(dòng)車(chē)輛相比，這種輔助系統中，駕駛人仍然具有對于車(chē)輛的優(yōu)先控制權[18].文獻[19]中提出了一類(lèi)車(chē)道保持輔助系統，應用車(chē)上現有的ABS系統等硬件，當車(chē)輛一側制動(dòng)時(shí)，另一側車(chē)輪仍然轉動(dòng)，通過(guò)這種差速制動(dòng)引起的側偏運動(dòng)來(lái)回正車(chē)輛，同時(shí)駕駛人對于車(chē)輛轉向的操縱性能不受影響。文獻[20]提出了一種車(chē)輛四周分布“虛擬減震器”的設想來(lái)應對橫向和縱向的障礙物。車(chē)道偏離預警系統通過(guò)聲音或振動(dòng)提醒駕駛人即將出現的車(chē)道偏離，這種系統依賴(lài)于駕駛人對于預警采取應對措施而不能主動(dòng)地對車(chē)輛進(jìn)行控制[21-22].以上兩種車(chē)道保持系統都需要傳感技術(shù)來(lái)確定車(chē)輛在道路上所處的位置，通過(guò)視覺(jué)技術(shù)分辨道路標志標線(xiàn)來(lái)確定車(chē)輛的位置和方向。
2.3基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的通訊系統
基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的通訊系統是一種包括車(chē)-車(chē)互聯(lián)(V2V)和車(chē)-設施互聯(lián)(V2I和I2V)無(wú)線(xiàn)通訊的智能協(xié)同系統，旨在增加駕駛人與環(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(wù)的集成提供開(kāi)放的平臺[23],是物聯(lián)網(wǎng)在智能交通系統ITS領(lǐng)域的延伸。其中，車(chē)-車(chē)互聯(lián)(V2V)和車(chē)-設施互聯(lián)(V2I和I2V)都采用專(zhuān)用的短距離通訊DSRC作為媒介，由于車(chē)-車(chē)互聯(lián)(V2V)通訊有權采取Ad-hoc網(wǎng)與其他車(chē)輛聯(lián)系，故又被稱(chēng)作車(chē)輛Ad-hoc網(wǎng)絡(luò )。
在歐洲，車(chē)聯(lián)網(wǎng)通訊系統主要基于三種類(lèi)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(wù)聲明信息SAMs.CAMs由控制頻道上的所有車(chē)輛和設施單元定期傳播以提供和接收短距離鄰近節點(diǎn)的位置和狀態(tài)信息。DENMs對于事件驅動(dòng)的應用提供支持，用來(lái)將特殊事件(某車(chē)輛的緊急制動(dòng)等)告知周?chē)能?chē)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(chē)輛或設施單元立刻會(huì )廣播一條分散式環(huán)境通知信息給事件相關(guān)區域的鄰近節點(diǎn)，并會(huì )在整個(gè)事件期間重復播出。SAMs也會(huì )由控制頻道上的所有車(chē)輛和設施傳播，旨在聲明服務(wù)頻道上的各項服務(wù)的有效性。在美國，這三類(lèi)信息的功能主要被車(chē)輛環(huán)境無(wú)線(xiàn)準入的短信息和服務(wù)廣告實(shí)現[24].
3總結
主動(dòng)安全技術(shù)可以在事故發(fā)生前及時(shí)監測并排除不安全因素，對駕駛人的行為進(jìn)行預警或干預，確保行車(chē)安全。盡管主動(dòng)安全技術(shù)有著(zhù)優(yōu)越的特性，但是也不能完全取代被動(dòng)安全裝置。并且由于主被動(dòng)技術(shù)的獨立性，使得傳感器等的功能重復，增加了系統的復雜性和成本。因此，主被動(dòng)安全技術(shù)的集成已經(jīng)成為未來(lái)汽車(chē)安全技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)，在此基礎上結合ITS智能交通系統技術(shù)，汽車(chē)安全技術(shù)進(jìn)入了汽車(chē)一體化安全的新階段。
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