主动安全技术将成未来汽车的研发重点

  交通安全问题已成为世界性的大问题。据报载,全世界每年因交通事故死亡的人数约50万,因此汽车的安全性对人类生命财产的影响是不言而喻的。随着高速公路的发展和汽车性能的提高,汽车行驶速度也相应加快,加之汽车数量增加以及交通运输日益繁忙,汽车事故增多所引起的人员伤亡和财产损失,已成为一个不容忽视的社会问题,汽车的行车安全更显得非常重要。



  现代汽车主动安全技术的发展趋势

  汽车安全设计要从整体上来考虑,不仅要在事故发生时尽量减少乘员受伤的机率,而且更重要的是要在轻松和舒适的驾驶条件下帮助驾驶员避免事故的发生。现代汽车的安全技术包括主动安全技术和被动安全技术两方面。而被动安全技术和主动安全技术是保证汽车乘员安全的重要保障。过去,汽车安全设计主要考虑被动安全系统,如设置安全带、安全气囊、保险杠等。现在汽车设计师们更多考虑的则是主动安全设计,使汽车能够主动采取措施,避免事故的发生。在这种汽车上装有汽车规避系统,包括装在车身各部位的防撞雷达、多普勒雷达、红外雷达等传感器、盲点探测器等设施,由计算机进行控制。在超车、倒车、换道、大雾、雨天等易发生危险的情况下随时以声、光形式向驾驶员提供汽车周围必要的信息,并可自动采取措施,有效防止事故发生。另外在计算机的存储器内还可存储大量有关驾驶员和车辆的各种信息,对驾驶员和车辆进行监测控制。例如,根据日本政府“提高汽车智能和安全性的高级汽车计划”,由日本丰田公司研制成功的“丰田高级安全汽车”即具有驾驶员瞌睡预警系统、轮胎压力监测警告系统、发动机火警预报系统、前照灯自动调整系统、盲区监控系统、汽车间信息传输系统、道路交通信息引导系统、自动制动系统、紧急呼叫(SOS)停车系统、灭火系统以及各向安全气囊系统等,其中有些单项设备已投放市场。

  汽车100多年的发展史中,有关汽车的安全性能的研究和新技术的应用也发生了日新月异的变化,从最初的保险杠减振系统、乘客安全带系统、安全气囊到汽车碰撞试验、车轮防抱制动系统(ABS)、驱动防滑系统(ASR),到无盲点、无视差安全后视镜及儿童座椅系统的研究,汽车的安全性能正日趋完善。特别是近几年,随着科学技术的迅速发展,越来越多的先进技术被应用到汽车上。目前,世界各国都在运用现代高新科,加紧研制汽车安全技术,一批批有关汽车安全的前沿技术、新产品陆续装车使用,使未来的汽车更加安全。

未来汽车电子控制的重要发展方向之一是汽车安全领域,并向几个方向发展:利用雷达技术和车载摄像技术开发各种自动避撞系统;利用近红外技术开发各种能监测驾驶员行为的安全系统;高性能的轮胎综合监测系统;自适应自动巡航控制系统;驾驶员身份识别系统;安全气囊和ABS/ASR。随着更加先进的智能型传感器、快速响应的执行器、高性能电控单元、先进的控制策略、计算机网络技术、雷达技术、第三代移动通信技术在汽车上的广泛应用,现代汽车正朝着更加智能化、自动化和信息化的机电一体化方向发展。

  汽车ABS、BASEBS、ASR和ESP系统

  自上世纪后期以来,汽车技术的最大成就之一,就是汽车防抱制动系统(简称ABS)的实用并在此基础上发展了制动辅助系统(BAS)、电子制动系统(EBS)和驱动防滑装置(ASR)。ABS系统对于汽车在各种行驶条件下的制动效能及制动安全尤为重要,特别是紧急制动,能够充分利用轮胎和路面之间的峰值附着性能,提高汽车抗侧滑性能并缩短制动距离,充分发挥制动效能,同时增加汽车制动过程中的可控性。ABS由传感器、液压单元总成和电单元组成。当车轮抱死时,信号由传感器传递至电控单元,经过判断后给液压单元发出减小制动压力的指令,制动蹄放松,车轮滚动;继续制动,压力增加,抱死后又重复上一过程,如此反复,直到车轮完全停止转动。

 


  ABS能缩短制动距离,并能防止车辆在制动时失控,从而减少事故发生的可能性。但如果采用点制动的办法或制动不够有力,车轮就不会被抱死,ABS就没有机会发挥作用,从而达不到预期的效果。为此,制动辅助系统(BAS)即让现有的ABS具有一定的智能,能测出驾驶员的紧急制动并让ABS工作。BAS分机械式和电子控制式两种。机械式BAS实际上是在普通制动助力器的基础上稍加修改而成,在制动力不大时,它起到助力器的作用,随着制动力的增加,助力器压力室的压力便增大,启动ABS。电子控制式BAS的制动助力器上有一个传感器,向ABS控制器输送有关踏板行程和移动速度的信息,如果ABS控制器判断是紧急制动,它就让助力器内阀门开启,增大压力室内的气压,以提供足够的助力。

  EBS可以实现ABS的功能,只需在EBS的控制器里设计相应的防抱死程序就行了。传统的汽车制动系统管路长,阀类元件多。对于长轴距汽车或多轴汽车或汽车列车来说,气体传输路线长,速度慢,常产生制动滞后现象,导致制动距离增大,安全性能降低,而且制动系的成本也比较高。如果将制动系的许多阀省去,制动管路以电线代替,用电控元件来控制制动力的大小和各轴制动力的分配,便是汽车的电子制动系统(EBS)。ABS的制动系可以沿用传统的阀类控制元件,而EBS则是完全的电控制动系统。汽车制动系统的电子化,还容易与其它电控系统集成在一起,如汽车发动机燃油和点火的控制、主动或半主动悬架、自动换档和防碰撞系统的控制等,为汽车实现电子化提供了良好条件。此外,EBS还具有监控作用。在汽车起步、匀速或加(减)速过程中,电子控制器还可监视各车轮的速度或加速度,一旦发现某一车轮有打滑趋势,便可对打滑车轮实现部分制动,使其它车轮获得更大的驱动力矩,以便顺利起步或加速。同时EBS还容易实现系统的故障自动诊断,随时将制动系统的故障通过警报系统报告驾驶员,以便及时进行修复,从而保证行车安全。

  驱动防滑装置(ASR)主要用来防止汽车在起步、加速时车轮的滑转,保证汽车的加速过程中的稳定性并改善在不良路面上的驱动附着条件。驱动防滑装置又称电子防滑系统,它还可以使无差速锁的汽车在冰雪路面和泥泞道路上起步并改善其通行能力,还可能防止在车速较高并通过滑溜路面又转弯时汽车后部的侧滑现象。总之,由于ASR防止了车轮的滑转,便可最大限度地利用发动机的驱动力矩,保证汽车有足够的纵向力、侧向力和操纵力,使汽车在起动、转向和加速过程中,在滑溜和泥泞路面上和在山区上下坡过程中都能稳定地行驶,既可保证行车安全,减小车轮磨损和燃油消耗,又能改善汽车的驱动性能。ASR往往是ABS或EBS的扩展,并共用它们的部件装置。

  电子稳定控制(ESP),它能防止车辆侧滑从而避免事故发生。ESP整合了ABS和ASR,因此它能防止车轮在制动时抱死,在起动时打滑。

  汽车行驶过程中,ESP在获得车身各处传感器信息后分析计算得出驾驶员的驾驶意图,评估车辆打滑的危险,在有可能发生危险的时候,选择性地对各个车轮实施独立的制动,并能自动降低发动机的输出,将车辆换到驾驶员期望的方向,从而提高车辆在各种情况下转向稳定性,有效减少交通事故的发生。特别在转弯时,当车辆受侧向力作用时,ESP能稳定行驶,ESP整合有侧向加速度传感器和横摆角速度传感器和转向角传感器。而ABS、ASR仅作用于车辆行驶方向。

  安全气囊对传感器提出高要求

  提到汽车安全,人们首先想到的可能是安全气囊。安全气囊的主要电控系统包括传感器和电控单元等。汽车安全给安全气囊提出的高标准促使其对传感器提出了更高的要求。未来对传感器的要求体现在以下几个方面:一是可靠性;二是智能化;三是成本要低;四是无线化、集成化和网络化。无线化、集成化和网络化为未来研究的重点课题。车用传感器需要满足多项环境、可靠性和成本等方面的要求。具体来说,一方面必须能经受各种高、低温、振动、冲击、潮湿、腐蚀性气体、电磁干扰等不利因素的考验;另一方面也必须适于大批量生产。此外,其可靠性也应与汽车高达10年/15万km的使用寿命相一致。针对这些要求,出现了相应的新技术和产品。用于安全气囊的碰撞传感器从简单的“球管”(Ball And Tube)式传感器演化为MEMS加速度传感器。高集成度安全气囊控制器(ACU)可以不停地与相应的内部传感器和外围传感器进行数据交换,以保证安全气囊按照要求顺利点爆,压力传感器和加速度传感器的结合使用可以使控制器在几毫秒内做出判断从而点爆侧面安全气囊。

  驾驶员控制和显示装置

  出于安全驾驶的需要,驾驶员必须持续注视道路的情况,因此,各大汽车厂商都对各种控制和显示装置的尺寸、型式、感觉和功能进行精心设计,以使驾驶员能够轻易地操纵和可视,这越来越成为原型车设计和测试阶段所要考虑的重要因素。

  美国福特公司最近发明了一种光学系统,能使驾驶员免除不时观看汽车仪表盘的麻烦。这些仪表将被一块仿佛漂浮在汽车迎面玻璃前3m左右的显示屏所代替。这个效果的取得是借助安装在刻度仪表盘上的一个特殊仪器,它能将驾驶员所需的情况,以数字的形式投射到汽车风窗玻璃内安装的“全息摄影镜”上。该镜只反射蓝、绿两种颜色的光线,其余光线均可穿透,因而驾驶员只能看见明亮的蓝、绿色数据,这就是造成一种幻觉,好象它就在汽车前方某个地方浮动,镜子不会妨碍驾驶员对路面的观察。设计人员认为该系统使交通更为安全,因为驾驶员不再需要一会儿看仪表,一会儿看公路了。目前,还在研制并开始初步实施一种可移动的制动和制动踏板即它们的位置可由驾驶员移动,这样,驾驶员就可以将座椅移动到更加舒适的位置,更方便地控制转向盘和其他控制装置。这已在通用汽车公司的Hy-Wire车用线控技术的燃料电池概念汽车上实施。

 


  总线技术将得到广泛应用

  目前,汽车上的电子设备急剧增多。如何使各个系统的信息资源能够共享、减少车辆上导线的数量和重量、降低制造成本成为业界关心的一个重要问题。基于此,数据总线技术在汽车上的应用得到了高速发展,其能够满足汽车上电子系统数据传输安全可靠、数据共享和系统集成等需要。总线技术未来发展的一个重要方向就是那些基于开放产业标准的总线系统肯定会在世界范围内得到迅速普及。用于安全气囊系统的安全总线主要连接加速度传感器、安全传感器等装置,为被动安全提供保障。智能化安全气囊的研制需要和线控有机结合起来,目前尚需要在系统前期设计时考虑其兼容性和可靠运行性。目前国际上有一系列汽车总线标准,包括:用于多媒体的IDB-1394和MOST、用于线控的FlexRAY和TTCAN、用于动力总成控制的CAN、IDB-C和GMLANSWC、用于车身控制的J1850和LIN、用于诊断的Keywrod2000和ISO 9141。目前得到广泛应用的是宝马公司名为ISIS的安全气囊控制系统,它是由14个传感器构成的网络,利用Byteflight来连接和收集前座安全气囊、后座安全气囊以及膝部安全气囊等安全装置的信号。

  智能汽车技术

  智能汽车技术的发展是随着智能交通系统(ITS)的发展而发展的。目前,欧、美、日等技术发达国家均开展此项目的研究工作。各国按照各自的实际情况进行,其共同特点是,首先由政府出面参加研制,协调好各部资金的筹措和资金的使用管理。其次,着眼于未来,制订长远的研制发展实施规划。与安全有关的智能汽车研制项目包括:一是车偏离警告系统。它能够防止由于车辆偏离相应的行驶路线引起的碰撞或交通事故。该系统能够通过路侧和车载传感器装置快速收集有关车辆临近区域的车辆位置和移动信息以及车辆前方影响行驶的障碍物。当系统检测到可能发生危险时,包括车辆偏离行驶车道、两车的距离或行驶速度不合理、车辆行驶前方有障碍物等,该系统发出警告,以帮助驾驶员正确地驾驶汽车;二是驾驶辅助系统。该系统通过在前述的车道偏离警告系统中加入自动控制功能来帮助驾驶员对汽车的操控。当系统认为检测到的情况危险时,包括本车或临近区域车辆出现问题以及有障碍物等,该系统的自动车速和转向控制装置以及制动装置便发生作用;三是碰撞规避系统。利用装备在车辆上的监测装置,如超声波传感器红外探测器、雷达传感器等对车辆的临近区域进行探测,当遇到危险时向驾驶员提供警示或自动采取相应措施。它包括:纵向避撞──有助于防止车辆之间、车辆与其他物体或行人之间正面或尾部的碰撞。该系统有助于减少碰撞的数量及减轻受损程度,它包括对潜在或临近碰撞的探测,提醒驾驶员采取即时规避动作并临时性控制车辆。侧向避撞──有助于防止车辆偏离行驶车道引起的侧面碰撞。该系统为改变车道与驶离道路和车辆碰撞警示与控制,有助于两辆或多辆汽车以及驶离道路的单辆汽车减少侧碰事故。在改变车道时,现场显示器能够连续地监视车辆盲点,驾驶员能够得到有效的临近碰撞警示。根据需要,能够很快地采取自动控制。警示系统还能提醒驾驶员临近的道路交叉口、帮助车辆免于偏离行驶车道,最后在危险状况下提供自动导向及油门控制。道路交叉口避撞──有助于防止车辆在道路交叉口的碰撞。该系统在车辆驶近或穿越一处于交通控制(如停车信息或其他交通信息)的道路交叉口时,为驾驶员提供迫近碰撞警报。当交叉口车辆合法通行车道视野不清时,该系统还能为驾驶员提供警示。视觉强化防止碰撞──改善驾驶员观察道路及道路上或道路旁物体的能力。视觉强化将有助于驾驶员避免与其他车辆或道路上物体相碰撞,也能使驾驶员遵守交通标志及交通信号。该系统要求具备车载探测潜在危险的设备、对危险信息进行处理并且以对驾驶员有帮助的方式显示信息;四是监测系统──用对驾驶员、车辆和道路状况进行监测并提供警示。车载设备将以不易察觉的方式监测驾驶员状态,在驾驶员困乏或其他身体不适的情况下提出警示。另外,该系统也能对车辆关键部件进行监测,当可能发生功能障碍时向驾驶员发出警报。车载设备还以探测不安全的道路状况,如桥面结冰、路面积水,并向驾驶员发出警示;五是自动驾驶公路系统──自动驾驶公路系统是智能交通系统的一个长远目标。它包括公路基础设施信息收集系统、路-车通信系统、车-车通信系统、障碍物检测系统、危险警告系统、加速/偏航和间距检测和控制系统、车辆横向/纵向控制系统、自动回避碰撞系统、微机控制节气门系统、微机控制转向机构、微机控制制动系统、人机交互计算机等。它创造了一个近乎没有事故的驾驶环境,能够显著提高汽车的安全性。

  虽然人们采用各种方法来保证驾驶员的安全,但是如何避免事故发生才是我们对于未来车辆安全的讨论重点。因为只有最大程度地减少事故发生率,才能最好地体现车辆安全。可以预见,主动安全将成为未来汽车安全技术发展的重点和趋势。在不断完善被动安全系统的同时,逐渐地发展和应用主动安全系统,尽量避免事故的发生,结合行人保护的概念和技术的引入,完善对行人的保护是当今汽车安全的发展趋势。通过数据总线进行系统集成,可以将汽车安全的很多方面,例如防驾驶瞌睡装置、轮胎压力监测报警装置、行人碰撞保护装置集成在一起,提高汽车的安全性能。未来智能行人保护系统(IPPS)、高级驾驶员辅助系统、保持车道状态系统、夜视系统、高灵敏度雷达传感器和激光雷达技术的应用将大大提高汽车主动安全的水平。欧盟委员会和日本政府已颁布了新法规来保护行人和其他易受伤的道路使用者。相信随着技术和立法的不断完善,汽车主动安全技术将成为未来汽车安全技术发展的重点。它将与被动安全技术一起发挥作用,保证驾驶员和行人的安全。汽车安全性已经不仅是个技术问题,在某种程度上也是一个重要的社会问题。汽车的主动安全性因其定位于防患于未然,所以有着广阔的发展前景,越来越受到汽车生产企业、政府管理部门和消费者的重视。

  在汽车业群雄逐鹿的今天,中国汽车工业必须顺应汽车主动安全技术发展的方向,在我国有计划、有步骤地发展现代汽车主动安全技术是势在必行的。