孫德鑫 石振周 王子奇

合肥工業(yè)大學 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，縮短了出行時間，擴大了活動范圍；汽車產(chǎn)業(yè)的進步也推動了國家經(jīng)濟的發(fā)展，創(chuàng)造了大量的就業(yè)機會。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峻，道路交通事故頻發(fā)，造成了巨大的生命財產(chǎn)損失。根據(jù)官方統(tǒng)計，近些年我國因交通事故造成的人員傷亡與經(jīng)濟損失高居不下，我國是因交通事故死亡人數(shù)最多的國家，帶來的經(jīng)濟損失高達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不及時而造成的。如果駕駛員能夠在交通意外發(fā)生之前，提前意識到事故的發(fā)生趨勢，及時采取相關應對措施，就能夠有效避免事故的發(fā)生。因此，大力開發(fā)汽車主動安全技術，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)生前采取相應的措施來避免事故的發(fā)生，而不是在事故發(fā)生時甚至是事故發(fā)生后再采取措施。汽車主動安全技術因在安全性上起到保護作用，可提高駕駛安全性，故受到廣泛關注與認可。

2 主動安全技術的研究現(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，隨著汽車技術的不斷進步與科技的不斷創(chuàng)新，汽車行業(yè)發(fā)生巨大變革，汽車數(shù)量的不斷增加，導致汽車交通事故問題愈發(fā)凸顯，于是汽車安全技術問題也逐漸走到人們的視野中。歐美發(fā)達國家最早在上世紀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。安全技術的發(fā)展與相關設備的研發(fā)也在同步進行。最早在七十年代，出現(xiàn)了以保護兒童為主的安全座椅、安全頭枕等，隨后相繼出現(xiàn)安全輪胎等設備，汽車被動安全得到一定程度的提高。進入到八十年代，汽車數(shù)量猛增，交通安全事故并未減少，反而逐年增加，人們開始意識到車輛運動過程中的安全性與穩(wěn)定性，并開始入手車輛運動狀態(tài)的監(jiān)測，通過對速度監(jiān)測來采取必要的預警或干涉措施，由此避免車輛安全事故的發(fā)生，提高制動性能。九十年代隨著電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，汽車主動安全技術也迎來快速發(fā)展，各種新技術層出不窮。進入21世紀，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，汽車主動安全技術也向著集成化、智能化的方向發(fā)展。

3 主動安全技術的基本概念

汽車主動安全技術不再以被動安全保護為主，而是基于先進的預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)模集成電路的應用，汽車的主動安全系統(tǒng)應用越來越廣泛，一方面表現(xiàn)在主動安全技術的種類越來越多，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)為主動安全技術越來越平民化，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 主動安全技術的分類

按照主動安全技術作用的時間，可以分為事故預防安全技術以及事故前的安全技術。其中事故預防安全技術主要有：車道偏離預警系統(tǒng)、車道變更輔助系統(tǒng)、前向碰撞預警系統(tǒng)、盲點檢測系統(tǒng)、夜視行車輔助、抬頭顯示；事故前的安全技術主要有：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)、電子制動力分配系統(tǒng)等。

圖1 多種主動安全技術展示

5 前向碰撞預警系統(tǒng)

根據(jù)世界衛(wèi)生組織調查研究報告數(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產(chǎn)損害。前向碰撞預警系統(tǒng)具有極大的現(xiàn)實意義，能夠達到對障礙物距離的實時自動測量，并及時向駕駛員提出預警通知，便于及時采取相應安全措施。

汽車前向碰撞預警系統(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，當車輛間行駛距離小于安全距離時，就會發(fā)出相應報警信號，提醒駕駛員及時采取制動措施。該裝置以主動安全技術理念能夠做到將安全事故提前消除，保護駕駛員及車上人員人生安全，并保障了財產(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)濟損失。

5.1 發(fā)展歷程

世界各國對于前向碰撞預警系統(tǒng)的研究時間不一，最早在上世紀六十年代 初期，以美國、德國、日本為首的發(fā)達國家對前向碰撞預警機制展開了相關研究，隨著數(shù)十年的發(fā)展，取得了很大的成就，不少技術與系統(tǒng)已經(jīng)應用到現(xiàn)實生活中。八十年代中期，考慮到成本因素，雷達防碰撞等系統(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，對雷達系統(tǒng)防碰撞技術展開研究，在芯片技術的發(fā)展下，研制出了性能良好的防碰撞系統(tǒng)，并應用到部分汽車安全領域中。

圖3 FCWS功能展示

到了九十年代中期，在工業(yè)技術上精益求精的德國也開始將汽車安全技術的研究推上世界舞臺的前列，德國、日本等汽車生產(chǎn)商也紛紛聯(lián)合，參與到ASV計劃中。1995年，日本豐田公司對主動預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，但是進入到21世紀以來，隨著投入的加大，也取得了不錯的成果，在一些技術上超過了許多發(fā)達國家。比如福特公司所研發(fā)的防碰撞系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)良好的距離探測，控制頻率范圍在24.75GHz以內。然而該裝置有一項缺點，即報警準確率相對較低，且成本比較高，最終沒有在全世界得到廣泛的應用。

我國對于前向碰撞預警系統(tǒng)的研究起步較為落后，許多關鍵技術的研發(fā)還不是很成熟，從九十年代末期一直由高校承擔先進技術的研發(fā)，如清華大學等。再加上政策因素及國外技術的封鎖，我國許多技術尚停留在實驗階段。

5.2 實施方式

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

（1）車輛正常行駛的情況下，防碰撞系統(tǒng)會實時計算車輛安全行駛距離，以及評價車輛安全程度，對汽車行駛安全狀態(tài)進行監(jiān)測，此時不做動作，避免影響正常駕駛。

（2）系統(tǒng)判斷車輛為危險狀態(tài)時，就會及時展開動作，自動關閉油門，警示駕駛員采取相關制動措施。如果駕駛員未采取措施，則系統(tǒng)將會自動控制車輛制動或轉向，及時避免車輛碰撞，直至回到安全行駛狀態(tài)后，系統(tǒng)將解鎖自動控制。

（3）系統(tǒng)判斷車輛無法避免危險時，將會采取最優(yōu)化方案，盡最大可能減少危險傷害，及時采取被動安全控制措施，主要根據(jù)障礙物危險程度進行自動判斷。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部分：

圖4 FCWS實施方式

（1）行駛信息感知模塊：主要由各種傳感器構成，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行處理；

（2）中央控制器ECU：將采集的各種行車信息進行分析處理，根據(jù)預先設定的程序及算法進行計算，判斷是否存在危險，必要時向執(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)行相應操作，實現(xiàn)車輛的減速與制動。

5.3 核心元件

汽車防撞雷達最為汽車前向碰撞預警系統(tǒng)的核心部分，對汽車的安全性能起著至關重要的影響。防撞雷達是由感應器與藏有微電腦控制器、蜂鳴器所構成的系統(tǒng)裝置撞雷達的主要工作特點在于能夠實時根據(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，及時警示駕駛員打開安全氣囊，操縱制動設備等，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障礙物，根據(jù)障礙物危險程度做出相應的預防措施。筆者在此介紹一種毫米波防撞雷達的工作原理與性能特點：

防撞雷達按照系統(tǒng)工作性能可以分為四個部分，天線、傳輸系統(tǒng)、信號處理器、終端控制器。如圖4所示為結構框圖。傳輸系統(tǒng)包括調制信號、發(fā)射機、接收機、混頻器、振蕩源等。信號采集處理系統(tǒng)由解調器、濾波器等組成。終端控制系統(tǒng)由顯示模塊、報警模塊組成。

圖5 車載防撞雷達的結構框圖

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

6 主動安全技術的發(fā)展趨勢

汽車工業(yè)在不斷地隨著技術的進步而發(fā)展，作為保障行車安全的技術基礎——汽車安全技術也在不斷地更新?lián)Q代。主動安全技術作為更高端，更有效的安全技術吸引著大批公司進行研究和開發(fā)，隨著電子技術，網(wǎng)絡技術，集成技術，軟件技術的發(fā)展。

汽車主動安全技術將會主要呈現(xiàn)出三個發(fā)展趨勢：

（1）電子化：汽車主動安全技術與電子化技術的發(fā)展密切相關，系統(tǒng)電路的實現(xiàn)就是依靠電子化技術的運用，包括信息獲取與傳遞等。汽車主動安全技術的發(fā)展進程中，電子化技術的運用將會進一步完善安全系統(tǒng)，電子信息的傳遞速度將會不斷提升，處理便利性也會不斷完善，確保汽車主動安全技術穩(wěn)定、迅速。

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

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

在未來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，汽車生產(chǎn)與安全技術研發(fā)也將不斷進步，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域廣泛關注，只有不斷發(fā)展先進技術，才能夠保障汽車主動安全系統(tǒng)運作的精準化與高效化。