隨著中國汽車工業的飛速發展和汽車保有量的大幅提高，我國每年由于交通事故造成的人員傷亡和財產損失也在隨之大幅的增加。汽車的被動安全性能也就自然而然的越來越受到廣大國人的關注。廠家也越來越多的把自己產品的安全性當 作宣傳的重點，越來越多的世界最新的安全技術研究成果被引進中國，越來越多的中國的工程師和研發人員開始專注于這一領域。

　　汽車主動式安全系統

　　為預防汽車發生事故，避免人員受到傷害而采取的安全設計，稱為主動安全設計，如ABS，EBD，TCS等都是主動安全設計。它們的特點是提高汽車的行駛穩定性，盡力防止車禍發生。其它像高位剎車燈，前后霧燈，后窗除霧燈也是主動安全設計。

　　實現對意外的主動避免和預防需要各種傳感和探測系統，如前后視雷達、夜視系統、紅外線探測、測距、CMOS/CCD影像監視，以及胎壓自動監測系統（TPMS）等。主要的工作原理即傳感器從外界獲得所需的物理模擬信號值，轉化為數字信號后再交由特定的控制單元進行分析，并進行有效的決策和預防措施。

　　圖一　汽車安全系統從被動向主動方式發展的趨勢圖

　　1. 預碰撞系統

　　AWS是Advance Warning System縮寫。是一個意外事故預防和緩和的駕駛輔助系統，在危險發生前給駕駛員提供及時的聲音和視覺報警。目前，公路交通事故已成為全球范圍內日益嚴重的公共安全問題。統計資料表明，其中駕駛員的人為因素導致的公路交通事故率最高。無論是事故數量。還是傷亡人數均分別高達各自總數的90%左右。并且。在導致這些公路交通事故的駕駛員的人為因素中，疲勞和精神分散駕駛是重要原因之一。駕駛員在3s時間內的注意力不集中，造成了其中80%的交通事故，主要表現為車道偏離和追尾事故。 目前。國內外在防止車道偏離和保持安全車距兩個方面都開展了相當多有益的探索，在雷達、激光、超聲波、紅外線、機器視覺等傳感器技術方面都取得了一些突破。經過長期大量的研究實踐，人們逐步認識到采用單目視覺技術，僅使用一臺攝像機，即能在一定程度上實現對前方道路環境、車輛探測及車距監測的功能。 車元素研究顯示，若在公路交通事故發生前的1.5s給駕駛員發出預警，則可避免90%的這類事故。因此，通過在汽車上安裝汽車碰撞預警系統，利用技術手段分析車道、周圍車輛的狀況等駕駛環境信息，一旦當駕駛員發生疲勞及精神分散、汽車出現無意識的車道偏離及汽車間車距過近。存在追尾可能時。能夠及時給予駕駛主動預警，是減少公路交通事故行之有效的技術措施。

　　2. ACC自適應巡航控制系統

　　所謂預碰撞系統，只能在碰撞發生之前做出的一系列積極準備，而并不是“預防”碰撞的發生。目前發展迅速的ACC（Adaptive Cruise Control），即自適應巡航控制，則能部分實現碰撞事故的預防。

　　ACC屬于前向行駛的速度控制系統，主要功能在于控制本車與周邊車輛的安全距離。其通過在車身四周配置的多個傳感器和車內控制系統的先進算法向駕駛員提供安全駕車的輔助信息和建議，并在探測到潛在危險時向駕駛員及時發送警報，甚至直接介入車輛的操控系統加以干預。然而無論如何，ACC僅對剎車擁有部分干預程度，駕駛員仍然是駕駛的核心。

　　ACC實現速度和車距控制的關鍵在于鎖定前方目標車輛，然后計算出該車的速度、加速度等行駛信息。車主會提前為ACC設定反應時間，ACC在行駛時則會再依據輛車的相對速度和當前車距計算出安全車距，并判斷下一步的速度控制；而當輛車距離過近而超出ACC的控制范圍，則系統切換至預碰撞安全處理系統。

　　3. 駕駛警示系統

　　駕駛警示系統主要通過CCD/CMOS等傳感器和影像設備作為監視手段，通過內置辨識系統判斷車輛狀態和駕駛員的行為是否正常，如出現問題則及時發出警示信號避免事故的發生。也有的駕駛警示系統能探測出駕駛員呼出氣體的酒精濃度并給予適當的警告。此外后方和側面的監視器也可屬于駕駛警示系統，其可消除駕駛員的視覺死角，避免倒車時常見的碰撞事故。

　　駕駛警示系統的功能主要包括車道偏離警示（Lane Departure Warning， LDW）、駕駛危險警示、視覺死角警示（或稱盲點檢測）等。其中車道偏離警示主要在駕駛員駛入錯誤的車道進行警告，或在變換車道時提示其打方向燈等動作。

　　駕駛警示系統能為駕駛員的安全駕駛提供有效的輔助信息，但如果輔助信息不夠全面則無法起到其應有的作用。另一方面，一切事物都有其兩面性，如果輔助信息過多或過于復雜，不但對安全駕駛無益，有時反而會讓駕駛員疲于處理各種輔助信息而精力不集中，容易釀成事故。

　　此外，輔助信息通過何種手段發送給駕駛員也是值得研究的問題之一。屏顯、儀表板、語音等屬于傳統的手段，目前還出現了“體感警示”的方式，即汽車通過振動踏板、座椅、方向盤等來向駕駛員發送信息，或引起其注意。

　　4. 電子穩定程序

　　電子穩定裝置（ElectronicStablityProgram）是一種牽引力控制系統，不但控制驅動輪，而且可以控制從動輪。如后輪驅動汽車常出現的轉向過度的情況，此時后輪會失控而甩尾，ESP便會通過對外側的前輪的適度制動來穩定車輛。轉向不足時，為了校正循跡方向，ESP則會對內后輪制動，從而校正行駛方向。

　　隨著近年電子科技的發展，各種汽車智能安全系統也開始發展起來，主要是通過由雷達和攝像機組成的“預知傳感器”，對行車危險進行判斷并幫助駕車者進行處理。這一系統能夠在汽車與其它物體發生撞前的瞬間，自動進行干預以保證安全。

　　傳感器的類型與選用

　　無論是駕駛警示系統這類的輔助提示系統，還是電子穩定程序類的系統接控，其有效的工作基礎是充分可靠的信息以及后臺正確而迅速的判斷能力。獲得可靠信息的關鍵是傳感器及其合理的分布；正確的判斷力則來自控制系統的快速響應和可靠算法。

　　車輛用傳感器依據其具體的特性和用途，分別位于車體的不同位置，主要包括雷達、紅外線、LIDAR（Light Detecting and Ranging）、超聲波、加速度傳感器、CCD/CMOS影像系統等。

　　預碰撞系統中主要運用的傳感器為毫米波雷達或激光雷達。其中毫米波雷達價格較高，主要面向高端車市場；而激光雷達的成本較低，僅為毫米波雷達的1/3左右，針對低價車市場。但在性能上，激光的波長較短，限制了其應用范圍，不利于雨雪天等惡劣環境下的使用。

　　紅外線及影像傳感器為主的監視器技術主要用于行車時的障礙物識別及輔助視野等。紅外線成像又可分為溫度探測的遠紅外（FIR）技術和用于夜視的近紅外（NIR）技術。FIR可探測具有溫度的生物，其可將物體輻射出的熱量顯示為影像；NIR則主要用于夜間等視線不良的情況，可探測得比車燈照射距離更遠，但同時也容易受到對面燈光的影響，其主要用于夜視等輔助路況顯示。

　　如需要探測車外甚至車內的具體情況，則可使用CCD或CMOS元件作為視覺影像傳感器。目前CCD/CMOS的應用日趨廣泛，配合先進的視覺識別算法，其成像范圍內的運動物體、路面狀況及摩擦系數、路邊的交通信號與標志、路面車道分隔線等都可被視別，完全可成為駕駛員的眼睛。

　　CCD/CMOS也可實現較大的動態，來表現昏暗和高反差環境下的圖像細節，該技術通過捕捉高感光度和低感光度兩種畫面并加以合成的方式實現。此外，CCD/CMOS如果與上文所述紅外線或雷達結合，則可組成混合式傳感器（Sensor Fusion）。紅外線發生器照射目標物體后，反射回的紅外線被CCD/CMOS吸收，因此無論白天或夜晚均可對路況加以識別，為駕駛員提供功能強大的輔助視覺。

　　系統構架分析

　　汽車安全系統的預碰撞處理、安全速度/車距控制等各種警示與應變系統的原理都十分類似，即由ECU（中央電子控制單元）接受外界傳感器的相關信息后，通過內置算法進行實時評估并決定最佳的應變措施。因此，汽車電子系統的設計上與一般系統設計并無太大差異，但硬實時性和可靠性是與其它電子控制系統相區別的顯著特點。

　　首先以安全氣囊（Airbag）控制系統為例。該系統主要由駕駛員及乘客面前的安全氣囊，位于車身外的沖撞傳感器（Satellite Sensor），安置于車門、座位和車頂等位置的加速度傳感器（G-Sensor），以及通常為16位或32位MCU的ECU等幾部分組成。當車身受到碰撞，沖撞傳感器會立即向ECU發出信號，ECU則會收集碰撞強度、座椅位置、乘客重量、安全帶情況等參數來進行迅速評估，并在極短的時間內通過電爆驅動器（Squib Driver）打開安全氣囊來保護車內人員的安全。

　　圖二　安全氣囊系統架構圖

　　如圖三所示，主動式懸掛系統（Active Suspension）也是汽車中比較常見的安保系統，其可大幅提高車輛的操控性。主動式懸掛系統主要由傳感器、減震筒及計算機控制系統等組成。該系統可采集汽車的速度、加速度、負重、轉向程度、左右G力等數據來由程序對懸掛系數，和底盤與地面的高度等進行實時調整。

　　圖三　主動式懸掛系統架構組成

　　越來越多地國家的法律法規對防抱死煞車系統（Anti-lock Brake Systems， ABS）的性能提出了要求，對其可靠性的更高要求增加了ABS設計的復雜程度和研發難度。如圖四所示系統中，ABS的主要目的是防止車輛失速滑行的危險情況，當控制環節發現緊急剎車導致轉速過低時，會迅速點放剎車，給予輪胎足夠的滾動空間和更大的抓地力，防止車輛跑偏。該系統的關鍵是輪胎轉速的測量。

　　圖四　 ABS系統構架圖

　　具圖五所示系統為電子式動力輔助方向盤（Electric power Assisted Steering， EPAS）系統，簡稱動力方向盤。相對于傳統的油壓式方向盤，EPAS采用電子式馬達來為駕駛人員提供車輪轉向的輔助控制。EPAS一般由傳感器獲得方向盤的位置、扭矩，再結合車速、發動機溫度、電池供電情況等參數實現電子式馬達的輔助控制。EPAS目前已逐漸進入市場，其不但能使引擎負載降低，還能進一步改善燃油的使用效率。

　　圖五　動力方向盤系統構架

　　預拉緊安全帶（Seat Belt Tensioner）也是先進的行車安全保障系統，其可作為碰撞系統中的子系統。預拉緊安全帶在車輛正常行駛時給駕駛員與乘客較大的肩部空間，使其能享受駕駛與乘車的舒適；但在事故發生的瞬間，為保護人員安全，避免其向前沖擊而造成的身體傷害，預拉緊安全帶可迅速收緊，使人員緊靠座椅，減少其與前方物體發生碰撞的危險。

　　圖六　預拉緊安全帶系統架構圖

　　結論

　　隨著電子技術和控制科學的不斷進步，汽車電子系統也發生了革命性的變革。車輛的安全防護系統也由傳統的安全帶、氣囊等被動式系統，逐漸升級至預碰撞控制等主動安全系統。而這一切的實現則得益于多種傳感器及其控制系統對行車、制動、引擎控制、車速控制、安全防護等性能的支持。

　　未來的汽車電子系統中，加速度傳感器、陀螺儀等先進傳感器的進一步發展、控制環節單芯片的趨勢，以及車載網絡系統的形成，都將對實時性、處理速度、數據傳送能力等方面的性能大幅提高，屆時人們在享受高速的出行便利的同時，也可得到最大限度的安全保障。