浅析主动安全技术之前向碰撞预警系统

2018-05-31孙德鑫石振周王子奇

时代汽车 2018年4期

孙德鑫石振周王子奇

合肥工业大学安徽省合肥市 230009

1 引言

汽车，作为现代主要交通工具，给人们工作和生活带来了重要的影响。一方面，汽车极大地便利了人们的生活，缩短了出行时间，扩大了活动范围；汽车产业的进步也推动了国家经济的发展，创造了大量的就业机会。但是另一方面，随着汽车保有量的急剧上升，道路交通安全形势愈加严峻，道路交通事故频发，造成了巨大的生命财产损失。根据官方统计，近些年我国因交通事故造成的人员伤亡与经济损失高居不下，我国是因交通事故死亡人数最多的国家，带来的经济损失高达1400亿人民币，大约是我国GDP的1.5%。[1]研究表明：在所发生的交通事故中，绝大部分是由于驾驶员反应不及时而造成的。如果驾驶员能够在交通意外发生之前，提前意识到事故的发生趋势，及时采取相关应对措施，就能够有效避免事故的发生。因此，大力开发汽车主动安全技术，对提高交通安全起到重要作用。安全性能高的汽车一般都是在事故发生前采取相应的措施来避免事故的发生，而不是在事故发生时甚至是事故发生后再采取措施。汽车主动安全技术因在安全性上起到保护作用，可提高驾驶安全性，故受到广泛关注与认可。

2 主动安全技术的研究现状

自1898年发生第一起汽车安全事故以来,人类就开始思考行车安全的问题了。最早在汽车诞生之际，人们对于行车安全问题的思考几乎为零，汽车以一种新鲜的代步工具呈现在人们眼前。一百多年来，随着汽车技术的不断进步与科技的不断创新，汽车行业发生巨大变革，汽车数量的不断增加，导致汽车交通事故问题愈发凸显，于是汽车安全技术问题也逐渐走到人们的视野中。欧美发达国家最早在上世纪六十年代先后制定的汽车安全法与交通安全法，确保行车安全受到广泛重视。安全技术的发展与相关设备的研发也在同步进行。最早在七十年代，出现了以保护儿童为主的安全座椅、安全头枕等，随后相继出现安全轮胎等设备，汽车被动安全得到一定程度的提高。进入到八十年代，汽车数量猛增，交通安全事故并未减少，反而逐年增加，人们开始意识到车辆运动过程中的安全性与稳定性，并开始入手车辆运动状态的监测，通过对速度监测来采取必要的预警或干涉措施，由此避免车辆安全事故的发生，提高制动性能。九十年代随着电子技术和计算机技术的飞速发展，汽车主动安全技术也迎来快速发展，各种新技术层出不穷。进入21世纪，随着互联网的普及，汽车主动安全技术也向着集成化、智能化的方向发展。

3 主动安全技术的基本概念

汽车主动安全技术不再以被动安全保护为主，而是基于先进的预防措施来提前避免事故的发生。随着汽车工业的发展与大规模集成电路的应用，汽车的主动安全系统应用越来越广泛，一方面表现在主动安全技术的种类越来越多，涵盖了对车辆状态的检测、对驾驶员状态的检测、对驾驶员驾驶的辅助等方面，另一方面表现为主动安全技术越来越平民化，不仅仅装配于大部分人购买力外的豪华车上，而是下放到中型车甚至是中小型车上。

4 主动安全技术的分类

按照主动安全技术作用的时间，可以分为事故预防安全技术以及事故前的安全技术。其中事故预防安全技术主要有：车道偏离预警系统、车道变更辅助系统、前向碰撞预警系统、盲点检测系统、夜视行车辅助、抬头显示；事故前的安全技术主要有：防抱死系统、电子车身稳定系统、紧急刹车辅助、牵引力控制系统、电子制动力分配系统等。

图1 多种主动安全技术展示

5 前向碰撞预警系统

根据世界卫生组织调查研究报告数据显示，中国每年因交通事故死亡的人数超过26万人，中国四分之一的交通事故死者是步行者，其中男性达到71%以上，交通安全问题已经成为我国的重要问题。如图2为各种类型交通事故的比较：

图2 交通事故种类及比例

从上图可以看出，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预警系统，将大幅降低此类事故的发生率，能够有效避免交通事故造成的人身财产损害。前向碰撞预警系统具有极大的现实意义，能够达到对障碍物距离的实时自动测量，并及时向驾驶员提出预警通知，便于及时采取相应安全措施。

汽车前向碰撞预警系统（FCWS）可自行测距并比较与前车距离的装置，该装置的作用下，当车辆间行驶距离小于安全距离时，就会发出相应报警信号，提醒驾驶员及时采取制动措施。该装置以主动安全技术理念能够做到将安全事故提前消除，保护驾驶员及车上人员人生安全，并保障了财产安全。该系统为车辆出行提供了安全保障，在一定程度上能够降低交通事故的发生率，并减少国民经济损失。

5.1 发展历程

世界各国对于前向碰撞预警系统的研究时间不一，最早在上世纪六十年代初期，以美国、德国、日本为首的发达国家对前向碰撞预警机制展开了相关研究，随着数十年的发展，取得了很大的成就，不少技术与系统已经应用到现实生活中。八十年代中期，考虑到成本因素，雷达防碰撞等系统逐渐落后并被抱起。奔驰汽车生产商与汽车安全问题研究所联合，对雷达系统防碰撞技术展开研究，在芯片技术的发展下，研制出了性能良好的防碰撞系统，并应用到部分汽车安全领域中。

图3 FCWS功能展示

到了九十年代中期，在工业技术上精益求精的德国也开始将汽车安全技术的研究推上世界舞台的前列，德国、日本等汽车生产商也纷纷联合，参与到ASV计划中。1995年，日本丰田公司对主动预防安全装置的研究取得了巨大的成功。美国汽车生产商对于安全装置的研究则相对落后，但是进入到21世纪以来，随着投入的加大，也取得了不错的成果，在一些技术上超过了许多发达国家。比如福特公司所研发的防碰撞系统，能够实现良好的距离探测，控制频率范围在24.75GHz以内。然而该装置有一项缺点，即报警准确率相对较低，且成本比较高，最终没有在全世界得到广泛的应用。

我国对于前向碰撞预警系统的研究起步较为落后，许多关键技术的研发还不是很成熟，从九十年代末期一直由高校承担先进技术的研发，如清华大学等。再加上政策因素及国外技术的封锁，我国许多技术尚停留在实验阶段。

5.2 实施方式

汽车自动防碰撞系统作为智能轿车的重要安全防护部分，能够智能防止汽车碰撞，自动发现可能会发生碰撞的车辆、行人及物体，并及时发出警报，采取制动措施。该系统工作过程可以概括为三个部分：

（1）车辆正常行驶的情况下，防碰撞系统会实时计算车辆安全行驶距离，以及评价车辆安全程度，对汽车行驶安全状态进行监测，此时不做动作，避免影响正常驾驶。

（2）系统判断车辆为危险状态时，就会及时展开动作，自动关闭油门，警示驾驶员采取相关制动措施。如果驾驶员未采取措施，则系统将会自动控制车辆制动或转向，及时避免车辆碰撞，直至回到安全行驶状态后，系统将解锁自动控制。

（3）系统判断车辆无法避免危险时，将会采取最优化方案，尽最大可能减少危险伤害，及时采取被动安全控制措施，主要根据障碍物危险程度进行自动判断。具体的工作过程如图3所示。

汽车防撞系统额工作模块可分为以下三个部分：

图4 FCWS实施方式

（1）行驶信息感知模块：主要由各种传感器构成，其作用是不断获得车辆行驶信息，并将这些信息提供给处理装置进行处理；

（2）中央控制器ECU：将采集的各种行车信息进行分析处理，根据预先设定的程序及算法进行计算，判断是否存在危险，必要时向执行器发出控制指令；

（3）控制执行器模块：接受来自ECU的控制指令，执行相应操作，实现车辆的减速与制动。

5.3 核心元件

汽车防撞雷达最为汽车前向碰撞预警系统的核心部分，对汽车的安全性能起着至关重要的影响。防撞雷达是由感应器与藏有微电脑控制器、蜂鸣器所构成的系统装置撞雷达的主要工作特点在于能够实时根据车辆行驶速度、方向等，测量判断可能引起碰撞的障碍物，是汽车自动防碰撞系统的核心装置。该装置适用于能见度较低或判断程度较低的情况，比如车距较短、速度过快等，及时警示驾驶员打开安全气囊，操纵制动设备等，控制车辆速度和方向来避免发生碰撞。

现阶段广泛使用的车辆防撞雷达有超声波、红外线、激光等几种不同类型，其工作方式不同，但是基本原理一致。均通过探测方式来提前判断危险障碍物，根据障碍物危险程度做出相应的预防措施。笔者在此介绍一种毫米波防撞雷达的工作原理与性能特点：

防撞雷达按照系统工作性能可以分为四个部分，天线、传输系统、信号处理器、终端控制器。如图4所示为结构框图。传输系统包括调制信号、发射机、接收机、混频器、振荡源等。信号采集处理系统由解调器、滤波器等组成。终端控制系统由显示模块、报警模块组成。

图5 车载防撞雷达的结构框图

汽车防撞雷达在工作的过程中，信号源产生调制信号，并通过混频器作为本振信号，另一部分通过发射机，以电磁波的形式传递出去。雷达信号电磁波的传播过程中，天线接收并形成回波信号，将其输入混频器与本振信号混频，得到差拍信号，包含前方车辆距离信息与相对速度信息等。再将信号放大处理，就能够获取相关速度与距离信息，再将数据与刹车距离对比，及时发出减速信号与刹车信号。