汽车主动安全技术现状及发展趋势综述

王艺颖

（黄河水利职业技术学院，开封 475004）

0 引言

随着经济社会的发展和人口的增加， 机动车数量越来越多，交通安全问题日益严重，交通事故频繁发生。 根据世界卫生组织发布的《2018 年全球道路安全现状报告》， 每年约135 万人死于道路交通事故［1］。以我国为例，2018 年， 共发生交通事故244 937 起，因交通事故死亡63 194 人，受伤258 532 人，交通事故造成直接财产损失共计138 456 万元［2］。 因此，交通安全问题已成为世界性的大问题。 为降低交通事故的发生频率， 减少因交通事故带来的人员伤亡和财产损失， 多种多样的汽车安全技术被应用到现代汽车上。

汽车安全技术分为主动安全技术和被动安全技术。 主动安全技术是通过预先防范，在突发情况下，辅助驾驶员在轻松和舒适的驾驶条件下自如地操纵控制汽车，规避交通事故的发生。被动安全技术是指汽车在事故发生过程中及事故发生后， 对车内成员及行人进行保护，尽可能地减轻人员伤亡。相对于汽车被动安全技术， 汽车主动安全技术更能有效地避免事故的发生或减少事故造成的人员伤亡和经济损失。另外，由于传统的被动安全设施性能改进的空间较小，所以汽车主动安全相关技术顺势发展，各种主动安全设备及系统应运而生， 为保证车辆行驶安全性作出了重要贡献。

1 汽车安全技术的起源和发展历程

1.1 汽车安全技术的起源

1896 年汽车撞死第1 名行人，1898 年第1 名汽车司机在交通事故中丧生。自此，人们开始不断努力地改善汽车的安全性能。1966 年，美国国会参、众两院通过了《道路交通安全法》，汽车安全性得到了高度重视，汽车制造企业积极响应，汽车安全技术从此快速发展［3］。

1.2 汽车安全技术的发展历程

20 世纪60 年代，汽车采用能量吸收式转向柱、双管路制动；70 年代，座椅头枕、儿童安全座椅、安全门锁、 广角后视镜及安全轮胎等在汽车上推广使用。 1978 年，博世公司第一次将数字电控汽车防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，简称ABS）用在梅赛德斯奔驰轿车上。 ABS 是汽车上采用安全带以来在安全性方面所取得的最为重要的技术成就。从20 世纪80 年代起，汽车制动防抱死装置开始在汽车上使用， 各种主动安全技术相继问世；90 年代，汽车制动防抱死系统在汽车上广泛普及，同时出现了制动辅助系统、 电子制动系统和驱动力调节装置；90 年代后，电子技术、控制技术、传感器技术和新材料在汽车产品中的应用使汽车安全技术的发展更加迅速，多种安全系统集成化趋势初见端倪，汽车的安全性能日臻完善［4-5］。

2 国内外典型汽车的主动安全技术及工作原理

2.1 制动避险方面

2.1.1 汽车防抱死制动系 统 （Anti－lock Braking System， 简称ABS）

汽车紧急制动时，ABS 通过轮速传感器检测各车轮的转速并发送信号给电子控制器， 电子控制器计算车轮滑移率并判断车轮是否抱死。 当车轮将要抱死时，电子控制器发出控制信号，制动压力调节装置调整制动压力，将汽车车轮的滑移率控制在10%～20%范围内［6］，使轮胎与地面间有最大的附着系数，并使车轮保持在微弱滑移的滚动状态下制动且不会抱死，避免因前轮抱死无法控制车辆行驶方向及后轮抱死出现侧滑的现象。

2.1.2 电子制动力分配系统（Electronic Brake force Distribution， 简称EBD）

电子制动力分配系统是汽车防抱死制动系统的辅助系统，其工作原理是，在汽车制动时，分别对4个地面附着条件不同的轮胎的地面摩擦力进行计算， 使各轮胎的制动装置根据具体情况用相应的方式和力量进行制动，并在运动中不断高速调整，使制动力与摩擦力相匹配，从而避免汽车在制动时因4 个轮胎的附着力不同，发生打滑、倾斜和侧翻等现象［7］。在汽车防抱死制动系统动作启动之前， 电子制动力分配系统已经平衡了每一个车轮的有效抓地力，可以避免车辆出现甩尾和侧移， 即使汽车防抱死制动系统失效， 也能保证车辆不会因为甩尾而引发翻车等恶性交通事故。

2.1.3 自动制动差速器 （Automatic Brake Differential， 简称ABD）

紧急制动时，车辆的重心前移，后轮承担的重量减少，严重时，后轮会失去抓地力。此时，相当于只有前轮在制动，所以造成制动距离过长。自动制动差速器可以通过实时监测全部车轮的转速， 相应地减少后轮制动力，以使后轮与地面保持有效的摩擦力。同时，将前轮制动力加至最大，以缩短制动距离。

2.1.4 坡道控制系统 （Hill Descent Control， 简称HDC）

坡道控制系统的功能是保证车辆在坡道行驶时的稳定性。 使用时，将变速箱手柄置于1 挡或倒挡，然后按一下手柄旁边的HDC 键， 车辆就以6 km／h的速度匀速下坡，且驾驶员可以不踩制动踏板，只需控制好方向盘就能安全到达坡底。 坡道控制系统的工作原理是，通过对前桥施加短暂的制动力，补偿发动机制动，以提高车辆在陡坡行驶的可控性。当有车轮失去抓地力时，系统会采用防抱死策略，使其重新获得牵引力。

2.1.5 紧急制动辅助装置（Emergency Brake Assist，简称EBA）

一般情况下，开始制动时，驾驶员对制动踏板施加较小的力，然后根据情况相应地增加或减小。紧急制动时，若驾驶员反应慢，施加的制动力不够，紧急制动辅助装置可通过驾驶员踩踏制动踏板的速率判断其制动紧迫性，并在几毫秒内启动全部制动力，显著缩短制动距离［8］，从而避免不利状况的发生。

2.1.6 自 动 紧 急 制 动 （Autonomous Emergency Braking， 简称AEB）

自动刹车系统可以预知潜在的碰撞危险并及时通知驾驶员，在必要的情况下，自动控制制动踏板可完成制动减速，以规避碰撞事故或降低碰撞后果。自动刹车系统的工作原理是， 利用内置在挡风玻璃顶部， 与后视镜同高度的激光传感器监测保险杠前方10 m 以内的汽车及其他物体，以汽车本身的车速和与前方车的车距为基础，自动刹车系统每秒进行50次计算，以确定避免碰撞所需要的制动力。若计算值超过一定范围，驾驶员仍未采取制动措施，系统便默认有碰撞危险。 自动刹车系统通过自动制动和减小节气门规避碰撞或者减小碰撞损害程度， 同时闪烁刹车灯以警示其他车辆［9］。

2.2 操纵稳定性方面

2.2.1 汽车驱动防滑系统 （Acceleration Slip Regulation， 简称ASR）

汽车驱动防滑系统通过减少供油量降低发动机功率或由制动器控制车轮打滑以达到对汽车牵引力的控制， 使汽车的各个车轮在不同的附着路面上都可以获得最好的牵引条件，从而减少车轮滑转率，避免或减轻车辆在易滑路面加速或启动时因后驱动轮打滑出现的车辆甩尾、 前驱动轮打滑导致的方向失控现象， 以及因驱动轮打滑引发车辆在转弯时的路线偏离现象［10］。

2.2.2 车身主动控制系统 （Active Body Control，简称ABC）

车身主动控制系统是一种兼具主动式悬架和减震功能的系统，主要功能是保证车辆在不同路面条件行驶时，都能够保持良好的车辆行驶稳定性和操纵稳定性。车身主动控制系统根据收集的传感器信号，识别车辆的行驶状态，精确控制车身在横向、纵向和垂直方向上的侧倾、横摆、俯仰变动，同时保障车身高度在车辆负载发生变化时维持在一定水平。

2.2.3 车身动态控制系统 （Dynamic Stability Control， 简称DSC）

宝马研发的车身动态控制系统， 通过对有打滑趋势的驱动轮进行制动来控制驱动轮打滑， 以维持车身行驶的稳定性。在路面附着系数较差的湿滑、松软路面，驾驶员通过开启车身动态控制系统，可以增大车轮在路面上的牵引力， 提高车辆在上述不良路面行驶的稳定性和安全性。 车身动态控制系统的另一个功能是弯道制动，即当车辆在弯道行驶时，施加一个较小的制动力以减少过度转向的发生。 除此之外， 车身动态控制系统还能够根据制动器的工作温度调整制动力大小， 以获得和制动力相对应水平的制动效应， 以及根据传感器信号预测到驾驶员即将采取制动措施后，实时缩小制动摩擦片间隙，以实现制动待命。

2.2.4 车身电子稳定系统 （Electronic Stability Program，简称ESP）

ESP 是在 ABS 系统、ASR 系统的基础上发展起来的，是对ABS 和ASR 功能的继承和扩展。ESP的工作原理是，ECU 根据传感器收集的信号识别和预测车辆的运动状态， 并通过对发动机和制动系统发出控制信号， 调整发动机的输出转矩和制动系统的制动力，修正汽车的运动状态，保证车辆在行驶过程中的良好操纵性和方向稳定性。此外，当检测到驾驶员有不当操作行为或者路面条件异常时， 通过控制警告灯闪烁来提示驾驶员［11］。

2.2.5 车身稳定控制系统 （Vehicle Stability Control，简称VSC）

VSC 是丰田公司开发的一种汽车主动安全系统，能够实时监测驾驶员的操控动作（转向、制动和油门等）、路面信息和汽车运动状态。 当出现紧急转弯、紧急加速和紧急制动等突发情况时，车辆VSC可以通过传感器信号迅速感知， 并通过计算控制单元做出判断、决策，向发动机和制动系统发出指令，调控发动机节气门，调整发动机转速，对每个轮胎的制动力进行单独控制， 调整每个车轮的驱动力和制动力，从而维持车身的稳定［12-13］。

2.3 视野性能方面

2.3.1 泊车辅助系统（Parking Distance Control， 简称PDC）

PDC 是汽车主动防撞安全系统的一种，电子控制器单元ECU 根据传感器收集的信号，采用相应的声音或影像装置， 提示驾驶员车辆周边的障碍物和车辆之间的相对位置， 提高驾驶员在泊车时的安全性、方便性。

2.3.2 夜视辅助系统

由于车辆照明装置的局限性，在夜间行驶时，驾驶员不能完全看清楚路面上的行人、 车辆及其他障碍物。夜视辅助系统的作用是在夜间行驶时，辅助驾驶员看清路面的情况， 避免碰撞事故的发生，增强车辆在夜间行驶时的安全性。该系统的工作原理是，利用红外技术，将路面上的行人、车辆及其他障碍物以图像信息显示在车载显示屏上，以提示驾驶员注意， 从而最大限度地避免碰撞事故的发 生［14-15］。

2.3.3 自适应前照明系统 （Adaptive Front Lighting System， 简称AFS）

汽车自适应前照明系统是目前国际上在安全舒适照明领域的新技术之一，它根据汽车行驶的周边环境、路面照明情况、天气状况、道路限速要求等情况，调节配光方式，以适应不同路况和天气，如，普通道路、城市道路、高速道路、弯道和良好天气、恶劣天气等。 AFS 的工作原理是，通过传感器获取方向盘转角、车辆行驶速度、路面亮度、路面湿度等信息，并通过CAN 总线传送给电子控制单元ECU， 经中央控制电路处理后，输出信号给执行机构，使其调整灯光配置，使AFS 处于不同的模式［16］。 AFS 有以下5 种照明模式：（1）基础照明。 在普通道路行驶时默认开启，与普通近光灯基本相同；（2）城市道路照明。 在有固定照明的城市道路行驶且车速不超过60 km／h 时，允许自动开启。 为保证交叉路口和道路边缘的照明，避免与岔路中出现的车辆或行人出现碰撞事故，城市道路照明模式采用相对宽阔的光型。（3）高速道路照明。在高速道路上行驶且车速大于70 km／h 时，自动开启。 随着车速的增大，调整近光灯高度，使照明范围更宽、距离更远，保证能在安全制动距离之外发现危险。 （4）弯道照明。 当车辆进入弯道时开启。ECU 通过对车辆方向盘转角、车速等信息的分析和处理，发出控制信号给执行单元，采用附加光源或水平旋转近光灯给弯道以足够的照明，避免因照明死角引发的交通事故。 （5）恶劣天气照明。 在传感器检测到路面潮湿或挡风玻璃雨刮器持续工作2 min 以上时，自动开启。调整前照灯光型，限制车辆前方20 m 内的照度，以避免路面积水反射光使前方60 m 内的会车驾驶员眩目， 引发交通事故。

2.3.4 盲点监测系统 （Blind Spot Monitoring System， 简称BSM）

盲点监测系统的主要功能是辅助驾驶员扫除后视镜视野盲区， 避免因驾驶员未注意到后视镜视野盲区内的后方车辆而变道的时候发生碰撞事故。BSM 的工作原理是，利用安装在汽车保险杠内的雷达传感器， 在车辆行驶速度超过控制单元内储存的某一特定速度时自动启动，实时向车辆的前后、左右发出雷达探测微波信号， 控制单元通过对反射回来的信号进行分析、测算，同时，排除掉路面上的固定物体和远离本车辆的物体， 确定盲区内后来车辆的距离、车速和方向，并通过指示灯闪烁提示驾驶员变道会有危险。 若驾驶员未注意到指示灯提示而驾驶车辆变道，系统会发出语音警报，再次提示驾驶员变道危险。在整个车辆行驶过程中，盲点监测系统不断地监测和提醒驾驶员，以避免因雾、霾天气，后视镜视野盲区， 驾驶员疏忽等潜在危险因素导致行车事故［17］。

2.3.5 抬 头 显 示 系 统 （Heads Up Display， 简 称HUD）

抬头显示系统是以驾驶员为中心的一种系统，主要功能是让驾驶员的视线集中在前方的路面情况上， 在不低头的前提下就能够看到车辆在行驶时的相关重要信息。HUD 的主要工作原理是将车辆行驶时的相关车速、 导航等相关重要信息投射在挡风玻璃上的全息半镜上， 使驾驶员在车辆行驶过程中不需要抬头或转头就能够清楚地看到汽车行驶时的车速和导航等相关重要信息， 使驾驶员的视线主要集中在前方路面的情况， 避免因驾驶员转头或低头看信息而引发交通安全事故［18］。

2.4 状态检测方面

2.4.1 车道偏离预警系统（Lane Departure Warning System， 简称LDWS）

车道偏离预警系统的功能是辅助驾驶员减少车辆因车道偏离而引发的交通事故。 该系统的工作原理是， 控制单元对摄像头或者红外线传感器收集数据进行分析和处理， 确定车道标识线及车辆在车道中的位置。当监测到车辆偏离车道时，控制单元分析车辆行驶状态和驾驶员操作状态的传感器信号，若监测到驾驶员打开转向灯开关，正常变线行驶，则车道偏离预警系统不作提示，否则，车道偏离预警系统发出警报信号，提示驾驶员车辆处于车道偏离状态，应及时修正方向，以避免发生交通事故［19-20］。

2.4.2 前碰撞预警系统（Forward Collision Warning System， 简称FCWS）

行车前撞预警系统的主要功能是提醒后方车辆驾驶员前方即将到来的追尾碰撞危险， 以使驾驶员及时地采取相应的避撞措施， 避免碰撞事故的发生或减轻碰撞过程中的损害程度。 行车前碰撞预警系统分为完全行车前碰撞预警系统和制动能效行车前碰撞预警系统，前者主要在乘用车上使用，后者主要在货车上使用［21-22］。

2.4.3 车 距 监 控 系 统 （Headway Monitoring and Warning， 简称HMWS）

HMWS 测量与前方车辆间的距离，并使用主体车辆的行进速度来计算前方距离及到达前方车辆的时间，并在前方距离减少时发出不同级别的警告。

2.4.4 汽 车 碰 撞 预 警 系 统 （Advance Collision Warning System，简称AWS）

AWS 是由麦特集团奔腾远程汽车信息服务有限公司联合以色列Mobileye 公司，针对中国道路交通情况， 综合采用图像处理与汽车控制技术研发的一款高性能汽车碰撞预警系统。AWS 主要包括前方碰撞预警（FCWS）、车道偏离预警、车距监控预警和后车追尾预警四大功能。 前方碰撞预警功能是收集和处理行车周围环境及行车速度等信息和数据， 监测前方有无碰撞危险，若有，系统会在可能碰撞前2.7 s 发出警告。车道偏离预警功能是在行车过程中监测和计算本车与车道标志线边界的距离，在非故意车道偏离前0.5 s 发出警告，并持续0.7 s。 车距监控预警功能是监测并计算与前车之间的距离，同时在视频中显示两车距离，若发现与前方车辆距离小于最小安全距离， 系统就会发出警告。后车追尾预警功能是监测后方车辆，若发现可能存在的危险，就会发出警告，提醒本车驾驶员采取避让措施，同时闪烁本车刹车灯警示后方车辆，以避免后车追尾，本车驾驶员采取避让措施后，刹车灯停止闪烁［23］。

2.4.5 胎 压 监 测 系 统 （Tire Pressure Monitoring System，简称TPMS）

胎压监测系统的主要功能是对车辆行驶中车辆轮胎的气压进行实时监测， 当轮胎气压过高或过低时，进行报警，提醒驾驶员注意行车安全。 通过胎压监测系统， 驾驶员可以实时了解轮胎状况， 避免爆胎， 也可以避免车辆在行驶过程中因胎压不足导致油耗和废气排放增加，或者因胎压不足，轮胎磨损严重， 导致车辆在制动时制动距离延长， 引发交通事故。 根据工作原理的不同，TPMS 分为直接式监测系统和间接式监测系统。 直接式监测系统是通过轮胎中的压力传感器监测各个轮胎的气压； 间接式监测系统是通过计算轮胎滚动半径来监测轮胎气压。

2.4.6 驾驶警觉控制系统（Driver Alert Control，简称DAC）

据统计，90%的交通事故是由于驾驶员注意力不集中而引起的。 沃尔沃公司推出了一款帮助驾驶员避免因注意力不集中或驾驶疲劳等危险驾驶行为引发交通事故的驾驶员警示控制系统。 该系统由安装在挡风玻璃和内视镜间的照相机、 多个传感器和一个控制器组成， 照相机监测汽车与车道标志线的距离， 传感器收集汽车的行驶状况并将信息反馈给控制器，控制器对信息进行分析和处理，以评估驾驶员在驾驶过程中是否有接听电话、 与乘客长时间交谈等分心的危险驾驶行为。当危险评估级别较高时，系统会通过声音、 信息显示屏符号及文字提示驾驶员休息，以避免驾驶员因疲劳、分心等危险驾驶行为引发交通事故［24］。

2.5 智能安全技术

2.5.1 巡航系 统 （Adaptive Cruise Control， 简 称ACC）

巡航系统的主要功能是，在一般情况下，控制车辆自动行驶，同时降低驾驶员的劳动强度，辅助驾驶员保障行车安全；在紧急情况下，避免交通安全事故的发生，降低因事故导致的人员伤亡及财产损失。该系统的工作原理是，通过雷达探测车辆前方的信息，若在有效范围内未监测到目标车辆， 则控制车辆按照驾驶员预设的车速巡航行驶，若监测到目标车辆，且距离小于安全距离，则控制发动机和制动系统，使车辆与前方目标车辆处于安全距离［24-27］。

2.5.2 汽车主动避撞系统

汽车主动避撞系统的主要功能是自动干涉驾驶员操作状态，辅助驾驶员主动避开障碍物，避免车辆发生碰撞事故，以保障行车安全。该系统的工作原理是，传感器收集车辆的行驶状态及环境信息，控制单元通过接收和分析传感器信号判断车辆的安全状态，若为安全状态时，系统不干扰车辆的正常行驶状态；若为非安全状态时，系统控制单元首先发出控制信号切断供油，若驾驶员仍未采取措施，则系统将自动控制车辆的制动和转向，以使车辆避开障碍物，保证行车安全。 若车辆回到安全状态或者驾驶员采取了制动或转向操作，系统将解除对车辆的控制；若系统判断车辆的状态为无法避过障碍物时， 系统除了会采取避开障碍物和减轻碰撞损害程度的控制行为外，还会依照危险程度的不同，控制车辆采取适当的被动安全动作［28-31］。

3 汽车主动安全技术的未来发展趋势

为避免汽车在行驶中发生交通事故或减轻交通事故造成的不良后果， 越来越多的汽车制造厂商投入大量的人力、物力和财力研究汽车主动安全技术，开发新的汽车主动安全产品。 随着电子科学技术的发展及其在汽车上的广泛应用， 汽车主动安全技术将朝着智能化、电子化、集成化的方向发展。

3.1 智能化

随着电子信息系统的飞速发展， 越来越多的智能化主动安全技术应用到汽车上。 这些智能化系统可以辅助驾驶员监测车辆的行驶状态及车辆周围的环境信息， 给驾驶员以警示信息或干预驾驶员的驾驶操作行为。 这样，不仅可以排除安全隐患，还能够大大降低驾驶员的驾驶强度， 同时提高车辆行驶过程中的舒适性和安全性。 未来汽车主动安全技术的智能化趋势是越来越多的人工智能和计算机技术将应用到汽车主动安全系统中， 汽车的安全性和智能化程度将越来越高。

3.2 电子化

汽车主动安全系统功能的实现离不开各种传感器对车辆的行驶状态和周边环境信息的收集， 电子控制单元对信息的传递、储存和分析处理，执行器对控制单元发出信号的实现。 随着电子科学技术的迅速发展， 传感器收集的信号会越来越精确，ECU 的性能会越来越好，控制策略会越来越先进，执行器的响应会越来越灵敏。 这将有利于开发出更多具备新的功能的汽车主动安全系统产品， 使汽车主动安全系统的电子化程度越来越高。

3.3 集成化

随着科学技术的迅猛发展， 汽车主动安全技术的种类越来越多，包括制动避险、操纵稳定性、驾驶员视野及状态监测等， 各个分类之间有着密切的联系， 新型的汽车主动安全技术涉及的技术领域范围越来越广， 单一的汽车主动安全技术很难进一步提高汽车的安全性能。因此，各大汽车制造厂商在研发汽车主动安全技术的过程中， 将多个主动安全技术集成在一起，实现单项安全技术的集成化，实现不同系统间的交互式信息传递， 使主动安全技术和被动安全技术相融合，形成有效的网络，协同发挥作用。因此， 未来汽车主动安全技术还将越来越多地朝着集成化的方向发展。

4 结语

为了降低交通事故发生的频率或减少因交通事故带来的人员伤亡和经济损失， 越来越多的汽车企业投入大量的人力、物力、财力研发新型的汽车主动安全技术。本文在阐述汽车主动安全技术概念、起源及发展历程的基础上， 结合国内外在汽车主动安全技术领域的最新研究成果，从制动避险、操纵稳定、视野性能、状态监测、智能安全技术等方面介绍了国内外典型的汽车主动安全技术及工作原理， 并分析了未来汽车主动安全技术的发展趋势， 希望能对相关专业技术人员和广大汽车用户有所裨益。