基于嵌入式的車載主動安全系統的應用方案設計

羅茂元

摘 要通過對車載主動安全系統的研究，設計在事故發生前提醒，避免事故發生的主動安全預防的解決方案。以實現降低交通事故發生率，減小交通事故帶來的危害的目的。本方案主要通過嵌入式系統的智能化，結合傳感器、圖像監控系統、近紅外夜視技術和電子機械制動系統等技術，提出方案設計的思考。同時，采用嵌入式技術，還可有效解決以往通過PC機平臺出現的冗余功能部分和相對龐大的體積等，給車載系統帶來的不利影響和高額成本。

【關鍵詞】車載主動安全系統 主動制動 夜間預警 道路反饋

隨著全球機動車保有量的增加，面臨的交通安全形勢日益嚴峻，汽車消費者和政府管理者對汽車安全性的期望越來越高，僅靠普通的剎車系統、安全氣囊等被動防御技術已無法解決如此嚴峻的交通問題，發展以預防為核心的先進汽車主動安全技術已成為現代交通的迫切要求。

在互聯設備日漸豐富的今天，汽車已不僅僅是幫助我們從A點到B點的工具。在對未來的規劃中，減少事故的發生，解放人類成為了新時代研發的愿景，基于嵌入式的電子化智能系統成為了達到這一目標的利器。如何將汽車主動安全的理念與飛速發展的電子系統相結合，成為了當今重要的研究課題。

1 總體設計

基于人—車—路危險狀態監控的汽車主動安全預警與干預系統，主要包括行車環境與車輛狀態的全向感知技術、基于駕駛人監控與行為辨識技術的安全駕駛策略優化技術、基于交通環境和駕駛人狀態的適應式干預技術等關鍵技術。該系統以人（駕駛員）為中心，人與車載系統，以及道路系統的反饋，達到共同感知、共同決策，協同工作，實現功能互補。

系統的功能結構如圖1所示。在這個系統中，動態環境信息、汽車運行狀態信息在被駕駛員感知的同時，通過各種車載傳感器傳遞到嵌入式系統。嵌入式系統將決策結果一部分直接傳遞給汽車各種主動安全裝置，一部分傳遞給駕駛員，供駕駛員參考、決策。駕駛員結合自己的實際情況，作出相應的決策，采取相應的措施，實現各種先進技術的一體化。

在汽車主動安全系統中，駕駛員能夠訪問諸如：道路情況、線路方向、故障診斷、防撞警告和駕駛員的身體狀況等多方面信息。由于相關數據過多，會引起在某個給定時間內，駕駛員難以同時接受大量的信息。那么，就需要汽車本身具有“數據過濾”的過程，在“安全優先”為最高優先級別的總原則下，進行數據信息的過濾。

2 城市低速主動制動方案

主動剎車制動是指車輛在非自適應巡航的情況下正常行駛，如車輛遇到突發危險情況時能自身主動產生制動效果讓車輛減速（但具備這種功能的車輛并不一定能夠將車輛完全剎停），從而提高行車安全性的制動方案。

有數據統計表明，75%的追尾事故都發生在大約30km/h的速度下，而本系統能夠有效避免這些追尾事故：當車輛的速度達到30km/h時，這套主動制動系統就會自動啟動，通過前風擋上的光學雷達系統監視交通狀況，尤其是車頭前6米內的情況。如圖2所示，當前車剎車、停止或者有其它障礙物的時候，這套系統首先會自動在剎車系統上加力，以幫助駕駛員在做出動作前縮短剎車距離；或者它還可以通過調整方向盤，來改變車輛行駛路徑，以避開障礙物。當然，如果距離障礙物已經很近，這套系統會自動緊急剎車而無需駕駛員的操作，幫助駕駛員避免城市交通常見的低速行駛時的追尾事故。

由于是低速主動制動，因此該系統的分析計算速度達到每秒50次即可，根據距離和車速等方面準確的分析出，需要在什么時候剎車才能夠避免事故的發生。而且這套系統在白天和夜間都可以正常使用，不過和其它雷達裝置一樣，在有霧、下雨和下雪的時候都會受到一定的限制。

3 高速主動制動安全方案

在高速緊急制動過程中，采用電子機械制動系統 （electro-mechanical braking，簡稱EMB）作為制動方案。所謂電子機械制動系統，就是將傳統液壓或氣壓制動執行元件轉變為電驅動元件，便于實現線控制動（BBW：brake-by-wire）。它是一種全新的制動理念，主要采用制動系統ECU控制直流力矩電機產生制動力，形成行車制動。由于線控制動系統均采用電子控制裝置，能更好的與ABS、ESP等其他電子控制方式結合，易于融入整車的電子通訊網絡，明顯提高汽車的主動安全性；并且使用電控方式取消了各種液壓元件，減少了液壓油由油泵通過液壓管路傳遞到制動主缸的時間消耗，響應速度得以極大提升。

由于EMB完全采用電子控制裝置，如圖3所示，在系統設計時，易于融入整車電子通訊網絡，EMB系統的電子控制器根據電子踏板模塊傳感器的位移和速度信號，并且結合車速等其它傳感器信號，通過整車的電子通訊網絡與 ABS、ESP、ACC、EFBA等其他控制方式相結合，向車輪制動模塊的電機發出信號，控制其電流和轉子轉角，進而產生所需的制動力，能極大的提高汽車主動安全性能。

在本方案設計過程中，主要考慮以下因素：

在約90%的緊急制動情況下，駕駛員往往缺乏果斷，不能迅速踩下制動踏板產生緊急制動的效果；或即使能迅速踩下制動踏板，但卻力度不足，制動系統會判斷駕駛員采用的是點制動，同樣不能產生緊急制動。

在這些情況下，制動系統ECU利用踏板位移傳感器、踏板力模擬機構、踏板力傳感器等感知駕駛員對制動踏板踩踏的速度和力度大小，得到駕駛員的目標制動力信號，以此判斷駕駛員此次制動的意圖。

因此，經駕駛員意圖感知系統計算，如果分析其屬于非常緊急的制動，制動系統ECU就會指示制動系統產生更高的制動力，控制ABS發揮作用，從而使制動力快速產生，減小制動距離；而對于正常情況的制動，ECU則會通過判斷不予啟動ABS。通常情況下，制動踏板的感知及判斷響應速度都會遠遠快于駕駛員，這大大的縮短了制動距離，極大的增加行車主動安全性。

4 夜間預警方案

在夜間開車時，多數駕駛人從發現前方有人或障礙物，到做出剎車動作的應急反應時間大約為1秒，即汽車在120km/h的速度時已經跑了33m，而從120km/h到完全停止的制動距離在50m以上。因此，當駕駛員在120km/h的速度時，必須看到前方80m以外的視野，至少要給駕駛員3秒的應急處理時間。可是，汽車近光燈的有效可視距離為30-50m，遠光燈的有效可視距離70m，故在夜間行車必須注意力非常集中，一點都不能分神，否則后果很嚴重。

在夜間行車時，采用“近紅外汽車夜視系統技術”作為預警方案。所謂近紅外主動成像，就是通過主動發出近紅外光進行成像的技術。采用該技術，在夜間行車時，能見度無論高低，可自動匹配車速，智能變焦，給駕駛員帶來更寬、更遠的視野范圍，距離可達150米-400米，這意味著采用近紅外汽車夜視系統，可以讓駕駛員提前3-6秒發現人或障礙物，可提前做好應急處理，為夜晚行車的安全系數提高2-3倍。

汽車夜視系統主要由嵌入式主控制器與四大傳感器組成。

汽車夜視安全系統配置的4大傳感器（如圖4所示）分別為：

（1）圖像傳感器，在低照底或者零照度時，通過紅外補光，感應波長為近紅外的波段進行成像。

（2）照度傳感器，自動檢測場境的照度高或低，當檢測到場景為高照度時，紅外夜視不會啟動，當檢測到場景為低照度或照度為零時，紅外夜視會自動啟動，為汽車主動安全系統補光，給駕駛員帶來更寬更遠的行車視野，當遇到強光時，則會對強光進行抑制。

（3）行人探測傳感器，當檢測到前方有行人或大型障礙物時，系統會自動發出語音報警。

（4）車道偏離傳感器，當檢測到汽車偏離行車道時，系統會自動發出語音警報。

夜視系統為嵌入式主控制器分別連接攝像頭和視頻顯示器；主控制器對攝像頭采集的夜視圖像進行分析，確定當前道路環境符合遠光燈的開啟條件后主控制器控制汽車遠光燈開啟進行夜視補光。由于采用上述的結構，該系統利用圖像處理技術識別道路環境，結合道路安全行駛的法規，自動控制遠光燈的開啟和關閉，充分利用遠光燈來實現近紅外夜視系統的補光，提高了夜間駕車的安全性和舒適性。

5 道路反饋方案

隨著汽車上傳感器收集的信息越來越多，通過路口設立道路信號狀態監視、信息發送系統，如圖5所示，車輛可實時得到更豐富的路況信息，由此，進行準確的邏輯判斷，不僅增添躲避擁堵的功能，還能加入云端技術，當眾多車輛反饋一個地區運動、擁堵情況較嚴重時，系統可以給車輛分配正確行駛路線，從躲避擁堵，變為疏通擁堵。

6 結論

通過利用智能化的嵌入式電子信息技術、傳感技術、圖像監控系統、近紅外夜視技術和電子機械制動系統等技術的車載主動安全系統的方案設計，拓展了駕駛員的認知局限性，在人—車—路的綜合信息中辨識是否存在安全隱患，并有效的提前避免。開發高性能的行車安全狀態監控技術和信息服務平臺，可為駕駛員提供有效的駕駛輔助，有效主動降低交通事故的發生率。

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作者單位

四川城市職業學院 四川省成都市 610110