汽車主動安全性電子技術(shù)

汽車主動安全性電子技術(shù)

（北京信息職業(yè)技術(shù)學校，北京100015）。伴隨著我國社會主義現(xiàn)代化建設的步伐,汽車作為家庭的交通工具,改變了人們的生活方式,推動了社會經(jīng)濟的發(fā)展和精神文明的進步。但隨著汽車保有量的日益增加,也帶來諸如環(huán)境污染、能源消耗、交通安全等社會問題,其中汽車道路交通安全問題尤為突出,世界上每年道路交通事故死亡約150萬人,近幾年我國每年道路交通事故死亡約15萬人,直接經(jīng)濟損失達數(shù)十億元。汽車安全性已成為人們最關心的問題,引起了世界各國的重視,成為全球性的社會問題。為了減少交通事故,汽車制造商采取了多方面措施來改善汽車的安全性能。尤其是廣泛應用了汽車電子技術(shù),裝備ABS、ASR、ESP、SRS及VDC等安全裝置,使汽車的安全性能有了大幅提高,世界交通事故死亡人數(shù)得到了控制。事實證明先進的汽車電子技術(shù)可提高汽車的安全性能,減少交通事故的發(fā)生。1電子技術(shù)在汽車安全方面的廣泛應用1.1汽車驅(qū)動潤滑控制系統(tǒng)汽車的主動安全性是指事故將要發(fā)生時操縱制動或轉(zhuǎn)向系防止事故發(fā)生的能力,以及汽車正常行駛時保證其動力性、操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性、信息正常的能力。又可分為行駛安全性、環(huán)境安全性、感覺安全性、操作安全性?，F(xiàn)代汽車主動安全性電子技術(shù)有代表性的電控裝置有防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、電子制動力分配裝置(EBD)、驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)、電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)(ESP)、電控懸架系統(tǒng)、電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、主動避撞系統(tǒng)、車輛動力學控制系統(tǒng)(VDC)、信息顯示系統(tǒng)等。(1)汽車防抱死制動系統(tǒng)防抱死制動系統(tǒng)(ABS)是一種防止制動過程車輪抱死的汽車主動安全裝置。ABS系統(tǒng)在制動過程中通過傳感器測量車輪與路面的滑移,由ABS電控單元做出判斷,并通過電磁閥調(diào)整制動力的大小,使輪胎滑移率保持在10%~20%的范圍內(nèi),保證車輛制動時有較大的縱向制動和抗側(cè)向外力的能力,防止可能發(fā)生的后輪側(cè)滑和甩尾,提高汽車在制動過程中的方向穩(wěn)定和轉(zhuǎn)向操縱的能力,并能提高附著系數(shù)利用率,縮短制動距離,減少輪胎磨損。電子控制汽車防抱死系統(tǒng)是目前提高車輛行駛安全性的有效措施之一。(2)汽車驅(qū)動防滑系統(tǒng)汽車驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)是在汽車起步和加速時將滑移率控制在5%~15%范圍內(nèi),防止驅(qū)動輪快速滑動,提高汽車的驅(qū)動力。ASR在控制中,通過輪速傳感器反饋來的信號經(jīng)控制單元處理后發(fā)出指令,調(diào)節(jié)發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩,從而調(diào)節(jié)驅(qū)動輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。目前ASR的裝備大多是在ABS系統(tǒng)增加零件的方法來實現(xiàn),可看成是對ABS系統(tǒng)的完善和補充。(3)汽車電子制動力分配系統(tǒng)汽車在制動時,四只輪胎附著的地面條件往往不一樣。比如,有時左前輪和右后輪附著在干燥的水泥地面上,而右前輪和左后輪卻附著在水中或泥水中,這種情況會導致汽車制動時4個車輪與地面的磨擦力不一樣,容易造成打滑、傾斜和車輛側(cè)翻事故。電子制動力分配系統(tǒng)(EBD)能夠根據(jù)汽車制動時產(chǎn)生軸載轉(zhuǎn)移的不同,自動調(diào)節(jié)前、后軸的制動力分配比例,提高制動效能,并配合ABS系統(tǒng)提高制動穩(wěn)定性。(4)汽車電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)電子穩(wěn)定程序(ESP)通常是支援防抱死制動系統(tǒng)及驅(qū)動防滑系統(tǒng)的功能。它通過對從各傳感器傳來的車輛行駛狀態(tài)信息進行分析,然后向ABS、ASR發(fā)出糾偏指令,來幫助車輛維持動態(tài)平衡。ESP一般需要安裝轉(zhuǎn)向傳感器、車輪傳感器、側(cè)滑傳感器、橫向加速度傳感器等。它可以監(jiān)控汽車行駛狀態(tài),并自動向一個或多個車輪施加制動力,以保持車子在正常的車道上運行。(5)汽車電控懸架汽車不同的行駛狀態(tài)對懸架有不同的要求。一般行駛時需要柔軟一點的懸架以求舒適感,當急轉(zhuǎn)彎及制動時又需要硬一點的懸架以求穩(wěn)定性,兩者之間有矛盾。另外,汽車行駛的不同環(huán)境對車身高度的要求也是不一樣的,剛度不變的懸架無法滿足這種矛盾的需求。理想的懸架應在不同的條件下有不同的彈簧剛度和阻力減震,既能滿足行駛平順性要求和操縱穩(wěn)定性要求,又能達到安全行駛的目的。電子技術(shù)的發(fā)展,使得設計出一種可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整的懸架成為可能,這種懸架稱為電控懸架,目前比較常見的是電控空氣懸架形式。典型的電控懸架系統(tǒng)由電子控制元件(ECU)、空氣壓縮機、車高傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器、速度傳感器、制動傳感器、空氣彈簧元件等組成。該系統(tǒng)能夠根據(jù)汽車的瞬時駕駛條件自動調(diào)節(jié)懸架組件的性能,即通過各種傳感器對汽車的運行狀況進行檢測,當懸架電子控制元件收到傳感器檢測到的轉(zhuǎn)向和制動狀況信號后,能自適應地處理車輛的側(cè)傾、前后仰,并自動調(diào)整減振器阻尼力,能防止車體傾斜并提高車輪的地面附著力。該系統(tǒng)使汽車更易于控制,具有更好的操縱穩(wěn)定性。(6)汽車電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是為了實現(xiàn)在各種行駛條件下轉(zhuǎn)向盤上所需要的力都是最佳值,而在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上采用了電子控制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)在各種不同的速度狀況下通過電控轉(zhuǎn)向微處理器自動調(diào)整轉(zhuǎn)向盤的操縱力。在低速時和車輛擺放時,駕駛員只需較小的力就能靈活地進行轉(zhuǎn)向,在高速時,能自動使操縱轉(zhuǎn)向盤的力加大。EPS既提高了駕駛的舒適性及轉(zhuǎn)向靈敏度,又能克服高速轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”的弊病,保證了高速行駛的穩(wěn)定性和安全性。(7)汽車主動避撞系統(tǒng)該系統(tǒng)是輔助汽車駕駛者對影響公路交通安全的人、車、路環(huán)境進行實時監(jiān)控,在危急情況下由系統(tǒng)主動干涉駕駛操縱,輔助駕駛者進行應急處理,防止汽車相撞事故的發(fā)生,保障行車安全。(8)汽車一體化底盤控制系統(tǒng)汽車一體化底盤控制系統(tǒng)(UCC)是一種先進的集成系統(tǒng),它通過中央底盤微處理器,將制動、懸架、轉(zhuǎn)向和傳動系等控制系統(tǒng)連接起來,底盤微處理器能夠接收每個子系統(tǒng)傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù),對各子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制,使車輛的整體水平達到最佳,保證車輛行駛的安全性。(9)汽車輪胎監(jiān)測系統(tǒng)汽車輪胎是汽車與地面的接觸部分,影響汽車的驅(qū)動力和制動力。在安全性方面起著非常大的作用,汽車行駛中若輪胎氣壓不足,將導致輪胎磨損不均勻,燃油消耗增加,并使穩(wěn)定性和操縱性變壞,易發(fā)生輪胎爆裂,引發(fā)交通事故。汽車輪胎監(jiān)測系統(tǒng)(TMPS)能實現(xiàn)對汽車輪胎的實時監(jiān)測,當壓力低于安全范圍時會給予報警。(10)其他安全控制系統(tǒng)為了適應汽車高速、安全、舒適的需要,越來越多更先進的電子技術(shù)應用到汽車上,如睡眠駕駛警報系統(tǒng)、司機分神監(jiān)視系統(tǒng)、視覺增強和夜視系統(tǒng)、導航系統(tǒng)等,為汽車的安全行駛提供了保障。1.2元、氣體發(fā)生器、氮氣模塊汽車被動安全性是指事故發(fā)生時保護乘員和步行者,使直接損失降到最小的能力。又可分為車外部安全性、車內(nèi)部安全性。汽車被動安全性電子技術(shù)中有代表性的電子裝置是安全氣囊。安全氣囊一般由傳感器、電控單元、氣體發(fā)生器、氣囊及續(xù)流器等組成,通常氣體發(fā)生器和氣囊等做在一起構(gòu)成氣囊模塊。當傳感器感受汽車碰撞強度,將感受到的信號傳送到控制器,控制器接收傳感器的信號并進行處理,當它判斷有必要打開氣囊時,立即發(fā)出點火信號以觸發(fā)氣體發(fā)生器,氣體發(fā)生器接收到點火信號后,迅速點火并產(chǎn)生大量氣體給氣囊充氣。此時一方面乘員的頭部和胸部壓在氣袋上與前面的車內(nèi)物體隔開,另一方面當人體與氣袋接觸時,利用氣袋的阻尼或氣袋背面的排氣孔節(jié)流作用來吸收乘員慣性力產(chǎn)生的動能,達到保護乘員的作用。安全氣囊在碰撞事故中顯示出對乘員的巨大保護功效,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,逐步向智能化方向發(fā)展。1.3事故車輛的處置汽車事故后安全技術(shù)是保障乘員及時救助和減少事故后損失,避免再次傷害。有代表性的電子裝置有門鎖緊急施放系統(tǒng)、GPS救援系統(tǒng)等。(1)門鎖緊急施放系統(tǒng)在車輛發(fā)生碰撞事故后,為了使乘員能迅速地從被撞車輛中救出,車門應能容易打開。其工作原理是當碰撞傳感器確認已發(fā)生碰撞,系統(tǒng)立即施放門鎖。(2)GPS救援系統(tǒng)車輛發(fā)生碰撞后,為了快速救助傷者,必須準確確定事故車輛地點。GPS救援系統(tǒng)利用衛(wèi)星導航定位,能很快確定車輛方位,縮短救助時間,降低乘員的傷害程度。2車用傳感器技術(shù)車用傳感器是促進汽車高檔化、電子化、自動化發(fā)展的關鍵技術(shù)之一,世界各國對車用傳感器的研究開發(fā)、提高性價比都非常重視。“沒有傳感器技術(shù)就沒有現(xiàn)代汽車”的觀點現(xiàn)在已被全世界所公認。汽車電子化越發(fā)達,自動化程度越高,對傳感器依賴性就越大,所以,國內(nèi)外都將車用傳感器技術(shù)列為重點發(fā)展的高技術(shù)。用于汽車安全性電子技術(shù)的傳感器技術(shù)總的發(fā)展趨勢是:多功能化、集成化、智能化、微型化,其技術(shù)發(fā)展具有顯著特征。2.1有機材料檢測例如控制半導體氧化物的成份,可以制造出各種氣體傳感器;光導纖維用于傳感器是傳感器功能材料的一個重大發(fā)現(xiàn);有機材料作為功能材料,正引起國內(nèi)外汽車電子化專家的極大關注。博世公司開發(fā)的側(cè)滑傳感器是一種雙向傳感器,它是由采用壓電晶體的線性加速度計組合而成。這種傳感器有2個經(jīng)過顯微加工的信號發(fā)生器并各自對應所測加速度方向的基準面,對應于某個基準面的獨立信號就能測出相應的作用力。2.2微型傳感器近年來從半導體集成電路技術(shù)發(fā)展而來的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)日漸成熟,利用這一技術(shù)可以制作各種能敏感和檢測力學量、磁學量、熱學量、化學量和生物量的微型傳感器,這些傳感器的體積和能耗小,可實現(xiàn)許多全新的功能,使得他們非常適合于汽車電子安全方面的應用。例如微型壓阻式多路絕對壓力傳感器取代了早期采用LVDT技術(shù)的壓力傳感器。微型加速度傳感器開始用于汽車安全氣囊,車輛行駛安全系統(tǒng)等。2.3速度傳感器gmr采用多功能集成傳感器用于汽車電子安全是近年來發(fā)展的一個重要方向,即在一個芯片上集成多種功能敏感組件和同一功能的多個敏感組件。例如復合壓阻傳感器,一個芯片可同時檢測汽車壓力與溫度。磁敏式速度傳感器是一種一體化的傳感器,它是把高磁阻(GMR)材料與半導體裝置合為一體的磁敏式速度傳感器。高磁阻材料的特點是隨磁場的變化其電阻值也發(fā)生變化。半導體裝置是由制作在同一塊BICMOS電路板上的信號處理器和電壓調(diào)節(jié)器所構(gòu)成。這種傳感器是雙極型結(jié)構(gòu),通過電平轉(zhuǎn)換輸出一個方波形脈沖信號,其輸出頻率與軟磁信號輪齒的回轉(zhuǎn)頻率是相同的,而勵磁機構(gòu)是一塊永久磁鐵。由于傳感器的信號處理電路是直流耦合式,所以可處理零速狀態(tài),而其具有高靈敏度。采用這一技術(shù)的ABS傳感器具有零速處理、輸出信號在兩電平之間變化的雙極型結(jié)構(gòu),脈沖頻率與信號輪齒或磁極的回轉(zhuǎn)頻率相同的特點。2.4采用傳感器的變距控制器來進行間距檢測智能傳感器是一種帶微型計算機兼有檢測、判斷、信息處理等功能的傳感器。世界各國都在車用傳感器硬件的基礎上,努力用軟件來解決汽車電氣干擾大、環(huán)境差(溫度高、溫度梯度大、污染厲害等)等問題造成的對汽車參數(shù)測量的影響。例如,可以使用防撞傳感器(測距雷達或其他測距傳感器)來判斷和控制汽車的側(cè)向加速度、每個車輪的瞬時速度及所需的轉(zhuǎn)矩,使制動系統(tǒng)成為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的一個組成部分。以輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)為例,MPXY8300由電容性壓力傳感元件、溫度傳感器、2軸加速度傳感器、MCU、SMARTMOSRF發(fā)射器等組成,所有這些均被集成在一個小型封裝內(nèi)。同樣,飛思卡爾使用硅鍺(SiGe)技術(shù)的77GHz頻帶毫米波雷達射頻芯片,正是