汽车电子嵌入式系统设计（5）汽车安全先进技术剖析

　　马路如虎口」这句我们从小就被耳提面命的警句，一点也没有被夸大之处。在汽车被发明之后，车子的速度很早就已不是个问题，反倒是如何改善汽车行驶的安全性能，一直是车厂关切的主要议题。从车体的坚固性，到安全带、安全气囊等被动式安全系统，今日的车子中已导入更多先进的电子感测、控制元件及演算软件，企图以更智慧性的方式来辅助驾驶，以降低交通事故的发生。
安全系统由被动式转向主动式
所谓的被动式安全系统，诉求的是在意外发生时能降低对个人的伤害，但今日的主动式安全系统，则强调要避免意外事件的发生。这种事先的预防能力，得仰赖在车子内外所建置的各式感测装置，如雷达、红外线、CMOS/CCD影像监视器、胎压监测系统（TPMS）等；基于不同的安全诉求，这些监测到的资料会经由特定的控制器来加以演算，分析其代表的意义，并以最快的速度做出适当的反应。以下将介绍几项已使用或发展中的先进安全系统。
　

图一　汽车安全系统从被动往主动方式发展
　

■预碰撞系统
交通事故的发生以碰撞为主，而碰撞的理由往往与驾驶人的注意力不集中（如打瞌睡或打电话），或视线不良等情况有关，而且事故的发生通常都只在剎那之间。今日的车厂无不致力于发展预碰撞（pre-crash）安全系统，此系统又可分为对内部驾驶人（或乘客）的保护，以及对行人的保护两种。

对驾驶人来说，当预碰撞安全系统透过雷达系统侦测到冲击的可能性，它会向驾驶人提出警讯，如果仍无法避免冲撞的发生时，会在0.6秒前启动自动剎车系统，此系统能根据驾驶者剎车的力量，增加剎车油压辅助，让车辆减速的动作更为确实，以希望能将车速降至最低；在此同时，预碰撞系统也会驱动安全带系统内的马达，将安全带捲回，并将乘员固定在所设计的最佳位置上，例如调整头枕位置来防止颈部伤害，或将座椅移到一个可以让安全气囊发挥最大功能的位置，以期将冲击降到最低。此外，系统也可以做出关闭车窗及天窗等控制动作。

对行人的保护方面，当雷达、红外线或影像感测器等元件感测到车体即将冲撞到行人时，预碰撞系统会紧急告知驾驶人，并在碰撞不可避免时，如上述般启动自动剎车系统、爆开位于保险桿及前档风玻璃处的安全气囊，以降低对行人头部、胸部及足部的伤害。

■自适应巡航控制系统
从被动安全到预碰撞系统，都是不得已时的撞车处理措施，但最好的情况是能做到事前预防碰撞的发生。透过配置在车子四週、愈来愈多的感测器，以及更先进的演算控制技术，今日的车主能够获得来自安全系统的辅助驾驶资讯，在探测到可能出现的危机时，适时发出警告信号，甚至能够介入汽车的操纵控制。自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）就是这样的一套系统，它的主要功能在于当前车距离过近时将车辆减速，距离够远时再为车子加速。

自适应巡航控制系统属于前向行驶的自动车速控制功能，它对于剎车仅有部分的干预程度，让驾驶人仍居于主控者的地位。要实现自适应巡航控制的首要工作，就是确实锁定前方的目标车辆，再计算出前方车辆的移动资讯，如车速、加速度、偏航率等；ACC系统会依计算出的距离及相对速度，以及车主设定的反应时间，进一步算出两车之间的安全车距，并进一步做出加速及减速的动作。当两车距离过近时，则切换到预碰撞的处理模式。

■驾驶警示系统
除了对碰撞及车速的控制处理外，对于驾驶人的种种行为，也能透过各种感测系统来进行监控并做出警示动作。这些警示功能包括车道偏离警示（Lane Departure Warning，LDW）、驾驶危险警示、视觉死角警示（或称盲点检测）等等。这些功能大多利用CCD/CMOS影像感测器来进行监视，并透过一套辨识系统来判断车辆或驾驶的行为是否正常，并适时发出恰当的警告信号。

车道偏离警示是当车辆不正常偏车道线时进行警示动作，辅助驾驶人控制车辆保持于车道线，或提醒驾驶人变换车道时必须先打方向灯；如果驾驶人事先打方向灯，再变换车道，此属正常行为，系统将不会发出警示信号。

驾驶危险警示系统是利用影像感测器来监看驾驶人的行为，当驾驶人出现打瞌睡或视线偏离车道太久的情况时，会发出警告。有的系统甚至会侦测驾驶座中的酒精浓度，并提出适当的警告。此外，驾驶人的视线也有不少死角，透过加装后侧方死角及后方死角监视器，可以为驾驶人提供视觉死角的相关环境资讯。例如使用CCD或是超音波进行后方物体的侦测、显像及警示，可以避免车辆倒车时发生事故。

对于驾驶人来说，有用的资讯能减轻一些操控上的感知负担，并协助他做出适当的应变动作，不过，如果警示信息出现的太频繁且没有太大作用（如“前有测速照相”语音警示），这只会让驾驶人觉得不胜其扰，进而拒绝使用这样的一套辅助系统。另一个问题是如何发出警讯让驾驶人知道，如语音、萤幕/仪表板显示，或透过所谓的「体感警示」方式，也就是以振动油门踏板、方向盘或车体微动等方式来对驾驶人做出警示。

■电子稳定程序
除了驾驶人的行为外，车辆的行为也是安全控制的一个重点。电子稳定程序（Electr onic Stability Program，ESP）便是一套协助驾驶人保持车辆正常行为的主动式安全系统，它整合了防锁死剎车系统（Anti-lock Braking System，ABS）和循迹控制系统（Traction Control System，TCS），能够防止汽车出现轮胎打滑失控的现象。

ABS与TCS是两套相反作用的功能，其中ABS是当汽车轮胎出现锁死现象时，迅速的点放煞车；TCS则是当输胎产生空转时，透过降低扭力的降低或轮胎的锁死来让轮胎重新获得抓地力。ESP整合了两者，当车辆有侧滑的危险，或者转向不足时，ESP就会分别对每个车轮施加不同的制动力，修正汽车的轨迹，防止出现转向不足（understeering）和转向过度（oversteering）的情形。

系统架构剖析
汽车电子的安全系统，与其他系统最大的差异，就在于需要即时性的智能性处理能力。虽然有预碰撞、安全车速/车距、车道偏离警示等各种安全警示及危机应变功能，但在系统架构的作法上，大致上都是相同的，也就是透过适当的感测器来监视外在环境的变化，将监测到的信号传送到中央电子控制单元（ECU），再经由一套危险评估的演算法来做出判断，并立即决定最佳的应变动作，例如警示驾驶者或是直接控制车辆。

我们以目前普遍安装在车上的安全气囊（Airbag）系统来剖析这样的架构。安全气囊的组成单元包括位于车体外的冲撞感测器（satellite sensor），建置于前座、后座、车门、头部上方等各个地方的加速度感测器（g-sensor），电子控制单元，以及安全气囊等。当车体受到冲撞时，冲撞感测器能够在数个微秒的时间内高速将此突变状况告知电子控制单元（通常是16位元或32位元的微控制器），此控制器会立即根据碰撞的严重程度、乘客的重量、座椅/安全带的位置等参数资料，以及其他偏佈于全车厢的安全系统感测器所传回的资料，立即进行运算评估，并在最短的时间内透过电爆驱动器（squib driver）来启动安全气囊。
　

图二　Airbag系统架构组成
　

除了安全气囊外，还有几个较常见的安全功能，包括主动式悬吊（Active Supension）、防锁死煞车系统（Antilock Brake Systems, ABS）、动力方向盘（Power Steering）和预拉紧安全带（Seat Belt Tensioner）等，它们是先进安全系统的技术基础。

以主动式悬吊系统来说，它结合了气压/油压/感应式减震筒、电脑控制系统与感应器等装置，能够依照车速/加速、负重、左右G力、转向程度等数据的变化，自动按照电脑控制程式的设定来即时调整悬吊系数，同时也能调整车辆与地面的高度，大大提升了车辆的操控特性。主动式悬吊的系统架构，请参考（图三）。

图三　主动式悬吊系统架构组成

今日的ABS需要采用更高可靠性的电子元件来确保其操控安全性，而随着更多国家制定出相关的法规要求，也让ABS的设计复杂度更为提升。在ABS系统的关键单元是输胎转速的感测，当控制单元发现紧急煞车导致转速过低时，会适时重新给予足够的输胎滚动空间。其目的是赋与输胎更大的抓地力，以免造成失速滑行的危险状况。ABS的系统架构，请参考（图四）。

图四　ABS系统架构组成

动力方向盘的全名是电子式动力辅助方向盘（Electric Power Assisted Steering, EPAS）系统，它在过去几年中已开始获得市场的接受。相较于传统的油压式方向盘，动力方向盘采用电子式的马达来为驾驶人提供方向性的控制辅助，同时能降低引擎的负载，进而能改善燃料的使用效益。一般的动力方向盘系统会利用感测器得知方向盘的位置、转力矩（Toque）、速度，车子的速度，以及马达温度及电池供电电压等状况，再进一步做出电子式马达的辅助控制，请参考（图五）。

图五　动力方向盘系统架构组成

最后来看看预拉紧安全带，这种安全带在平时能给驾驶与乘客较大的肩部活动空间，但当碰撞事故发生的瞬间，当驾驶与乘客尚未因冲撞而向前移动时，就立即拉紧带子，消除驾驶或乘客与安全带之间的空隙，将他们绑紧在座椅上并锁止安全带。预拉紧安全带减少了驾驶及乘客的前倾距离，因而获得更安全的保护。此功能也是先进的预碰撞系统中的一环。其组成系统架构，请参考（图六）。

图六　预拉紧安全带系统架构组成

结论
汽车安全系统已从被动型式进步到主动型式，而更具智能性的主动式安全系统，得靠精确且遍佈车体内外的各式感测器，以及具正确且立即辨识、判断能力的演算平台来达成。视觉性的感测器（如雷达、红外线、影像感测器等）只是众多感测器中的一部分，未来完善的汽车安全系统还得充分结合陀螺仪、加速度计、方向盘与煞车踏板位置探测器，以及轮胎转速检测系统，对车体配件做出精确的监控及警示才行。

愈来愈多的感测器、更强大的演算中心及对剎车、引擎、安全气囊等装置的控制，将形成更复杂的车载网路（in-vehicle network），此网路中需要更即时的处理性能和资料传送能力。这些智慧性的辅助功能将让驾驶人更轻松和安心的开车，也有助于减少交通意外的发生或降低事件的严重性。