103424103传感器技术在汽车安全中的应用 1.docx

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103424103传感器技术在汽车安全中的应用1

辽宁警察学院

本科毕业论文（设计）

传感器技术在汽车安全中的应用

论文作者：

张永峥

专业（方向）：

刑事科学技术（道路交通安全方向）

年级：

2010级

学号：

103424103

指导教师：

王德彰教授

完成日期：

2014年4月23日

中文摘要

汽车用传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，基于传感器的作用，开发出了许多以提高汽车安全性为目的的汽车电子控制系统，主动安全中应用比较普遍的有“ABS车轮防抱死系统”、“EBD电子制动力分配系统”、“ESP车身稳定控制系统”，这些系统极大的提高了车辆行驶的稳定性、可靠性和安全性，减少了事故的发生。

被动安全系统中比较主要的“SRS安全气囊系统”在事故发生时尽可能的缓冲撞击力对乘员的伤害，降低事故死亡率。

根据统计数据得出，安装电子安全控制系统的小轿车比没有该系统的小轿车事故率要低35%。

十年前的美国，大约只有7.3%的小型汽车安装了电子安全控制系统，如今，这个比例已经上升至约40%。

现在，人们乘车出行“安全”是第一位。

因此，越来越多的传感器应用于汽车，越来越多基于传感器的安全系统的开发对于提高行车安全，降低事故率、事故死亡率具有重要意义。

关键词:

安全电子控制汽车用传感器应用

ABSTRACT

As the automotive electronic control system information sources, automotive sensor is a key component of automotive electronic control systems , Based on the role of the sensor, people developed a many electronic control systems to improve vehicle safety for the purpose of automotive, active safety of the more common applications use "ABS wheel anti-lock system," adding "EBD electronic brake force distribution system ", "ESP vehicle stability control system" ,thesesystemsgreatlyimprovevehiclestability,reliabilityandsecurity,reduceoccurrenceofaccidents."SRSairbagsystem"occupiesamajorpositioninPassivesafetysystems,atthetimeoftheaccidentwhichcancushiontheimpactforceinjuriestothecrewasmuchaspossible,so it can reduce the accident mortality. According to statistics, the rate of accident of the car with the installation of electronic security control systems is 35% lower than which without it. Ten years ago the United States , only about 7.3 percent of the small car which install an electronic safety control system ,but now, this proportion had risen to about 40 %. Now, when people are travelling by car, “security" is the first key point to be thought. Therefore, more and more sensors are used in automotive and more to improve road safety and to reduce the accident rate , which is important to develop sensor -based safety systems .

Keywords:

SecurityElectroniccontrolAutomotiveSensorsApplication

目录

引言.............................................................1

1汽车安全系统用传感器种类.......................................1

1.1轮速传感器................................................1

1.2距离传感器................................................2

1.3压力传感器................................................2

1.4碰撞传感器................................................2

1.5位置传感器................................................3

1.6GPS传感器................................................3

2传感器在汽车主动安全中的应用...................................4

2.1汽车电子主动防碰撞系统....................................4

2.2倒车辅助系统..............................................4

2.3自适应巡航系统............................................5

2.4车轮防抱死系统............................................5

2.5电子制动力分配系统........................................6

2.6紧急刹车辅助系统..........................................6

2.7驱动防滑系统..............................................6

2.8车身稳定控制系统..........................................6

2.9胎压监测系统..............................................7

3传感器在汽车被动安全中的应用...................................7

3.1智能安全气囊系统..........................................7

3.2汽车安全信息记录仪........................................8

4车用传感器应用软件的发展.......................................9

5结论..........................................................10

引言

目前汽车上使用的安全系统主要可分为“主动安全系统”与“被动安全系统”。

顾名思义，所谓主动安全，指汽车自身会主动干预行车控制以避免发生事故，主要有：

制动车轮防抱死系统、电子制动力分配系统、驱动防滑系统、自适应定速巡航系统、电控随速转向系统、车身稳定控制系统系统等多项电子控制系统。

而被动安全是强调在事故发生时对车内乘员的保护或对被撞车辆或行人的保护，主要分为“安全车身结构”和“乘员保护”两大类，例如：

安全带、安全气囊、防撞钢梁、儿童安全椅、吸能转向系等等都属于被动安全装置。

由于“安全车身结构”属于力学内容，因此本文在被动安全方面主要讨论传感器应用于汽车在“乘员保护”方面的安全措施。

在汽车电子控制系统里，传感器就相当于人体的感觉器官，例如眼睛和耳朵，必不可少，而且传感器性能的好坏直接决定电子控制系统的整体水平。

正是因为车用传感器在电控系统中的重要作用，当今，国内外相关领域都非常重视汽车传感器领域的发展，因为它直接影响汽车技术性能的发挥。

现在车用传感器已不局限于发动机，它已经延伸到车身、底盘等各个部位。

现在的中低端汽车汽车大概有10~50只传感器，高端汽车上则更多。

随着人们的需要以及科技水平的进步，车用传感器技术势必将趋于完善，向微型化、多功能化、集成化和智能化方向发展。

1汽车安全系统用传感器种类

汽车传感器是指应用于汽车中的各式传感器，由于汽车电子控制系统的工作只能依赖电信号，所以传感器的作用就是将一些化学变化或者物理变化通过各种方式转变成电流的变化反映给汽车电子控制器。

到目前为止，传感器还没有一个确定的分类标准，它的分类可以以很多种形式划分，例如：

（1）按能量关系分类，可分为主动型和被动型。

（2）按工作原理分类，可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、光电式、压电式和热电式等。

（3）按输入物理量分类，可分为速度、位移、加速度、角速度、角位移、力矩、压力、温度、浓度和真空度等。

（4）按信号转换性质分类，一种是非电量转换成非电量的信号传感器，如气动传感器、弹性敏感元件传感器；另一种是由非电量转换成电量信号的传感器，如压电式加速度传感器、热电偶温度传感器等。

（5）按检测项目分类，可分为温度、车速、加速度、压力和碰撞传感器等。

本文主要研究的是交通安全方面，因此只讨论与汽车安全有关的传感器，这些传感器主要用于汽车车身与底盘，在汽车安全系统中用到的传感器主要有以下6个。

1.1轮速传感器：

目前汽车ABS系统、ESP系统等中用到的轮速传感器主要是“电磁式轮速传感

器”电磁式轮速传感器主要由四部分组成，分别是：

磁铁、线圈、磁极和齿圈。

图1.1轮速传感器工作原理

如图1.1，齿圈5在永久磁铁产生的磁场中旋转时，根据磁通量计算公式：

----------------------------------------------------------

（1）齿圈齿顶的缝隙在发生变化，即恒洁面积S在发生变化，因而磁路中的磁阻也会随之变化，进而影响磁通量的变化，在线圈1两端产生的电压会随着磁通量的增减的改变而改变，与磁通量增减的速度成正比，然后该交流电压信号会通过导线传递给电子控制器。

1.2距离传感器

在汽车安全方面应用的距离传感器主要分为两种，ACC系统使用的远距离探测雷达传感器与倒车雷达用近距离探测传感器。

倒车雷达系统主要由四个安装在后保险杠上的毫米波雷达传感器（NDS）构成，如图1.2，每个雷达传感器都采用FMCW体制运行，可在35米距离，水平120°角的范围内进行有效探测。

适宜低速，路面复杂的情况。

如果需要远距离探测，可增加远距离77GHz传感器，但是探测角度就会缩小。

图1.2距离传感器探测范围

1.3压力传感器

压力传感器用于汽车安全中的主要是轮胎压力传感器，在每个车轮内部安装一个汽车胎压监测传感器，够准确测量轮胎内部的压力和温度，由于安装在汽车内部，不便于经常性的维护与检修，因此应在各种环境下具有可靠性，例如下雨、下雪等不同天气状况；各种路况，例如城市内道路、高速公路、乡村公路、盘山公路等；冬季中的冰雪路面、极其寒冷地区；夏季中的炎热、潮湿地区；不同的车速（0～200km/h）等。

以此胎压传感器一般具有10年的使用寿命，工作温度范围在-40℃~120℃。

1.4碰撞传感器

碰撞传感器主要是安全气囊系统的信号采集与传输装置，分为机械式与电子式两种。

在汽车发生碰撞时，碰撞传感器检测撞击的强度信号，将信号传输给SRSECU，由ECU决定是否需要打开安全气囊。

安全气囊系统中还有一种碰撞防护传感器，它与碰撞传感器的结构相似，原理基本相同，区别在于设定的减速度阀值不同，其目的是防止碰撞传感器因意外短路而造成气囊爆开。

它主要是作为一个保险装置，必须要接到碰撞传感器与碰撞防护传感器的两个信号时，控制器才会允许打开安全气囊。

1.5位置传感器

位置传感器在安全系统中主要用于ACC系统和ECA系统，检测驾驶员油门踏板和制动踏板的位置与踏板位置变化的速度。

ECU以此来判断司机的意图，使行车电脑对车辆运行做更好的优化，提高行车安全。

踏板位置传感器的应用更强调的是“人—机”结合，以制动踏板传感器为例，不仅可以识别司机的意图令动作机构执行，还可以产生脚踏感反馈给司机。

如图1.3为电子制动系统工作流程。

图1.3电子制动系统构成单元

1.6GPS传感器

GPS传感器广泛应用于汽车导航中，它具备的精确定位功能是发生事后救援部门能及时确定事故发生地点的重要手段。

同时，为汽车一些车载系统提供车速数据。

在车辆安全方面，通过GPS传感器得出瞬时车速，用于安全系统监测汽车是否超速的依据。

GPS传感器与其它传感器不同，它不是单独工作，而是依靠卫星。

实际上GPS传感器是一个卫星信号接收机，是计算多个卫星信号的发射时间和到达GPS接收机的时间之差（我们称之为伪距），然后根据多个卫星所在的轨道位置，通过空间距离后方交会的方法得出接收机所在位置。

如图1.4：

图1.4GPS工作原理

[（X1-X）²+（Y1-Y）²+（Z1-Z）²]1/2+c（Vt1-Vt0）=d1

[（X2-X）²+（Y2-Y）²+（Z2-Z）²]1/2+c（Vt2-Vt0）=d2

[（X3-X）²+（Y3-Y）²+（Z3-Z）²]1/2+c（Vt3-Vt0）=d3

[（X4-X）²+（Y4-Y）²+（Z4-Z）²]1/2+c（Vt4-Vt0）=d4

联立以上四个方程组解出接收机所在坐标（x，y，z）,因此伪距的测量要求至少得到4个卫星的信号。

目前，GPS系统有24颗卫星，完全可以满足这一要求，全球覆盖率已达98％。

民用定位精度误差范围为10米。

2传感器在汽车主动安全中的应用

2.1汽车电子主动防碰撞系统

汽车智能防碰撞系统：

以沃尔沃为例，沃尔沃汽车以安全性能优越而闻名于世，这很大一部分得益于他们使用的“汽车主动防碰撞系统”，这套系统也称“城市安全系统（CitySafety）”。

据统计，世界上记录在案的碰撞事故中，车速低于30km/h时发生的事故占很大比例，约占总体的75%。

而这些事故由于碰撞较轻微，一般私下解决，很少经过官方或者保险公司的介入，也就不在统计范围，因此，此类事故的发生比例比统计的还要高。

当车速低于30km/h时，此主动安全系统介入工作。

城市安全系统可使汽车在与碰撞目标的接近速度小于15公里/时完全避免碰撞;与碰撞目标的接近速度在15km/h以上，30km/h以下时尽可能的减速以减轻碰撞，降低损害后果。

该系统使用激光传感器，安装在车内后视镜背部，前风挡玻璃上部处，通过激光传感器，可以监测汽车车头前方6米范围内的交通状况，探测有无障碍物。

该系统可对前方处于任何运动状态的物体作出反应，根据本车与可能发生碰撞物体的距离和接近速度，计算想要避免碰撞应对车轮施加的制动力，城市安全系统随即进行制动准备（升高制动油压力，在得到制动指令时能以最快的反应速度产生制动力）或自动制动并禁用油门踏板，帮助避免碰撞或减轻碰撞。

当计算出的制动力大于刹车盘可提供的最大制动力时，便认为即将发生碰撞，即使司机没有动作，城市安全系统仍会介入施加制动。

该系统的ECU可进行每秒高达50此的运算。

2.2倒车辅助系统

广为人知的“倒车辅助系统”中的距离传感器，是一种典型的车身传感器，其位置可见，安装于车尾外部，有突出的圆钮，又称倒车雷达。

工作方式主要分为两种：

超声波和毫米波雷达。

在高端车中，车身四周都有配备距离传感器，以防倒车转弯时刮碰两个前角。

倒车雷达与倒车影像在司机挂入倒档时同时启动，配合方向盘转角传感器，可以在视频影像的显示屏上显示出当前方向盘转角下，汽车将要经过的路径曲线。

通过该系统，驾驶员可以直观的看见自己驾车将要经过的轨迹，清除视觉盲区，规避障碍物，倒车入位安全、精准。

2.3自适应巡航系统（AdaptiveCruiseControlACC）

自适应巡航系统在一定意义上属于自动驾驶系统，该系统早期为定速巡航系统（CCS），系统启动后，驾驶员设定一定的车速后，不用踩油门踏板即可保持恒定的车速，减轻了驾驶员的操作强度，提高安全性。

基于定速巡航系统又开发出了“自适应巡航系统（ACC）”，自适应巡航系统允许车辆巡航控制系统通过调整行车速度以适应当前交通状况。

该系统可以实现自动跟车行驶，如图2.1，即随前方车辆车速自动调节本车车速。

安装在车辆前方的距离传感器用于探测到前方正在行使的车辆，根据多普勒原理计算与前车的距离和与前车的相对速度。

ACC系统通过介入车辆和电子油门系统和制动系统，保持与前方车辆的位移间隙或时间间隙，始终保证于前车有一定的安全距离。

在高速公路行驶中，驾驶员容易对前车的距离以及速度判断错误，ACC系统可以有效的缓解了驾驶疲劳，严格的控制好安全车距，也使安全性大大增加，避免了许多可能的追尾事故。

图2.1跟车行驶演示

ACC系统有两种工作模式.自动控制在车速大于25knm/h时启动，司机进行油门或者油门控制时系统自动断开;车速低于25km/h时需要司机手动开启。

手动模式主要是在一些城市道路，拥堵，频繁的停车起步。

司机手动开启后，ACC系统在车速很低的情况下也能控制与前车的距离，必要时自动停车。

前车起步时会提示司机，司机通过踩动油门踏板使汽车继续前行。

2.4车轮防抱死系统（Anti-lockBrakeSystemABS）

ABS系统中的轮速传感器是该系统正常工作的核心部件。

由摩擦力计算公式:

------------------------------------------------------------------

（2）它由垂直于摩擦面的压力Fn和滑动摩擦系数μ决定，与滑动面之间的相对速度和面积无关。

研究汽车弹性轮胎的特性，发现弹性轮胎与地面的摩擦有特殊的规律，轮胎与地面的摩擦系数最大值出现在轮胎边滚边滑的状态时。

我们用车辆的滑移率来表示，滑移率公式：

------------------------------------------------------（3）

v—车子在地面上行驶的速度m/sr——车轮滚动半径mw——车轮角速度rad/s。

根据实验证实，当车轮滑移率δ=15%-20%时附着系数达到最大值。

轮速传感器的作用是在制动过程中发出车轮将要抱死的信号传给ECU，ECU通过指令调节器降低该车轮制动缸的油压的方式降低制动力，并保持当前制动力；发现制动力不足时再增大制动油压，不断经过“降低-保持-增大”这样的一个循环（周期可达每秒几十次），始终将车轮滑移率控制在15%-20%之间，此时轮胎与路面的附着系数最大，能产生最佳的制动效果。

2.5电子制动力分配系统（ElectricBrakeforceDistributionEBD）

汽车在冰雪路面行驶时，四个轮胎附着的路面条件往往不一样，比如左侧车轮附着在干燥的沥青路面，右侧车轮附着在湿滑的冰雪路面，这种情况导致汽车四个轮胎与地面的摩擦系数不同，此时汽车制动，可能会发生打滑、甩尾和侧翻等事故。

EBD系统在实际使用过程中与ABS系统配合，EBD系统控制器通过轮速传感器的感应，计算出四只轮胎与路面不同的附着系数，根据每个轮胎与地面不同的摩擦力合理的分配给每个车轮相匹配的制动力，保持汽车制动时的方向性、稳定性。

2.6紧急刹车辅助系统（ElectronicBrakeAssistEBA）

驾驶员遇到应当紧急制动的情况是，不能立即行动，而是要经过t＇1的反应时间后才开始支配身体有动作，移动右脚到制动踏板还需要时间t＂1；制动器行程存在间隙，这个时间为t＇2，制动器发挥作用，制动力从最小到最大需要时间t＂2。

因此，由制动距离公式：

--------------------------------------------（4）

得出，紧急制动前，驾驶员反应时间与制动系统达到最大制动力的时间对制动距离的影响巨大。

EBA系统是根据刹车踏板位置传感器侦测到驾驶员的刹车动作，根据驾驶员踩下刹车踏板的速度与力度来判断驾驶员对此次刹车的意图，如判断属于紧急刹车，则可在制动踏板行程完全踏下之前即可产生最大制动力，缩短产生最大制动力的时间，缩短刹车距离。

而且EBA系统属于电子刹车系统，取消了传统制动系统中的液压管路，一旦接到刹车信号每个车轮的制动器都可以在几毫秒以内产生最大制动力，缩小了t1+t2=的时间，尤其在车速高的情况下，可以节省很大的制动距离。

2.7驱动防滑系统（AccelerationSlipRegulationASR）

在诸多影响交通安全的因素中，路面环境占很大一部分比例，冰雪路面、湿滑路面很容易引起交通事故。

在这些恶劣的路面情况下，汽车起步、加速，尤其是出弯加速时很容易出现驱动轮打滑的现象，驱动轮打滑容易造成汽车漂移、甩尾，影响方向稳定性。

汽车驱动轮打滑的一个信号就是驱动轮转数高于从动轮转速，通过轮速传感器对每个车轮转数的监测，当发生此种情况时，ASR介入，ASR电子控制单元通过减小油门，限制发动机功率或制动车轮等一系列动作使车轮不再打滑。

因此，ASR工作后司机会发现汽车加速无力，这是限制发动机功率造成的，只需重新启动发动机即可。

ASR可以提高汽车稳定性、安全性，避免因加速过度造成的甩尾失控等危险情况。

2.8“车身稳定控制系统（ElectronicStabilityProgramESP）

在汽车行驶至急转弯、连续弯道、盘山路等路段时，容易因转向过度或者转向不足而

失控、甩尾或者偏离车道引发事故。

图2.2车身稳定控制系统工作示意图

如图2.2，ESP能主动进行干预，校正行驶轨迹方向，实现平稳驾驶。

ECU由方向盘转角传感器与车速传感器得来的信息高速计算此时车辆正常转弯的参数（各个车轮之间的转数差），当出现紧急情况时，系统可迅速感知、计算并采取制动措施。

与ASR不同的是，ESP不仅可以对驱动轮进行控制，也可以控制从动轮，可以对四个车轮进行单独的控制，对转数过快的车轮施加制动，提供补偿力矩，使车辆保持在正常的转弯轨道上，可有效地避免因转向过度、转向不足引起的甩尾、翻车等事故。

ESP是目前汽车安全系统的最高水平，能很大程度的避免因恶劣路况和驾驶员操作失误所引发的交通事故。

它是一种针对行车过程中会遇到的复杂路况、高速转弯等状态的汽车主动安全系统。

2.9“胎压监测系统（TirePressureMonitoringSystemTPMS）

据统计，高速公路上发生的交通事故中，80%是由爆胎引起的，爆胎事故发生的突然而且大多数情况下车速较快，令驾驶员猝不及防，爆胎后车辆重心改变失去平衡，极难控制，因此高速公路上的爆胎事故的死亡率接近90%。

在爆胎过程中大部分是由于胎压不足引起，当前，大部分机动车没有安装胎压监测装置，很多司机也没有外部设备能检测胎压，因此，很多车辆在带着隐患上路。

因此，给车轮内部安装空气压力传感器势在必行