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汽车行驶与安全控制系统

		点击数：	更新时间： 2021年05月11日
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汽车电子控制技术
第11章  行驶与安全控制系统
11.1 电控悬架系统(ECSS)
11.2 巡航控制(CCS)与导航控制
11.3 安全气囊(SRS)
11.4 防撞控制系统
11.6 电控转向系统(EPS)?
11.7 汽车电子稳定程序系统(ESP)?
11.5 电控中央门锁与防盗系统
汽车悬架系统简介
汽车悬架是汽车的一个重要组成部分，
1.悬架的功用
1) 抑制、缓和由不平路面引起的振动和冲击；
2) 传递汽车垂直力以外，还传递其他各方向的力和力矩；
3) 保证车轮和车身(或车架)之间有确定的运动关系，使汽
    车具有良好的驾驶性能。
2.悬架的组成
1）弹性元件：起缓冲作用，承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击，
2）减振器：起减振作用，衰减车身的振动是悬架机构中   最精密和复杂的机械件。
3）传力（导向）装置：起力的传递作用，保证车轮相对于车架(或车身)有确定的相对运动规律。
汽车悬架系统示意图
1）弹性元件
1? 钢板弹簧
特点：既有弹性元件的作用，又可起到导向和减振作用。
2? 螺旋弹簧
特点：质量轻，但没有减振作用，须另加减震器；也必须加推力杆。
3? 气体弹簧
特点：以空气或油、气作为工作物质。体积小、寿命长、弹簧刚度可变；但要求密封好、加工装配精度高。
膜式空气
弹   簧
囊式空气
弹  簧
油气不分隔式弹簧
油气分隔式弹簧
2）减振器
1、功用： 
	  加速车架与车身振动
的衰减，改善汽车行驶的
平顺性。 
2、原理： 
   油液通过窄小孔隙形成
阻尼,将振动能量转化为热
能.
减振器工作过程
双向作用筒式减振器
2. 纵向推力杆
1. 弹性元件、 
    减振器 
 3. 横向稳定杆、 
     横向推力杆
3）传力（导向）装置
3.?悬架的类型
1）结构上分：分成独立悬架和非独立悬架。
2）反应性能上分：分成被动悬架、半主动悬架和主动悬架。
3）减振材料上分：分成液力悬架、空气悬架和电磁悬架。
    构造较简单，承载力大，商用车、皮卡、越野车部分轿车的后悬架采用这种型式。
(a)非独立悬架
(b)独立悬架 
    每个车轮能独立上下跳动而互不影响。轿车多采用这种型式。
11.1 电控悬架系统
?电子控制悬架系统Electronic?Controlled?Suspension?System —ECSS 
1.  一般行驶时需要柔软一点的悬架以求舒适感；
2.  急转弯及制动时又需要硬一点的悬架以求稳定性；
3.  不同行驶环境对车身高度的要求也是不一样的。
        传统的被动悬架无法满足这种矛盾的需求，只能采取折中的方式去解决。电子控制悬架（主动/半主动悬架）可以在一定范围内调整悬架的性能来满足上述需求。
汽车不同的行驶状态对悬架有不同的要求，汽车在
1）车高调整功能
       车辆的负载变化，保持一定的车高；
       车辆在差的路面行驶，提高车高；
       车辆高速行驶，降低车高。
1.电控悬架的功能
2）衰减力控制功能
        在车辆急转弯、急加速和紧急制动的情况下，可抑制
车辆的姿态变化，防止车辆后坐、侧倾、点头等。
3）弹簧刚度弹性系数的控制功能
       利用控制弹簧刚度的方法控制车辆起步不同状态时的
姿态。
        根据路面的激励和车辆的响应，对悬架的阻尼系数进行调整，使车身的振动被控制在一定的范围内。
2.电控悬架的类型
1）半主动悬架
       根据车辆的行驶条件、车轮高低的变化，主动改变悬架的刚度和阻尼系数，主动高度补偿尽量使车身保持稳定。
2）全主动悬架
1. 传感器：车身加速度、位移；车速；转角等传感器；
2. ECU:
3. 执行机构：电磁阀、步进电机、气泵电机。
11.1.2 电控悬架的基本组成
11.1.3  半主动悬架系统的控制原理
        检测车身振动，调整悬架的刚度和阻尼系数。
    半主动悬架可看作由可变特性的弹簧和减振器组成的悬架系统。
    虽然它不能随外界的输入进行最优的控制和调节，但它可按储存在计算机中的各种条件下最优弹簧和减振器的优化参数指令来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态，使悬架对复杂多变的路面状况具有较好的适应性。
    主动悬架是一个动力驱动系统，包括能量源、测量系统、ECU、和执行器四个部分。
        其原理是通过传感器获得车辆振动信息，传递给ECU进行处理，发出指令给能量源产生控制力，再由执行器进行控制，衰减悬架的振动。
        主动悬架结构复杂，成本高，需要很大的能量消耗，其发展受到了一定的制约，在少数高级轿车中有所应用。

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11.1.4  主动悬架系统的控制原理
主动悬架系统的控制模式
控制模式	控 制 项	行驶状况	悬架刚度
阻尼系数
车速与路面
感应控制	车速感应控制	车速高	增大
车速与路面
感应控制	前后轮相关控制	遇到障碍	减小
车速与路面
感应控制	坏路面感应控制	坏路面行驶	增大
车身姿态
控  制	转向车身倾斜控制	车辆急转向	增大
车身姿态
控  制	制动车身点头控制	车辆紧急制动	增大
车身姿态
控  制	起步车身后仰控制	突然加速	增大
车身高度
控  制	1）车辆高速行驶，降低车高。
2）车辆在差的路面行驶，提高车高；
3）驻车时，常规车高；	1）车辆高速行驶，降低车高。
2）车辆在差的路面行驶，提高车高；
3）驻车时，常规车高；	1）车辆高速行驶，降低车高。
2）车辆在差的路面行驶，提高车高；
3）驻车时，常规车高；
目前应用于悬架控制系统的控制理论主要有：
    天棚控制、最优控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制以及复合控制等等。
11.1.5  控制策略研究
???  天棚控制原理是在车身上安装一个与车身振动速度成正比的阻尼器，可以完全防止车身与悬架系统产生共振，达到衰减振动的目的。
    在天棚控制方式中，控制力取决于车体的绝对速度的反馈，不需要很多传感器也不需要复杂的数学模型，可靠性较好。
        CCS可使汽车工作在发动机有利转速范围内，减轻驾驶员的驾驶操纵劳动强度，提高行驶舒适性的汽车自动行驶装置。
        巡航控制系统又称为巡航行驶装置、速度控制系统、自
动驾驶系统。
11.2巡航控制与导航控制
11.2.1巡航控制系统
巡航控制系统
Crusie Control System —— CCS
丰田PRIUS轿车巡航控制系统
巡航控制
系统按钮 
    通过自动控制制动和加速来保证一定的车距。旧巡航控制系统只能按设定的车速保持一个速度，而主动巡航控制统则利用雷达或其他监测设备扮演司机的角色 ，前方慢，后方也减速。系统自动保持预先设定的与前车的安全距离。
主动式巡航控制系统
        按驾驶员所设定的速度，不用踩油门踏板就可以自动
地保持车辆以固定的速度行驶。采用了这种装置，当在高
速公路上长时间行车，驾驶员不用控制油门踏板，减轻了
疲劳，减少了不必要的车速变化，可以节省燃料。
1.作用与类型
1）巡航控制系统作用
1? 电控电动机式CCS
2? 电控真空控制式CCS
2）巡航控制系统类型
    汽车巡航控制系统主要是由指令开关、传感器、电子控制单元ECU和节气门执行器四部分组成。
2.   CCS  的构成
1）主控开关：控制CCS启动、关闭、调节巡航状态。??? 
2）离合器开关：仅安装于手动变速器车辆，当汽车在巡航状态下出现驾驶员干预，驾驶员踩踏离合器踏板，使其闭合，电控单元立即自动关闭巡航工作状态。
3）变速器空挡开关：仅安装于自动变速器车辆，它的作用与离合器开关类似。
4）刹车开关：当驾驶员踩踏制动踏板时，在制动灯亮的同时，将控制节气门动作摇臂的电磁离合器断开，迅速退出巡航控制的工作状态。节气门不再受CCS控制。
5）手刹车制动开关：与离合器开关、空当开关类似。
6）点火开关：通断工作电源。
1.指令开关
1）车速传感器：专用于CCS的车速传感器一般安装在汽车变速器输出轴上。
2）节气门传感器：节气门传感器CCS与EFI共用。
3）节气门控制摇臂传感器：这是CCS专用的传感器。其作用是对电控单元提供节气门控制摇臂位置的电信号，目前应用较多的是滑线电位计式。
2、传感器
    主要有车速传感器、节气门传感器和节气门控制摇臂位置传感器等。
1）气动方式：  采用进气歧管真空度控制的气动式结构。
3.执行器
作用：控制节气门的开度，达到控制车速。 有电动和气动
      操纵两种形式。
?2）电动机式：
    是利用电动机的转动并带动控制摇臂摆动，可使节气门的开度变化，
    主要有电磁离合器、直流电动机或步进电机等。
       闭环控制方式，利用指令速度信号与反馈车速信号比
较的差值，自动调节发动机油门的开度，使汽车行驶时的速度保持恒定。
3. CCS的工作原理
节气门执行器
发动机
及变速器

Ki
Kp

车速
传感器
指令
信号
+
-
开
度
车速
控制
信号
e
ECU
        在汽车巡航控制系统中有速度信号反馈，与指令车速进行比较，因此系统工作在闭环控制方式。一般来说，这样一个系统有如下特性要求：
???      1. 速响应能力；
???      2. 好的系统稳定性；
???      3. 小的稳态误差。
???     控制器的放大倍数Kp和KI选择合适就可以使系统具有快速响应和高精度且无不稳定和震荡现象，因此电子巡航控制系统的设计重点是确定合适的控制器放大倍数。

1）车速设定功能
        当按下车速调置开关后，存储该时间的行驶速度，并
能保持这一速度行驶。
2）消除功能
         功能当踩下制动踏板，上述功能立即消失。但是，上
述调置速度继续存储。
3）恢复功能
      当按恢复开关，则能恢复原来存储的车速。
4）滑行功能
        继续按下开关进行减速，以离开开关时的速度作巡航
行驶。
5）加速功能
         继续按下开关进行加速，以不操纵开关时的车速进入
巡航行驶。
4.巡航控制系统的功能
6）速度微调升高功能
          在巡航速度行驶中，当操纵开关以ON-OFF（接通-断开）方式变换时，使车速稍稍上升。
7）低速自动消除功能
         当车速小于40km/h时，存储的车速消失，并不能再恢
复此速度。
8）制动踏板消除的功能
        在制动踏板上装有两种开关，一个用于对计算机的信号消除；另一个是直接使执行元件工作停止。
9）各种消除开关功能
      除了利用制动踏板的消除功能外，还有驻车制动、离合
器（M/T）、调速杆（A/T）等操作开关的消除功能。
1）实时位置测定；
2）显示汽车行驶中的位置；
3）根据到达目的地，定向选择最佳行驶路线。
11.2.2  汽车导航系统
1.汽车导航系统的主要功能
        汽车导航系统由GPS、车载系统、主控中心组成。
        主控中心：由电台、调制解调器、计算机系统、地理
信息系统组成。
        车载系统： GPS接收机、电台、调制解调器、自律导
航系统组成。
2.汽车导航系统的组成与原理
安全气囊
Supplemental Restraint Systems——SRS
11.3 安全气囊
        即通过事先防范来避免交通事故发生的安全技术。
汽车安全的概念
        即事故发生后对乘员的保护，以尽量减少事故对人员伤害的安全技术。 
1.主动式安全技术：
2.被动安全技术，
        被动安全技术装置主要有安全带、安全气垫、防撞式车身和安全气囊防护系统。
        安全气囊是汽车上一种常见的被动安全装置。气囊的作用是在驾驶员与方向盘之间、前座乘员与仪表板间形成一个缓冲软垫，避免硬性撞击而受伤。
11.3.1 作用与类型
        安全气囊在汽车碰撞时中对人体有很好的保护作用，但由于其工作采用的方式，其爆破力造成的冲击对人体也有一定的伤害。此装置一定要与安全带配合使用，否则效果大为降低。
    现已作为标准件在轿车上普遍安装，并向带有侧面防撞安全气囊及顶部碰撞防护安全气囊的多气囊系统发展。 
        在车辆相撞时，由电控元件用电流引爆安置在方向盘中央或仪表盘板杂务箱后等处气囊中的渗氮物，迅速燃烧产生氮气，瞬间充满气囊。
        目前研究的重点是智能型安全气囊，智能型安全气囊技术是采用重量传感器或者红外、超声波等传感器来探测判断座位上是否有人，乘坐者是否在正确的位置，乘坐者体重、身高等因素，碰撞的强度等，根据探测到的信息，确定气囊是否点爆、点爆力有多大，即气囊展开的程度(气压与速度)。从而，达到最合适的充气状态，以免由于强烈的冲击而伤害乘坐者。并且与安全带形成总体控制，以对乘客形成最佳保护。
双气囊系统
双气囊系统
双气囊系统
多气囊系统
多气囊系统
多气囊系统
     安全气囊系统一般由传感器、电控单元(ECU)、气囊模块（包括气体发生器、气囊、点火器） 、监控装置、储备电源等组成。
传感器
ECU
气体发生器
气囊
11.3.2 电子控制 SRS 的组成
PSB：安全带预紧装置。
DAB：
驾驶员气囊
PAB：
是乘员气囊
        传感器包括：碰撞传感器检测汽车的碰撞（减速度），
安全传感器防止气囊误胀开。
        碰撞传感器将极大减速度下的惯性力转换为位移、压
力、磁电、压电、压阻等。
        碰撞传感器有机械式、磁力式、压电式、应变片式、
压阻式传感器等。
        安全传感器是水银开关式传感器。
1.传感器
气体发生器 、发气剂、电子点火器、气囊组成。
2.电子控制单元ECU
3.气囊模块
    ECU接收加速度传感器感受汽车碰撞强度信号，ECU对接收的信号并进行分析、处理，以判定是否发生碰撞事故。若发生了碰撞则对气体发生器发出指令，气体发生器接收到点火信号后，迅速点火产生大量气体给气囊充气，迅速吹胀气囊，整个过程约需0.03s。
11.3.3 电子控制 SRS 的工作过程
    触发装置中的监控装置可连续自我监控，确保整个气囊系统在任何时刻都处于准备工作状态。 
        自动避撞系统利用装于车辆上的传感器及计算机控制
器，实时准确判断发生碰撞的可能，随时提醒驾驶人员注
意，并在必要时采取紧急措施以避免或减轻碰撞危险，提
高行车安全和交通效率。
11.4 防撞控制系统
????    在跟车距离小于安全距离或前有转弯等紧急情况时，
避撞系统会向驾驶员发出警报，提醒注意并采取减速或制
动措施，可有效的预防碰撞事故的发生，对降低交通事故
发生率和确保道路行车安全有着非常重要的意义。
    汽车行驶中，当两车的距离小到安全距离时，即自动
报警，若继续行驶，则会在即将相撞的瞬间，自动控制汽
车制动器将汽车停住。
11.4.1 行车防撞控制系统
测距范围：可达150米的, 
车速的调节范围：从30km/h到18Okm/h。
德尔福(TRW) 77-GHz雷达测距系统
奔驰公司智能汽车辅助系统
视频辅助功能系统
       智能辅助系统包含有与电脑相连的立体摄像机，实现视频辅助功能，能够有效的帮助司机提高驾驶的安全性。
1. 系统可以分辨出汽车、骑车人以及行人，并且以此为依据配合当前各种参数迅速计算出事故可能的破坏的程度，并做出相应的反应。
2. 自动探测路况并预测潜在的危险，当探测到可能发生危险时，系统就会转入“自动操作”来避免危险的发生，例如当摄像头发现了将会有不可避免的撞车发生时，就会自动启动应急刹车系统，从而保证损失降到最低。
3. 自动探测路边的限速指示牌，并且根据探测到的数据用声音的方式提醒司机要遵守速度限制，从而尽可能的避免事故的发生。
1.组成
         由超声波传感器、电子控制单元、报警装置等组成。
11.4.2 倒车防撞报警系统
    汽车倒车时，显示车后障碍物的距离，有效地防止倒车事故发生。
2.工作原理
        采用超声波测距。
倒车雷达有效扇区
超声波传感器（探头）
超声波探头安装
倒车雷达报警装置
倒车视频后视镜
11.6电控转向系统
汽车转向系：用来改变或恢复汽车行驶方向的机构。
       转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。
电控转向系统
Electronic Power Steering
    动力转向器：在驾驶员控制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件施加不同方向的电动、液压或气压作用力，以助驾驶员施力不足的装置。
    采用动力转向系统的汽车转向所需的能量，在正常情况
下，小部分是驾驶员提供的体能，而大部分是发动电机、油
泵或气泵所提供的能量。
    动力转向器的类型按传能介质的不同，动力转向器有
电动式、液压式和气压式三种。其中液压动力转向器已在
各类各级汽车上获得广泛应用。
动力转向器功用和类型
1.功用
2.类型
???    机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。
       机械转向系由三大部分组成：
1）转向操纵机构
2）转向器
3）转向传动机构
机械转向系
1. 转向机构 
2. 转向控制阀 
3. 转向动力缸 
4. 转向传动结构 
5. 转向油罐 
6. 转向油泵 
    R.转向动力缸右腔 
    L.转向动力缸左腔
11.6.1 液力式转向系统
液压助力转向系统示意图
11.6.2 电动式转向系统
转矩传感器
车速信号
电动机
方向盘
离合器
减速器
扭杆
1.组成
   1）传感器：
          转矩、转向角、
         车速传感器组成。
   2）ECU
   3）执行机构：
        电动机、减速机构。
2.控制功能
    1）回正控制；
    2）阻尼转矩控制
    3）转矩补偿控制
    4）停止助力转矩控制
    5）限制助力转矩控制
        目前的轿车转向分为前轮转向(2WS)和四轮转向(4WS),前者普遍使用，后者是近年出现的一种新技术，主要应用在一些比较高级和新型轿车上。
11.6.3 电控式四轮转向系统——4WS
        四轮转向，是指后轮也和前轮相似，具有一定的转向功能，不仅可以与前轮同方向转向，也可以与前轮反方向转向。其主要目的是增强轿车在高速行驶或者在侧向风力作用下的操纵稳定性，改善低速时的操纵轻便性，在轿车高速行驶时便于由一个车道向另一个车道的移动调整，以及减少调头时的转弯半径。
1）转角传感型：是指前轮和后轮的偏转角度之间存在着一定的因变关系，即后轮可以按前轮偏转方向做同向偏转，也可以做反向偏转。
1.四轮转向装置两种类型：
按照前后轮的偏转角和车速之间的关系分为两种类型：
2）车速传感型：是根据事先设计的程序规定当车速达到某一预定值时(通常为35至40公里/小时)，后轮能与前轮同方向偏转，当低于某一预定值时，则与前轮反方向偏转。
      目前的四轮转向轿车既有采用转角传感型，也有采用车速传感型，还有二者兼而用之的。例如马自达929型轿车的四轮转向就是具有两种类型的特点。
2. 四轮转向系统组成
后动力缸
前动力缸
控制器
弹簧
电磁阀
分配阀
泵
储油罐
车速传感器
前轮转角、车速感应型四轮转向系统
储油罐
泵
前动力缸
分配阀
后动力缸
弹簧
控制器
电磁阀
切断阀
车速传感器
转角
传感器
        如果转向盘转动，四轮转向控制单元就会对车辆速度传感器、转向角传感器（主前轮、副前轮、主后轮、副后轮）以及后轮转速传感器的信息进行分析，并计算出适当的后轮转向角。
        控制单元发出控制前、后轮转向信号，执行机构使前、后轮转向。
3. 四轮转向系统工作原理
1）控制功能
2）控制方式
1? 转角控制      2?  2WS选择功能    3?  防误操作控制 
1? 转角比例控制      2? 横摆角速度比例控制 
???     在汽车行驶过程中，ESP系统通过不同传感器实时监控驾驶者转弯方向，车速、油门开度、制动力以及车身倾斜度和侧倾速度，以此判断汽车正常安全行驶和驾驶者操纵汽车意图的差距。然后通过调整发动机的转速和车轮上面的制动力分布，修正过度转向或转向不足，帮助驾驶员保持对车辆的控制。
11.7?汽车电子稳定程序系统(ESP)?
电子稳定程序控制系统
Electronic?Stability?Program —— ESP
1.实时监控：ESP能够实时监控驾驶者的操控动作、路面反应、汽车运动状态，并不断向发动机和制动系统发出指令。
    ESP系统在提高汽车行驶稳定性方面效果显著。全球汽车主要生产商认为， ESP比安全气囊更能保证车内人员的安全。 
1.    ESP特点：
2.主动干预：ABS等安全技术主要是对驾驶者的动作起干预作用。ESP则可以通过主动调控发动机的转速，并调整每个轮子的驱动力和制动力来修正汽车的过度转向和转向不足。
3.事先提醒：当驾驶者操作不当或路面异常时，ESP会用警告灯警示驾驶者。? 
???     ESP能够同时精确测量四个车轮的制动力。在车辆不按转向意图行驶时，车辆可以被拉回到正确的行驶轨迹上。
2.  ESP功用
1）防止转向过度的后轮侧滑??
2）防止转向不足的前轮侧滑
?2）ECU ：
        判断汽车侧滑状态和计算恢复安全状态所留的旋转动量。
3. ESP 的结构组成
3）执行器：
        根据计算结果来控制
每个车轮制动力和发动机
输出功率。
ESP系统主要为4个部分：
1）传感器：
        检测汽车状态和司机的操作。
4）信息显示：
    告知驾驶员汽车失稳状态。 ???

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