驾驶员协助系统DAS在商用车中的应用

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欢迎访问e展厅 展厅 2 汽车电子展厅 车灯, 遥控发射器, 汽车娱乐系统, TPMS胎压监测, 汽车防盗器, ... 随着交通运输业的发展，大吨位重型商用运输车以其运输效率高、能耗低、单位运输成本低等特点受到了用户的青睐，最近几十年来有了高速的发展。随之而来的公路安全问题，引起了很多普通用户、车辆制造商和车辆管理机构的高度重视。驾驶员协助系统DAS(Driver Assistance System)的出现及发展就受到了如欧联盟委员会(the EU Commission)等机构的支持和鼓励，本文在不涉及技术细节的情况下，就DAS的技术状态和发展方向作的总体介绍。 一、驾驶员协助系统DAS简介 最初安装在乘用车和卡车上的助力制动系统，虽然全都是机械结构，我们通常也称之为DAS。当然，目前这种说法在内容上已有了很大的变化，通常我们把电子控制车辆动力系统如防抱制动系统ABS（Anti-skid Brake System）和电子稳定系统ESP（Electronic Stability Program）等、车距控制系统如自适应巡航控制ACC（Adaptive Cruise Control）和车辆变道报警系统LDW（Lane Departure Warning）等都称为DAS；另外我们也把报警、信息、视频系统，如导航、夜视、路面识别等，以及为提高经济性而开发的一些系统，如控制拖车和挂车匹配的耦合力系统、自动变速器控制系统等等也都称为DAS；还有，我们也把主动安全系统和舒适系统，如安全气囊、车辆雷达防撞和导航等系统都归类为DAS。 DAS发展到目前为止，基本能够实现对车辆各个部位的控制，这些控制系统种类和功能都很多。如果按各控制系统的功能划分，大体可分为安全类、舒适类和经济类，见图1。其实各种类型的控制系统的功能很难有严格的区分。从宏观经济的观点来看，安全性能越好的系统最终导致的结果是成本大大降低，所以从这个意义上来说，我们所说的驾驶员协助系统中的“协助”，并不是说所有的工作都是由协助系统自动完成，而是与驾驶员共同合作，以适应驾驶员的需要。DAS的目标就是协助驾驶员完成他的主要工作—开车，以减轻驾驶员的劳动强度。 驾驶车辆是一个很复杂的过程，对驾驶员来说，这个过程可划分为开车主要任务和开车次要任务。图2给出了驾驶员开车过程分解图。当然这两个过程是同时存在的，在驾驶员的大脑里开车过程有意识的成分，也有潜意识的成分，人们很难用语言来描述它。所以到目前为止，尽管人们对此过程作了大量深人的研究，并取得了很大的进展，然而仍然没有人能够成功定义出一个标准的、可用来模拟驾驶员开车过程的可用的模型。 DAS主要是由一个或多个传感器构成的，如图3所示。使用这些传感器可以对车辆运行环境（如车辆间距）、车辆运行状况（如车速）、驾驶员（如注意力）、人机接口MMI(man-Machine interface)等进行处理，通常这些控制都是由执行机构来完成动作，在图3中用虚线表示，是因为只有当驾驶员主动干预时，他们才对车辆起作用。随着DAS技术的发展，执行机构逐渐集成到人机交换系统MMI中，它对驾驶员作用在主动踏板、方向盘等操纵件上的触觉起到反馈作用。 对DAS控制链来说，目前比较具有竞争性的有两种。以车辆动力控制系统为例。分别为“驾驶员—车辆—行车环境”和“DAS—车辆—行车环境”。从“驾驶员—车辆—行车环境”大系统的观点观察，可以说车辆设计的首要任务是划定“驾驶员一车辆”和“车辆－行车环境”两条边界。确定哪些功能由人实现，哪些功能由车辆提供，车辆要从环境中吸收哪些物质，环境要承受车辆的哪些副作用。随着汽车技术的发展，就连避让、辨认路标和道路跟踪等等原来天经地义由人负责的功能都可以部分或全部由汽车承担，这就出现了“DAS—车辆—行车环境”控制系统。如图4所示。为了使车辆的安全性能达到最大，DAS在发展过程中遇到的最大的挑战之一，就是在“驾驶员—车辆—行车环境”和“DAS—车辆—行车环境”两种控制链之间找到合适的平衡点。按目前的技术状态，在不久的将来，通过将驾驶员和DAS已经应用的技术和正在研发的技术结合在一起，这个“平衡点”是能够找到的。 二、应用在商用车与乘用车上DAS的差别 对商用车与乘用车本身，存在着很大的差别。首先这两种车型的使用要求和技术状态不同，其次在经济观念上它们之间也存在着很大的差异。 从车辆动力学的观点来看，商用车有较高重心高度、质量分配变化大、带有挂车、较长的制动距离、较低的最高车速，所以他们对空气动力学要求不是很高。同时，重型商用车都配备了标准备的电子控制助力制动系统EBS（Electronically controlled energy-assisted Brake System）,他们已经满足了DAS对安全性能的基本需要。 在驾驶员看来，商用车占有的交通地位要比乘用车更高，因为商用车对车辆后部和副驾驶员侧，缺乏直接观察视野。另外，在重型商用车上装用的一些系统，在乘用车上目前基本没有应用或很少应用，然而在有些情况下这些系统能对DAS能起到很重要的作用，如附加缓速制动系统（缓速器）、空气悬挂、附加冷却系统、某些液压系统等就是如此。还有一些在乘用车上应用较为广泛的系统，如被动安全系统的安全气囊等，在商用车应用不是很多。 乘用车的用户大部分都是业主，所以他们更关心车的安全而商用车则是代表了资金的投资，最原始的判断方法是看它能否赚钱。它的驾驶员大都是受雇用的专业驾驶员，所以对车辆没有自主权，虽然花在DAS上的成本与整车成本相比，特别是与整车寿命期间的成本相比是一个很小的数字，如果法规没有规定，也很少有车主肯在这上面花费。只有当法规强制规定后，DAS才能成为车辆的标准配置，ABS就是如此。 从许多统计数据来看，安装在商用车上DAS成本要比安装在乘用车上的要稍高些，这是因为DAS目前安装率还比较低；另外在可靠性和强度方面，在商用车上有更严格的要求。 对乘用车来说，驾驶员（业主）主导了DAS的发展趋势，逐渐走向了以安全和舒适为主导的方向；而对商用车来说，这种趋势是由法规和汽车制造商来决定的，他们的工作就是要提高用户的安全意识。在多数情况下，客车出现的事一故比商用车少得多，但一旦出现，后果将更加严重。 三、DAS目前的技术状态 根据功能分类的DAS在．图I中已经列出；各种系统的具体性能特点如自动化程度、起作用的时间、事故后果和紧急情况下的作用见图5的DAS的系列产品现状概况图，图中分别以“驾车任务”和“自动化程度”为横竖坐标轴。 有些DAS系统如ABS目前应用已很普遍欧联盟（EU）规定：在欧洲运行的卡车，重量超过3.5t的，必需安装ABS。但是我们很悲哀地看到，法规还没有车辆必须安装电子稳定系统ESP，尽管它与整车寿命期间的成本相比占很小的比例，但仍然没有被市场作为标准配置所接受。2003年，欧洲卖出的大于12t的挂车中，ESP的安装率还不到5%。 DAS目前的技术状态可概括为如下点。 A．多通道数据总线信号传输系统目前都还是各自独立的系统。从功能上讲，还没有充分集成到整车线路系统中。 B．只有很少的一些DAS在市场上应用比较广泛，如ABS。 C．应用在传动系上的柴油机电控系统EDC（Electronic Diesel Control）和自动变速器AT（Automated Transmission）、应用在制动系统上的电气制动系统EBS(Electro-pneumatic Braking System）和应用在底盘系统上的电子空气悬架EAS（Electronic Air Suspension）和翻转控制系统RC(Roll Control)等都已实现了基本功能的相互联系，并且也完全能够实现无限电子控制。 D．在商用车上，电子控制转向系统是正在研发的新技术。该项技术在2003年宝马（BMW）公司推出的Golf客车上首次开始应用。与它应用在乘用车上相比，商用车上的电子控制转向系统动力消耗很大，要到很久以后，才有可能投入批量生产。 E．在传动系统和制动系统上，带有主动调节的车辆动力控制系统ESP相对来讲是比较先进的，车辆的纵向和横向导航系 统如巡航控制CC（cruise control）、自适应巡航控制ACC和车辆变道报警系统LDW等，当前的状态仍然局限在为用户提供方便或作为报警功能上。 F．关于人机接口MM工，视觉和听觉的联系目前已占有绝对的主导地位；而有关触觉反馈系统如各种踏板和语音控制系统等仍处在概念阶段。 G．DAS发展过程中，软件已成为其主要的制约因素之一。另外来自机电系统复杂化引起的DAS的功能更加强大，在实际应用中的要求更加严格，安全要求更高，并伴随着逐渐增加的降成本压力。所以，机电系统、传感器、硬件和软件相互作用促进了DAS的快速发展。我们从DAS快速增大的软件内存空间可以看出这种趋势，如ABS的内存32K，而EBS为2M。 四、DAS的关键技术 DAS除了应用一些在本领域比较特殊的技术外，在其它领域应用的几种基础技术对DAS的研究也是很重要的。 （一）传感器技术 传感器技术是具有特别重要的地位，因为识别行车环境和驾驶员行为是几乎所有高级DAS的基本构成部分。目前，DAS不再使用单个传感器，而是将几个传感器组合使用来达到预期功能，如雷达和视频等。这种传感器集成和位置识别技术要求传感器功能更加强大、价格更便宜的计算机硬件，来构成微控制器、数字信号处理器。它包括车辆传感器、外界传感器和驾驶员异常状态传感器等。 （二）有线（CAN、Flexray）和无线（蓝牙）数据传递技术 随着传感器构成的集成电子技术的发展和车内外越来越多的系统用网络连接在一起，无线和有线传输技术如CAN、Flexray、的光线传输和蓝牙传输技术及UMTS等的应用更加频繁。 （三）计算机技术 发展趋势为综合化、智能化、高速化、小型化和高可靠性。 （四）系统和安全工程 把具有不同功能的软件系统组合到一个完整的系统中是特别重要的。这就是“集成”的思想，它逐渐占有了主导地位。车辆制造商和供应商对系统和软件工作的过程进行掌握，根据产品的功能、质量、成本和定时来达到预期的目标，这对系统能否成功起到决定性的作用。 （五）模拟技术 今天，无论是作性能研究还是作系统的认证，如果没有模拟技术，这些工作是不可能完成的。这个过程通常是以系统功能的离线模拟技术开始，在驾驶模拟器上通过实时试验进行功能扩展，这种方法能够重复进行，而且没有危险；然后快速形成可驾驶的模型，并将模型接到试验台上，最后对系统进行强度破坏模拟试验。 将来许多DAS的开发如果没有驾驶模拟器是不可能进行的。最简单的原因就是，在产品的开发阶段进行路面试验时存在很大的危险。有些系统如制动援助系统，只能在驾驶模拟器上适当地试验一下其可行性和效果。 （六）驾驶员和交通运输研究 多学科驾驶员和交通运输研究将起到关键的作用，从心理学、社会学、经济学、法学、人文科学等方面进行研究，这对正确掌握“驾驶员—车辆—DAS”的关系具有重要的意义。这项工作超越了传统的人类工程学研究，它更适合了解和模拟驾驶员的感觉及情感行为。在可持续发展理论的指导下，交通规划新理论体系可以满足交通运输领域对交通规划提出的新要求，也可以满足智能运输系统发展对交通基础设施提出的新要求。 五、DAS的发展趋势 目前DAS有些技术已有比较成熟的产品，并已得到了应用，如ABS、ESP等。还有些技术正处在发展的初级阶段或将要开发的过程中，见图6，如导航系统优化、动力制导系统和用户有好系统正在投入研究，在车辆稳定和导航领域，根据安全性和舒适性的要求提出的一个新特性，它在对车辆的操纵性能没有影响时，可以将制动和转向的要求相组合来达到，车速和盲点等报警系统也将出现；带转向调节的车道保持协助系统LKA（Lane-Keeping Assistance）、ACC的停车—起步、能降低严重事故的紧急制动功能等，在中期目标中也会出现的越来越多。 随着传感器技术的发展，特别是电波探测器和视频图象处理手段的快速发展，车辆内外环境的识别更加方便。它与功能强大的计算机和软件系统一起，可以对一些偶然出现的交通情况如车辆换道、超车、倒车、停车和起步等交通情况进行管制。 然而，在最近几年内，DAS还不能够完全独自处理100%可能出现的交通情况，因此它的发展将．主要集中在驾驶员和DAS之间的工作量的合理分配问题上。对驾驶员本身来说，活动要求应该是中等水平，使他们既不能感觉到工作太多，也不能感觉到太少。 由声音控制和触觉反馈作补充仍然占主导地位的可视驾驶员MMI将来可能也是维持这种状态，如目前使用的主动加速踏板、转向转矩叠加等。这就使驾驶员—车辆系统的操作界面更加直观，并可降低视觉通道的作用。 因为有许多没有准备推向市场的产品，也没准备将他们市场化，其功能性研究工作只是在试验室里验证一下，所以传感器和电子控制单元ECU具有特殊地位，它们可以降低产品成本、减少安装空间和减轻产品重量。例如，用于ESP的横向偏摆率传感器的发展说明，在这个领域内，通过小型化来实现产品的大跨越是可以实现的。商用车的快速发展得益于批量化大规模生产，而对乘用车，特别是对传感器，却是得益于计算机和无线传输技术的发展。横向偏摆率和雷达传感器的发展证明，只有产品的产量达到一定数量后，才有可能盈利。 在更远的将来，DAS的发展可以用“集成”这个词来概括。将来许多单机系统将被集成在一起构成一个完整的系统，我们可以用“驾驶员助手”或“副驾驶员”来描述DAS。要素之一就是DAS与车辆“集成”的要求增长很快，例如纵向和横向控制系统的联系和用于距离控制的可靠导航数据的应用。传感器数据的多重应用可以提高系统协同合作的效果。另外，象安全气囊、安全带张紧装置等主动安全系统，有越来越多的互连要求；尤其当出现无法避免的事故时，防撞系统启动要求更是如此。 抛开单车来看，DAS的发展趋势就是它与外部基础设施（如GPS无线电接收装置）以及其它车辆之间的联系更加紧密，整个的“车辆一交通一行车环境”系统是与整车网络成为一个整体的功能完整的系统。 显然，将来功能完整的D AS的复杂程度要远远超过目前的状态，我们只有通过模块化设计和明确的用户界面定义才能进行系统管理。 所以，可以用三个词来概括描述DAS的未来发展趋势：行车环境、驾驶员和集成。 总之，从另一个角度来说，DAS的最终目标是广泛应用于商用车领域并获得利润，所以，其发展的速度和发展规模受到法规和用户接受程度的制约。只有那些在车辆的生命周期内对最终用户有明显经济效益的，并且由法规规定了的，或者由设备制造商作为产品的标准配置推出的、对产品没有另外标价的DAS，才能得到市场的广泛认可。无论从短期还是长期来说，车辆配置高性能的DAS能够取得最大可能的安全性能，这在市场上早已得到了验证。 六、DAS终极目标：“无事故驾驶”和“自动运行车辆” 当我们讨论DAS时，其最终的评价标准是什么？其发展的最终目标在那里？答案目前有两种，就是“无事故驾驶”和“自动运行车辆”。 “无事故驾驶”的目标与产品质量的零缺陷目标一样，是一个理想的概念。当然自然界中有一些例子与这种理想状态十分接近，实际上也许永远没有100%无事故的驾驶。然而，通过使用智能控制技术来减少交通事故的发生是可以实现的。“无事故驾驶”就象数学中的渐近线概念，人们通过努力可以离目标越来越近，是永远无法达到的终点。在某些情况下，这个概念对产品将来的发展是有益且有帮助的。事实上，如果用“避免事故发生”来取代“无事故发生”，目前的技术状态就已经实现了。 另一个理想的概念就是“自动运行车辆”。即设定目的地和定时后，车辆自己会安全地到达目的地，那时就不再需要驾驶员了。在工业环境中，车辆以较低的运行车速，路面上都是无人驾驶车辆的情况下，这个目标在试验车上已经实现。然而，在实际运输过程中，要把路面上的所有信息都传给车辆，然后对路面交通进行管制，还是很困难的，还需要用几十年的时间才可能实现；即使在飞机上，飞行员仍然需要对自动驾驶仪进行控制；公路上的车辆速度很快，会遇上许多偶然的事故，如果有事故发生，需要极短的反应时一间，所以，按目前的技术状态，这个要求是无法达到的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/6/2006)