传感器在汽车安全中应用研究综述

1、 合肥工业大学技术文件写作 与交流课程作业文献综述题 目：传感器在汽车安全中的应用研究综述学 院：机械与汽车工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化13-1班成 员： 完成时间：2015年3月25日星期三传感器在汽车安全中的应用研究综述 （合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230601）摘要：随着社会生产力的发展和人民生活水平的提高，国民汽车保有量持续增加，随之而来的汽车安全问题越来越受到广泛重视，人们也从被动安全向主动安全转变。同时在汽车安全技术发展中，传感器的作用不可小觑，也是目前推动汽车安全发展的重要环节。在信息处理技术的推动和微处理器的广泛应用中，传感器逐渐成为汽车安全控制系统中

2、的重要部件，有着深远影响。论文从时间的维度分析了传感器在汽车安全技术方面的应用和发展，也对国内外相关技术进行横向比较，深刻剖析汽车安全中传感器的发展脉络，把握未来传感器技术在汽车安全方面的发展趋势，为汽车安全技术发展提供有效参考。关键词：汽车 安全技术 传感器 研究现状 发展趋势Introduction of sensor application in automotive safety(Hefei University of Technology School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei 230601)Abstract: Wi

3、th the development of social productivity and the improvement of peoples living standards, the national automobile ownership continues to increase, with more and more widely attention to security issues following by and people also focus more on from passive safety to the active safety.Besides, in t

4、he development of automotive safety technology, the role of the sensor is greatly reckoned, and its also the important link to promote the development of automotive safety. And in the impact of information processing technology and the wide application of microprocessor, the sensor has gradually bec

5、ome an important part in automotive safety control system, having its far-reaching influence. This article through analyzing the sensors application and development in automotive safety technology from the dimension of time and reviewing the related technologies at home and abroad in transverse comp

6、arison, deeply analyzed the development of sensors in automotive safety, to grasp the future development trend of sensor technology in automotive safety, and provide effective reference for it.Keywords: automotive; security technology; sensor; current research status; development trend传感器技术是现代科技的前沿技

7、术，许多国家已经将传感器技术、通信技术和计算机技术列为同等重要的位置，称为信息技术的三大支柱之一。传感技术是自动检测和自动控制技术的重要组成部分。同时在自汽车诞生至今的百余年间，汽车产业取得了长足的发展，随着居民生活水平的提高，全国乃至全球的汽车保有量逐年攀升，在满足人们基本的交通需求外，汽车的安全也越来越受到重视。汽车技术发展最大的特征就是科学技术含量不断提高，越来越多的部件采用电子协助控制，而传感器作为汽车电子控制系统的主要信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，对汽车安全技术的发展起着尤为重要的作用。所以分析研究传感器在汽车安全方面应用的发展对该领域的发展具有理论指导意义，并且对把握科研趋

8、势有相应的价值。1 传感器简介及其发展梗概传感器是能感受被测量并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置，是实现传感功能的基本部件。最初的传感器起源于仿生研究。每一种生物由于自身的要求,要完成自己的生命周期,需要经常与周围环境交换信息,因此都有自己的感知周围环境的自身的器官和组织,如人有眼、耳口、鼻、皮肤等,能够分别获取视觉、听觉、味道、嗅觉、触觉等方面信息。人们往往把传感器比作为人的感官,如图1所示。图1 传感器与人的感官之间的关系人类必须通过五官才能取得外界的信息,同样,一个操作系统则需要通过传感器对某一特定对象进行测量才能得到信息,获得的信息必须通过电子信号转换后才能输出。1.1传

9、感技术的发展历程基于仿生研究的传感技术,自古以来就渗透到人类的生产活动、科学实验、日常生活的各个方面,如计时、产品交换、气候和季节的变化规律等;由于各学科之间的相互融合和各行各业的需求,传感技术应运而生并快速发展,其大体经历了3代历程。1.1.1第1代结构型传感器它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如:电阻应变式传感器,它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。1.1.2 第2代固体传感器这种传感器是20世纪70年代开始发展起来的,由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料的某些特性制成的,比如利用热电效应、霍尔效应、光敏效应,分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传

10、感器等。70年代后期,随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展,出现集成传感器。集成传感器包括2种类型:传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化,例如:电荷耦合器件()、集成温度传感器(590)、集成霍尔传感器(3501)等。1.1.3第3代智能传感器智能传感器是20世纪80年代刚刚发展起来的,其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力,是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。20世纪80年代智能化测量主要以微处理器为核心,把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上,使传感器具有一定的人工智能;20世纪90年代智能化测量技术有了进一步的提高,

11、在传感器一级水平实现智能化,使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。当今世界传感器市场正在以持续稳定的增长之势向前发展。2 国内外发展概况2.1 国外汽车传感器现状目前,全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和应用开发,研发机构达6 000余家,其中以美、日、俄等国实力较强,他们建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业,研发生产单位有4000余家、产品有20000多种,对应用范围广的产品已实现规模化生产,大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。比较著名的传感器厂商有美国霍尼韦尔（Honeywell)公司、福克斯波罗(Foxboro)公司、英国BellHo

12、well公司、荷兰飞利浦、俄罗斯热工仪表所等。世界各国对汽车传感器的理论研究、新材料应用和新产品开发都相当重视，技术进步非常迅速。一些发达国家不断研发新型传感器并且提高其精度，使汽车性能大大提高。2010年前后，国外敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、阵列化、多功能化、智能化、系统化和网络化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国竞争将加速新一代传感器的开发和产业化。2.2国内汽车传感器现状汽车传感器市场增长主要来自于工业电子设备和汽车电子、通信电子等，其中前两者是电子信息产业中增长最快，也是传感器应用最多的行业。随着国家汽车安全法规的实施，ABS、安全气囊的传感器将

13、成为增长率最快的电子产品。但由于中国产品技术水平偏低，产品质量无法达到汽车市场的要求，因此汽车传感器中的高端产品依然无法自给，每年高性能汽车传感器的进口量就在50万套以上。国内汽车传感器由于起步晚，还没形成系列化、配套化，尚未形成独立的产业，仍依附于汽车仪表行业，无自主知识产权，技术水平较低。如车速传感器采用的是电磁式或霍尔式，存在着信号精度、分解能力、匹配性、抗干扰性、耐环境能力差等问题，而国外同类产品采用的是光电式，不存在上述问题。我国核心总成控制系统所需要的传感器在应对恶劣环境的技术指标上还相差12个数量级，还难以完成恶劣环境的检测。国内现有最高水的汽车传感器产品比国外同类产品落后10多

14、年。伴随着国内汽车产量的迅速增长,今后几年国内汽车工业对传感器及其配套变速器和仪表的需求亦将大大增加,实现汽车传感器国产化势在必行。为适应这一形势,应重点开发新型压力、温度、流量、位移等传感器,尽快为汽车工业解决电喷系统、空调排污系统和自动驾驶系统所需的传感器是十分迫切的任务。汽车传感器对整车厂而言,是二级配套产品,必须以系统形式进入整车厂配套。一级系统配套商的实力关系到主机厂的品牌,所以必须建立系统平台,以系统带动传感器的发展。3 传感器应用于汽车安全的技术发展随着传感器及其控制技术的发展和人们对汽车性能要求的提高，各种安全技术广泛地用于汽车上，汽车的安全性可以分为被动安全性和主动安全性两大

15、类：被动安全性指是指在发生意外碰撞事故时，如何及时通过碰撞信息的判断和传递对汽车司机和乘客进行保护，尽量减少其所受伤害，主动安全性指汽车避免发生意外事故的能力，主动安全技术是应用新技术来避免交通事故的发生，是以现代电子技术尤其是传感器技术、计算机技术等为基础的，已成为提高汽车安全性能的主要技术。此外，充分利用先进的信息与通信技术(ICT)，加快安全系统的研发与集成应用，为道路交通提供全面的安全解决方案。除了被动式和自主式的车载安全装置外，还须考虑车路协调合作方式，即通过车车以及车路传感和通信技术获取道路环境信息，从而更有效地评估潜在危险并优化车载安全系统的功能。3.1基于传感器的被动安全技术常

16、用和有效的被动安全技术大致可以概括为以下几个方面 : 3.1.1碰撞传感器车用碰撞传感器早期使用机械触发式，主要应用惯性原理，利用传感器中元件的惯性力克服弹簧力实现信号的获取和分析。机械式在加速度较低时不对安全装置（当时主要是安全气囊）进行机械触发；但该传感器只能单点传感，对机械部件的品质、精度和耐磨性要求极高。后来的机电式传感器采用机电结合的方式，将机械信号转化为电子信号，再利用电子信号控制触发相关安全控件。之后融合了机械式和机电式的压电晶体式传感器，既具有机械式的优点，又能克服机械式传感器本身存在的缺陷，安装在车身上任何位置，以便得到较好的减速信号，而且能够在同一位置安装多个传感器，防止电

17、子信号的错误判断，提高准确性和可靠性。基于以上传感器的技术发展，碰撞传感器在汽车安全方面开始得到较好的应用和效果。3.1.2安全带系统从20世纪50年代开始为了保障驾驶和副驾驶成员在发生意外时的人身安全，防止因惯性因素造成更大的伤害，在车辆前排加装安全带，起到了较好的作用。随着传感器技术和电子控制技术的发展，安全带也进行相应的改进，座椅位置配备三点式蜷缩安全带和安全带预张紧器，前座椅安全带还配备张紧力限制器。这种安全带的特点是与碰撞传感器的控制装置连接，当汽车发生碰撞事故的瞬间乘员尚未向前移动时通过传感器的信号处理和控制，驱动拉紧织带，立即将乘员紧紧地绑在座椅上，然后锁止织带防止乘员身体前倾，

18、整个过程控制在0.1秒之内，有效保护乘员的安全。3.1.3安全气囊起始于20世纪70年代末的安全气囊技术应用到汽车安全系统上来，在汽车行驶过程中，传感器系统不断向控制装置发送速度和加速度变化等信息，由控制装置（中央控制器）对这些 信息加以分析、计算和判断，如果所测的加速度、速度变化量等相关指标超过预定值，则控制装置向气体发生器发出点火命令或传感器直接控制点火，点火后发生爆炸反应，产生 N2 或将储气罐中压缩氮气释放出来充满内置于方向盘、副驾驶以及车体侧面的碰撞气袋。乘员与气袋接触时，通过气袋上排气孔的阻尼吸收碰撞能量，达到保护乘员的目的。3.1.4安全辅助装置当预测车辆发生碰撞不可避免时, 传

19、感器会通过分析计算并把相关信号发送到机载微计算机,微计算机控制驱动系统进行安全辅助操作，如立即释放门销 ,避免因为碰撞造成的汽车门窗无法打开而影响及时逃生或救援；还可以连接警示光源信号和音频信号，提醒乘员做出相应的自我保护准备。3.1.5多轴加速度传感器常规碰撞感应加速计仅可从1个角度测量加速度数据，如正面碰撞时的纵向加速度（ X 轴）或侧面碰撞时的横向加速度（ Y 轴）。而多轴加速度传感器技术既可以在同一壳体中增加多个单轴传感器，也可以直接使用多轴传感器，都能从多个方位同时测量加速度。还有在发生侧翻时提供必要的技术保护。此外还有空气流量传感器、抽液压力传感器、发动机温度传感器、节气门位置传感

20、器、曲轴位置传感器等，都是为了保障汽车出于最优的性能，在一定程度上保证驾驶的安全性。3.2基于传感器的汽车主动安全由于传统意义上的被动安全技术对驾驶员所提供的安全预警和辅助作用有限，更多的是在危险发生时降低伤害程度，而不能及时避免汽车行驶安全事故的发生。所以随着汽车电子信息交互技术和传感器技术的快速发展，作为智能汽车安全的重要应用技术之一，以事故预防为主要目的的主动安全技术应运而生。由此所形成的多种安全电子技术已不断应用到市场上，成为相对更合理的汽车主动安全装置。3.2.1防抱死制动系统（ABS）首先，通过速度传感器检测车轮转速并由计算机计算出滑移率，这种检测可以帮助车载微型电脑了解车轮是否抱

21、死；然后，按照检测结果分析判断并命令执行装置调整制动压力，从而使车轮处于一种临界的理想制动状态。装有ABS 的汽车，当车轮即将到达下一个抱死点时，制动在1s 内可作用60120次，相当于不停地制动、放松，即类似于机械式“点刹”，大大增加制动效率。这种功能的正确使用，可以帮助我们在紧急刹车状态下，是车辆维持转向能力，在避开障碍物的前提下，而不至于因车轮抱死而失控，提高紧急情况下汽车的安全性能。3.2.2电子制动力分配系统（EBD）这是一个需要与ABS系统配合使用的系统，汽车制动的瞬间，传感器分别对个轮胎所附着的不同地面情况及时作出感应和计算，从而得出摩擦力数值，然后迅速对各车轮合理分配相应的刹车

22、力，对平衡各车轮不同的摩擦力起到了作用，从而避免了车辆因各车轮因刹车力不同而造成的打滑、倾斜甚至侧翻等危险情况发生，进一步保证乘员的安全。3.2.3牵引力控制系统（TCS）当汽车在冰雪、湿滑、泥泞等路面行驶时进行制动，会导致车轮打滑、方向失控乃至发生事故。这个系统依靠传感器的检测，如果从动轮速度低于驱动轮速度时，就会向控制系统传递信号，使系统及时调节点火时间、减小油门、减小气门开度、降挡或者适当制动车轮，避免车轮过度打滑。这个系统可以提高行驶稳定性，降低或避免因加速过度和车辆甩尾失控的危险情况发生。3.2.4电子稳定程序（ESP）该系统也是一种牵引力控制系统。相比于其它牵引力控制系统，它既控制

23、驱动轮，也协调从动轮。它能够主动干预危险信号，从而实现车辆安全平稳行驶。譬如：后轮驱动的汽车通常可见转向过 多、后轮失控甩尾的情况，而该系统的作用参与会使外侧的前轮稳定汽车。而在转向过少的时候，该系统可以及时矫正循迹方向，放慢内后轮。3.2.5紧急刹车辅助系统（EBA） 该系统可以促使刹车力的快速产生，从而缩短刹车 距离。传感器根据从驾驶员作用于刹车踏板上的动作，检测到其紧急刹车的意图，便会及时对刹车系统发出指令，产生足够高的油压并使 ABS系统发挥作用。3.3传感器技术应用于汽车安全的智能集成化的起步随着信息技术、控制技术以及通讯技术的发展，智能化汽车主动安全系统正逐渐向集成化程度更高、安全

24、作用能力更强的方向发展。其环境信息不单单由传感器、雷达或摄像机等获取，也可通过 GPS、GIS 等手段获取更多的信息，而控制目标也可设定为协调安全、节能、舒适等多目标的实现，应用环境也将会从目前的良好路况逐渐向更复杂的路况拓展。面对人们日益增长的安全需求，新型的汽车智能安全电子系统需着重解决的问题主要体现在: 基于多源信息提高复杂行车环境识别的准确度 ; 提高危险状态实时辨识的准确性与安全决策的合理性；提高驾驶员对系统的可接受性；具备对系统性能科学高效的评价方法和措施。所以当前先进的汽车安全技术更多的。3.3.1车体自身安全技术集成化各种常规汽车主动安全系统都是对车轮及其周围部件产生作用，从而

25、影响车轮和路面之间力的关系，所以它们之间不是彼此独立的，而是互相影响、互相联系和互相依赖的。在汽车主动安全系统日益增多的情况下，如果分别独立地去考虑和设计各种主动安全系统，然后再将它们融合起来，难免会出现某些控制功能不兼容甚至是冲突的现象，这与汽车主动安全控制的目标是背道而驰的，而且造成了控制资源的浪费，系统可靠性降低。所以，将各种汽车主动安全系统综合起来，实现多层面集成式的全局优化控制，是十分重要且十分必要的。然而目前的汽车安全技术集成还处于研究和部分尝试阶段，未来的协调化全方位汽车主动安全控制还将融合各种其它的主动安全控制子功能，如汽车主动悬架及车身控制、汽车自动避撞系统等。这需要建立一个

26、处于最高级别的控制层，它的主要功能是利用车载传感器系统和车载高速网络获知驾驶员操纵指令和整车运动特征，自行判别驾驶员意图和汽车行驶周围环境，并实时检测汽车运行状态。未来的协调化全方位汽车主动安全控制更能够实现汽车的全局协调集成控制。3.3.2车-路协同式汽车安全控制技术目前，国内外车载式驾驶安全辅助控制技术如主动避撞系统、ACC 等，都是通过车载传感器（如摄像机、雷达等）感知行车环境信息，实现车辆的主动安全控制，保证行车安全。但这种自主式主动安全控制技术由于信息来源单一，探测行车环境方法局限，无法在较为复杂的交通环境中及时有效地探测各种与行车安全有关的信息，所以控制效果相对较差，不能适应现代交

27、通的发展要求。车-路协同式汽车安全控制技术是通过车路之间信息的交互与协同控制实现交通要素之间的一体化控制，扩大了车载安全控制系统的信息来源渠道，是解决事故频发、道路拥堵以及由此带来的污染加重等目前道路交通存在的严重问题的有效手段。3.3.3车-车协同式汽车主动安全控制技术在当前复杂多变的交通环境中，依靠单一车辆的信号采集系统，无法全面、有效、及时地探测各种道路状况信息，从而容易引发交通安全事故和导致交通拥堵情况的发生。将行驶在一定区域内道路上的车辆连成 1 个局域网，使在这个局域网中的车辆进行信息共享，则能大大提高汽车安全控制系统获取行车环境信息的能力，提高行车安全性。4 汽车安全技术发展的展

28、望汽车安全技术涉及的范围越来越广越来越细,但任何单一技术都或多或少存在不尽人意之处，而且仅仅依靠某一项技术己很难使汽车整体安全性能得到很大提高。因此, 如何提高汽车安全性, 满足人们对汽车安全性能越来越高的需求, 变得越来越急迫。为了进一步提高汽车安全性, 要做好两个方面的工作: 一是不断完善各项单一技术本身; 二是搞好各项单一技术之间的协同, 这一点更重要, 它直接影响到第一项工作的最终成败, 即传感器在汽车安全中的应用应朝着集成化、智能化、系统化方向发展。4. 1 集成化集成化是使传感器和测控仪器具有多种敏感元件、数字信号输出、信息储存和记忆、逻辑判断、双向通信、决策、自检、自校准、自补偿

29、、数值处理等功能的集成。集成化的作用远远大于单项技术所有作用的简单总和。纵观汽车安全技术的发展, 在主动安全和被动安全方面均有体现集成化趋势的实例。在主动安全方面, 车辆底盘综合电子控制装置综合考虑汽车动力性、制动性、操纵性和稳定性, 将各系统集成在一起, 使汽车安全性得到极大提高。在被动安全方面,自适应乘员安全保护系统（M R I S ) 利用一系列传感器来监测驾驶员座椅位置、安全带使用情况、前排乘员乘座质量和位置及碰撞烈度和碰撞力的方向等信息,再根据具体的碰撞特点对每个前排乘员气囊的展开进行调节。该系统可进一步减少由于气囊展开不对乘员造成的伤害, 特别是对于身材较小的前排乘员, 它不仅缓解

30、了安全气囊技术自身的问题, 还为依靠集成化提高汽车被动安全性树立了典范。若将汽车主动安全技术与被动安全技术进行融合, 会得到更好的安全保护效果。4.2 智能化智能化是多传感器系统能够在复杂多变的环境中迅速、有效、准确地获取、分析、处理和综合传感器信息，它们基于多传感器信息融合模式来做出正确的描述和决策。随着电子信息等技术的飞速发展, 形形色色的智能技术在汽车上得到广泛应用, 安全技术逐步走向智能化，这些几乎全部依赖于传感器来实现其功能。如GPS ( 全球定位系统) 技术、智能避撞系统、智能驾驶系统、智能轮胎、智能悬架、智能安全气囊等将在汽车上发挥越来越大的作用。随着传感器技术的发展和计算机运算

31、速度的加快及相关技术的进步, 也会有越来越多的新型智能化安全技术装置将出现在现代车辆上, 这些智能装置具有一定的识别、判断能力, 在各种情况下都能自动协助或自行控制驾驶汽车, 确保行车安全。汽车智能化的前期工作是用汽车的驾驶辅助系统弥补人的感知、判断甚至操纵方面的不足, 等到相关技术如智能汽车操纵性能设计和人机工程设计等技术进一步成熟后,可进一步推动汽车安全智能化。4 .3 系统化以整体的观点, 将汽车、道路、人作为一个系统来分析研究, 让三者相互协调, 达到各自性能的最佳匹配, 才能实现驾驶员行为特征、车辆机械特性及道路设施和交通法规之间的最优协调, 才能追求系统整体的最佳效益。传感器技术结合现代通讯技术、电子控制技术与IST, 可将使汽车达到几乎不出现交通事故的水平。5 结语汽车安全已经不仅是个技术问题, 在某种程度上也是一个重要的社会问题。它越来越受到汽车生产企业、政府管理部门和消费者的重视。汽车传感器对汽车安全具有非常重要的作用，对汽车的安全行驶起到了保驾护航的作用。目前我国的汽车业迅猛崛起，必将导致传感器及其配套设施的需求大大增加。但是，目前我国汽车传感器产品和技术水平总体上与国外相比存在很大的差距,主要体现在产品的品种规格少、质量差、制造成本高;高新技术应用较少,工艺相对落后,整体水平较低;传感器研究、开发和生产与