汽车电子嵌入式系统设计(5)汽车安全先进技术剖析

「馬路如虎口」這句我們從小就被耳提面命的警句，一點也沒有被誇大之處。

在汽車被發明之後，車子的速度很早就已不是個問題，反倒是如何改善汽車行駛的安全性能，一直是車廠關切的主要議題。

從車體的堅固性，到安全帶、安全氣囊等被動式安全系統，今日的車子中已導入更多先進的電子感測、控制元件及演算軟體，企圖以更智慧性的方式來輔助駕駛，以降低交通事故的發生。

安全系統由被動式轉向主動式
所謂的被動式安全系統，訴求的是在意外發生時能降低對個人的傷害，但今日的主動式安全系統，則強調要避免意外事件的發生。

這種事先的預防能力，得仰賴在車子內外所建置的各式感測裝置，如雷達、紅外線、CMOS/CCD影像監視器、胎壓監測系統（TPMS）等；基於不同的安全訴求，這些監測到的資料會經由特定的控制器來加以演算，分析其代表的意義，並以最快的速度做出適當的反應。

以下將介紹幾項已使用或發展中的先進安全系統。

圖一 汽車安全系統從被動往主動方式發展（資料來源：ST）
■預碰撞系統
交通事故的發生以碰撞為主，而碰撞的理由往往與駕駛人的注意力不集中（如打瞌睡或打電話），或視線不良等情況有關，而且事故的發生通常都只在剎那之間。

今日的車廠無不致力於發展預碰撞（pre-crash）安全系統，此系統又可分為對內部駕駛人（或乘客）的保護，以及對行人的保護兩種。

對駕駛人來說，當預碰撞安全系統透過雷達系統偵測到衝擊的可能性，它會向駕
駛人提出警訊，如果仍無法避免衝撞的發生時，會在0.6秒前啟動自動剎車系統，此系統能根據駕駛者剎車的力量，增加剎車油壓輔助，讓車輛減速的動作更為確實，以希望能將車速降至最低；在此同時，預碰撞系統也會驅動安全帶系統內的馬達，將安全帶捲回，並將乘員固定在所設計的最佳位置上，例如調整頭枕位置來防止頸部傷害，或將座椅移到一個可以讓安全氣囊發揮最大功能的位置，以期將衝擊降到最低。

此外，系統也可以做出關閉車窗及天窗等控制動作。

對行人的保護方面，當雷達、紅外線或影像感測器等元件感測到車體即將衝撞到行人時，預碰撞系統會緊急告知駕駛人，並在碰撞不可避免時，如上述般啟動自動剎車系統、爆開位於保險桿及前檔風玻璃處的安全氣囊，以降低對行人頭部、胸部及足部的傷害。

■自適應巡航控制系統
從被動安全到預碰撞系統，都是不得已時的撞車處理措施，但最好的情況是能做到事前預防碰撞的發生。

透過配置在車子四週、愈來愈多的感測器，以及更先進的演算控制技術，今日的車主能夠獲得來自安全系統的輔助駕駛資訊，在探測到可能出現的危機時，適時發出警告信號，甚至能夠介入汽車的操縱控制。

自適應巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）就是這樣的一套系統，它的主要功能在於當前車距離過近時將車輛減速，距離夠遠時再為車子加速。

自適應巡航控制系統屬於前向行駛的自動車速控制功能，它對於剎車僅有部分的干預程度，讓駕駛人仍居於主控者的地位。

要實現自適應巡航控制的首要工作，就是確實鎖定前方的目標車輛，再計算出前方車輛的移動資訊，如車速、加速度、偏航率等；ACC系統會依計算出的距離及相對速度，以及車主設定的反應時間，進一步算出兩車之間的安全車距，並進一步做出加速及減速的動作。

當兩車距離過近時，則切換到預碰撞的處理模式。

■駕駛警示系統
除了對碰撞及車速的控制處理外，對於駕駛人的種種行為，也能透過各種感測系統來進行監控並做出警示動作。

這些警示功能包括車道偏離警示（Lane Departure Warning，LDW）、駕駛危險警示、視覺死角警示（或稱盲點檢測）等等。

這些功能大多利用CCD/CMOS影像感測器來進行監視，並透過一套辨識系統來判斷車輛或駕駛的行為是否正常，並適時發出恰當的警告訊號。

車道偏離警示是當車輛不正常偏車道線時進行警示動作，輔助駕駛人控制車輛保持於車道線，或提醒駕駛人變換車道時必須先打方向燈；如果駕駛人事先打方向燈，再變換車道，此屬正常行為，系統將不會發出警示訊號。

駕駛危險警示系統是利用影像感測器來監看駕駛人的行為，當駕駛人出現打瞌睡
或視線偏離車道太久的情況時，會發出警告。

有的系統甚至會偵測駕駛座中的酒精濃度，並提出適當的警告。

此外，駕駛人的視線也有不少死角，透過加裝後側方死角及後方死角監視器，可以為駕駛人提供視覺死角的相關環境資訊。

例如使用CCD或是超音波進行後方物體的偵測、顯像及警示，可以避免車輛倒車時發生事故。

對於駕駛人來說，有用的資訊能減輕一些操控上的感知負擔，並協助他做出適當的應變動作，不過，如果警示訊息出現的太頻繁且沒有太大作用（如“前有測速照相＂語音警示），這只會讓駕駛人覺得不勝其擾，進而拒絕使用這樣的一套輔助系統。

另一個問題是如何發出警訊讓駕駛人知道，如語音、螢幕/儀表板顯示，或透過所謂的「體感警示」方式，也就是以振動油門踏板、方向盤或車體微動等方式來對駕駛人做出警示。

■電子穩定程序
除了駕駛人的行為外，車輛的行為也是安全控制的一個重點。

電子穩定程序（Electr onic Stability Program，ESP）便是一套協助駕駛人保持車輛正常行為的主動式安全系統，它整合了防鎖死剎車系統（Anti-lock Braking System，ABS）和循跡控制系統（Traction Control System，TCS），能夠防止汽車出現輪胎打滑失控的現象。

ABS與TCS是兩套相反作用的功能，其中ABS是當汽車輪胎出現鎖死現象時，迅速的點放煞車；TCS則是當輸胎產生空轉時，透過降低扭力的降低或輪胎的鎖死來讓輪胎重新獲得抓地力。

ESP整合了兩者，當車輛有側滑的危險，或者轉向不足時，ESP就會分別對每個車輪施加不同的制動力，修正汽車的軌跡，防止出現轉向不足（understeering）和轉向過度（oversteering）的情形。

系統架構剖析
汽車電子的安全系統，與其他系統最大的差異，就在於需要即時性的智慧性處理能力。

雖然有預碰撞、安全車速/車距、車道偏離警示等各種安全警示及危機應變功能，但在系統架構的作法上，大致上都是相同的，也就是透過適當的感測器來監視外在環境的變化，將監測到的訊號傳送到中央電子控制單元（ECU），再經由一套危險評估的演算法來做出判斷，並立即決定最佳的應變動作，例如警示駕駛者或是直接控制車輛。

我們以目前普遍安裝在車上的安全氣囊（Airbag）系統來剖析這樣的架構。

安全氣囊的組成單元包括位於車體外的衝撞感測器（satellite sensor），建置於前座、後座、車門、頭部上方等各個地方的加速度感測器（g-sensor），電子控制單元，以及安全氣囊等。

當車體受到衝撞時，衝撞感測器能夠在數個微秒的時間內高速將此突變狀況告知電子控制單元（通常是16位元或32位元的微控制器），此控
制器會立即根據碰撞的嚴重程度、乘客的重量、座椅/安全帶的位置等參數資料，以及其他偏佈於全車廂的安全系統感測器所傳回的資料，立即進行運算評估，並在最短的時間內透過電爆驅動器（squib driver）來啟動安全氣囊。

圖二 Airbag系統架構組成（資料來源：ST）
除了安全氣囊外，還有幾個較常見的安全功能，包括主動式懸吊（Active Supension）、防鎖死煞車系統（Antilock Brake Systems, ABS）、動力方向盤（Power Steering）和預拉緊安全帶（Seat Belt Tensioner）等，它們是先進安全系統的技術基礎。

以主動式懸吊系統來說，它結合了氣壓/油壓/感應式減震筒、電腦控制系統與感應器等裝置，能夠依照車速/加速、負重、左右G力、轉向程度等數據的變化，
自動按照電腦控制程式的設定來即時調整懸吊係數，同時也能調整車輛與地面的高度，大大提升了車輛的操控特性。

主動式懸吊的系統架構，請參考（圖三）。

圖三 主動式懸吊系統架構組成（資料來源：ST）
今日的ABS需要採用更高可靠性的電子元件來確保其操控安全性，而隨著更多國家制定出相關的法規要求，也讓ABS的設計複雜度更為提升。

在ABS系統的關鍵單元是輸胎轉速的感測，當控制單元發現緊急煞車導致轉速過低時，會適時重新給予足夠的輸胎滾動空間。

其目的是賦與輸胎更大的抓地力，以免造成失速滑行的危險狀況。

ABS的系統架構，請參考（圖四）。

圖四 ABS系統架構組成（資料來源：ST）
動力方向盤的全名是電子式動力輔助方向盤（Electric Power Assisted Steering, EPAS）系統，它在過去幾年中已開始獲得市場的接受。

相較於傳統的油壓式方向盤，動力方向盤採用電子式的馬達來為駕駛人提供方向性的控制輔助，同時能降低引擎的負載，進而能改善燃料的使用效益。

一般的動力方向盤系統會利用感測器得知方向盤的位置、轉力矩（Toque）、速度，車子的速度，以及馬達溫度及電池供電電壓等狀況，再進一步做出電子式馬達的輔助控制，請參考（圖五）。

圖五 動力方向盤系統架構組成（資料來源：ST）
最後來看看預拉緊安全帶，這種安全帶在平時能給駕駛與乘客較大的肩部活動空間，但當碰撞事故發生的瞬間，當駕駛與乘客尚未因衝撞而向前移動時，就立即拉緊帶子，消除駕駛或乘客與安全帶之間的空隙，將他們綁緊在座椅上並鎖止安全帶。

預拉緊安全帶減少了駕駛及乘客的前傾距離，因而獲得更安全的保護。

此功能也是先進的預碰撞系統中的一環。

其組成系統架構，請參考（圖六）。

圖六 預拉緊安全帶系統架構組成（資料來源：ST）
結論
汽車安全系統已從被動型式進步到主動型式，而更具智慧性的主動式安全系統，得靠精確且遍佈車體內外的各式感測器，以及具正確且立即辨識、判斷能力的演算平台來達成。

視覺性的感測器（如雷達、紅外線、影像感測器等）只是眾多感測器中的一部分，未來完善的汽車安全系統還得充分結合陀螺儀、加速度計、方向盤與煞車踏板位置探測器，以及輪胎轉速檢測系統，對車體配件做出精確的監控及警示才行。

愈來愈多的感測器、更強大的演算中心及對剎車、引擎、安全氣囊等裝置的控制，將形成更複雜的車載網路（in-vehicle network），此網路中需要更即時的處理性能和資料傳送能力。

這些智慧性的輔助功能將讓駕駛人更輕鬆和安心的開車，也有助於減少交通意外的發生或降低事件的嚴重性。

（本文作者為意法半導體STMicroelectronics大中華區汽車電子部總監）。