汽车防撞系统概述
随着汽车保有量的增加及车流密集化程度的提高，道路交通安全事故频频发生，大量的交通事故、惨重的人员伤亡和巨大的财产损失，使得汽车的道路交通安全问题成为一个不容忽视的社会问题。解决这个问题的前提是汽车必须具有稳定的主动安全性，是其中的一个重要部分。
据相关统计，在众多的交通安全事故中，撞车事故约占70%，在实际中大多数撞车事故主要表现为汽车追尾。资料显示，有70%—90%的交通事故是由于驾驶员疏忽大意、注意力不集中、操作失误等主观因素所致。同时，戴勒姆—奔驰公司经过对大量的数据进行调查分析得出：提前0.5s发生预警能防止60%的追尾事故，提前1.5s能够防止90%的追尾事故。这就急需汽车安全技术来保障行车安全，如果能够在事故发生前为驾驶员提供预警提示，告知其潜在的危险性并在紧急状况下辅助驾驶员自动采取制动等安全措施，这对于降低交通事故的发生概率是非常有用的，汽车主动防撞系统正是实现这一功能的先进技术。他的普遍应用能够降低交通事故发生率，提高道路交通安全整体水平，对促进更先进的智能交通如汽车自动驾驶、汽车无人驾驶等的发展和实现有重要意义。
特斯拉自动驾驶汽车主动防撞功能出现漏判导致车祸发生
由于目前该行业属于刚刚起步阶段，关于汽车主动刹车这块各厂商都有自己的叫法，例如：城市安全系统、主动刹车系统、aeb、aebs、汽车紧急制动系统、（系统）、汽车自动刹车等等，虽然没有统一的名称，但是汽车领域统统把这类装置划分为主动安全系统（autonomous emergency braking），它主要是通过安装于汽车前方的传感器如激光雷达、摄像头等实时探测前方未知物的距离、位置信息并传给系统处理器，系统处理器融合本车行驶速度、加速度等信息进行综合分析判断，一旦超过安全范围后可以向驾驶人员发出预警信号，甚至通过辅助驾驶人员安全操作汽车。防撞系统的工作原理是，在汽车行驶过程中，如果行人、车辆等障碍物等接近本车，系统发出预警信号提醒驾驶员注意减速或刹车；如果障碍物与本车的距离超过对应车速的安全距离时，在驾驶人员未采取减速制动措施时，系统自动启用紧急制动装置进行刹车，避免碰撞事故发生。汽车防撞系统的工作原理可简单抽象为“环境探测—智能控制”，因此，一套精准的障碍物识别测距系统是汽车防撞系统的前提和根本，一种安全有效的智能控制算法是汽车防撞系统的核心和灵魂，这两个技术共同决定了汽车防撞系统的最终成败。
汽车主动防撞产品工作示意图
障碍物识别测距系统
障碍物检测以及距离的计算都是要基于测距传感器，测距传感器的种类和测距方法的不同对汽车行驶安全距离的计算有很大的影响。目前市场上主要的测距传感器有：激光雷达、毫米波雷达、摄像头以及超声波雷达等。
1、
鉴于激光的单色性、方向性、相干性等优点，激光雷达测距用时短，精度高，测量距离远。在高速公路汽车防撞领域，多采用激光雷达方式。按照测量技术可以分为脉冲法激光测距和相位法激光测距两种。
脉冲法是通过激光雷达的发射器发出脉冲激光照射到障碍物后会有部分激光反射回来，由激光雷达的接收器接收。同时激光雷达内部可以记录发射和接收的飞行时间间隔t，由公式s=ct/2计算得出测量的距离s。其中c是光速（c=3*10^8m/s）。
图1：脉冲法激光雷达测距原理示意图
相位法由激光发射器发出强度调制的连续激光信号，照射到障碍物后反射回来，测量光束在往返中会产生相位的变化。可以通过计算激光信号在雷达与障碍物之间来回飞行产生的
相位差，由公式 换算出障碍物的距离；
图2：2：相位法激光测距原理示意图
目前在汽车上应用比较广泛的激光测距系统可分为固态激光雷达和机械式激光雷达。最近比较火的360°测距激光雷达就属于机械式激光雷达，机械式激光雷达是靠机械旋转使得激光能360°测距，而固态激光雷达从电子部件出发，摒弃了机械旋转的弊端，实现360°激光发射，对周围环境实现360°无死角扫描。随着无人驾驶越来越炙手可热，激光雷达也逐渐成为近年来的兵家必争之地。无人驾驶暂时还没能走出实验室，相对发展比较成熟的是汽车安全辅助驾驶。汽车安全辅助驾驶系统里使用的是单线或多线固态激光雷达，目的是保证汽车前方障碍物探测无死角。针对不同的厂家方案也不一致，截止目前市面上能真正购买到的，做的最好就是探测范围能达到260m的激光雷达，可以防护车速范围为3-120km/h。
l 激光雷达的优缺点
ø 优点：
1、白天夜晚可以连续使用；
2、测量精度高：相位法测距精度很高，可以达到毫米量级。
3、测量距离远：脉冲法测距测量速度快，其作用距离可以达到数百米以上。
4、环境温度影响较小；
5、抗干扰能力强；
ø 缺点：
1、容易受到雨、雪、雾等恶劣天气的影响；
2、成本高，装调复杂，量产化程度低；
目前，在汽车主动防撞领域中方案比较成熟、应用比较广泛的测距方法为脉冲式激光雷达测距。脉冲激光测距已在地形测量、导弹运行轨道跟踪、以及人造卫星等方面获得了广泛的应用。图3.1为脉冲激光测距基本原理与计算公式。
图 3.1 脉冲激光测距基本原理
在汽车主动防撞领域，激光雷达测距还需要解决三个关键问题：
1、激光测距需要达到很远的测量效果。测距远才可以实现较高车速（120km/h）的汽车主动防撞效果，这也就是目前市面上的主动防撞产品只能80km/h以下防撞功能的原因。
2、在达到较远的测量距离时还需要具有较强的抗干扰能力。在实现远距离测试时，其灵敏度必然会加大，这就导致系统在遇到微小的障碍物（如灰尘、尾气等颗粒状漂浮物）时都会造成系统的误判，造成系统的频繁误刹车，严重影响汽车主动防撞功能的实现。
3、在满足1和2的条件下，激光测距还需要具备较快的响应能力、较高的测量精度和较窄的波束角。响应能力可以提高系统的反应速度，为汽车在较高时速下的汽车主动防撞节省宝贵的时间；较高的测量精度可以提高系统的精确度，为控制系统提供最准确的距离信息，使其算法得到最优；较窄的波束角，可以避免汽车在正常行驶时，激光雷达探测到相邻车道的汽车等其他障碍物而进行误杀的现象。
目前，国内这方面做的最好的是研发的汽车主动防撞专用激光雷达测距探头。其激光雷达测距在实际应用中具有很高的数据率（足够高的激光脉冲频率）和测距精度：测程为0～260m,精度为：±0.5m，该技术已成功申请国家发明专利，并于2015年实现了量产。目前，该系统可以适用各种车型，对于应用条件比较严苛的危化品车同样可以达到很好的防撞效果。
护航汽车主动防撞器在危化品车上的效果示意图
护航激光雷达测距探头主要在硬件电路、软件算法、机械结构等三个方面进行了重新设计：激光雷达的硬件电路设计包括：高频脉冲激光发射组件电路设计；高频脉冲激光接收组件电路设计；高精时间测量电路设计。激光雷达的软件设计包括：测距信号获取与算法、数据均值处理、突变数据过滤等内容。激光雷达的机械结构设计包括：光学镜头及透镜焦距结构设计；小型化、轻量化结构设计；外壳防护等级设计严格遵循gb/t30038道路车辆电气电子设备外壳防护等级。
激光雷达结构外观 护航激光雷达示意
河南护航公司生产的汽车主动防撞产品：护航汽车智能巡航及紧急制动系统，被业内专家一致认为是目前国内市场上成熟度最高的汽车主动防撞产品，具有国际领先水平。能在业内得到如此高的评价，很大原因得益于其在激光雷达测距探头领域的研发创新和技术突破。
2、 毫米波雷达
激光雷达通常使用可见光到红外光波段的电磁波进行测距，而毫米波雷达是指波长小于1cm，频率在30ghz~300ghz的电磁波。目前国内外的车用毫米波雷达主要选用24、60、77、120、180ghz波段。需要指出的是24ghz，他并不属于毫米波，因为它的波长在1cm左右，且它是最早被利用的。现在各个国家把24ghz划出来民用，77ghz划分给了汽车防撞雷达。毫米波和大多数微波雷达一样，有波束的概念，其发射出去的电磁波是一个锥状的波束。
毫米波雷达测距原理与激光雷达类似，有连续波雷达测距和脉冲雷达测距。脉冲雷达测距是通过测量发射脉冲信号与障碍物反射回波信号之间的时间差，根据公式s=ct/2计算得出距离信息（其中c是电磁波传播速度，c=3*10^8m/s）。这种测距方法原理简单，但是发射脉冲和回波之间的衰减严重，具体技术实现较为复杂，固很少使用在车载领域。
脉冲雷达测距原理是雷达天线发射连续的调频信号（fmcw），遇到前方障碍物时，会反射与发射信号有一定延时的回波。将发射信号和接收信号进行混频处理。混频后可用差拍信号相差标示雷达与目标之间的距离，根据差频信号差与相对速度的关系，计算出对雷达的相对速度。
l 毫米波雷达的优缺点
ø 优点：
1、测距时间短；
2、环境适应性能好，受到雨、雪、雾、粉尘等干扰小；
3、测量精度高；
ø 缺点：
1、雷达之间容易受到电磁波干扰；
2、分辨率低，不能做到对远距离小物体的精确检测，这成为了限制其在汽车主动防撞领域单独使用的致命缺点；
3、成本高；
民用毫米波雷达首先应用的方向是汽车应用，上个世纪90年代，毫米波雷达已被用于汽车的自适应巡航功能了，这主要依赖于毫米波长达200米以上的距离探测功能，而在那时，依靠其它手段是很难做到这一点的，后来，毫米波雷达又被用来做汽车主动防撞。毫米波雷达技术一直很昂贵，并且对国内封闭，直到2012年出现了芯片级别的毫米波射频芯片，毫米波雷达技术才逐渐引入国内。短短几年，国内对毫米波雷达技术的研究虽然取得了一些可喜的进步，但由于起步较晚，再加上国外技术的封锁，我国的毫米波雷达技术与国外仍有一定的差距。
毫米波雷达工作示意图
目前，在汽车主动防撞领域，毫米波雷达的地位略显尴尬，一方面由于国内对毫米波雷达技术的研究还处于试验阶段，相关技术远未达到汽车主动防撞标准的检验，距离上路并实现大规模量产尚需时日；另一方面，国外的芯片厂商对我们采用的是限代和限制销售的策略。既使是销售，国外厂商也不会把最新的一代拿出来，拿出来的都是落后一代甚至两代的产品。国内所有的做毫米波雷达系统的厂家，基本上都存在这个情况。同时，国外厂商在宣传时总是把毫米波雷达的价格定的非常低，给人以物美价廉的错觉，但是当人们真正想买来进行产品开发时，却发现毫米波雷达并不便宜，原因是国外厂商的毫米波雷达不单卖，而是打包销售，就是要买整套的解决方案，包括其他所有的平台加在一起的解决方案，实际上把这个价格又提高了。因此，如果利用国内的毫米波雷达技术进行汽车主动防撞产品的开发，大部分产品都不能适应复杂多变的路况；而如果利用国外的毫米波雷达技术，其产品的整体价格就会非常昂贵，严重制约了产品的市场销售和推广，这就是目前国内毫米波雷达在汽车主动防撞领域面临的尴尬处境。同时，毫米波雷达本身的分辨率比较低，这在领域是一个不能忽视的缺点，而摄像头最大的优点刚好就是分辨率高，因此，毫米波雷达必须要和摄像头进行有效的融合才能达到理想的主动防撞测距效果。
3、 摄像头
摄像头测距是利用摄像头进行视频拍摄，在图像中找到待测物体，这一系列动作，涉及到了物体的识别、相机的结构以及坐标的空间变换等。摄像头测距包括单目测距、双目测距、结构光测距等方法。在汽车领域比较流行的测距方法主要是单目测距和双目测距，二者的测距方法虽不同，但其本质上都是都是利用了摄像头的针孔成像原理。
摄相头针孔成像模型
单目摄像头的测距原理，先通过图像匹配算法进行目标识别（各种车型、行人、物体等），再利用摄像头的针孔成像原理，通过目标在图像中的大小去估算目标距离。这就要求在估算距离之前首先对目标进行准确识别，是汽车是行人还是其他障碍物。准确识别是准确估算距离的第一步，也是一个比较关键的环节。为保证摄像头测距系统能达到较高的识别率，就需要建立并不断维护一个庞大的样本特征数据库，保证这个数据库包含待识别目标的全部特征数据。比如在一些特殊地区，为了专门检测大型动物，必须先行建立大型动物的数据库；而对于另外某些区域存在一些非常规车型，也要先将这些车型的特征数据加入到数据库中。如果缺乏待识别目标的特征数据，就会导致系统无法对这些车型、物体、障碍物进行识别，从而也就无法准确估算这些目标的距离，造成系统的漏报。
双目检测的方式就是通过对两幅图像视差的计算，直接对前方景物（图像所拍摄到的范围）进行距离测量，而无需判断前方出现的是什么类型的障碍物。所以对于任何类型的障碍物，都能根据距离信息的变化，进行必要的预警或制动。双目摄像头的原理与人眼相似。人眼能够感知物体的远近，是由于两只眼睛对同一个物体呈现的图像存在差异，也称“视差”。物体距离越远，视差越小；反之，视差越大。视差的大小对应着物体与眼睛之间距离的远近，这也是3d电影能够使人有立体层次感知的原因。
双目测距示意图
图中的人和椰子树，人在前，椰子树在后，最下方是双目相机中的成像。可以看出右侧相机成像中人在树的左侧，左侧相机成像中人在树的右侧，这是因为双目的角度不一样。再通过对比两幅图像就可以知道人眼观察树的时候视差小。而观察人时视差大，因为树的距离远，人的距离近。这就是双目三角测距的原理。双目系统对目标物体距离感知是一种绝对的测量，而非估算。
l 摄像头的优缺点
ø 优点：
1、单目测距：分辨率高，成本较低，对计算资源的要求不高，系统结构相对简单；
2、双目测距：成本比单目要高，但现对于毫米波雷达等方案相比成本较低；没有识别率的限制，可对所有障碍物直接进行测量；测量精度高；无需维护样本数据库。
ø 缺点：
1、环境适应性能差，极易受到雨、雪、雾、粉尘等干扰；
2、测距相对激光雷达、毫米波雷达比较近；
3、单目测距：无法对非标准障碍物进行判断，准确度较低；
4、双目测距：计算量非常大；达到理想的配准效果难度较大；
目前，市面上单单依靠摄像头进行汽车主动防撞的产品几乎没有，其根本原因就在于摄像头测距比较近、受天气环境影响较大，无法满足汽车在不同天气环境下以及在较高时速下的主动防撞要求。因此，目前摄像头测距系统主要应用于，而在汽车主动防撞领域，摄像头测距主要以辅助其他远距离测距产品（如毫米波雷达）的方式存在。
4、 超声波雷达
超声波测距的原理是通过发出震动频率大于20khz的声波，以确定物体的方位和距离。常用的超声波测距有脉冲波方法和连续波方法。
脉冲测距是超声波雷达发射器发出短脉冲超声波，遇到障碍物反射回来，通过测量发射与回波接收的时间间隔t，根据公式 ，得到超声波雷达与障碍物之间的距离s，其中v是声波在空气中的速度（340m/s，15℃）。
连续波方法是超声波雷达发出连续的超声波，超声波遇到障碍物反射回来。通过测量发射波与回波之间的相位差来计算得到障碍物的距离和速度关系。
l 超声波雷达测距的优缺点：
ø 优点：
1、适用于识别透明、半透明及漫反射性差的物体；
2、适于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；
3、原理简单 , 制作方便 , 成本较低，容易实现。
ø 缺点：
1、容易受到环境温度的影响；
2、容易受到雨、雪天气的影响；
3、超声波能量衰减与距离平方成正比，只适用于短距离测距。
根据超声波本身的特点，超声波测距系统已经广泛应用于汽车倒车防撞系统，目前，几乎所有的汽车都已安装了这套系统。需要指出的是，由于原车安装的倒车防撞系统只提供距离信息，并且在发生危险时仅进行报警提示，在任何情况下都没有主动干预驾驶员进行刹车控制，因此，该套系统只能定义为倒车防撞预警系统。真正意义上其工作过程如下：系统在车辆倒车时，当车体靠近危险物或障碍物处于危险距离时，或者在倒车过程中突然有行人、动物、机动机车等移动物体靠近本车车体后方时，若司机没有发现或没来得及刹车，该系统会主动地、智能地使车辆自动刹车,从而避免出现撞人撞车的安全事故。
目前，汽车倒车防撞系统产品大部分是通过后加装的方式进行安装使用。
由上述分析可知，任何一种依据单一测距原理的系统都既有其优点，又存在不足，若想要达到理想的汽车主动防撞效果，必须是要形成多种传感器相互融合、优势互补的局面。然而，根据目前国内的市场环境对汽车防撞器的接收程度，如果将多种传感器进行融合，其成本以及安装难度必然会大幅度提高，这将严重阻碍汽车主动防撞产品的市场推广。因此，综合考虑各方面如成熟度、精确度、安全性、价格成本等因素，激光雷达测距系统是目前汽车主动防撞领域比较安全稳定的障碍物测距系统。
智能防撞控制技术难点在于：如何与决策系统更好地连接从而提高控制的精确度。智能控制系统作为汽车主动防撞的大脑，以控制算法来加强车辆的感知能力，识别出车辆行驶前方的所有障碍物体，对车辆传感器收集到的数据进行处理与分析，进而进行判断，再通过汽车电控组件（执行机构）做出相应动作。智能控制技术需依托精准的数学模型和可以不断实现自我调整的自适应控制算法，才能实现汽车主动防撞所要求的安全性和精确度。
另一方面，建立主动防撞系统的首要目的是保证行车安全性，但还需考虑到经济型和成员舒适性。目前大部分的防撞系统都不够人性化，大多数只考虑了安全性要求，没有考虑燃油经济性和成员舒适性，稍有危险就刹车，而且刹车强度很大，造成频繁刹车，车速上下波动剧烈，引起乘员舒适性降低，并且造成不必要的燃油浪费。人性化的主动防撞系统追求的不再是单一控制，而是模拟司机驾驶操作的满意控制，不应该只考虑行车安全性，还需兼顾到驾乘舒适性，这就需要对不同的控制模式进行分析来实时调整控制策略实现对两者的平衡。这就需要对主动防撞系统的控制模式进行研究，在保证行车安全的前提下，寻找兼顾燃油经济型和舒适性的控制策略，因此，拥有一套独特的识别算法和良好的自适应控制算法是实现汽车主动防撞功能的前提和根本。而目前国内在这方面做的比较好的是河南护航研发的“”产品，其产品不但适用不同的路况，还可以模拟人工力度进行主动刹车，同时结合产品本身的智能巡航系统，真正达到了防撞安全性、燃油经济性和成员舒适性的汽车主动防撞产品最高要求，汽车防撞产品4006169928。
河南护航实业股份有限公司
18203603913
中国 郑州
