汽车中的自动化系统

3.2 汽车中的自动化系统汽车中的自动化系统主要内容主要内容l汽车自动化系统概述汽车自动化系统概述l自动化技术在汽车中的应用自动化技术在汽车中的应用 发动机控制、发动机控制、变速器控制、变速器控制、制动防抱死控制、驱动防滑控制、动制动防抱死控制、驱动防滑控制、动力转向控制、力转向控制、悬架控制、悬架控制、防撞避撞控制防撞避撞控制l汽车先进控制系统简介汽车先进控制系统简介l汽车自动化发展动态汽车自动化发展动态 一、一、汽车自动化系统概述汽车自动化系统概述 目的：全面改善汽车的行驶性能，提高汽车的安目的：全面改善汽车的行驶性能，提高汽车的安全性、舒适性和易操作性。全性、舒适性和易操作性。意义：汽车数量的大量增加造成道路拥堵、路况意义：汽车数量的大量增加造成道路拥堵、路况复杂、交通事故和车祸频繁、能源危机、尾气污复杂、交通事故和车祸频繁、能源危机、尾气污染等诸多问题，自动化可以保障汽车行驶的安全、染等诸多问题，自动化可以保障汽车行驶的安全、降低肇事率、操纵轻松自如、提高运行性能、节降低肇事率、操纵轻松自如、提高运行性能、节省能源、减少废气排放等。省能源、减少废气排放等。开发汽车自动化系统的目的和意义：开发汽车自动化系统的目的和意义：汽车的控制系统汽车的控制系统汽车中应用了很多自动控制系统汽车中应用了很多自动控制系统 发动机控制（点火、燃料喷射、空燃比、怠速等发动机控制（点火、燃料喷射、空燃比、怠速等的控制）、变速器控制、防抱死和驱动防滑制动的控制）、变速器控制、防抱死和驱动防滑制动控制、助力转向控制、悬架控制、自动保持车速控制、助力转向控制、悬架控制、自动保持车速的巡航控制、导航系统、防撞避撞控制、安全气的巡航控制、导航系统、防撞避撞控制、安全气囊控制、自动刮水器、自动开闭式车窗、空调控囊控制、自动刮水器、自动开闭式车窗、空调控制、灯光控制、无钥匙车门及车门锁定系统等。制、灯光控制、无钥匙车门及车门锁定系统等。其中大部分属于反馈控制。其中大部分属于反馈控制。二、自动化技术在汽车中的应用二、自动化技术在汽车中的应用1.发动机自动控制系统发动机自动控制系统 核心部分是电子控制燃油喷射系统，配上相应的核心部分是电子控制燃油喷射系统，配上相应的装置还能实现空燃比控制、怠速控制、点火期控制、装置还能实现空燃比控制、怠速控制、点火期控制、排气再循环控制等。排气再循环控制等。轿车轿车发动机发动机燃油喷射电控系统燃油喷射电控系统电控燃油喷射系统的组成及原理电控燃油喷射系统的组成及原理 核心是电子控制单元核心是电子控制单元ECU（Electronic Control Unit），另外还有发动机转速以及水温传感器、进），另外还有发动机转速以及水温传感器、进气歧管内压力传感器或进气通道内的空气流量传感气歧管内压力传感器或进气通道内的空气流量传感器、电磁喷油器、冷起动喷油器等。器、电磁喷油器、冷起动喷油器等。ECU根据检测到的发动机转速和温度、空气进根据检测到的发动机转速和温度、空气进气压力或流量等参数，准确计算出不同工况下发动气压力或流量等参数，准确计算出不同工况下发动机所需要的燃油量，再控制喷油器的燃油喷射，并机所需要的燃油量，再控制喷油器的燃油喷射，并保证发动机混合气的空燃比在恰当的范围内。保证发动机混合气的空燃比在恰当的范围内。2.变速器自动控制系统变速器自动控制系统自动档自动档变速杆变速杆 组成：电子控制系统、齿轮变速器、换档执行机构、组成：电子控制系统、齿轮变速器、换档执行机构、变矩器等。变矩器等。变速器自动控制系统的作用和原理变速器自动控制系统的作用和原理 可以自动地确定所需最佳档次和换挡时间，明可以自动地确定所需最佳档次和换挡时间，明显简化、方便了汽车的换档操作，而且能够使行显简化、方便了汽车的换档操作，而且能够使行驶动力性达到最佳的状态。驶动力性达到最佳的状态。通过检测车速、发动机转速和水温、节气门开通过检测车速、发动机转速和水温、节气门开度、自动变速器液压油油温等，控制系统的计算度、自动变速器液压油油温等，控制系统的计算机可以确定汽车运行的状态，并与设定的换档规机可以确定汽车运行的状态，并与设定的换档规律相比较，经计算、分析、决策，向换档执行机律相比较，经计算、分析、决策，向换档执行机构发出控制信号，经电磁阀、油压或气动或电动构发出控制信号，经电磁阀、油压或气动或电动伺服机构等实施相应动作，完成自动换档。伺服机构等实施相应动作，完成自动换档。3.制动防抱死自动控制系统制动防抱死自动控制系统简称简称ABS（Anti-lock Braking System）汽车紧急制动时，车轮可能完全停止转动汽车紧急制动时，车轮可能完全停止转动（“抱死抱死”现象），汽车以很大的惯性向前冲，现象），汽车以很大的惯性向前冲，车轮可能打滑，从而发生侧滑、甩尾、甚至旋转车轮可能打滑，从而发生侧滑、甩尾、甚至旋转等，很容易造成严重的交通事故。等，很容易造成严重的交通事故。装有装有ABS的汽车将自动采取措施来防止车轮被的汽车将自动采取措施来防止车轮被完全抱死，保持轮胎与地面间的附着力，增强行完全抱死，保持轮胎与地面间的附着力，增强行驶的稳定性。驶的稳定性。制动防抱死系统的机械部分制动防抱死系统的机械部分防抱死控制系统的组成和工作原理防抱死控制系统的组成和工作原理计算机控制单元（计算机控制单元（ECU）计算处理计算处理车轮速度车轮速度和加速度和加速度计算处理计算处理车轮滑移车轮滑移率以及参率以及参考车速考车速计计 算算决决 策策制制 动动方方 案案车车轮轮制制 动动装装 置置 电磁液电磁液压调节压调节阀阀车轮转速传感器车轮转速传感器 通过检测车轮转速、制动装置等的工作状况，准确判断出通过检测车轮转速、制动装置等的工作状况，准确判断出路面状况以及制动机构的相关参数，路面状况以及制动机构的相关参数，ECU通过判断和计算，通过判断和计算，给出适宜的制动力调节量，实现自适应调节。给出适宜的制动力调节量，实现自适应调节。4.汽车驱动防滑自动控制系统汽车驱动防滑自动控制系统简称简称ASR（Acceleration Slip Regulation）汽车在附着系数相对较小的路面（如雨、雪潮汽车在附着系数相对较小的路面（如雨、雪潮湿路面）突然加、减速时可能造成打滑空转，从湿路面）突然加、减速时可能造成打滑空转，从而导致失去方向控制能力，极易造成车祸事故。而导致失去方向控制能力，极易造成车祸事故。ASR系统能够最大限度地避免打滑、空转和失系统能够最大限度地避免打滑、空转和失控现象，提高行驶的方向稳定性和平顺性。控现象，提高行驶的方向稳定性和平顺性。ASR系统与系统与ABS的控制机制类似，但控制目标的控制机制类似，但控制目标相反，两个系统常常合二为一。也可以说，相反，两个系统常常合二为一。也可以说，ASR系统是系统是ABS的进一步完善和补充。的进一步完善和补充。驱动防滑控制系统的工作原理驱动防滑控制系统的工作原理 关键是防止驱动车轮空转打滑，采用的控制方式关键是防止驱动车轮空转打滑，采用的控制方式大多两种：制动控制方式和发动机控制方式。大多两种：制动控制方式和发动机控制方式。制动控制方式：当检测到驱动轮发生空转或将要发生制动控制方式：当检测到驱动轮发生空转或将要发生空转时，由空转时，由ECU发出命令，对车轮实施制动；发出命令，对车轮实施制动；ASR系系统通常缓慢提高制动力矩，以使制动过程平稳。统通常缓慢提高制动力矩，以使制动过程平稳。发动机控制方式：当检测到有空转或即将空转时，发动机控制方式：当检测到有空转或即将空转时，ECU适时发出命令，采用改变喷油量、点火时间、节适时发出命令，采用改变喷油量、点火时间、节气门开度等手段来调节汽车发动机输出力矩，使驱动气门开度等手段来调节汽车发动机输出力矩，使驱动车轮与路面的附着力达到最佳状态。车轮与路面的附着力达到最佳状态。5.动力转向自动控制系统动力转向自动控制系统 汽车低速时转向力矩大，高速时转向力矩小，汽车低速时转向力矩大，高速时转向力矩小，为使司机轻松自如地进行转向操作，就需要辅助为使司机轻松自如地进行转向操作，就需要辅助的力矩控制装置。的力矩控制装置。动力转向系统根据汽车的动力转向系统根据汽车的行驶状况，利用控制装置来行驶状况，利用控制装置来调节转向助力，从而得到理调节转向助力，从而得到理想的转向性能。想的转向性能。液压式动力转向系统的结构液压式动力转向系统的结构1-1-方向盘方向盘 2-2-转向轴转向轴 3-3-转向中间轴转向中间轴 4-4-转向油管转向油管 5-5-转向油泵转向油泵6-6-转向油罐转向油罐 7-7-转向节臂转向节臂 8-8-转向横拉杆转向横拉杆 9-9-转向摇臂转向摇臂 10-10-整体式转向器整体式转向器 11-11-转向直拉杆转向直拉杆 12-12-转向减振器转向减振器动力转向控制系统的组成及工作过程动力转向控制系统的组成及工作过程 一般由车速传感器、扭矩传感器、控制元件、电一般由车速传感器、扭矩传感器、控制元件、电动或气动或液动装置等组成，具有车速检测、控制动或气动或液动装置等组成，具有车速检测、控制决策和转向助力功能。决策和转向助力功能。系统在工作过程中不断检测汽车行驶的车速、转系统在工作过程中不断检测汽车行驶的车速、转向器扭矩等，馈送给电子控制装置，控制器计算出向器扭矩等，馈送给电子控制装置，控制器计算出转向助力的调节量，输送给执行电机或液压、气压转向助力的调节量，输送给执行电机或液压、气压驱动装置，驱动转向器转向。驱动装置，驱动转向器转向。6.悬架自动控制系统悬架自动控制系统 该系统根据汽车行驶状况自动地调节汽车悬架的该系统根据汽车行驶状况自动地调节汽车悬架的刚度与振动阻尼，有的车还能够自动调整车高。刚度与振动阻尼，有的车还能够自动调整车高。在起伏较大的路面能够有效地吸收振动，避免过在起伏较大的路面能够有效地吸收振动，避免过大的上下大的上下“浮动浮动”，还能在转向时保持车身的正常，还能在转向时保持车身的正常姿态、紧急制动时改善减振效果。对于能够根据车姿态、紧急制动时改善减振效果。对于能够根据车速自动调节悬架以调节车高的汽车，还能够降低风速自动调节悬架以调节车高的汽车，还能够降低风阻系数，降低能耗，增大行驶稳定性。阻系数，降低能耗，增大行驶稳定性。悬架控制系统的类型及组成悬架控制系统的类型及组成电控主动空气悬架电控主动空气悬架电控主动液压悬架电控主动液压悬架 分为空气悬架和液压悬架，其自动控制系统差异分为空气悬架和液压悬架，其自动控制系统差异不大，通常由位移、加速度、转向、制动压力等传不大，通常由位移、加速度、转向、制动压力等传感器、微机控制中心、气压或液压组件等组成。感器、微机控制中心、气压或液压组件等组成。悬架控制系统的工作原理悬架控制系统的工作原理 装在悬架内的位移传感器检测悬架的运动，车速表装在悬架内的位移传感器检测悬架的运动，车速表提供车速信号，安装在转向轴上的光学传感器则检测提供车速信号，安装在转向轴上的光学传感器则检测出转向的信号以及制动部分给出制动状况信号。这些出转向的信号以及制动部分给出制动状况信号。这些信号都传输给微机进行分析、运算，给出对汽车悬架信号都传输给微机进行分析、运算，给出对汽车悬架的控制决策和相关控制的控制决策和相关控制量，驱动电动泵调节悬量，驱动电动泵调节悬架气压或油压，以抵消架气压或油压，以抵消引起车辆振动的能量，引起车辆振动的能量，同时还有效控制了车辆同时还有效控制了车辆的姿态。的姿态。7.防撞避撞自动控制系统防撞避撞自动控制系统 通过测量主车与目标车或障通过测量主车与目标车或障碍物之间的相对距离、相对速碍物之间的相对距离、相对速度以及相对方位角等信息，自度以及相对方位角等信息，自动控制汽车按照需求运行、减动控制汽车按照需求运行、减速或制动。速或制动。关键技术：关键技术：对碰撞可能性的预测；对碰撞可能性的预测；碰撞可能发生时的紧急处理（减速和制动）。碰撞可能发生时的紧急处理（减速和制动）。防撞避撞的探测与控制技术防撞避撞的探测与控制技术 常用探测装置的主体部分是雷达，可实施测距、测速、常用探测装置的主体部分是雷达，可实施测距、测速、测方位。此外还有红外线、超声波、激光等检测技术。红测方位。此外还有红外线、超声波、激光等检测技术。红外、超声波的探测距离较短，激光和微波雷达测距远、精外、超声波的探测距离较短，激光和微波雷达测距远、精度高，得到广泛应用。度高，得到广泛应用。为降低雷达的误报率，基于激光雷达、微波雷达、机器为降低雷达的误报率，基于激光雷达、微波雷达、机器视觉等多种传感器的信息融合技术正成为研究和应用的热视觉等多种传感器的信息融合技术正成为研究和应用的热点，以机器视觉为主的探测技术有可能彻底解决准确识别点，以机器视觉为主的探测技术有可能彻底解决准确识别问题。问题。防撞避撞的控制及处理方式：向司机发出视听预警信防撞避撞的控制及处理方式：向司机发出视听预警信号，促使司机采取应急措施；自动进行识别、判断、处号，促使司机采取应急措施；自动进行识别、判断、处理和控制，即自动执行减速、避撞、制动等操作。理和控制，即自动执行减速、避撞、制动等操作。一种汽车防撞预警系统一种汽车防撞预警系统 具有车距监视功能，通过图象显示和声音预警具有车距监视功能，通过图象显示和声音预警提醒驾驶员保持安全车距。提醒驾驶员保持安全车距。基于机器视觉识别技术的新型防撞系统基于机器视觉识别技术的新型防撞系统 安装在车上的摄像头可以自动探测路况并预测潜安装在车上的摄像头可以自动探测路况并预测潜在的危险，可能发生危险时，系统就会转入在的危险，可能发生危险时，系统就会转入“自动自动操作操作”，启动应急制动和刹车系统来避免危险。，启动应急制动和刹车系统来避免危险。与电脑相连的摄像机还与电脑相连的摄像机还可以分辨出汽车、骑车人可以分辨出汽车、骑车人及行人，配合当前各种参及行人，配合当前各种参数迅速计算出事故可能的数迅速计算出事故可能的破坏程度，并做出相应反破坏程度，并做出相应反应。应。三、三、汽车先进控制系统简介汽车先进控制系统简介l 采用先进的传感与检测技术、通信技术和自采用先进的传感与检测技术、通信技术和自动控制技术，提供多种形式的防撞、避撞、动控制技术，提供多种形式的防撞、避撞、安全保障、自动驾驶等功能；安全保障、自动驾驶等功能；l 主要有行车安全预警报警系统、纵向防撞避主要有行车安全预警报警系统、纵向防撞避撞系统、侧向防撞避撞系统、交叉口防撞避撞系统、侧向防撞避撞系统、交叉口防撞避撞系统、视觉强化防撞避撞系统、事故前乘撞系统、视觉强化防撞避撞系统、事故前乘员安全保护系统、自动驾驶系统、自动公路员安全保护系统、自动驾驶系统、自动公路信息系统等。信息系统等。第一层次：车辆安全技术与辅助驾驶技术第一层次：车辆安全技术与辅助驾驶技术l 关键部件的研发，如车载传感器（激光雷达、微关键部件的研发，如车载传感器（激光雷达、微波雷达、摄像机图像处理等）、车载计算机和控波雷达、摄像机图像处理等）、车载计算机和控制执行机构等；制执行机构等；l 安全行驶和驾驶辅助技术，如采用多传感器融合安全行驶和驾驶辅助技术，如采用多传感器融合技术将汽车与周围车辆、障碍物、道路设施的相技术将汽车与周围车辆、障碍物、道路设施的相对距离、相对速度以及相对方位等检测出来，通对距离、相对速度以及相对方位等检测出来，通过微处理器进行计算、分析、判断与决策，必要过微处理器进行计算、分析、判断与决策，必要时给出报警，或情况紧急时控制系统进行强制减时给出报警，或情况紧急时控制系统进行强制减速或制动。速或制动。第二层次：智能型自动驾驶系统第二层次：智能型自动驾驶系统l 属于第一层次上的扩展和升级，最显著的区别是属于第一层次上的扩展和升级，最显著的区别是自动化技术不再是辅助驾驶员解决一些紧急状况自动化技术不再是辅助驾驶员解决一些紧急状况下的部分操作，而是较全面地替代了人。下的部分操作，而是较全面地替代了人。l 在检测行驶状况、对驾驶操作的决策、尤其是对在检测行驶状况、对驾驶操作的决策、尤其是对紧急状况的判别方面，该层次的技术更突出智能紧急状况的判别方面，该层次的技术更突出智能检测、智能决策和智能控制。检测、智能决策和智能控制。l 这样的智能汽车能自动导航、自动转向、自动检这样的智能汽车能自动导航、自动转向、自动检测和回避障碍物、自动操纵驾驶，尤其是在装备测和回避障碍物、自动操纵驾驶，尤其是在装备有智能信息系统的智能公路上，能够在充分保证有智能信息系统的智能公路上，能够在充分保证安全车距的情况下以较高的速度自动行驶。安全车距的情况下以较高的速度自动行驶。英特尔公司与斯坦福大学联合研制的英特尔公司与斯坦福大学联合研制的无人驾驶汽车无人驾驶汽车 大众汽车集团研制的无人驾驶汽车大众汽车集团研制的无人驾驶汽车“Stanley”无人驾驶汽车无人驾驶汽车“Stanley”在行驶中在行驶中 “Stanley”上的探测仪上的探测仪 “Stanley”有有4个激光探测仪、精确的个激光探测仪、精确的GPS导航系统、导航系统、7个奔腾处理器组成的高性能计算机，定位精度达到个奔腾处理器组成的高性能计算机，定位精度达到毫米级，并通过复杂的软件模块来进行控制。毫米级，并通过复杂的软件模块来进行控制。四、四、汽车自动化发展动态汽车自动化发展动态l 自动化在汽车上的应用越来越广泛，很多新技术自动化在汽车上的应用越来越广泛，很多新技术不断推广应用，汽车的自动化水平越来越高；不断推广应用，汽车的自动化水平越来越高；l 汽车自动化发展的总体趋势是智能化和网络化；汽车自动化发展的总体趋势是智能化和网络化；l 智能化指信息处理与控制决策等充分体现人的智智能化指信息处理与控制决策等充分体现人的智能特征；能特征；l 网络化一方面指汽车上的各种自动化系统相互连网络化一方面指汽车上的各种自动化系统相互连网，协调工作，另一方面指与外部的出行信息系网，协调工作，另一方面指与外部的出行信息系统、交通管理系统、运营管理系统等连网，统、交通管理系统、运营管理系统等连网，“人、人、车、道路车、道路”形成一个统一的整体。形成一个统一的整体。在网络化的基础上，可以实现对汽车的综合优化在网络化的基础上，可以实现对汽车的综合优化控制，采用多传感器多参数检测及数据融合技术、控制，采用多传感器多参数检测及数据融合技术、并大量运用人工智能与智能控制技术，使汽车的整并大量运用人工智能与智能控制技术，使汽车的整体自动化水平显著提高。体自动化水平显著提高。无钥匙车门、无钥匙开锁和启动、引擎熄火防盗无钥匙车门、无钥匙开锁和启动、引擎熄火防盗控制、胎压自动检测等新技术正在开始推广应用。控制、胎压自动检测等新技术正在开始推广应用。l 随着汽车数量的增加，维护与维修工作的自动化随着汽车数量的增加，维护与维修工作的自动化系统将越来越多，如故障诊断系统、仪表板诊断系统将越来越多，如故障诊断系统、仪表板诊断系统、柔性保养系统、各种智能检测设备等；系统、柔性保养系统、各种智能检测设备等；l 随着社会的发展和进步，由于认识到汽车与能源、随着社会的发展和进步，由于认识到汽车与能源、环境以及社会密不可分，对汽车自动化的要求从环境以及社会密不可分，对汽车自动化的要求从“人、车、道路人、车、道路”作为一个整体进一步扩展到综作为一个整体进一步扩展到综合考虑合考虑“人、车、能源、环境和社会人、车、能源、环境和社会”等因素，等因素，不断强化汽车尾气排放法规，不断研究、开发新不断强化汽车尾气排放法规，不断研究、开发新型节能汽车；型节能汽车；l 汽车上原有的一些传统机械装置将会逐渐被电子汽车上原有的一些传统机械装置将会逐渐被电子的、微处理器的自动化控制装置所逐步取代，汽的、微处理器的自动化控制装置所逐步取代，汽车自动化会随着时代发展而越来越完善。车自动化会随着时代发展而越来越完善。End of Chapter 3.2