现代电子技术在专业中的应用综述

模拟电子技术研究专题

现代电子技术在智能汽车中的发展和应用综述

作者 作者单位北京交通大学 电子信息工程学院

指导教师 任 希

时间 2013年3月6日

目录

1 智能汽车电子技术的发展过程 ....................................................................................... 2

2 智能汽车电子技术的应用现状 ....................................................................................... 4

2.1传感器 ......................................................................................................................... 4

2.2微处理器(ECU) . ........................................................................................................... 4

2.3执行器 ......................................................................................................................... 4

2.4控制策略 ..................................................................................................................... 5

2.5总线技术 ..................................................................................................................... 5

2.6新型42V 供电电源 . .................................................................................................... 6

2.7安全技术 ..................................................................................................................... 6

2.8多媒体娱乐与智能通讯系统 ..................................................................................... 6

3智能汽车电子技术的发展前景 ........................................................................................ 6

3.1驾驶员行分析 ............................................................................................................. 6

3.2环境感知 ..................................................................................................................... 7

3.3极端情况下的自主驾驶 ............................................................................................. 7

3.4车辆运动控制系统 ..................................................................................................... 7

3.5主动安全系统 ............................................................................................................. 7

3.6交通监控、车辆导航及协作 ..................................................................................... 7

3.7车辆交互通信 ............................................................................................................. 7

3.8车辆自动化系統 ......................................................................................................... 7

4 智能汽车电子技术的未来展望 ....................................................................................... 8

5 结束语 ............................................................................................................................. 10

摘 要：本文介绍现代电子技术在智能汽车中的发展和应用综述，说

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明现代电子技术在智能汽车中的最新发展情况及未来的发展趋势。现代电子技术的应用现状，着重说明其在智能汽车中的应用。 关 键 词：电子技术 智能汽车 发展前景 应用现状 信息技术

0 引言:

智能汽车的研究、开发和应用，涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨科学的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模块在一个特定的环境里自动的运行，可运用于科学勘探等用途，无需人为的管理，便可以完成预期所要达到的或更高的目标。

1 智能汽车电子技术的发展过程

智能汽车电子技术化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，智能汽车电子技术化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。汽车制造商认为增加智能汽车电子技术设备的数量、促进智能汽车电子技术化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段。

据统计，从1989年至2000年，平均每辆车上电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16％增至23％以上。一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到48个，电子产品占到整车成本的50％以上，目前电子技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统。按照对汽车行驶性能作用的影响划分，可以把智能汽车电子技术产品归纳为两类：一类是智能汽车电子技术控制装置，智能汽车电子技术控制装置要和车上机械系统进行配合使用，即所谓“机电结合”的智能汽车电子技术装置；它们包括发动机、底盘、车身电子控制。例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自

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动变速器、电子动力转向等，另一类是车载智能汽车电子技术装置，车载智能汽车电子技术装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系。它们包括汽车信息系统（行车电脑）、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。

智能汽车电子技术的发展到目前为止主要经历了四个阶段：第一个发展阶段为1971年以前，开始生产技术起点较低的交流发电机、电压调节器、电子闪光器、电子喇叭、间歇刮水装置、汽车收音机、电子点火装置和数字钟等。

第二个发展阶段为1974～1982年，以集成电路和16位以下的微处理器在汽车上的应用为标志。主要包括电子燃油喷射、自动门锁、程控驾驶、高速警告系统、自动灯光系统、自动除霜控制、防抱死系统、车辆导向、撞车预警传感器、电子正时、电子变速器、闭环排气控制、自动巡航控制、防盗系统、实车故障诊断等电子产品。这期间最具代表性的是电子汽油喷射技术的发展和防抱死(ABS)技术的成熟，使汽车的主要机械功能用电子技术来控制。但是，在此阶段机械与电器的联接并不十分理想。

第三个发展阶段为1982～1990年，微电脑在汽车上的应用日趋可靠和成熟，并向智能化方向发展。开发的产品有胎压控制、数字式油压计、防睡器、牵引力控制、全轮转向控制、直视仪表板、声音合成与识别器、电子负荷调节器、电子道路监视器、蜂窝式电话、可热式挡风玻璃、倒车示警、高速限制器、自动后视镜系统、道路状况指示器、电子冷却控制和寄生功率控制等。

从2005年开始，可以说进入了汽车电子技术的第四个发展阶段。微波系统、多路传输系统、ASKS-32位微处理器、数字信号处理方式的应用，使通讯与导向协调系统、自动防撞系统、动力最优化系统、自动驾驶与电子地图技术得到发展，特别是智能化汽车的出现。当然目前第三代技术有些我们都还没办法实现。

当前智能汽车电子技术技术的主要向着功能多样化、技术一体化、系统集成化和通讯网络化发展。发展重点是动力总成控制、底盘控制、车身控制、主／被动安全、汽车网络、通信系统和安全与防盗技术。智能汽车电子技术领域主要的

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新热点技术，包括新能源汽车动力系统及其控制技术、总线与网络控制技术、车载42V 供电控制技术、车载信息系统和线传操控等技术。而需要解决的关键问题主要在于系统结构设计、定义与集成能力，动力、制动、智能空调、车载信息服务系统等核心智能汽车电子技术系统技术，产品开发平台技术以及芯片、传感器等基础器件技术。

2 智能汽车电子技术的应用现状

2.1传感器随着汽车电子化发展, 自动化越高, 对传感器的依赖程度也就越大。汽车用传感器的种类多样化和使用数量的增加, 使得传感器朝着多功能化、集成化、智能化和微型化方向发展。这些将使未来的智能化集成传感器不仅能提供用于模拟和处理的信号, 而且还能对信号作放大等处理, 同时它还能自动进行时漂、温漂和非线性的自校正。具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力，保证传感器信号的质量不受影响，即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的

2.2微处理器(ECU)自从1976美国通用汽车公司成功的将ECU 应用到汽车发动机的控制系统中后，汽车电子控制系统进入到了新的高速发展阶段，随后ECU 被应用到动力传动、车身、安全等控制系统中。由于汽车用ECU 对可靠性、信息处理能力、实时控制能力及成本上的特殊要求，基于通用芯片开发出的ECU 已经很难满足汽车电子控制系统的要求，因此，开发出具有多路同步实时控制、自带A/D与D/A、自我诊断、高输入/输出等功能的汽车专用ECU 系统具有很高的现实意义。随着汽车电子控制日趋集中化，ECU 需要处理的信息量不断增加，因此，16位和32位ECU 将成为未来汽车用ECU 的首选，预计在今后几年内需求量将增加50%以上，逐步成为车用ECU 的主流。

2.3执行器目前汽车上所使用的执行器主要有电磁式、电动式和气动/液动式。电磁和电动式的执行器是以电为动力的操作机构，具有体积小、重量轻、响应速度快、耗能小的特点，但是，与气动/液动式执行器相比，输出驱动能力则

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不足，无法满足未来汽车控制领域大驱动输出的需要。但是，随着新材料、新工艺、新机构设计的采用，电磁和电动式执行器将逐渐取代气动/液动执行器，尤其是在未来汽车普遍更换42V 新型电源系统之后，输出驱动能力将大幅度提升，完全可以取代传统的气动/液动系统。

2.4控制策略目前在汽车电子控制系统中广泛采用的是PID 控制理论，是一种使用于单输入/输出、线性定常系统的经典控制理论。但是，由于汽车中需要控制的对象往往具有很强的时变和非线性，控制系统的输入和输出参数也越来越多，采用以状态空间为基础、适用于多输入/输出、非线性时变系统的现代控制理论已成必然，如最优控制、自适应控制、模糊控制等。

2.5总线技术利用总线技术将汽车中各种电控单元、智能传感器、智能仪表等联接起来，从而构成汽车内部局域网，实现各系统间的信息资源共享。其优点主要有：1. 大大减少线束数量、连接点及体积，提高系统的可靠性和可维护性。

2. 采用通用传感器，达到数据信息共享的目的。3. 改善系统的灵活性，即通过系统的软件可实现系统功能的变化。根据侧重功能的不同SAE 将总线划分为A 、B 、C 三大类：A 类是面向传感器和执行器的一种低速网络，主要用于后视镜调整、灯光照明控制、电动车窗等控制等，目前A 类的主流是LIN ；B 类是应用于独立模块间的数据共享中速网络，主要用于汽车舒适性、故障诊断、仪表显示及四门中央控制等，其目前主流是低速CAN(又称动力CAN) ； C 类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网络，要用于发动机、ABS 和自动变速器、安全气囊等的控制，目前C 类主流是高速CAN(又称动力CAN) ，但是随着下一代高速、具有容错能力的时间触发方式的“X by Wire'’线控技术的发展，将逐渐代替高速CAN 在C 类网中的位置，力求在未来5—10年之内使传统的汽车机械系统变成通过高速容错通讯总线与高性能CPU 相连的百分之百的电控系统，完全不需要后备机械系统的支持，其主要代表有TTP/C和Flex Ray。在多媒体与通讯系统中，MOST 、IDB 1394和“蓝牙”技术成为了今后的发展主流。另外，光纤凭借其高传输速率和抗干扰能力，越来越广泛的用作高速信号传输介质。

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2.6新型42V 供电电源随着汽车电控技术的不断发展使汽车电子装置在整车中所占比例和相应的耗电量不断提高，使现有的12V 电源系统供电能力趋于饱和或不足，无法满足下一代汽车设计中新增电子设备的需求，如无凸轮轴电磁式电控配气相位机构、飞轮复合式起动—发电机系统、电加热三效催化转化器以及新型电力制动和电力转向系统等，它们在传统的12V 电源系统中难于实现，而这些新技术又是公认的未来汽车技术发展的重要方向。因此，采用更高供电电压的电源系统成为必然趋势。

2.7安全技术从近两年召开的一些大型国际汽车技术研讨会和展会(如“2004国际ITS 会议”、“Convergence 2004国际汽车电子展等”) 可以看出 未来汽车电子控制的重要发展方向是汽车安全领域。主要有以下几个方向：1. 利用雷达技术和车载摄像技术开发各种自动避撞系统2. 利用近红外技术开发各种能监测司机行为的安全系统3. 高性能的轮胎综合监测系统 4. 自适应自动驾驶系统

5. 驾驶员身份识别系统6. 安全气囊和ABS/ASR以及车身动态控制系统将更加完善。

2.8多媒体娱乐与智能通讯系统随着第3代移动通讯技术和计算机网络技术的不断发展, 未来汽车正朝着移动办公室、家庭影院方向发展, 为司机和乘客提供进行中的实时通讯和娱乐信息, 并把汽车和道路及其它远程服务系统结合起来, 构建未来的智能交通系统(1TS)。具体功能:1.提供丰富的多媒体设施环境，利用GPS 、GSM 网络实现导航、行车指南、无线因特网以及汽车与家庭等外部环境的互动。2. 具备远程汽车诊断功能, 紧急时能够引导救援服务机构赶到故障或事故地点。

3智能汽车电子技术的发展前景

3.1驾驶员行分析监控和分析驾驶员状态、设计先进车辆和良好的用户信息交互界面。以便学习、控制甚至是模拟驾驶员行为。高级的驾辅助系统应该能确保驾驶员反应恰当而且安全。在该研究领域的不同方法中，监视驾驶员头部

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位置已经成为研究重点。这能帮助探测和推理驾驶员的疲劳等级(特别是结合驾驶员眼睛凝视方向。并应用灵活的安全气囊。澳大利亚L ．F1etcher 等提出了一种推断驾驶员疲劳程度的方法。研究道路场景的单调性与驾驶员疲劳强度的关系。该项研究依据心理学特征，定义单调性为一个驾驶员疲劳的外部因素，利用驾驶员头部姿态、眼睛凝视跟踪以及道路单～性分析组成一个性能良好的驾驶员疲劳检测系统。法国的一些研究机构研制出一种能够监测司机注意力下降的系统，并可以通过声音或光信号提醒司机。该系统首先用多种传感器提供关于方向盘的活动情况、脚踏板上的压力情况、车速。并在汽车司机座前方安装一个红外线探测仪，用来检测驾驶员眼皮的眨动。如果驾驶员感到疲劳打瞌睡，眼皮的眨动就会变慢，这时候红外线监测器便会发出尖锐的警告声，将司机从瞌睡中惊醒

3.2环境感知主要是运用传感器融合等技术，来获得车辆行驶环境的有用信息，车流信息、车道状况信息、周边车辆的速度信息、行车标志信息等。

3.3极端情况下的自主驾驶主要研究在某些极端情况下，如驾驶员的反应极限、车辆失控等情况下的车辆自主驾驶。

3.4车辆运动控制系统一研究车辆控制的运动学、动力学建模、车体控制等问题。

3.5主动安全系统和被动安全相对比，主动安全系统主要是以防为主，如研究各种情况下的避障、防撞安全保障系统等。

3.6交通监控、车辆导航及协作主要研究交通流诱导等问题。

3.7车辆交互通信研究车辆之间有效的信息交流问题，主要是各种车辆闻的无线通信问题。

3.8车辆自动化系統为了减轻司机的劳动强度, 避免长时间枯燥地重复某一动作, 发展了各种类型的车辆自动控制系统, 用以完全取代人的操作, 如在

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交通拥挤的场合, 车辆基本上处于运行和停止两种状态之间, 司机不断地重复着同一动作, 在这种情况下, 低速自动化(LSA :low speed automation) 可以代替司机的操作, 从事这种单一、枯燥操作。小间距车列(platoon) 系统(或称为车群系统) , 利用车与车间的通讯系统, 及时将前车当前的运行状态、下一步要采取的措施、目的地等信息告诉后车, 后车根据前车的状态和动作, 及时调整运行策略, 始终与前车保持一个较小的安全车距。车列系统内各车的间距可以小到几米或十几米, 因而, 它可以大大提高道路的通行能力和道路的利用率。利用GPS 和数字地图等组成的电子导航系统, 可以控制车辆在隔离或封闭区域如公交车道、货场等区域内自动运行。

4 智能汽车电子技术的未来展望

今天，社会进入了信息网络时代，人们希望汽车不仅仅是一种代步工具，更希望在汽车是生活及工作范围的一种延伸，在汽车上就像呆在自己的办公室和家里一样，可以收听广播，打电话，上互联网，处理工作。随着数字技术的进步，汽车也将步入多媒体时代。利用 windows 操作系统开发的车载计算机多媒体系统，具有信息处理、通讯、导航、防盗、语言识别、图像显示和娱乐等功能。可以预见到的将来，汽车装置自动导航和辅助驾驶系统，驾驶员可把行车的目的地输入到汽车电脑中，汽车就会沿着最佳行车路线行驶到达目的地。人们可以通过语言识别系统操纵着车内的各种设施，一边驾驶着汽车，一边欣赏着音乐电视，还可上网预定饭桌、机票等。

智能汽车的人车互动技术，最终极的表现，就是实现“无人驾驶”。我们都知道，在好莱坞科幻电影中，有不少未来汽车的电影镜头，比如《第五元素》、《机械公敌》、《星球大战》等，电影中的车辆不仅速度超群，而且可让驾驶人员自由选择自动驾驶还是手动驾驶，车辆可以在车载电脑的控制下自由穿梭，并按照指令选择路线，通过特殊轨道自动行驶到目的地。整个行车过程，完全智能化，

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驾驶员甚至可以在车内像坐在办公室里一样处理事务。这样的场景，在20年前或许是无法想象的。但如今，通过新科技打造，当年看似乌托邦式的梦想，都不再是梦。未来智能汽车的雏形，已经悄然开始出现在我们身边。比如：无人驾驶的汽车，现在就已经有了现实的版本。去年，谷歌公司推出的目前世界上最先进的汽车无人驾驶技术。目前，这项技术谷歌已经获得了相关技术专利。

未来的汽车是无人驾驶的，它的司机是一台超级电脑。可以自动调节车里的每一个系统。

如果你想去玩，就按一下开车的按扭，再输入你想去的地方，就可以了。它的速度很惊人，每秒可达到四公里之多。

如果你想飞向蓝天，没问题，就按一下飞行的按扭，就行了。可以让你看一看自然风光，到世界各地去陆游。

如果你想下海，也没有问题，只要按一下下海按扭，立刻就下海。人们可以看到在海底看动物、珊瑚，让人们进一步了解大海。汽车就是潜得底下，也不会因水压而影响。

未来汽车的科技化体现在车中的一个微型电脑，这台微型电脑有一种特殊的功能—— “心情调色盒”，它可以根据车主的心情来改变车子的颜色。如果车主的心情很低落，车子就会变成鲜艳的红色；如果车主刚下班，很疲劳，车子就会变成清新、舒畅的绿色，使车主感觉自己仿佛置身于美丽的大草原上……

未来的汽车的科技化还体现在它是全自动的。如果你要到任何一个地方，只要说清详细地点，车子就会自动向目标开去，并且是水陆空三用的。车上的雷达可以探测出路线上的障碍物，以免发生碰撞。

未来的汽车的环保化体现在车子不用汽油，也不用柴油，只需一滴水，这可不是一般的水，这水里含有能源，而且用之不尽。你只需把这一滴水加入能源瓶里，车子就能像普通的汽车一样跑起来了。这种车子也不会发生爆炸，因为车子的能源只是一滴能源水，这样就不会发生因爆炸而死人或污染环境的事了。 未来的汽车里装有电视电话和电脑以及雷达装置五百米以内的交通信息随时提供给电脑, 让电脑选择最佳的行车的路线; 那时的汽车都装有自动驾驶系统,

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人们可以一边开车, 一边用电话来办公, 无聊的时候可以打开电视看自己喜欢的电视剧, 还可以闭上眼睛睡大觉。

那时的汽车根本就不用燃料, 不会排出废气, 也不会发出噪音, 对环境更不会造成污染。而是靠吸收废气来行驶的, 在把吸收的废气转化成新鲜空气, 它吸收得越多, 也就驾驶得速度就会越快。

5 结束语

自20世纪70年代以来，汽车工业的飞速发展都是在电子技术的推动下实现的；汽车领域的技术革新，有70%来自于电子技术的进步。可见，它在未来汽车工业中所起到的作用是不可替代的。电子技术还在不断发展, 更多的汽车电子控制系统也在不断出现, 汽车的使用性能也得到了明显改善，安全性、舒适性、环保性、经济性、动力性及自动化程度等性能都在逐步提高，汽车正在逐步实现对各部位的精密的自动控制。汽车电子技术已从单个部件电子化发展到总体的电子化、网络化、智能化。电子技术的发展为实现汽车的自动化、汽车的自动驾驶打下了坚实的基础。科技发展，日新月异，从最原始的机械载人工具，发展到现在的具有少量人性化服务功能的机器，也不过短短几十年。我们有理由相信在不久的将来，具有自动控制能力、能（协助）安全驾驶的智能汽车即将诞生。

参考文献

1. 现代汽车控制及其智能化[M]. 西安交通大学出版社:陈丁跃, 2011.

2. 汽车智能化技术原理[M]. 上海交通大学出版社:张秀彬 应俊豪, 2011.

3. 汽车智能化检测设备及应用[M]. 人民交通出版社:于建淑, 2004.

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4. 模拟集成电路基础(第3版)[M]. 中国铁道出版社:路勇, 2010.

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