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——主动安全TCS 和 ESP介绍 防抱死制动（ABS）系统可以极大地提升车辆紧急制动的安全性，尤其在复杂路况行驶时，那么还有其他的主动安全措施吗？它们又是如何起作用的呢？这 里再给读者朋友介绍另两个被广泛应用的主动安全技术——牵引力控制系统（Traction Control System）和电子稳定程序（Electronic Stability Program）。
车辆的起步或加速和制动一样，驱动力的传递取决于轮胎和路面间的滑转率；附着系数—滑转率的物理关系变化曲线，原则上同时适用于驱动和制动。多数情 况下，加速和制动都发生在小滑转率，即曲线的稳态区，这时滑转率的增加意味着附着力的增加。但当滑转率持续增大，越过了附着系数的最大值，这时车辆就进入 了所谓的不稳定区（也即曲线的不稳定范围），滑转率的增大反而会导致附着系数变小，附着力快速下降； 这时的加速会导致驱动轮转速随着驱动力矩快速增加，而向前的牵引力并未相应增加，于是车辆开始打滑并失去控制。 车辆在什么情况下会出现打滑呢？譬如在冰雪路面加速、冬季停车场结冰、不均匀路面（一边有雪，一边干燥而导致）附着系数不同、转弯处的加速、上坡起 动、在有很多沙砾的路面上加速、越野行驶加速等等。在这些情况下，轮胎和路面的附着系数—滑转率曲线的稳定区要远小于干燥平直的路面，驾驶员轻微的加速意 图就可能导致驱动转矩快速超过附着力，从而产生险情。 为防止车辆在加速或起动时车轮打滑，牵引力控制系统要能够提升牵引力并维持车辆稳定。那么要如何做到呢？根据具体情况，从两方面入手。第一个手段是 制动干预，即把与行驶状况匹配的制动压力施加到即将打滑的车轮，从而和未打滑的车轮产生了“差速”，驱动力矩得以转化为相应的牵引力，该机制通常被称为电 子差速器锁。商用车（卡车、带拖挂的货车）往往采用压缩空气制动系统，其制动干预的具体执行机构 （电磁阀、压缩空气回路、气罐、阀门、制动气缸等）和乘用车有所不同 （乘用车通常配备扩展的ABS液压单元、各种阀门、主制动缸和车轮制动缸、泵等等）。第二种手段是所谓的引擎干预，也称作驱动力矩控制或发动机力矩控制。 当两个驱动轮都要出现打滑时，引擎管理系统收到来自TCS的要求，控制燃油喷射脉宽、延迟点火时间、调节甚至关闭电子节流装置，以减少发动机输出的转矩。 那么电子稳定程序ESP到底是什么意思、又能实现哪些主动安全功能呢？ESP其实是对其中一种实现驾驶动态控制的具体技术路线或手段的命名，不同的汽车零部件供应商会有不同的名称，可以理解为驾驶动态控制系统的别称。
相信大家对如下观点不会有什么疑义——道路事故的一大原因来自人（驾驶员）自身的错误。即使在正常的驾驶条件下，车辆和司机也可以达到其物理操控的 极限状态。不妨想象一下，当你正开得惬意时，前方突然出现一个急弯、路面惊现一个大坑或障碍物，你会不会猝不及防，急踩刹车或狂打方向紧急避让？如果车辆 速度不低，施加在车身上的侧向加速力会让你立即感受到对车辆操控的物理极限，当轮胎的摩擦系数达到极限，车辆的行为举止会突然违反你以往的驾驶经验。你正 失去对车辆的控制，惊慌失措、恐惧下的本能反应通常只会令你的爱车更加不稳定，结果是车辆实际的纵向运动方向和车辆的纵轴形成的角度（称为浮角?）会越来 越大，当浮角超过8°时，就算你往反方向打方向盘，一切都已太晚。接下来的场景无需多说，读者可自行想象。当然这是指车辆没有配备ESP系统时可能会出现 的情况。 如果配备了ESP又会如何？ 举个例子，面对突然出现的左转急弯，甚至有积水或积雪时，除了之前提到的防抱死刹车控制能够帮你在急刹时提高对车辆的控制，防侧滑控制系统可以进一步有效 地帮助你度过难关。当传感器察觉施加到车身的侧向力不断增大，到达一定的限值，ESP系统会主动对右前轮进行制动干预，车辆得以维持稳定。之后你因惊慌而 过度往相反方向操控车辆，殊不知矫枉过正，车辆再次进入不稳定状态，这时ESP会对左前轮施加主动的刹车干预，你最终安全如愿地通过急弯，虽然你并不太清 楚那其实没有你自己什么功劳。 ESP集成了ABS和TCS的全部功能，同时提供了远超前两个系统加在一起的安全控制能力。ESP利用现成的ABS和TCS上的部件，以高动态响应 的方式对单个车轮施加积极的制动。只要在物理极限内，可以确保车辆的车尾不会甩出（转向过度），或者车头不会冲出道路（转向不足），而是有效地遵循司机的 方向控制意图。 那么ESP是如何工作的呢？首先要判断司机的驾驶意图，这通过综合方向盘的位置、车轮速度、油门位置以及制动压力等得出；其次还要了解车辆的状态， 集成的ECU利用横摆角速度和侧向力（加速度）来求解；接下来就是帮忙了，ECU计算出保证安全的最佳控制量，液压模块根据指令分别快速地对车轮制动，或 者ESP通过发动机管理系统命令发动机减少扭矩输出。情况危急时，ESP利用车辆的制动系和传动系精确地影响车辆的轴向和侧向运动。当控制重点是保证操控 时，它调整支配制动系的有限顺序，以达到减速直至停车的目的；当控制重点是保证车辆稳定时，也可通过调整发动机扭矩输出而加速驱动轮的方式提供有效支持。 汽车横向动力学阐述了车辆的转向特性，即轮胎侧偏角与车辆横向加速度或轮胎侧向力的相互关系。以上两种机制就是基于此原理实施的伺服控制，令车辆尽 可能按照驾驶员转向意图所确定的轨道行驶。譬如转向不足时，制动弯道内侧的后轮；或在转向过度时，制动弯道外侧的前轮。下图左为转向不足的示意，横摆角速 度太小，车头滑出弯道，制动弯道内侧的后轮以改善此种情形。下图右为转向过度，横摆角速度过大，导致车辆打转，可以通过制动弯道外侧前轮使车辆回到稳定状 态。
ESP系统控制车辆的物理驱动极限状态，就要设法将汽车在道路平面上的三个自由度，即纵向线速度、侧向速度和绕竖直轴线的横摆速度，都维持在可控范围。大致的系统结构如图三所示。
首先准确地判断驾驶员的意图，结合道路参数设定，通过一系列优化将其转换为恰当的车辆动态响应，以确保在物理极限状态的最大安全。充当耳目侦查汽车 性能和状态的，就是各种各样的传感器。转向盘传感器获取驾驶员的转向输入，制动压力传感器报告期望的减速度输入，轮速传感器、横向加速度传感器、横摆速度 传感器和制动压力传感器一起，可以掌握轮胎和路面间的附着系数；加上从发动机管理系统得到期望的驱动力矩，系统就可以计算出能够逼近设定状态参数所需的横 摆力矩。通过下一级的制动控制器和驱动滑转控制器，命令执行机构制动液压单元以及发动机管理系统的脉宽调制或点火延时，最终根据车辆实际行驶状态改变了设 定的滑转率。控制系统对车辆的动态响应取决于被控系统千差万别的工作模式，整个控制是非线性的。汽车传动系（发动机、变速器、万向轴和驱动轮）对万向轴速 度的影响，因其巨大的惯性而表现为低动态响应。与之相反，各车轮的速度差异几乎只由车轮间的小惯性力矩决定，而且不直接受发动机影响，因此动态响应的时间 量很小。所以，可以将传动系分成两个单独的控制子系统，采用非线性的PID（比例、积分和微分）控制，万向轴速度控制可通过发动机干预和制动干预实现，车 轮差速控制由制动干预实现。 具体的PID控制实现，每个子系统的控制细节，以及依据相关动力学计算横摆速度、滑转率、合适的控制力矩、应当施加在哪个车轮上的各个公式，前驱、后驱和全驱的不同考虑，就不在这篇短文中一一介绍了。 1.轮速传感器， 2.制动压力传感器（可集成在液压单元内）， 3.转向轮角度传感器，4.集成了侧向加速度传感的横摆传感器，5.配有电控单元的ESP液压模块，6.车轮制动器，7.发动机电控单元 符号（图三中使用的变量）解释如下，但请注意ESP系统实际要用到的参数要远多于此。 δ：方向盘转角 νx：汽车的纵向速度 αy：汽车的侧向加速度 Mbrake：制动力矩 Tire forces：轮胎受力（侧向、法向、合力） λ：轮胎滑转率 α：轮胎侧偏角 β：浮角 μ：摩擦系数 ψ：横摆角速度 ψNom：标称横摆角速度 βNom：标定浮角 λiNom：车轮i的轮胎滑转率设定值 MiBrNom：车轮i的标称制动力矩 ΔMRedNom：发动机扭矩减少设定值的变化量 ΔλiNom：车轮i的轮胎滑转率设定值的变化量 ΔλDifToNom：允许的驱动轴滑转率差分设定值的变化量 利用ESP的核心部件和功能，可以轻易扩展出附加的增值功能，不仅体现在安全方面，也包括更好的驾驶舒适度和操纵的敏捷性，譬如山坡控制，液压（和气动）制动辅助，针对拖挂车、货车的重量和中心变化的适应控制以降低滚翻和拖挂摇摆的风险，胎压监控等等。 当下对汽车技术的发展越来越集中在以下方面：第一是更加重视环境保护，广泛运用节能减排技术，譬如更先进的燃油喷射系统、柴油系统、涡轮增压、自动 起停、混合动力以及电动汽车等等。第二是更加舒适，譬如车内环境控制、防夹电动门窗和天窗、电动座椅等。第三是更加轻便、更加智能，网络无处不在。第四是 更加安全，各种驾驶员辅助系统，譬如自动泊车、自适应巡航、车辆导航、夜视系统、基于影像的驾驶辅助，乃至无人驾驶，都会得到越来越广泛的应用，不断从高 端车型向中低端延伸。 但是，我们仍然不应忘记，欧美进行的无数研究证实，ABS、TCS和ESP技术的发明和应用，极大地降低了侧滑、翻转的发生，和由此导致的致命事 故，为千百万司机的安全提供了更好的保障，。这已被在欧美进行的无数研究所证实。在北美，ESP配置已于2011年9月成为强制标准；在欧盟，从2011 年11月起，所有新上市的乘用车和轻型商用车都必须配备驾驶动态控制系统，其他车型，最迟在2014年底也必须如此。 ） |
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图一：ABS、TCS和ESP的适用范围和区别。(来源：网络)
图二：转向不足（左）和转向过度（右）。（来源：网络）
图三：ESP控制系统概览。(来源：网络)
