硬！ABS/ESP真的救命吗？底特律华人汽车工程师CC这么说 | 酷乐专栏
Author / 不会开车的CC
今天我们分享一篇来自底特律的汽车工程师CC关于ABS，ESP等车辆辅助系统介绍的文章，这是CC同学的第二篇文章，大家应该还记得不久之前酷乐刊登了CC同学的文章，关于参加SpecMiata赛事的收获与感想。
前一段关于安全带提示灯的段子红遍了所有网络平台，掀起了一波吐槽女司机的热潮。我也常常收到朋友的求助，仪表盘上常常蹦出闹心的各种提示，比较常见的就是ABS，ESP的提示，往往跟随了一串问题。
作为一个在ABS/ESP算法开发组工作了7年多的汽车工程师，这次借着酷乐汽车的平台，分享一些心得体会，希望对车友们的行车安全有所帮助。
ABS 全称是Anti-lock BrakeSystem, 刹车防抱死系统，顾名思义就是防止车轮在刹车时抱死不转的系统。
为什么要有ABS
最大的好处就是保证车辆有最短刹车距离的同时还能保持转向性。
倘若没有ABS，大力刹车时很容易让车轮抱死不转。这个时候，无论你怎么打方向，车子都只会往直走不拐弯的，听起来很邪乎，但确实是这样。
我第一次测试关闭ABS之后的车子时真的吓了一跳，拼命往一侧打方向，但车子尽直直得往前走。
如果在实际驾驶中，前车突然急减速，你一脚狠狠地踩死，而且车子又没有ABS，肯定追尾，无论你怎么打方向盘，当然保持安全距离非常重要。
ABS在什么时候作用
急刹车时，或者在冰雪路面稍微重踩重刹车，你能感觉到刹车踏板上下振动，还有“柯哩柯哩”的声音从仪表盘前面传来。这就是ABS在起作用了！
为什么会有这个声音呢？
简单点说是因为ABS泵，不停地把刹车管路里的刹车液推回刹车主缸里，而脚踩的刹车踏板可以说是直接连着主缸，所以能感受到上下振动。而柯哩的声音包括了ABS阀体里面各种阀门的开关，刹车液流过阀门的声音，和ABS马达（泵）运转的声音。
在冰雪路面上听的尤其明显，而且会有各种不同频率的声音，但柏油路上的ABS声音不会那么明显，很多时候会被轮胎的摩擦声覆盖了，这些都是这种传统刹车系统的结构所决定的。
感受到这些说明ABS在起作用，在帮助你有效地利用轮胎和地面附着力，保证最短刹车距离和转向避开障碍的能力。以后有机会的话可以具体说说各个阀是怎么协调工作达到这些目的的。
下面这张图是在我的日产350Z的手册里找到的刹车系统的结构图和绝大部分车的结构都差不多。
遇到ABS起作用的时候应该怎么办
这个时候一定不能把脚收回来。
该刹车的时候就刹车，电子系统是辅助你刹车的，不能替你刹车（自动刹车系统除外，这个可以以后再聊）。
有些新手可能在第一次踩出ABS时吓一跳，以为有什么东西坏了，就下意识的不敢往下踩，这样其实更危险。这样的振动和声音只是说明ABS在作用，不用担心。
ABS的另一个大优势就是，在左右车轮与路面摩擦系数不一样的时候保证刹车时车子不会跑偏太多或者旋转掉头。
记得第一次去试车场，把ABS关掉，然后在左边柏油，右边冰面的地方（split mu surface）刹车，车子瞬间就转了好几圈，没有一点点防备。这个可以从简单的力学角度分析，在没有ABS的情况下，冰面那侧车轮瞬间抱死，失去横向力，而纵向制动力也很小。
而另一侧柏油路上的抓地力很好，踩下刹车时可以提供很大的纵向制动力。
而左右侧车轮的纵向刹车力差值极大，瞬间给车子一个巨大的扭矩，唯一的结局就是旋转掉头（spin)）。而如果有了ABS，冰面一侧车轮不会抱死，可以提供侧向力和一部分的纵向力。
更重要的是，另一侧车轮刹车力也会被限制在一个不会使车子旋转掉头的范围里保证车辆安全。
试车场上专门用来测试Split mu的区域
ABS这个发明最初是在飞机上应用的,到现在已经有快100年了，而真正应用到汽车上大概是在上世纪70年代。
美国的三大汽车公司，福特通用克莱斯勒那时都开始尝试了早期的类似ABS的系统。
而第一款量产的用到了四通道ABS的是1978年的梅赛德斯奔驰的轿车W116上，是德国供应商博世公司的产品。
在欧洲，2004年以后的所有乘用车必须配有ABS，美国也在那之后把ABS作为很多车的标配。 而现代的摩托车上都配有ABS。
关于ESP系统
相对于ABS系统，ESP系统的历史就短了很多，而这才是真正比较有意思的系统。
自动驾驶技术在当代最为流行，但作为喜欢开车的朋友，自动驾驶只会让开车变得无聊。而ESP系统绝对是让开车越来越有趣的系统之一。
不同的车厂对于这个系统的命名都不一样。
大众奥迪叫做ESP（Electronic Stability Program），宝马叫做DSC（Dynamic Stability Control），丰田叫做VSC（Vehicle Stability Control）......
其实这些都是类似的系统，直译过来就是电子车身稳定系统。
简而言之，就是通过控制刹车和发动机动力，保证车子在可控范围内，不会发生侧翻，偏离指定驾驶方向，失控等情况。
最典型的一个ESP作用的情况就是紧急变道（Lane Change）。
倘若正常行驶时前方车辆突然有东西掉落，你的第一反应必然是急打方向，绕开障碍物，再回到自己之前的车道上。
对于没有装备ESP系统的车辆来说，第一把方向多数都能避开障碍，但第二把方向，想再回到之前车道上时，很有可能使车子产生很大的横摆，超过轮胎极限而失控。
而对于有ESP系统的车子来说，当系统检测到快要失控时，会在某一个或几个车轮上主动施加刹车力，既保证车辆可以绕开障碍物，也保证在可控范围内，不失控。
具体的控制算法不能说太细，但也都是一些基本的力学计算加上控制理论，以后有机会可以稍微聊聊有关控制的东西。
ESP工作的时候ESP灯通常都会闪，提醒驾驶者系统在作用，车辆在极限附近，需要驾驶员适当减速或不要太过激烈地驾驶。
ESP系统和其他控制系统的流程差不多，无非就是输入，处理，输出三个步骤。
一般的ESP输入信号包括
轮速（wheel speed）
横摆角速度（yaw rate）
横向加速度（lateral acceleration）
纵向加速度（longitudinal acceleration）
方向盘转角（steering wheel angle）
处理就是通过这些输入值和车辆的基本参数算出如果要稳定住车身，需要在哪个车轮施加多少制动压力（wheel pressure）。输出就是通过运行ABS泵和一些阀门的开关把压力输出到指定的车轮上.。
个人觉得ABS/ESP系统是车上所有系统中是最重要的之一。
它作为一个主动安全的系统，对车辆和驾乘者的安全直接相关，车辆在失控前唯一依赖的系统只有ESP（自动驾驶车除外）。发动机控制，变速箱控制，转向（非主动），悬架系统都不能让车辆从临界失控的情况下救回来。
一方面，ESP肯定不能百分之百的保证车辆自身的安全，ESP再怎么作用，最终都是依靠轮胎和地面之间的摩擦力。物理极限是无法逾越的。
所以无论ESP或其他安全系统有多先进，我个人觉得驾驶者自己一定要有非常强的安全意识，保持安全车速和安全距离。
另一方面，参加一些驾驶培训，对于紧急情况的处理也会更加沉着淡定。
从硬件的角度说，传统刹车系统大致分成两大类：纯ABS和ABS/ESP结合两种。
主要区别就是后者可以主动产生制动压力。这个可以大大地提高车辆的功能性和安全性，但成本相对较高。
前者只具备刹车时防止轮胎抱死的能力，保证车辆最基本的安全性。而后者在前者的硬件系统基础上添加了几个阀，改进了泵，使得ESP的功能得以实现。
另一方面它可以满足其他系统对于制动的需求，比如越来越普及的自适应定速巡航（Adaptive Cruise Control），可以让车辆跟着前车，保持车距，甚至刹车到停下来。
再就是自动紧急制动（AEB，Automatic Emergency Brake）。
在遇到非常紧急的情况时，AEB检测到快要撞车时给刹车模块（brake control module）发制动信号，最高可以达到1G的减速度（地面摩擦力允许的情况下），相当于你一脚把刹车踩死的感觉。
而这个最大减速度取决于ESP泵的能力。
ESP系统本身还有一大功能就是牵引力控制系统（Traction Control，TC）。
很多人会以为牵引力控制是发动机控制系统的一部分，因为牵引力指的就是发动机发出来的动力，其实不然。
发动机自己本身很难感知到自己的扭矩输出是不是过大，而对这个有直接感觉的就是ESP系统，因为发动机扭矩过大的最直接表现就是轮胎打滑，ESP检测到轮速过快时，会立即进行控制。
一般有两类控制。
第一类是给发动机发送减小输出扭矩的信号，从根源处降低打滑的可能性。第二类就是ESP自己主动产生制动压力，使打滑的车轮车速降低，恢复抓地力。
现在很多跑车都有弹射起步（launch control）这个功能， 其实牵引力控制系统是弹射起步的很重要的一部分。
大马力跑车在起步时扭矩很大，如果没有TC，必然打滑。TC实时的检测轮速，并保证驱动车轮的轮胎的滑移率在最佳值上，从而保证起步时得到的抓地力最大，加速度最大。
关于轮胎滑移率
在ABS/ESP/TC控制的世界里，最最基本的参数就是轮胎滑移率。
单一的绝对车速对于我们的控制来说根本没用。同一个车速很可能在高附着系统路面上就是正常的，而在低附着系数路面上就是打滑了。
滑移率在某百科上的定义是“在车轮运动中滑动成分所占的比例”。
想象两种极端情况：
在冰面上骑车，猛的一踩，后轮会直接原地打滑，车子不往前走
两手捏死刹车，在水泥地上把车往前拖走，车子也很难往前
前者的滑移率为100%，全打滑。后者滑移率为0%，完全抱死。而可以使车轮往前走的时候的滑移率必然在这两者中间。
这是轮胎的物理特性决定的。
而一般情况下，20%左右的滑移率时轮胎的附着系数最大，这和轮胎类型，路面情况等都有很直接的关系，所以ABS，TC的基本控制目标就是保证车轮在刹车或加速时始终在某个最佳滑移率附近。
再说说和驾乘者相关的话题吧。
ABS/ESP的故障灯
如果这些灯亮了就是代表ABS或ESP出问题了。
出问题的原因有很多很多种，最常见的就是传感器故障，包括轮速传感器，加速度传感器等等。还有可能是其他硬件故障，比如电路板短路了。
也有可能是软件出错，在不该亮灯的时候亮灯，这种可能性比较低，但也还是有的，毕竟软件不可能百分百正确，关键看出的是什么错，影响安全的软件错误是绝对不该有的。
而且路上的交通道路状况复杂，车厂在做测试时也不可能完全测试到。
比如几年前有一个客户买了一辆新的SUV，结果刚开回家，ESP灯就亮了。第二天回到4s店，读故障码是个加速度传感器报错了。换了零件，消除故障码后，以为ok了，然后刚开回家ESP灯又亮了。在4S店反复弄了好几次，都不能彻底解决问题，最后只能把车子退掉，买了其他车。
后来我们分析数据发现，只是因为那条路的路况非常特殊。如果在那条路上开那辆车，车子采集到的信号特征和某种传感器出错的信号很类似，所以系统报错。但在其他地方都没有再发生过。
一旦ABS/ESP报警灯亮了，可以先找个安全的地方停一下，熄火，过几秒钟重新点火。有些故障通过重新点火是可以自己消除的，就不会再亮了。
有些故障灯也有可能在二次点火后，还是亮着的，但开车开一会儿，系统自己检测出故障消除了，灯也就自己灭掉了。
如果最后还是一直亮着，就只能去4s店或者修车厂了。
因为这些灯亮着的时候，ABS/ESP系统通常是不会正常工作的。遇到紧急情况的时候，还是比较危险的。
有些车友也可以用读故障码的设备试试，是什么故障码，然后再自己对症下药。车子的用户手册里面一般也都会有如果出现哪些故障灯应该怎么办，我觉得读一读手册还是有用的。
现在车子的功能越来越多，手册里有比较详细的说明。如果不学着用一用，也是比较浪费的。
再说说ESP和运动模式
一些高性能车或跑车都会有运动模式，启动运动模式后会觉得车子顿时提速变快，发动机声音更大。
运动模式确实会让发动机和变速箱进入不同的调教模式，同时ESP也会发现很大变化，这在赛道上尤其明显。
如果用正常模式开赛道，在一些弯道处会明显感觉到车子有顿挫，在出弯时感觉油门没反应，动力不输出，这些都是ESP的作用。
ESP的设计初衷是为了安全，在赛道上车子的动态表现明显不同于平时的驾驶状况，一些超过正常值的侧向加速度（lateral acceleration）和横摆加速度（yaw rate）会让ESP认为车子有失控的危险，进而介入控制，施加刹车力。
而出弯时，轮胎的滑移率也会高于一般，ESP判断轮子开始打滑，进而发信号给发动机限制发动机输出。所以用正常模式在赛道上开会很不舒服。如果切换到运动模式，ESP会允许车子更多的不稳定性，更迟的介入控制，而允许驾驶员更多的控制。
一个调教得比较出色的ESP系统会在运动/赛道模式上尽量少的介入，几乎只在车子真的快要失控的时候才介入。当然也会有一些功能会让车子在赛道上开起来更得心应手，ESP的介入反而可以增加赛道的乐趣，提高圈速。
比如基于制动的扭矩分配系统，这个功能在一些高端车上是选配，它就是通过ESP在弯道时控制刹车力分配输出扭矩，减小车子的转向不足，提高转向过度特性。
还有一些车子的ESP是可以完全关掉的，下次可以详细聊聊这个。
赛车里的ABS/ESP
说到运动/赛道模式自然也要提一下赛车里的ABS/ESP了。
说实话对于这部分我个人并没有深入的了解过。众所周知的是现在的F1赛车是不允许刹车电子辅助系统的，F1的规则里说任何防止车轮抱死的系统都是禁止的，也不允许轮上制动压力大于赛车手踩出的压力，这两条就说明了ABS和ESP是不被允许的。
很多赛车运动都有这样的规定，因为车手对刹车的控制也是赛车场上衡量赛车手好坏的重要指标之一。
也有一些赛事是允许ABS的，比如美国IMSA（International Motor Sports Association）组织的GT4的赛事就是可以使用ABS的。
在福特官网也是可以买到直接比赛的FP350S野马赛车，可调ABS，价格当然也是不低，11万多美元。工程师们会针对赛道情况对ABS的设定进行调教。
野马GT4赛车
野马FP350S Spec赛车
今天先说这么多，下次继续聊聊有关ABS/ESP的事，大概会说说曾经闹的沸沸扬扬的大切诺基麋鹿测试（亲测），下一代线控制动技术，ESP和其他一些系统的协调配合，有关ESP职位的要求，基本条件，工作内容，估计对于想找这方面工作的车友有点帮助，国内和美国的都有。
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