曹立波 唐明福 蔣彬輝 白中浩 陳 緩 丁海建

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室,長沙,410082 2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司,上海,201408

0 引言

隨著汽車安全性研究的深入,國內(nèi)外研究者相繼提出了主被動結(jié)合(active passive integration approach,APIA)的汽車安全設(shè)計新理念,旨在將主動安全技術(shù)與被動安全技術(shù)有效結(jié)合起來,提高汽車的碰撞安全性。主被動結(jié)合的汽車安全技術(shù)已成為發(fā)展趨勢[1-2]。計算機仿真研究表明,若合理運用主被動結(jié)合的汽車碰撞緩沖吸能裝置,乘員損傷參數(shù)可降低20%～60%,且能有效降低車輛的受損程度[3]。目前,國內(nèi)外已相繼開展了APIA的研究,美國通用汽車公司、湖南大學(xué)、長沙理工大學(xué)等單位進(jìn)行了一些實際性的探討[3-5]。APIA的技術(shù)核心在于如何運用傳感技術(shù)準(zhǔn)確地識別“人-車-路”環(huán)境參數(shù),并選用合理的算法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理以判別“人-車-路”環(huán)境的危險程度,從而有效地預(yù)測事故,以便及時控制相關(guān)被動安全裝置達(dá)到預(yù)定狀態(tài)。本文的研究重點就在于APIA的技術(shù)核心——事故預(yù)測技術(shù)。

目前,在一些高檔車型上已經(jīng)采用的如智能巡航系統(tǒng)、防瞌睡系統(tǒng)等,大多采用雷達(dá)或激光測速、視頻圖像識別等技術(shù)。這些裝置雖然已得到一些成功應(yīng)用,但普遍存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高的缺點,且無法在諸如行人、車輛突然穿越馬路或車輛突然變更車道這類突發(fā)交通狀況下發(fā)揮良好的作用。事故分析表明,在大多數(shù)交通事故中,駕駛員能夠察覺事故即將發(fā)生,并采取了緊急制動等相應(yīng)措施[6]。但往往有時由于采取措施時為時已晚,事故仍會造成嚴(yán)重?fù)p失。因此,本文研制了一種以駕駛員在事故發(fā)生前所采取的緊急制動行為為判別依據(jù)的事故判斷系統(tǒng)。試驗表明,該系統(tǒng)能有效識別駕駛員的緊急制動行為,且能在車輛緊急制動后短時間內(nèi)向預(yù)先安裝于汽車前縱梁內(nèi)部的附加碰撞緩沖吸能裝置發(fā)出指令,使其主動拓展到車體外部,以增大緩沖吸能空間,有效降低碰撞事故的嚴(yán)重程度。該系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)且可靠。

1 某車型典型工況加速度信號分析

本文通過實車試驗得到了某車型在40 km/h、50km/h、60km/h時緊急制動、正常制動、點剎和通過路障等4種工況下的加速度信號。試驗條件為干燥瀝青水泥路面,路障高度為30mm。50km/h各工況加速度信號如圖1所示(g為重力加速度)。40 km/h和 60km/h加速度信號與50km/h時的曲線類似[6]。

圖1 50km/h各工況加速度曲線

本文從加速度峰值大小、信號持續(xù)時間長短、曲線走勢及加速度信號積分曲線特點等幾個方面對圖1所示的加速度信號進(jìn)行了比較,見表1。

表1 加速度峰值、信號持續(xù)時間及曲線走勢的比較(速度為50km/h)

從表1可以看出,緊急制動時,車輛加速度峰值在-0.7g左右,幅值明顯比其他工況大,加速度信號在緊急制動后短時間內(nèi)急劇攀升,且峰值持續(xù)時間長,有明顯的“窗寬”出現(xiàn)。正常制動時,加速度峰值大小為0.4g左右,制動時間比緊急制動時間長得多,且加速度信號較為平緩。點剎時,加速度峰值大小在0.2g左右,加速度信號表現(xiàn)為明顯的波浪形曲線。通過路障時,加速度峰值大小在0.3g左右,加速度信號在短時間內(nèi)表現(xiàn)為明顯的起伏震蕩。在不同的速度下,相同工況的加速度曲線波形基本一致。因此,與其他工況加速度信號相比,緊急制動工況下的加速度信號最為顯著的特點是：加速度值攀升急劇、峰值大、峰值持續(xù)時間長、有明顯的窗寬出現(xiàn)。對所得的加速度信號進(jìn)行積分,其各自的積分曲線有明顯的區(qū)別,如圖2所示。

圖2 50km/h各工況加速度積分曲線

從圖2中可以看出,緊急制動時的加速度積分曲線的斜率遠(yuǎn)大于其他3種工況。因此,在采取緊急制動后的極短時間內(nèi),其加速度積分值就會與其他工況有明顯的差別,這種情況在其他車速時也同樣存在[6]。

由此可見,設(shè)置一定的窗寬,對加速度信號在窗寬范圍內(nèi)進(jìn)行積分,只要窗寬和閾值選擇得當(dāng),就能夠區(qū)分緊急制動工況和其他工況,并且具有良好的區(qū)分干擾工況的能力。

2 系統(tǒng)判別算法

2.1 算法選擇

本文選用移動窗積分算法作為控制系統(tǒng)的核心算法。即以某一恰當(dāng)?shù)臅r間長度w作為窗寬,對窗內(nèi)的加速度信號進(jìn)行實時積分,以積分結(jié)果作為判斷依據(jù)[7]。其計算公式為

式中,a(t)為加速度信號;t為積分當(dāng)前時刻;w為窗寬。

這種算法可以通過合理地選擇積分窗寬來區(qū)分汽車不同的行駛工況,抗干擾能力強,且較容易實現(xiàn),是一種經(jīng)濟(jì)有效的算法。只要窗寬和閾值選擇得當(dāng),就能夠達(dá)到預(yù)期效果。

本文采用Newton-Cotes求積公式實現(xiàn)對加速度信號的積分。由于低階的New ton-Cotes求積公式精度不夠高,本文采用它的復(fù)化梯形形式進(jìn)行計算。即先將積分區(qū)間[t-w,t]分成n個等長的小區(qū)間[ti-1,ti](i=1,2,…,n),區(qū)間長度h=w/n,在每個小區(qū)間上應(yīng)用梯形求積公式,然后相加便得到期望的復(fù)化梯形求積值[8]。計算公式如下：

該算法在具體實現(xiàn)時,可用兩個數(shù)組a[0]～a[n]和s[0]～s[n]分別存儲加速度值和小梯形的面積,則當(dāng)前積分值(圖3)為

圖3 積分窗示意圖

當(dāng)積分窗向后移動一個單位后(圖4),控制系統(tǒng)讀入一個加速度值a[n+1],并用a[n+1]將a[0]替換掉,用s[n+1]將s[0]替換掉。則窗體移動后的積分值為

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，民眾環(huán)保意識得到了顯著提升，在享受物質(zhì)生活的同時，也更加關(guān)注環(huán)境保護(hù)問題，我國科技人員對農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)加大研究力度，其中以人工濕地技術(shù)與一級生物處理相結(jié)合的方法為目前的主流技術(shù)。

圖4 移動窗積分示意圖

觀察式(5)和式(4)發(fā)現(xiàn),兩者在求累加和時,中間一段總是相同的(圖4)。因此,可將式(5)改寫為

其中,s u代表新移入窗體內(nèi)的面積(圖4中斜線陰影部分),s v代表新移出窗體的面積(圖4中橫線陰影部分)。s[n](t,w)以此類推。這樣就既能節(jié)約單片機的數(shù)據(jù)存儲空間,又能避免做重復(fù)的移位和累加運算,可大幅度提高系統(tǒng)運算速度,具有明顯的速度優(yōu)勢。

2.2 算法參數(shù)的確定

在本系統(tǒng)中,移動窗積分算法中的窗寬和閾值必須同時滿足如下條件：

(1)窗寬應(yīng)盡量小,以便使系統(tǒng)能在最短的時間內(nèi)識別出駕駛員的緊急制動行為。經(jīng)試計算,速度為100km/h的汽車在1s內(nèi)要行駛27.7m,所以積分窗寬應(yīng)小于1s為宜。

(2)對于積分窗寬的設(shè)置,必須使得在設(shè)定的窗寬范圍內(nèi),緊急制動時的加速度信號積分值大于積分窗體在時間軸上“移動”時,其他所有工況在該窗寬內(nèi)的最大積分值。

(3)閾值應(yīng)取不同速度下所得的緊急制動加速度積分值的最小值,以保證系統(tǒng)能識別不同速度下的緊急制動行為。同時,閾值必須大于在所設(shè)定的窗寬范圍內(nèi)其他所有工況加速度積分值的最大值,以保證窗體在時間軸上“移動”時系統(tǒng)不會誤觸發(fā)。

經(jīng)分析,積分窗寬取250ms,積分閾值取1,Newton-Cotes求積公式中的積分區(qū)間長度h取10ms。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖5 系統(tǒng)硬件方案圖

以STC89C58RD+單片機為核心,利用Analog公司生產(chǎn)的高性能加速度傳感器ADXL103采集車輛的制動加速度信號,通過信號調(diào)理后,再利用MAX197進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并最終送入單片機進(jìn)行分析運算。一旦分析結(jié)果超過程序設(shè)定的危險值則認(rèn)定事故將要發(fā)生,系統(tǒng)即刻輸出觸發(fā)信號讓執(zhí)行元件工作,使碰撞緩沖吸能裝置主動拓展到車體外部,有效增大緩沖吸能空間,將碰撞事故的損失降到最低。系統(tǒng)硬件方案如圖5所示。系統(tǒng)硬件以STC89C58RD+單片機為核心,包括傳感器電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、執(zhí)行元件驅(qū)動電路及電源電路等。其中,ADXL103為單軸加速度計,5V供電,與單片機系統(tǒng)完全兼容,靈敏度高,非線性小,最大能承受3000g的沖擊,其采用PLCC封裝,能有效縮減PCB板尺寸,適合于汽車碰撞安全相關(guān)產(chǎn)品。該器件內(nèi)部集成有濾波電路,用戶只需在信號輸出腳外接一個電容即可輕松實現(xiàn)濾波。電容參數(shù)可參照芯片資料設(shè)置。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文選用C51進(jìn)行編程,系統(tǒng)軟件采用了通用的模塊化編程手段,由主程序、初始化子程序、濾波子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、移動窗積分算法子程序、定時子程序和執(zhí)行元件控制子程序等模塊組成。系統(tǒng)軟件流程為：首先,在系統(tǒng)上電(汽車啟動)后250ms內(nèi)每隔10ms記錄一個加速度值,這樣就能在汽車啟動后250ms內(nèi)完成系統(tǒng)初始化。然后,每隔10ms讀取一次當(dāng)前加速度值,做一次積分,并判斷積分結(jié)果是否達(dá)到預(yù)先設(shè)定的危險值v(設(shè)定v=1)。如果積分值大于或等于v值則調(diào)用執(zhí)行元件控制程序以驅(qū)動相應(yīng)的裝置,反之則在下一個10ms定時時間到來時重新讀取加速度值,做積分并判斷。如此循環(huán)。系統(tǒng)軟件流程如圖6、圖7所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 移動窗積分算法程序流程圖

5 試驗驗證

為了驗證系統(tǒng)的工作性能,本文按照上述原理開發(fā)了相應(yīng)的硬軟件系統(tǒng),并完成了試驗室內(nèi)的小車試驗驗證及實際工況的道路試驗驗證。

5.1 小車試驗驗證

小車試驗的主要目的在于驗證該控制系統(tǒng)的可靠性及其觸發(fā)時間的正確性。試驗裝置如圖8和圖9所示。小車在重塊的牽引下,在水平臺面上運動。其加速度值的大小可通過改變m1、m2的質(zhì)量大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。加速度公式為

式中,m、m1、m2分別為小車質(zhì)量、重塊1、重塊2的質(zhì)量;f為摩擦力。

圖8 小車試驗原理圖

圖9 試驗裝置圖

驗證條件設(shè)定如下：

(1)由于該試驗的目的僅為了驗證控制系統(tǒng)的可靠性及其觸發(fā)時間的正確性,因此,小車試驗的閾值v可以與上述實車試驗的閾值不同?？蓪⑵湓O(shè)為任意值,本試驗的閾值設(shè)定為v=0.5。

(2)將所研制的控制系統(tǒng)安裝在試驗小車上,再額外安裝一個單軸加速度傳感器,并用移動數(shù)據(jù)采集儀(MDR)記錄該加速度傳感器的信號。由MDR所得的信號可以求出試驗小車的加速度積分曲線,在積分曲線上找出相應(yīng)于閾值(v=0.5)的時刻t0。即理論上講,控制系統(tǒng)應(yīng)該在t0時刻發(fā)出觸發(fā)指令。

(3)試驗測定可知,從控制系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)指令到指示燈亮之間的延時時間td(包括繼電器和指示燈的反應(yīng)時間)為205ms左右。則理論上講,高速攝像機所拍攝的指示燈變亮的時刻應(yīng)該為t0+td。

(4)高速攝像機實際所拍攝到的指示燈變亮的時刻記為t。如果t=t0+td成立,則控制系統(tǒng)可靠,其觸發(fā)時間正確。

3次試驗中MDR所采集的加速度曲線及其積分曲線如圖10、圖11所示。由圖11可得到理論值t0。再結(jié)合高速攝像的結(jié)果即可得到t0、t d和t之間的關(guān)系,如表2所示。

圖10 小車試驗加速度曲線

圖11 小車試驗加速度積分曲線

表2 理論觸發(fā)時刻與實際觸發(fā)時刻對比

由表2可知,實際值與理論值偏差在10ms左右,因此,控制系統(tǒng)可靠,觸發(fā)時間正確。

5.2 實車道路試驗驗證

在干燥瀝青水泥路面,路障高度為30mm的試驗環(huán)境下,對該碰撞事故判別系統(tǒng)進(jìn)行了實車試驗驗證。所選工況仍然是該車型在40km/h、50km/h 、60km/h時的緊急制動、正常制動、點剎和通過路障。結(jié)果如表3所示。試驗表明,該系統(tǒng)能有效識別駕駛員的緊急制動行為并預(yù)測碰撞事故是否會發(fā)生。系統(tǒng)能向置于汽車前縱梁內(nèi)部的附加碰撞緩沖吸能裝置發(fā)出正確的觸發(fā)指令,且工作穩(wěn)定,在所進(jìn)行的12次試驗中無一例誤觸發(fā)情況發(fā)生。

6 結(jié)束語

本文研制了一種以駕駛員的緊急制動行為為依據(jù)的,以移動窗積分算法為核心的汽車碰撞緩沖吸能裝置的自動控制系統(tǒng)。研究表明,采用移動窗積分算法能夠有效識別駕駛員的緊急制動行為并且具有良好的區(qū)分干擾工況的能力。同時,試驗研究表明,積分窗寬取250ms、積分閾值取1是較為合理的控制參數(shù)。在干燥瀝青路面上,該系統(tǒng)能正確識別緊急制動工況,且能排除正常制動、點剎和通過路障等其他干擾工況。系統(tǒng)工作穩(wěn)定,具有良好的應(yīng)用價值。本文的研究內(nèi)容及成果對主被動結(jié)合的汽車碰撞緩沖吸能裝置的開發(fā)具有實際性指導(dǎo)意義,對于其他碰撞事故預(yù)測系統(tǒng)的研發(fā)也有較好的參考價值。當(dāng)然,本文未考慮不同車型、駕駛員習(xí)慣、年齡、性別的差異以及不同路面狀況(濕滑路面、鄉(xiāng)村道路、陡坡等)的差異等,存在一定局限性,有待于做進(jìn)一步研究。

表3 系統(tǒng)實車試驗結(jié)果

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