馬麗娟

（西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安 710077）

磁力作用式汽車主動安全系統(tǒng)設(shè)計

馬麗娟

（西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安 710077）

為了彌補(bǔ)被動安全系統(tǒng)的不足，本設(shè)計引進(jìn)了磁力作用式主動安全概念，采用速度、距離傳感器測定兩車間的距離和速度差，然后分析制動距離特性，引入了危險估計系統(tǒng)，當(dāng)結(jié)果為危險時，發(fā)送信息至前車，使兩車電磁鐵形成相同極性的磁場，從而產(chǎn)生“排斥力”阻止兩車相撞。結(jié)合理論計算和模擬測試，結(jié)果表明這種方法在實際工程中具有實用價值。

能量守恒；電磁感應(yīng)理論;主動安全；安全距離

交通安全問題已成為世界性的大問題。據(jù)報載，全世界每年因交通事故死亡的人數(shù)約50萬，因此汽車的安全性對人類生命財產(chǎn)的影響是不言而喻的。汽車的安全性分為主動安全和被動安全兩種，被動安全是指在萬一發(fā)生事故的情況下，汽車保護(hù)乘員的能力，主動安全是指汽車防止發(fā)生事故的能力。目前比較成熟的被動安全系統(tǒng)主要有安全帶、防撞式車身和安全氣囊防護(hù)系統(tǒng)[1](Supplemental Inflatable Restraint System，SRS)等。然而，被動系統(tǒng)中，安全帶在正面低速碰撞中能有效保護(hù)乘員，但在48.3 km/h正面固定壁碰撞試驗中，僅僅使用三點式安全帶，往往使乘員頭部、胸部的傷害指標(biāo)超過FMVSS 208中所規(guī)定的限值。安全氣囊是1958年發(fā)明并申請了專利，它的保護(hù)作用是十分顯著的，同樣也有它不安全的一面。據(jù)計算，若汽車以 60 km的時速行駛，突然的撞擊會令車輛在 0.2 s之內(nèi)停下，而氣囊則會以大約300 km/h的速度彈出，而由此所產(chǎn)生的撞擊力約有 180公斤，這對于頭部、頸部等人體較脆弱的部位就很難承受。因此，也造成了部分乘客的受傷和死亡，如果安全氣囊彈出時稍有差錯，就有可能釀出一場“悲劇”。

為了更加完善汽車的主動安全系統(tǒng)，彌補(bǔ)安全帶，安全氣囊所帶來的不足，減少車輛事故的發(fā)生，本系統(tǒng)設(shè)計一種更加有效的防止汽車碰撞的主動干預(yù)系統(tǒng)，就是在汽車相互碰撞之前，使它們之間瞬間產(chǎn)生一種強(qiáng)大的阻止相互靠近的推力，來進(jìn)一步緩沖因制動車距不夠而未卸掉的慣性力，達(dá)到無法碰撞或減輕碰撞的效果，而這個推力就靠一定程度的“同級磁場”的排斥力來產(chǎn)生。因此，本設(shè)計是在被動安全系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，引進(jìn)主動安全系統(tǒng)概念，能夠更好的避免事故的發(fā)生，最大限度的保障人和車的安全。

1 硬件組成及原理

本系統(tǒng)主要由車距探測、車速探測、安全距離估算系統(tǒng)、危險估計系統(tǒng)和磁力啟動系統(tǒng)及制動系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 車輛防碰撞系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of vehicle collision avoidance system

1.1 檢測系統(tǒng)

利用安裝于車輛前部的毫米波雷達(dá)[2]，激光雷達(dá)和CCD攝像機(jī)等傳感器測量前方車輛或障礙物的距離和速度信息。為提高測量的可靠性，可采用兩種或兩種以上的傳感器來完成測量，然后對測量結(jié)果進(jìn)行融合處理，以減少傳感器的測量誤差，從而得到更可靠、更準(zhǔn)確的前方車輛的距離和速度信息。

1.2 安全距離估算系統(tǒng)

安全距離估算系統(tǒng)應(yīng)隨時根據(jù)從檢測系統(tǒng)得到的前方車輛的距離與速度信息，以及己車的動力學(xué)特征，如車速、減速度等計算當(dāng)前情況下的“臨界安全車間距離”[3]，以防當(dāng)前車突然停車時，由于車間距離過小而導(dǎo)致的追尾碰撞事故。

1.3 控制原理

當(dāng)a、b兩車距離快速接近的時候，主動接近的a車輛的車輪轉(zhuǎn)速傳感器、車距檢測器在很短的時間內(nèi)分別把車速信號和兩車距離信號傳給ECU，ECU根據(jù)存儲的車速跟制動距離表，計算出該車所需的制動距離并啟動自動剎車，如果距離不夠，ECU會迅速傳信號給信號發(fā)射器，同時，a車信號發(fā)射器與b車信號接收器取得聯(lián)系并使電磁閥工作，使兩車電磁系統(tǒng)的電路走向相同，使兩車之間產(chǎn)生相同的磁極，然后在瞬間產(chǎn)生較大的排斥力，避免使車相撞，當(dāng)相對速度為零的時候，磁力迅速消失。如果設(shè)計磁力偏弱，即使無法避免碰撞，也可以最大程度的延長碰撞之前的緩沖時間，最大程度的減輕碰撞，減少人員財產(chǎn)損失。

2 相關(guān)參數(shù)的理論計算

2.1 碰撞力的計算

小汽車的自重一般為1 200～1 600 kg，取平均值為1 400 kg，加上5個人的重量400 kg（80 kg×5），共計總質(zhì)量m=1 800 kg,由于人承受的加速度最大值不能超過 40 g[4]，所以取安全加速度a=40 g，根據(jù)牛頓第二定律可以計算出一般小汽車最大的安全碰撞力F=ma=720 kN。如果碰撞力超過該值，車上人員就會發(fā)生意外，這一值為下一步設(shè)計電磁鐵提供了依據(jù)。

2.2 制動距離的計算

ABS汽車在平路緊急制動時，道路摩擦阻力在制動距離上所做的功等于汽車制動前所具有的平動動能。因此平路總制動距離S（m）為[5]：

式中：φ：路面阻力系數(shù)，計算時按持續(xù)制動階段的實際滑動率選??；v0：汽車制動初速度（m/s）；t：制動力增加時間。按式（1）計算ABS汽車相應(yīng)的平路制動距離S如表1所示。

2.3 電磁力的計算

為了簡化計算，忽略漏磁、漏滯等因素的影響，依據(jù)電磁理論虛位移原理可以將電磁鐵產(chǎn)生的電磁力Fd[6]表示為：

式中：N為線圈的匝數(shù)；A為鐵芯的橫截面積；μ0為真空磁導(dǎo)率 （μ0=4π×10-7H/m）；I為線圈中的電流；δ為電磁鐵與永久磁鐵兩端面間的距離（也叫氣隙）。

表1 ABS汽車平路制動距離表Tab.1 The calculated results of the braking distances of automobiles on horizontal road

從式（2）中可知：對照表1可知制動距離為最低8 m,因此設(shè)計危險估計系統(tǒng)的閾值為1 m,從而啟動磁力系統(tǒng)。為了使汽車不碰撞，因此每個磁力線圈承擔(dān)汽車碰撞力的一半 。即 ：。線圈的橫截面積以及匝數(shù)由車身的空間間隙來決定，從而來設(shè)計電磁鐵，確定產(chǎn)生電磁力的電流：

3 實驗參數(shù)

選取Fd=360 kN作為設(shè)計電磁力，δ=0.7 m作為最大設(shè)計氣隙（Smax），設(shè)N=3.06×104，鐵芯橫截面積 A=0.3 m2，根據(jù)式（3）得出電磁力所需的電流為I=40 A。再根據(jù)電流I=40 A來選擇導(dǎo)線直徑Φ、線圈的電阻R及所需要的電壓U。如果計算的結(jié)果不符合要求，可以重新設(shè)計電流I或?qū)Ь€電阻R來修正電壓U數(shù)值。

4 結(jié)束語

本課題的研究成果，對于車輛行車和運(yùn)輸過程中減少或減輕車輛碰撞有著深遠(yuǎn)的理論和實際意義。系統(tǒng)綜合運(yùn)用電子技術(shù)、汽車工程技術(shù)、檢測及控制技術(shù)、高速無線通信技術(shù)等，實現(xiàn)了各學(xué)科間的高度融合。在汽車行駛參數(shù)高速檢測、短距離高速無線通信、高速控制等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)理論與技術(shù)突破。并將電磁力引入汽車主動安全控制領(lǐng)域，彌補(bǔ)了以往機(jī)械方式進(jìn)行安全控制的缺陷，有著很重要的理論意義。

鑒于交通事故的不可預(yù)測性和不可絕對避免性，本課題研究的實踐意義則主要突出表現(xiàn)在對車輛行駛中常見的制動距離不足而引起的交通事故的實時監(jiān)控和控制，進(jìn)而減少交通事故傷害的產(chǎn)生和財產(chǎn)損失。

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The design of car active safety system w ith the magnetic force acting

MA Li-juan
（Xi'an Institute of Foreign Affairs College,Xi’an 710077,China）

TO make up for the deficiency of the passive safety system,the magnetic force acting active safety concept is inteoduced.Through the speed sensor and distance sensor,the distance and speed between vehicles can be measured,then the braking length performance can be analyzed by the risky estimation system,if the result is risk,the vehicle behind transmitted information to the forward vehicle,then the two cars establish the same polarity of magnetic field to produce “repulsion”to avoid the two cars crashed into each other.It is shown this method is practical in the project.

energy conservation;electromagnetic induction;vehicle active safety；safe distance

U491.6

A

1674－6236（2015）07-0022-02

2014-07-12 稿件編號：201407096

西安外事學(xué)院資助（2013XKZ09）

馬麗娟(1979—)，女，云南水富人，碩士，講師。研究方向：電氣自動化。