汽车碰撞事故判断与新型碰撞吸能装置控制系统研究

曹立波 唐明福 蒋彬辉 白中浩 陈 缓 丁海建

1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082 2.上海汽车集团股份有限公司,上海,201408

0 引言

随着汽车安全性研究的深入,国内外研究者相继提出了主被动结合(active passive integration approach,APIA)的汽车安全设计新理念,旨在将主动安全技术与被动安全技术有效结合起来,提高汽车的碰撞安全性。主被动结合的汽车安全技术已成为发展趋势[1-2]。计算机仿真研究表明,若合理运用主被动结合的汽车碰撞缓冲吸能装置,乘员损伤参数可降低20%～60%,且能有效降低车辆的受损程度[3]。目前,国内外已相继开展了APIA的研究,美国通用汽车公司、湖南大学、长沙理工大学等单位进行了一些实际性的探讨[3-5]。APIA的技术核心在于如何运用传感技术准确地识别“人-车-路”环境参数,并选用合理的算法对这些数据进行综合处理以判别“人-车-路”环境的危险程度,从而有效地预测事故,以便及时控制相关被动安全装置达到预定状态。本文的研究重点就在于APIA的技术核心——事故预测技术。

目前,在一些高档车型上已经采用的如智能巡航系统、防瞌睡系统等,大多采用雷达或激光测速、视频图像识别等技术。这些装置虽然已得到一些成功应用,但普遍存在系统复杂、成本高的缺点,且无法在诸如行人、车辆突然穿越马路或车辆突然变更车道这类突发交通状况下发挥良好的作用。事故分析表明,在大多数交通事故中,驾驶员能够察觉事故即将发生,并采取了紧急制动等相应措施[6]。但往往有时由于采取措施时为时已晚,事故仍会造成严重损失。因此,本文研制了一种以驾驶员在事故发生前所采取的紧急制动行为为判别依据的事故判断系统。试验表明,该系统能有效识别驾驶员的紧急制动行为,且能在车辆紧急制动后短时间内向预先安装于汽车前纵梁内部的附加碰撞缓冲吸能装置发出指令,使其主动拓展到车体外部,以增大缓冲吸能空间,有效降低碰撞事故的严重程度。该系统简单、经济且可靠。

1 某车型典型工况加速度信号分析

本文通过实车试验得到了某车型在40 km/h、50km/h、60km/h时紧急制动、正常制动、点刹和通过路障等4种工况下的加速度信号。试验条件为干燥沥青水泥路面,路障高度为30mm。50km/h各工况加速度信号如图1所示(g为重力加速度)。40 km/h和 60km/h加速度信号与50km/h时的曲线类似[6]。

图1 50km/h各工况加速度曲线

本文从加速度峰值大小、信号持续时间长短、曲线走势及加速度信号积分曲线特点等几个方面对图1所示的加速度信号进行了比较,见表1。

表1 加速度峰值、信号持续时间及曲线走势的比较(速度为50km/h)

从表1可以看出,紧急制动时,车辆加速度峰值在-0.7g左右,幅值明显比其他工况大,加速度信号在紧急制动后短时间内急剧攀升,且峰值持续时间长,有明显的“窗宽”出现。正常制动时,加速度峰值大小为0.4g左右,制动时间比紧急制动时间长得多,且加速度信号较为平缓。点刹时,加速度峰值大小在0.2g左右,加速度信号表现为明显的波浪形曲线。通过路障时,加速度峰值大小在0.3g左右,加速度信号在短时间内表现为明显的起伏震荡。在不同的速度下,相同工况的加速度曲线波形基本一致。因此,与其他工况加速度信号相比,紧急制动工况下的加速度信号最为显著的特点是：加速度值攀升急剧、峰值大、峰值持续时间长、有明显的窗宽出现。对所得的加速度信号进行积分,其各自的积分曲线有明显的区别,如图2所示。

图2 50km/h各工况加速度积分曲线

从图2中可以看出,紧急制动时的加速度积分曲线的斜率远大于其他3种工况。因此,在采取紧急制动后的极短时间内,其加速度积分值就会与其他工况有明显的差别,这种情况在其他车速时也同样存在[6]。

由此可见,设置一定的窗宽,对加速度信号在窗宽范围内进行积分,只要窗宽和阈值选择得当,就能够区分紧急制动工况和其他工况,并且具有良好的区分干扰工况的能力。

2 系统判别算法

2.1 算法选择

本文选用移动窗积分算法作为控制系统的核心算法。即以某一恰当的时间长度w作为窗宽,对窗内的加速度信号进行实时积分,以积分结果作为判断依据[7]。其计算公式为

式中,a(t)为加速度信号;t为积分当前时刻;w为窗宽。

这种算法可以通过合理地选择积分窗宽来区分汽车不同的行驶工况,抗干扰能力强,且较容易实现,是一种经济有效的算法。只要窗宽和阈值选择得当,就能够达到预期效果。

本文采用Newton-Cotes求积公式实现对加速度信号的积分。由于低阶的New ton-Cotes求积公式精度不够高,本文采用它的复化梯形形式进行计算。即先将积分区间[t-w,t]分成n个等长的小区间[ti-1,ti](i=1,2,…,n),区间长度h=w/n,在每个小区间上应用梯形求积公式,然后相加便得到期望的复化梯形求积值[8]。计算公式如下：

该算法在具体实现时,可用两个数组a[0]～a[n]和s[0]～s[n]分别存储加速度值和小梯形的面积,则当前积分值(图3)为

图3 积分窗示意图

当积分窗向后移动一个单位后(图4),控制系统读入一个加速度值a[n+1],并用a[n+1]将a[0]替换掉,用s[n+1]将s[0]替换掉。则窗体移动后的积分值为

随着我国经济的发展，民众环保意识得到了显著提升，在享受物质生活的同时，也更加关注环境保护问题，我国科技人员对农村生活污水处理系统加大研究力度，其中以人工湿地技术与一级生物处理相结合的方法为目前的主流技术。

图4 移动窗积分示意图

观察式(5)和式(4)发现,两者在求累加和时,中间一段总是相同的(图4)。因此,可将式(5)改写为

其中,s u代表新移入窗体内的面积(图4中斜线阴影部分),s v代表新移出窗体的面积(图4中横线阴影部分)。s[n](t,w)以此类推。这样就既能节约单片机的数据存储空间,又能避免做重复的移位和累加运算,可大幅度提高系统运算速度,具有明显的速度优势。

2.2 算法参数的确定

在本系统中,移动窗积分算法中的窗宽和阈值必须同时满足如下条件：

(1)窗宽应尽量小,以便使系统能在最短的时间内识别出驾驶员的紧急制动行为。经试计算,速度为100km/h的汽车在1s内要行驶27.7m,所以积分窗宽应小于1s为宜。

(2)对于积分窗宽的设置,必须使得在设定的窗宽范围内,紧急制动时的加速度信号积分值大于积分窗体在时间轴上“移动”时,其他所有工况在该窗宽内的最大积分值。

(3)阈值应取不同速度下所得的紧急制动加速度积分值的最小值,以保证系统能识别不同速度下的紧急制动行为。同时,阈值必须大于在所设定的窗宽范围内其他所有工况加速度积分值的最大值,以保证窗体在时间轴上“移动”时系统不会误触发。

经分析,积分窗宽取250ms,积分阈值取1,Newton-Cotes求积公式中的积分区间长度h取10ms。

3 系统硬件设计

图5 系统硬件方案图

以STC89C58RD+单片机为核心,利用Analog公司生产的高性能加速度传感器ADXL103采集车辆的制动加速度信号,通过信号调理后,再利用MAX197进行A/D转换并最终送入单片机进行分析运算。一旦分析结果超过程序设定的危险值则认定事故将要发生,系统即刻输出触发信号让执行元件工作,使碰撞缓冲吸能装置主动拓展到车体外部,有效增大缓冲吸能空间,将碰撞事故的损失降到最低。系统硬件方案如图5所示。系统硬件以STC89C58RD+单片机为核心,包括传感器电路、信号调理电路、A/D转换电路、执行元件驱动电路及电源电路等。其中,ADXL103为单轴加速度计,5V供电,与单片机系统完全兼容,灵敏度高,非线性小,最大能承受3000g的冲击,其采用PLCC封装,能有效缩减PCB板尺寸,适合于汽车碰撞安全相关产品。该器件内部集成有滤波电路,用户只需在信号输出脚外接一个电容即可轻松实现滤波。电容参数可参照芯片资料设置。

4 系统软件设计

本文选用C51进行编程,系统软件采用了通用的模块化编程手段,由主程序、初始化子程序、滤波子程序、A/D转换子程序、移动窗积分算法子程序、定时子程序和执行元件控制子程序等模块组成。系统软件流程为：首先,在系统上电(汽车启动)后250ms内每隔10ms记录一个加速度值,这样就能在汽车启动后250ms内完成系统初始化。然后,每隔10ms读取一次当前加速度值,做一次积分,并判断积分结果是否达到预先设定的危险值v(设定v=1)。如果积分值大于或等于v值则调用执行元件控制程序以驱动相应的装置,反之则在下一个10ms定时时间到来时重新读取加速度值,做积分并判断。如此循环。系统软件流程如图6、图7所示。

图6 主程序流程图

图7 移动窗积分算法程序流程图

5 试验验证

为了验证系统的工作性能,本文按照上述原理开发了相应的硬软件系统,并完成了试验室内的小车试验验证及实际工况的道路试验验证。

5.1 小车试验验证

小车试验的主要目的在于验证该控制系统的可靠性及其触发时间的正确性。试验装置如图8和图9所示。小车在重块的牵引下,在水平台面上运动。其加速度值的大小可通过改变m1、m2的质量大小进行调节。加速度公式为

式中,m、m1、m2分别为小车质量、重块1、重块2的质量;f为摩擦力。

图8 小车试验原理图

图9 试验装置图

验证条件设定如下：

(1)由于该试验的目的仅为了验证控制系统的可靠性及其触发时间的正确性,因此,小车试验的阈值v可以与上述实车试验的阈值不同。可将其设为任意值,本试验的阈值设定为v=0.5。

(2)将所研制的控制系统安装在试验小车上,再额外安装一个单轴加速度传感器,并用移动数据采集仪(MDR)记录该加速度传感器的信号。由MDR所得的信号可以求出试验小车的加速度积分曲线,在积分曲线上找出相应于阈值(v=0.5)的时刻t0。即理论上讲,控制系统应该在t0时刻发出触发指令。

(3)试验测定可知,从控制系统发出触发指令到指示灯亮之间的延时时间td(包括继电器和指示灯的反应时间)为205ms左右。则理论上讲,高速摄像机所拍摄的指示灯变亮的时刻应该为t0+td。

(4)高速摄像机实际所拍摄到的指示灯变亮的时刻记为t。如果t=t0+td成立,则控制系统可靠,其触发时间正确。

3次试验中MDR所采集的加速度曲线及其积分曲线如图10、图11所示。由图11可得到理论值t0。再结合高速摄像的结果即可得到t0、t d和t之间的关系,如表2所示。

图10 小车试验加速度曲线

图11 小车试验加速度积分曲线

表2 理论触发时刻与实际触发时刻对比

由表2可知,实际值与理论值偏差在10ms左右,因此,控制系统可靠,触发时间正确。

5.2 实车道路试验验证

在干燥沥青水泥路面,路障高度为30mm的试验环境下,对该碰撞事故判别系统进行了实车试验验证。所选工况仍然是该车型在40km/h、50km/h 、60km/h时的紧急制动、正常制动、点刹和通过路障。结果如表3所示。试验表明,该系统能有效识别驾驶员的紧急制动行为并预测碰撞事故是否会发生。系统能向置于汽车前纵梁内部的附加碰撞缓冲吸能装置发出正确的触发指令,且工作稳定,在所进行的12次试验中无一例误触发情况发生。

6 结束语

本文研制了一种以驾驶员的紧急制动行为为依据的,以移动窗积分算法为核心的汽车碰撞缓冲吸能装置的自动控制系统。研究表明,采用移动窗积分算法能够有效识别驾驶员的紧急制动行为并且具有良好的区分干扰工况的能力。同时,试验研究表明,积分窗宽取250ms、积分阈值取1是较为合理的控制参数。在干燥沥青路面上,该系统能正确识别紧急制动工况,且能排除正常制动、点刹和通过路障等其他干扰工况。系统工作稳定,具有良好的应用价值。本文的研究内容及成果对主被动结合的汽车碰撞缓冲吸能装置的开发具有实际性指导意义,对于其他碰撞事故预测系统的研发也有较好的参考价值。当然,本文未考虑不同车型、驾驶员习惯、年龄、性别的差异以及不同路面状况(湿滑路面、乡村道路、陡坡等)的差异等,存在一定局限性,有待于做进一步研究。

表3 系统实车试验结果

[1] Klaus W,Nils B.A Balanced Active and Passive Safety Concept for New Vehicle Generations[C]//18th Enhanced Safety of Vehicle Conference.Nagoya,Japan：ESV,2003-00-0352.

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