磁力作用式汽车主动安全系统设计

马丽娟

（西安外事学院 工学院，陕西 西安 710077）

磁力作用式汽车主动安全系统设计

马丽娟

（西安外事学院 工学院，陕西 西安 710077）

为了弥补被动安全系统的不足，本设计引进了磁力作用式主动安全概念，采用速度、距离传感器测定两车间的距离和速度差，然后分析制动距离特性，引入了危险估计系统，当结果为危险时，发送信息至前车，使两车电磁铁形成相同极性的磁场，从而产生“排斥力”阻止两车相撞。结合理论计算和模拟测试，结果表明这种方法在实际工程中具有实用价值。

能量守恒；电磁感应理论;主动安全；安全距离

交通安全问题已成为世界性的大问题。据报载，全世界每年因交通事故死亡的人数约50万，因此汽车的安全性对人类生命财产的影响是不言而喻的。汽车的安全性分为主动安全和被动安全两种，被动安全是指在万一发生事故的情况下，汽车保护乘员的能力，主动安全是指汽车防止发生事故的能力。目前比较成熟的被动安全系统主要有安全带、防撞式车身和安全气囊防护系统[1](Supplemental Inflatable Restraint System，SRS)等。然而，被动系统中，安全带在正面低速碰撞中能有效保护乘员，但在48.3 km/h正面固定壁碰撞试验中，仅仅使用三点式安全带，往往使乘员头部、胸部的伤害指标超过FMVSS 208中所规定的限值。安全气囊是1958年发明并申请了专利，它的保护作用是十分显著的，同样也有它不安全的一面。据计算，若汽车以 60 km的时速行驶，突然的撞击会令车辆在 0.2 s之内停下，而气囊则会以大约300 km/h的速度弹出，而由此所产生的撞击力约有 180公斤，这对于头部、颈部等人体较脆弱的部位就很难承受。因此，也造成了部分乘客的受伤和死亡，如果安全气囊弹出时稍有差错，就有可能酿出一场“悲剧”。

为了更加完善汽车的主动安全系统，弥补安全带，安全气囊所带来的不足，减少车辆事故的发生，本系统设计一种更加有效的防止汽车碰撞的主动干预系统，就是在汽车相互碰撞之前，使它们之间瞬间产生一种强大的阻止相互靠近的推力，来进一步缓冲因制动车距不够而未卸掉的惯性力，达到无法碰撞或减轻碰撞的效果，而这个推力就靠一定程度的“同级磁场”的排斥力来产生。因此，本设计是在被动安全系统发展的基础上，引进主动安全系统概念，能够更好的避免事故的发生，最大限度的保障人和车的安全。

1 硬件组成及原理

本系统主要由车距探测、车速探测、安全距离估算系统、危险估计系统和磁力启动系统及制动系统组成，系统框图如图1所示。

图1 车辆防碰撞系统框图Fig.1 Block diagram of vehicle collision avoidance system

1.1 检测系统

利用安装于车辆前部的毫米波雷达[2]，激光雷达和CCD摄像机等传感器测量前方车辆或障碍物的距离和速度信息。为提高测量的可靠性，可采用两种或两种以上的传感器来完成测量，然后对测量结果进行融合处理，以减少传感器的测量误差，从而得到更可靠、更准确的前方车辆的距离和速度信息。

1.2 安全距离估算系统

安全距离估算系统应随时根据从检测系统得到的前方车辆的距离与速度信息，以及己车的动力学特征，如车速、减速度等计算当前情况下的“临界安全车间距离”[3]，以防当前车突然停车时，由于车间距离过小而导致的追尾碰撞事故。

1.3 控制原理

当a、b两车距离快速接近的时候，主动接近的a车辆的车轮转速传感器、车距检测器在很短的时间内分别把车速信号和两车距离信号传给ECU，ECU根据存储的车速跟制动距离表，计算出该车所需的制动距离并启动自动刹车，如果距离不够，ECU会迅速传信号给信号发射器，同时，a车信号发射器与b车信号接收器取得联系并使电磁阀工作，使两车电磁系统的电路走向相同，使两车之间产生相同的磁极，然后在瞬间产生较大的排斥力，避免使车相撞，当相对速度为零的时候，磁力迅速消失。如果设计磁力偏弱，即使无法避免碰撞，也可以最大程度的延长碰撞之前的缓冲时间，最大程度的减轻碰撞，减少人员财产损失。

2 相关参数的理论计算

2.1 碰撞力的计算

小汽车的自重一般为1 200～1 600 kg，取平均值为1 400 kg，加上5个人的重量400 kg（80 kg×5），共计总质量m=1 800 kg,由于人承受的加速度最大值不能超过 40 g[4]，所以取安全加速度a=40 g，根据牛顿第二定律可以计算出一般小汽车最大的安全碰撞力F=ma=720 kN。如果碰撞力超过该值，车上人员就会发生意外，这一值为下一步设计电磁铁提供了依据。

2.2 制动距离的计算

ABS汽车在平路紧急制动时，道路摩擦阻力在制动距离上所做的功等于汽车制动前所具有的平动动能。因此平路总制动距离S（m）为[5]：

式中：φ：路面阻力系数，计算时按持续制动阶段的实际滑动率选取；v0：汽车制动初速度（m/s）；t：制动力增加时间。按式（1）计算ABS汽车相应的平路制动距离S如表1所示。

2.3 电磁力的计算

为了简化计算，忽略漏磁、漏滞等因素的影响，依据电磁理论虚位移原理可以将电磁铁产生的电磁力Fd[6]表示为：

式中：N为线圈的匝数；A为铁芯的横截面积；μ0为真空磁导率 （μ0=4π×10-7H/m）；I为线圈中的电流；δ为电磁铁与永久磁铁两端面间的距离（也叫气隙）。

表1 ABS汽车平路制动距离表Tab.1 The calculated results of the braking distances of automobiles on horizontal road

从式（2）中可知：对照表1可知制动距离为最低8 m,因此设计危险估计系统的阈值为1 m,从而启动磁力系统。为了使汽车不碰撞，因此每个磁力线圈承担汽车碰撞力的一半 。即 ：。线圈的横截面积以及匝数由车身的空间间隙来决定，从而来设计电磁铁，确定产生电磁力的电流：

3 实验参数

选取Fd=360 kN作为设计电磁力，δ=0.7 m作为最大设计气隙（Smax），设N=3.06×104，铁芯横截面积 A=0.3 m2，根据式（3）得出电磁力所需的电流为I=40 A。再根据电流I=40 A来选择导线直径Φ、线圈的电阻R及所需要的电压U。如果计算的结果不符合要求，可以重新设计电流I或导线电阻R来修正电压U数值。

4 结束语

本课题的研究成果，对于车辆行车和运输过程中减少或减轻车辆碰撞有着深远的理论和实际意义。系统综合运用电子技术、汽车工程技术、检测及控制技术、高速无线通信技术等，实现了各学科间的高度融合。在汽车行驶参数高速检测、短距离高速无线通信、高速控制等领域实现理论与技术突破。并将电磁力引入汽车主动安全控制领域，弥补了以往机械方式进行安全控制的缺陷，有着很重要的理论意义。

鉴于交通事故的不可预测性和不可绝对避免性，本课题研究的实践意义则主要突出表现在对车辆行驶中常见的制动距离不足而引起的交通事故的实时监控和控制，进而减少交通事故伤害的产生和财产损失。

[1]屈丰,胡敏.汽车安全气囊气体发生器的性能测试分析[J].现代电子技术，2014(21):159-162. QU Feng,HU Min.Performance test analysis of car safety air bag gas generator[J].Modern Electronics Technique,2014(21):159-162.

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[3]杨军，张伟光，陈先华.减速度非线性变化对制动距离影响分析[J].东南大学学报,2011,41(4):848-853. YANG Jun,ZHANG Wei-guang,CHEN Xian-hua.Influence analysis of non-linear variation of deceleration on braking distance[J].Journal of Southeast University.2011,41(4):848-853.

[4]党宏社，韩崇昭，段战胜.汽车防碰撞报警与制动距离的确定[J].长安大学学报,2001,22(6):89-91. DANG Hong-she,HAN Chong-zhao,DUAN Zhan-sheng. Determination of distance for vehicle collision avoidance warning and braking [J].Journal of Chang’an University, 2002,22(6):89-91.

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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 稿件编号：201407096

西安外事学院资助（2013XKZ09）

马丽娟(1979—)，女，云南水富人，硕士，讲师。研究方向：电气自动化。