基于偏差校正的汽车安全气囊系统自动校准方法

(上海机动车检测认证技术研究中心有限公司产业计量中心，上海 201805)

0 引言

汽车安全气囊系统包括气囊、控制器、发生器和传感器等，通常气囊和发生器等在一起构成气囊模块，但由于汽车的长时间行驶和颠簸，会造成安全气囊系统的外部和内部出现偏差，导致在事故发生时，无法准确释放气囊，不能减少碰撞对乘员的损伤。针对上述问题，本文提出一种基于偏差校正的汽车安全气囊系统自动校准方法。

1 汽车安全气囊系统故障状态诊断

汽车安全气囊系统的偏差故障状态诊断难度较大，因此，本文通过读取自诊断系统的故障代码，诊断气囊状态。打开点火控制开关时，如果安全警示灯亮起6 s之后熄灭，表明安全气囊处于正常状态；如果不熄灭，表明警示灯在显示故障代码，需要对代码特征提取；如果警示灯不亮，表明警示灯电路存在故障。在检测前，首先需要排除电路故障，随后确认是否存在故障代码。

汽车安全气囊自诊断系统以安全警示灯出现闪烁次数为依据，故障代码[1]读取流程如下所述。

关闭点火等待10 s，随后将安全气囊插头插入维修检测2P插头中。开启点火开关，安全气囊警示灯大约会亮起6 s后熄灭，随后警示灯闪烁读取故障代码，故障代码大多由主码与子码构成。如果出现重叠性故障，那么警示灯会重复出现故障代码；如果故障为间歇性，那么警示灯只会显示当前故障代码，然后常亮；如果2种故障情况都存在，那么警示灯会显示为连续性故障代码。

2 汽车安全气囊系统自动校准

2.1 汽车安全气囊系统外部校准

根据汽车安全气囊系统状态诊断结果进行外部故障校准，对于外部故障，如电路故障、电源故障、充气机短路、电阻增加和导线短路[2]等，需要通过调整前束尺寸，来获得线路校准有效距离。

在进行汽车外部故障校准的过程中，需要调整前轮前束的距离，才能够让维修人员进入汽车前端的维修区域进行检修，通常需要多次调整与测量才能够获得所需要的前束值[3]。因此，本文通过一种简单的测量与运算方法，对前束进行调整，只需要一次调整，便能够获得精确的前束值。以普通汽车为例，本文算法的计算过程如下所述。

a.设定前轮前端胎面中心线距离为A；调整后的距离为A1；后端中心线距离为B；调整后的距离为B1。则前束为正值的运算方法为：

(1)

(2)

C=B1-A1

(3)

其中，C为前束值。

b.前束为负值的运算方式为：

(4)

(5)

C=B1-A1

(6)

通常使用可伸缩的精度为1 mm的前束尺进行前束测量，仅需一个人就能够一边观测B1或A1的测量值，一边调整横拉杆[4]，实现前轮前束值的调整，获取线路校准有效距离。在调整完前束值之后，依靠外部维修人员对汽车安全气囊系统位置的外部偏差进行校准。

2.2 汽车安全气囊系统内部校准

汽车安全气囊系统[5]的内部校准主要为点火校准，目的是为了让汽车安全气囊可以精确点火，防止漏电误点火与迟点火问题出现，避免安全气囊的弹出或防护机制产生错位。因此，需要对安全气囊点火时刻进行自动校准，以提高乘员生命安全。

2.2.1 安全气囊点火时间确定

将汽车碰撞安全性标准FMVSS208作为乘员伤害评价指标，由于安全气囊系统具有特殊性，导致在进行安全气囊系统的校准前，需要对乘员的加速度、腿部力量、头部损伤和气囊可能对乘员造成的损伤值H进行评估[6]。

损伤值的定义函数为

(7)

t2和t1分别为信号延迟时间。

在校准汽车安全气囊系统点火误差前，还需要计算模型人、安全带、气囊、座椅之间的震动特性，获取乘员和气囊间存在的相互作用力、面积和时间等信息，方便分析气囊自身的热力过程。当出现碰撞时，气囊在充满气体后，其背部会开启1个小孔，用于释放气囊内的气体，同时承受乘员冲击和缓冲，减少力对乘员的伤害。因为乘员存在坐姿随机性，导致气囊与乘员之间的作用点也是随机的，若想要精准校准点火时刻，就需要研究气囊整体的作用过程，获取气囊和乘员之间存在的相互关系。

因为坐姿和碰撞点的随机性，想要确定气囊的点火时刻[7]是比较困难的问题，同时由于气囊的膨胀存在随机性，导致不能广义上获得所有汽车的目标点火时刻。因此，本文使用经典的5 in-30 ms作为标准点火时刻。该标准为：当出现碰撞时，乘员会惯性向前移动5 in，因此，汽车安全气囊的最佳点火时间为30 ms内点火。

拟定横坐标为时间轴，纵坐标为乘员位移的坐标系，位移即为乘员在不同方向位移[8]的总和。汽车在刚出现碰撞时为0时刻，此刻乘员的位移也是0，在延迟t1时间后点火时刻为t3，t3=t2-30 ms，通过该运算便能够得到安全气囊点火时刻的最佳时间。

2.2.2 安全气囊点火自动校准算法

点火最佳时刻确定后，对于安全气囊系统延迟校准方法存在很多种，但都面临着实时性差或者过于针对某一种车型，适用性差。为此，本文采用2种校准方法协同处理气囊点火校准问题。

a.移动窗式积分方法。拟定减速曲线[9]，在减速曲线a(t)内取时间窗[t-w,t]，w为时间窗的宽度，计算a(t)下[t-w,t]内的积分为

(8)

移动窗式积分方法的理念：对前w时间内的点火信号积分计算，获取指标s(t,w)，在该指标等同于上述最后点火时刻t3时，发出点火信号[10]，反之继续进行处理与比较。

b.ARMA模型预报方法。汽车安全气囊的点火时刻校准作为一种预报校准问题，只有在乘员处于30 ms时刻、位移出现5 in时，气囊才会准时点火。因此，校准的重要点为通过当前信号，预报30 ms后乘员头部位移，将结果作为校准的需求。根据上述运算出的最佳点火时刻和移动窗式积分指标，把安全气囊拟定成输入输出[11](SISO)线性系统，同时输入最佳点火时间与汽车加速度曲线，算法就可以自动运算出乘员的头部位移与偏差校准点火时刻。

设定u(k)为车身加速度；z(k)为头部位移；G(z-1)为头部位移与车身加速度的关系模型，其表达式为

(9)

乘员头部的位移除了会被汽车加速度影响外，还会被安全带所影响，因此把这些因素都拟定为噪声n(k)。在关系模型[12]组建完成之后，便能够依靠试验数据库辨别模型的参数，以此剔除在校准过程中出现的外部干扰因素。

3 实验验证

为了验证本文方法的实用性，进行仿真实验，实验使用MATLAB6.5神经网络工具箱函数，编程模拟汽车安全气囊系统。

3.1 汽车加速度与乘员位移分析

以CA1091型汽车作为实验目标，对该汽车进行2次不同强度的碰撞模拟实验，依靠本文方法获取2条不同碰撞强度下的加速度曲线42 km/h和64 km/h，结果如图1所示。

图1 加速度曲线

依靠损伤定义公式(7)，计算出乘员的头部位移曲线，结果如图2所示。能够看出，图1内40～60 ms内2条曲线的加速度最大，与图2所示的头部最大位移区间一致，说明本文方法能够得出准确加速度曲线和乘员头部位移结果。

图2 乘员头部位移曲线

3.2 汽车安全气囊点火时刻分析

通过乘员头部位移给出的点火阈值，确定点火最佳时刻，结果如图3所示。

从图3能够看出，本文方法能够较好地区分气囊最优点火时刻与非点火时刻，实现了对汽车碰撞状态的及时判断。这种判断能力，可以为乘员提供良好且有效的保护。

图3 安全气囊点火时刻确认

3.3 汽车安全气囊系统自动校准效果分析

从上述2种汽车加速度曲线内提取64 km/h曲线作为评测目标，在产生碰撞时，未校准的汽车安全气囊系统的点火时间和效果，如图4所示。

图4 汽车安全气囊系统点火时间

从图4能够看出，气囊的点火时刻是出现碰撞后的36 ms。依靠本文方法设定的点火时刻准则分析，确定该气囊的最佳点火时间是30～32 ms。依靠对比可知安全气囊系统的最佳点火与实际点火之间存在4～6 ms的差距。依靠本文方法对上述点火时刻的偏差进行校准，结果如图5所示。

图5 汽车安全气囊系统点火校准结果

从图5能够看出，本文方法在32 ms时发出点火信号，缩小了与最佳点火时间的误差，提高了乘员安全性。通过计算汽车的加速度与出现碰撞后乘员的头部位移，确定最佳的点火时刻区间，最后再依靠ARMA模型预报，实现对安全气囊系统的偏差自动校准工作，大大强化汽车安全性能。

4 结束语

为了提高汽车驾驶人员的安全防护性能，提出一种基于偏差校正的汽车安全气囊系统自动校准方法，该方法通过调整前轮前束与控制安全气囊点火时刻，来实现自动校准。但本文的研究主要处于相对稳定的环境下，受外界干扰较小，如果想要将本文方法应用到汽车安全气囊系统的生产线内，完成连续的自动化校准，还需要进一步添加深度学习算法，使其能够适应不同的工作环境，提升算法的可靠性与稳定性。