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(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙,410082 2.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司,上海,201408

0 引言

隨著汽車(chē)安全性研究的深入,國(guó)內(nèi)外研究者相繼提出了主被動(dòng)結(jié)合(active passive integration approach,APIA)的汽車(chē)安全設(shè)計(jì)新理念,旨在將主動(dòng)安全技術(shù)與被動(dòng)安全技術(shù)有效結(jié)合起來(lái),提高汽車(chē)的碰撞安全性。主被動(dòng)結(jié)合的汽車(chē)安全技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。計(jì)算機(jī)仿真研究表明,若合理運(yùn)用主被動(dòng)結(jié)合的汽車(chē)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(chē)輛的受損程度[3]。目前,國(guó)內(nèi)外已相繼開(kāi)展了APIA的研究,美國(guó)通用汽車(chē)公司、湖南大學(xué)、長(zhǎng)沙理工大學(xué)等單位進(jìn)行了一些實(shí)際性的探討[3-5]。APIA的技術(shù)核心在于如何運(yùn)用傳感技術(shù)準(zhǔn)確地識(shí)別“人-車(chē)-路”環(huán)境參數(shù),并選用合理的算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理以判別“人-車(chē)-路”環(huán)境的危險(xiǎn)程度,從而有效地預(yù)測(cè)事故,以便及時(shí)控制相關(guān)被動(dòng)安全裝置達(dá)到預(yù)定狀態(tài)。本文的研究重點(diǎn)就在于APIA的技術(shù)核心——事故預(yù)測(cè)技術(shù)。

目前,在一些高檔車(chē)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(cè)速、視頻圖像識(shí)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(diǎn),且無(wú)法在諸如行人、車(chē)輛突然穿越馬路或車(chē)輛突然變更車(chē)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(jué)事故即將發(fā)生,并采取了緊急制動(dòng)等相應(yīng)措施[6]。但往往有時(shí)由于采取措施時(shí)為時(shí)已晚,事故仍會(huì)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(dòng)行為為判別依據(jù)的事故判斷系統(tǒng)。試驗(yàn)表明,該系統(tǒng)能有效識(shí)別駕駛員的緊急制動(dòng)行為,且能在車(chē)輛緊急制動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)向預(yù)先安裝于汽車(chē)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(dòng)拓展到車(chē)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(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且可靠。

1 某車(chē)型典型工況加速度信號(hào)分析

本文通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)得到了某車(chē)型在40 km/h、50km/h、60km/h時(shí)緊急制動(dòng)、正常制動(dòng)、點(diǎn)剎和通過(guò)路障等4種工況下的加速度信號(hào)。試驗(yàn)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(hào)如圖1所示(g為重力加速度)。40 km/h和 60km/h加速度信號(hào)與50km/h時(shí)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(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短、曲線走勢(shì)及加速度信號(hào)積分曲線特點(diǎn)等幾個(gè)方面對(duì)圖1所示的加速度信號(hào)進(jìn)行了比較,見(jiàn)表1。

表1 加速度峰值、信號(hào)持續(xù)時(shí)間及曲線走勢(shì)的比較(速度為50km/h)

從表1可以看出,緊急制動(dòng)時(shí),車(chē)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(hào)在緊急制動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)急劇攀升,且峰值持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),有明顯的“窗寬”出現(xiàn)。正常制動(dòng)時(shí),加速度峰值大小為0.4g左右,制動(dòng)時(shí)間比緊急制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)得多,且加速度信號(hào)較為平緩。點(diǎn)剎時(shí),加速度峰值大小在0.2g左右,加速度信號(hào)表現(xiàn)為明顯的波浪形曲線。通過(guò)路障時(shí),加速度峰值大小在0.3g左右,加速度信號(hào)在短時(shí)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(hào)相比,緊急制動(dòng)工況下的加速度信號(hào)最為顯著的特點(diǎn)是：加速度值攀升急劇、峰值大、峰值持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、有明顯的窗寬出現(xiàn)。對(duì)所得的加速度信號(hào)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(dòng)時(shí)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(dòng)后的極短時(shí)間內(nèi),其加速度積分值就會(huì)與其他工況有明顯的差別,這種情況在其他車(chē)速時(shí)也同樣存在[6]。

由此可見(jiàn),設(shè)置一定的窗寬,對(duì)加速度信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(shí)間長(zhǎng)度w作為窗寬,對(duì)窗內(nèi)的加速度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)積分,以積分結(jié)果作為判斷依據(jù)[7]。其計(jì)算公式為

式中,a(t)為加速度信號(hào);t為積分當(dāng)前時(shí)刻;w為窗寬。

這種算法可以通過(guò)合理地選擇積分窗寬來(lái)區(qū)分汽車(chē)不同的行駛工況,抗干擾能力強(qiáng),且較容易實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)加速度信號(hào)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(jì)算。即先將積分區(qū)間[t-w,t]分成n個(gè)等長(zhǎng)的小區(qū)間[ti-1,ti](i=1,2,…,n),區(qū)間長(zhǎng)度h=w/n,在每個(gè)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(jì)算公式如下：

該算法在具體實(shí)現(xiàn)時(shí),可用兩個(gè)數(shù)組a[0]～a[n]和s[0]～s[n]分別存儲(chǔ)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(dòng)一個(gè)單位后(圖4),控制系統(tǒng)讀入一個(gè)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(dòng)后的積分值為

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，民眾環(huán)保意識(shí)得到了顯著提升，在享受物質(zhì)生活的同時(shí)，也更加關(guān)注環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，我國(guó)科技人員對(duì)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(jí)生物處理相結(jié)合的方法為目前的主流技術(shù)。

圖4 移動(dòng)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(shí),中間一段總是相同的(圖4)。因此,可將式(5)改寫(xiě)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(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,又能避免做重復(fù)的移位和累加運(yùn)算,可大幅度提高系統(tǒng)運(yùn)算速度,具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)。

2.2 算法參數(shù)的確定

在本系統(tǒng)中,移動(dòng)窗積分算法中的窗寬和閾值必須同時(shí)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(shí)間內(nèi)識(shí)別出駕駛員的緊急制動(dòng)行為。經(jīng)試計(jì)算,速度為100km/h的汽車(chē)在1s內(nèi)要行駛27.7m,所以積分窗寬應(yīng)小于1s為宜。

(2)對(duì)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(dòng)時(shí)的加速度信號(hào)積分值大于積分窗體在時(shí)間軸上“移動(dòng)”時(shí),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(dòng)加速度積分值的最小值,以保證系統(tǒng)能識(shí)別不同速度下的緊急制動(dòng)行為。同時(shí),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(shí)間軸上“移動(dòng)”時(shí)系統(tǒng)不會(huì)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(zhǎng)度h取10ms。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖5 系統(tǒng)硬件方案圖

以STC89C58RD+單片機(jī)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(chē)輛的制動(dòng)加速度信號(hào),通過(guò)信號(hào)調(diào)理后,再利用MAX197進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并最終送入單片機(jī)進(jìn)行分析運(yùn)算。一旦分析結(jié)果超過(guò)程序設(shè)定的危險(xiǎn)值則認(rèn)定事故將要發(fā)生,系統(tǒng)即刻輸出觸發(fā)信號(hào)讓執(zhí)行元件工作,使碰撞緩沖吸能裝置主動(dòng)拓展到車(chē)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(jī)為核心,包括傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)電路及電源電路等。其中,ADXL103為單軸加速度計(jì),5V供電,與單片機(jī)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(chē)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(hào)輸出腳外接一個(gè)電容即可輕松實(shí)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(jì)

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(dòng)窗積分算法子程序、定時(shí)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(chē)啟動(dòng))后250ms內(nèi)每隔10ms記錄一個(gè)加速度值,這樣就能在汽車(chē)啟動(dòng)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(xiǎn)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(dòng)相應(yīng)的裝置,反之則在下一個(gè)10ms定時(shí)時(shí)間到來(lái)時(shí)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(dòng)窗積分算法程序流程圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能,本文按照上述原理開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的硬軟件系統(tǒng),并完成了試驗(yàn)室內(nèi)的小車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)際工況的道路試驗(yàn)驗(yàn)證。

5.1 小車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

小車(chē)試驗(yàn)的主要目的在于驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的可靠性及其觸發(fā)時(shí)間的正確性。試驗(yàn)裝置如圖8和圖9所示。小車(chē)在重塊的牽引下,在水平臺(tái)面上運(yùn)動(dòng)。其加速度值的大小可通過(guò)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(chē)質(zhì)量、重塊1、重塊2的質(zhì)量;f為摩擦力。

圖8 小車(chē)試驗(yàn)原理圖

圖9 試驗(yàn)裝置圖

驗(yàn)證條件設(shè)定如下：

(1)由于該試驗(yàn)的目的僅為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可靠性及其觸發(fā)時(shí)間的正確性,因此,小車(chē)試驗(yàn)的閾值v可以與上述實(shí)車(chē)試驗(yàn)的閾值不同?？蓪⑵湓O(shè)為任意值,本試驗(yàn)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(yàn)小車(chē)上,再額外安裝一個(gè)單軸加速度傳感器,并用移動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀(MDR)記錄該加速度傳感器的信號(hào)。由MDR所得的信號(hào)可以求出試驗(yàn)小車(chē)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(shí)刻t0。即理論上講,控制系統(tǒng)應(yīng)該在t0時(shí)刻發(fā)出觸發(fā)指令。

(3)試驗(yàn)測(cè)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(shí)時(shí)間td(包括繼電器和指示燈的反應(yīng)時(shí)間)為205ms左右。則理論上講,高速攝像機(jī)所拍攝的指示燈變亮的時(shí)刻應(yīng)該為t0+td。

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

3次試驗(yàn)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(chē)試驗(yàn)加速度曲線

圖11 小車(chē)試驗(yàn)加速度積分曲線

表2 理論觸發(fā)時(shí)刻與實(shí)際觸發(fā)時(shí)刻對(duì)比

由表2可知,實(shí)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(shí)間正確。

5.2 實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)驗(yàn)證

在干燥瀝青水泥路面,路障高度為30mm的試驗(yàn)環(huán)境下,對(duì)該碰撞事故判別系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證。所選工況仍然是該車(chē)型在40km/h、50km/h 、60km/h時(shí)的緊急制動(dòng)、正常制動(dòng)、點(diǎn)剎和通過(guò)路障。結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)表明,該系統(tǒng)能有效識(shí)別駕駛員的緊急制動(dòng)行為并預(yù)測(cè)碰撞事故是否會(huì)發(fā)生。系統(tǒng)能向置于汽車(chē)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(yàn)中無(wú)一例誤觸發(fā)情況發(fā)生。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了一種以駕駛員的緊急制動(dòng)行為為依據(jù)的,以移動(dòng)窗積分算法為核心的汽車(chē)碰撞緩沖吸能裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)。研究表明,采用移動(dòng)窗積分算法能夠有效識(shí)別駕駛員的緊急制動(dòng)行為并且具有良好的區(qū)分干擾工況的能力。同時(shí),試驗(yàn)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(shí)別緊急制動(dòng)工況,且能排除正常制動(dòng)、點(diǎn)剎和通過(guò)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(jià)值。本文的研究?jī)?nèi)容及成果對(duì)主被動(dòng)結(jié)合的汽車(chē)碰撞緩沖吸能裝置的開(kāi)發(fā)具有實(shí)際性指導(dǎo)意義,對(duì)于其他碰撞事故預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)也有較好的參考價(jià)值。當(dāng)然,本文未考慮不同車(chē)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(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果

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