顏凌波 祝志鵬 王 凱 曹立波

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，4100822.寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司，寧德，352000

基于移動(dòng)窗比功率的主動(dòng)式頭枕控制算法

顏凌波1祝志鵬1王 凱2曹立波1

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，4100822.寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司，寧德，352000

為減小追尾碰撞中乘員損傷，開發(fā)了一款基于加速度信號(hào)控制的主動(dòng)式頭枕。針對(duì)其控制系統(tǒng)，提出了移動(dòng)窗比功率算法。通過與移動(dòng)窗積分算法和比功率算法進(jìn)行運(yùn)算數(shù)據(jù)對(duì)比，分析了其抗干擾性和觸發(fā)及時(shí)性，并開展了頭枕臺(tái)架試驗(yàn)和后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)。結(jié)果表明，該算法抗干擾性更強(qiáng)，觸發(fā)更及時(shí)，其觸發(fā)時(shí)刻誤差在1 ms以內(nèi)，能有效避免誤觸發(fā)；頭枕可在碰撞發(fā)生后52 ms內(nèi)完全展開，控制系統(tǒng)可在15 ms內(nèi)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。

主動(dòng)式頭枕；控制系統(tǒng)；移動(dòng)窗比功率算法；追尾碰撞

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由汽車追尾碰撞引發(fā)的頸部損傷率高達(dá)77%[1]。在追尾碰撞時(shí)，由于身體突然被座椅推向前，而頭部和頸部滯后于身體，引起頸部過度拉伸；之后，身體向前速度超過車速，頭部滑向前方，造成頸部過度彎曲，這是頸部揮鞭傷產(chǎn)生的機(jī)理[2]。這種傷害不僅使患者承受巨大的痛苦，也給社會(huì)帶來了很大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。頭枕作為座椅頂部的延伸，其主要功能是在追尾碰撞中減小頭部和頸部相對(duì)向后運(yùn)動(dòng)[4]，進(jìn)而降低頭部和軀干的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而減小乘員頸部損傷。研究表明，增加頭枕高度、減小頭枕與頭部之間距離，有助于減小頸部損傷[5]。但由于考慮乘員舒適性和側(cè)面視野等因素，普通頭枕只能起到13%～18%的頸部保護(hù)效果[6]。在追尾碰撞中,頭越早接觸到頭枕，頸部受到嚴(yán)重傷害的幾率就越低[7]，主動(dòng)式頭枕由于可以主動(dòng)靠近頭部，因此能夠及早托住乘員頭部。據(jù)統(tǒng)計(jì)，主動(dòng)式頭枕可使乘員頸部傷害減少44%[8]。

目前汽車上使用的主動(dòng)式頭枕主要有兩種，分別為純機(jī)械主動(dòng)式頭枕和機(jī)電一體化主動(dòng)式頭枕[9]。純機(jī)械式的頭枕裝置是借助乘員身體的力量來觸發(fā)，但在使用中容易出現(xiàn)誤觸發(fā)的問題，并且對(duì)身高較低的乘員可能出現(xiàn)不觸發(fā)和響應(yīng)滯后等問題[10]。而對(duì)于機(jī)電一體化主動(dòng)式頭枕如預(yù)響應(yīng)式頭枕，通過毫米波雷達(dá)預(yù)測(cè)碰撞的發(fā)生，能夠提前觸發(fā)頭枕，有效地保護(hù)乘員頸部，但其制作成本較高，難以普及[11]；另外一種碰撞響應(yīng)式頭枕能夠依據(jù)碰撞的加速度信號(hào)來判斷追尾碰撞的發(fā)生，信號(hào)采集方便，成本較低，對(duì)觸發(fā)算法要求較高，目前在基礎(chǔ)算法方面已有了一定的發(fā)展。

傳統(tǒng)判斷碰撞的算法有加速度峰值法、加速度梯度法、速度變化量法、比功率算法、移動(dòng)窗積分算法、ARMA模型預(yù)報(bào)算法等，其中使用范圍較廣的是移動(dòng)窗積分算法和比功率算法[12]。移動(dòng)窗積分算法有一定的抗干擾性，但是無法區(qū)分碰撞類型，在顛簸路面等惡劣行車工況下容易誤觸發(fā)，使用條件有局限性；而比功率算法只考慮了碰撞強(qiáng)度，沒有對(duì)碰撞時(shí)刻進(jìn)行控制，因此實(shí)際控制中，其觸發(fā)時(shí)刻不穩(wěn)定。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)式頭枕采用碰撞響應(yīng)式。為使其達(dá)到最優(yōu)的安全保護(hù)效果，針對(duì)其控制系統(tǒng)，提出一種移動(dòng)窗比功率算法，并對(duì)其抗干擾性、觸發(fā)及時(shí)性進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證和比較。

1 頭枕機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(a)頭枕閉合圖

主動(dòng)式頭枕由固定件、彈出件、彈簧驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、鎖扣機(jī)構(gòu)、電磁鐵等組成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。固定件安裝在汽車椅背上，在車輛正常行駛時(shí)，頭枕處于閉合狀態(tài)；當(dāng)頭枕檢測(cè)到追尾碰撞，而且碰撞強(qiáng)度達(dá)到控制系統(tǒng)觸發(fā)閾值時(shí)，電磁鐵則解除鎖扣機(jī)構(gòu)對(duì)頭枕的鎖止，頭枕彈出件在彈簧驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下，迅速展開，向上及向前移動(dòng)，主動(dòng)靠近乘員頭部，以達(dá)到防止或者減輕乘員頸部揮鞭損傷的效果。

(b)頭枕展開圖圖1 頭枕結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of the head restraint

基于相對(duì)平均男性頭部距離的幾何測(cè)量，頭枕的保護(hù)效果可分為優(yōu)秀、滿意、合格、較差四個(gè)等級(jí)[13]，如圖2所示。

圖2 頭枕評(píng)價(jià)圖[13]Fig.2 Head restraint evaluations[13]

本頭枕設(shè)計(jì)的彈開距離為向前向上運(yùn)動(dòng) 40 mm。若頭枕初始位置是在可接受最低限度范圍內(nèi)，即間距小于110 mm，高度大于100 mm，頭枕彈出后，則可歸于優(yōu)秀這一范疇。

2 移動(dòng)窗比功率控制算法研究

主動(dòng)式頭枕要達(dá)到良好的保護(hù)效果，不僅需要合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且需要能夠準(zhǔn)確控制觸發(fā)的控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中，控制算法是核心要素，能否準(zhǔn)確識(shí)別追尾碰撞并及時(shí)觸發(fā)頭枕使其彈開，是衡量其算法優(yōu)劣的關(guān)鍵。

2.1追尾碰撞加速度信號(hào)特征分析

關(guān)于控制算法，本研究是基于追尾碰撞響應(yīng)提出的。模擬追尾碰撞的C-NCAP鞭打試驗(yàn)加速度曲線如圖3所示[14]，歐洲Euro-NCAP的中強(qiáng)度波型以及美國(guó)IIHS的鞭打試驗(yàn)波形也均采用該曲線[15]。根據(jù)加速度曲線可知，在汽車追尾碰撞發(fā)生后30 ms內(nèi)，其加速度值快速上升，峰值可以達(dá)到10g，這與汽車正常行駛的各種工況有明顯不同。由于正碰、側(cè)碰等其他碰撞事故類型的加速度方向與追尾碰撞加速度方向不同，因此追尾碰撞加速度信號(hào)具有可用于追尾碰撞事故判定的顯著特征[16]。

圖3 C-NCAP鞭打試驗(yàn)加速度曲線[14]Fig.3 The acceleration curve of C-NCAP whiplash test[14]

2.2移動(dòng)窗比功率算法

在判斷碰撞事故方面，主動(dòng)式頭枕觸發(fā)算法與安全氣囊點(diǎn)火算法的基本原理大致相同，因此傳統(tǒng)安全氣囊點(diǎn)火算法可以為頭枕控制算法提供重要參考。研究表明，綜合考慮抗干擾性、觸發(fā)時(shí)刻及濾波要求，最常使用的是移動(dòng)窗積分算法和比功率算法[12]。移動(dòng)窗積分算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算效率高，但抗干擾性一般。比功率算法較復(fù)雜，抗干擾能力強(qiáng)，但是觸發(fā)時(shí)刻并不穩(wěn)定。本研究綜合以上兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種新的算法，即移動(dòng)窗比功率算法。

移動(dòng)窗比功率算法是在移動(dòng)窗積分算法和比功率算法基礎(chǔ)上提出的。移動(dòng)窗積分算法[17]是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的加速度信號(hào)進(jìn)行積分，反映了速度的變化，積分曲線比較平滑。具體公式如下：

(1)

式中，a(t)為加速度信號(hào);t為當(dāng)前時(shí)刻;w為積分窗寬;S(t,w)為移動(dòng)窗積分值。

在碰撞發(fā)生過程中，該算法可以較好地反映車輛能量的變化，但是僅僅依靠速度變化量不能區(qū)分碰撞類型，在柱面碰撞或偏置碰撞時(shí)容易漏觸發(fā)，在汽車緊急制動(dòng)或在顛簸路面上行駛時(shí)，該方法容易誤觸發(fā)。

比功率算法[18]綜合了加速度、速度和加速度梯度，抗干擾能力較強(qiáng)，其單位質(zhì)量下的比功率為

UdP(t)=a(t)2+ΔvJ(t)

(2)

其中，a(t)為加速度;Δv為碰撞過程中，實(shí)際車速與初速度之間的速度變化量;J(t)為加速度梯度。由于比功率算法只考慮了碰撞強(qiáng)度，沒有對(duì)碰撞時(shí)刻進(jìn)行控制，因此實(shí)際控制中，其觸發(fā)時(shí)刻不穩(wěn)定。

移動(dòng)窗比功率算法綜合了以上兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，將式(1)與式(2)融合，提出一種新的運(yùn)算公式：

(3)

式中，Y(t,w)為移動(dòng)窗比功率積分值。

式(3)是對(duì)比功率信號(hào)在當(dāng)前時(shí)刻t和當(dāng)前時(shí)刻前w時(shí)長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行積分，算法含義是功率的變化量。當(dāng)功率變化量超過預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，則發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，該算法融合了加速度信號(hào)、速度變化量信號(hào)及加速度梯度信號(hào)，因此抗干擾性較強(qiáng)。又由于該算法只存儲(chǔ)和處理當(dāng)前時(shí)刻之前w時(shí)間段內(nèi)的比功率值，因此其運(yùn)算效率高。

2.3移動(dòng)窗比功率算法抗干擾性分析

抗干擾性是衡量算法能否準(zhǔn)確檢測(cè)追尾碰撞工況的首要指標(biāo)。為驗(yàn)證移動(dòng)窗比功率算法的優(yōu)越性，本文對(duì)移動(dòng)窗積分算法、比功率算法以及移動(dòng)窗比功率算法在復(fù)雜路面工況的抗干擾性進(jìn)行了對(duì)比。首先本文以C-NCAP鞭打試驗(yàn)加速度波形為運(yùn)算對(duì)象，從碰撞開始時(shí)刻(0時(shí)刻)以不同的窗寬分別用移動(dòng)窗積分算法、比功率算法和移動(dòng)窗比功率算法進(jìn)行一次運(yùn)算，得到各窗寬終點(diǎn)時(shí)刻值。若窗寬短，則速度變化量較小，不容易區(qū)別；若窗寬長(zhǎng)，則觸發(fā)及時(shí)性降低，而鞭打試驗(yàn)加速度波形在碰撞后30ms內(nèi)即可以達(dá)到峰值。由此，本文設(shè)置的窗寬大小分別為13 ms、15 ms、17 ms、19 ms、21 ms和23 ms。之后，通過查閱文獻(xiàn)獲取汽車以60 km/h通過卵石路、60 km/h通過搓板路、50 km/h通過110 mm臺(tái)階及60 km/h通過石塊路的加速度曲線[19]。

為便于對(duì)各算法抗干擾性進(jìn)行對(duì)比，本文提出了抗干擾值K的概念，定義其計(jì)算公式為

K=Af/Amax

(4)

式中，Af算法在鞭打試驗(yàn)工況下各窗寬終點(diǎn)時(shí)刻值；Amax為算法在路面干擾工況下相應(yīng)窗寬內(nèi)最大運(yùn)算值。

圖4～圖7為實(shí)車行駛在不同路面上，干擾加速度及各算法抗干擾值曲線。從圖中可以看出移動(dòng)窗比功率算法曲線均在移動(dòng)窗積分算法之上，說明其抗干擾性優(yōu)于移動(dòng)窗積分算法。盡管隨著窗寬的增加，三種算法抗干擾性都在增強(qiáng)，但在窗寬大于等于19 ms后，移動(dòng)窗比功率算法抗干擾性明顯優(yōu)于移動(dòng)窗積分算法及比功率算法。由此可見，移動(dòng)窗比功率算法抗干擾性較好。

(a)路面干擾加速度曲線(b) 三種算法抗干擾值對(duì)比圖4 汽車60 km/h通過卵石路的行駛情況Fig.4 The driving conditions through peb ble road at 60 km/h

(a)路面干擾加速度曲線(b) 三種算法抗干擾值對(duì)比圖5 汽車60 km/h通過搓板路的行駛情況Fig.5 The driving conditions through washboard road at 60 km/h

(a)路面干擾加速度曲線(b) 三種算法抗干擾值對(duì)比圖6 汽車50 km/h通過110 mm臺(tái)階的行駛情況Fig.6 The driving conditions through 110 mm-step at 50 km/h

(a)路面干擾加速度曲線(b) 三種算法抗干擾值對(duì)比圖7 汽車60 km/h通過石塊路的行駛情況Fig.7 The driving conditions through stone road at 60 km/h

2.4移動(dòng)窗比功率算法的窗寬及閾值

在移動(dòng)窗比功率算法中，窗寬和閾值是兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，若選擇不合理會(huì)影響算法的控制準(zhǔn)確性和及時(shí)性。從圖4～圖7中可以看出，汽車以50 km/h通過110 mm臺(tái)階產(chǎn)生的干擾加速度最大，設(shè)定為工況1。為增強(qiáng)頭枕的抗干擾性能，本文參照工況1來確定移動(dòng)窗比功率算法的窗寬和閾值。移動(dòng)窗積分算法、比功率算法和移動(dòng)窗比功率算法在C-NCAP鞭打試驗(yàn)工況下首次運(yùn)算后各窗寬終點(diǎn)時(shí)刻值、在工況1下的相應(yīng)窗寬內(nèi)最大運(yùn)算值以及在各窗寬處的抗干擾值如表1所示。

由式(4)可知，抗干擾值大于1時(shí)才可以承受不正當(dāng)干擾。比功率算法及移動(dòng)窗比功率算法在窗寬17 ms時(shí)即可超過此抗干擾值，而移動(dòng)窗積分算法則在19 ms左右才能達(dá)到。在窗寬為23 ms時(shí)，移動(dòng)窗積分算法、比功率算法的抗干擾值均小于1.8，而移動(dòng)窗比功率算法接近3.7。窗寬越大，則程序運(yùn)算量越大，檢測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)。在保證抗干擾性的前提下，綜合考慮算法觸發(fā)及時(shí)性，本文將窗寬設(shè)定為23 ms。

表1 三種算法在各窗寬下的各項(xiàng)數(shù)值

對(duì)于閾值的設(shè)定，同樣由式(4)可知，其大小應(yīng)設(shè)定在工況1下該窗寬處算法最大運(yùn)算值與鞭打試驗(yàn)工況下算法在該窗寬終點(diǎn)時(shí)刻值之間?；陂撝档膮^(qū)間特性，本文設(shè)定一個(gè)安全因子，以工況1下該窗寬處算法最大運(yùn)算值為基值，將該最大值與安全因子相乘得到閾值。安全因子大小應(yīng)在能承受不正當(dāng)干擾的最小抗干擾值1與最大抗干擾值3.7之間。綜合考慮抗干擾性及觸發(fā)及時(shí)性，本文將安全因子設(shè)定為2。工況1下，該窗寬內(nèi)的移動(dòng)窗比功率最大運(yùn)算值為275.4450。因此閾值設(shè)定為：275.4450×2≈276×2=552。

2.5移動(dòng)窗比功率算法觸發(fā)及時(shí)性分析

頭枕能否盡早接觸頭部以減小頭部相對(duì)頸部的剪切力，對(duì)減輕或防止頭部揮鞭損傷至關(guān)重要。因此本文又對(duì)移動(dòng)窗積分算法、比功率算法以及移動(dòng)窗比功率算法的觸發(fā)及時(shí)性進(jìn)行了對(duì)比分析。為探究各算法識(shí)別追尾碰撞所需時(shí)間的差異，首先以某次模擬追尾碰撞的臺(tái)車試驗(yàn)加速度波形為對(duì)象(圖8)，分別采用移動(dòng)窗積分算法、比功率算法和移動(dòng)窗比功率算法以23 ms窗寬進(jìn)行運(yùn)算。工況1下各算法在該窗寬內(nèi)的最大運(yùn)算值如表1所示，以此為基值，安全因子均設(shè)定為2，然后進(jìn)行閾值設(shè)定。移動(dòng)窗積分算法觸發(fā)閾值為56.5113×2=113.0226≤114，按照114設(shè)定；比功率算法觸發(fā)閾值為73.3368×2=146.6736≤147，按照147設(shè)定；移動(dòng)窗比功率算法觸發(fā)閾值是275.4450×2=550.89≤552，按照552設(shè)定。

圖8 臺(tái)車試驗(yàn)加速度曲線Fig.8 The acceleration curve of sled test

按照設(shè)定的觸發(fā)閾值，在移動(dòng)窗積分算法、比功率算法及移動(dòng)窗比功率算法運(yùn)算值與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系中求得相應(yīng)觸發(fā)時(shí)刻。三種算法識(shí)別碰撞所需理論時(shí)間如表2所示。通過對(duì)比三種算法觸發(fā)時(shí)刻可見，移動(dòng)窗比功率算法觸發(fā)時(shí)刻最早，因此觸發(fā)及時(shí)性有較大優(yōu)勢(shì)。

表2 三種算法的理論觸發(fā)時(shí)刻

3 主動(dòng)式頭枕控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

頭枕控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具采用的是CodeWarrior仿真調(diào)試軟件，選用16位Freescale MC9S12G48主芯片進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，并在線仿真、調(diào)試。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括主函數(shù)、鎖相環(huán)升頻函數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)、輸出比較定時(shí)函數(shù)、移動(dòng)窗比功率運(yùn)算函數(shù)、閾值判斷與觸發(fā)函數(shù)。

依據(jù)頭枕控制算法特點(diǎn)制定其控制流程。單片機(jī)實(shí)時(shí)采集加速度信號(hào)，利用A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。若單片機(jī)采樣周期為T，則以nT表示當(dāng)前采樣時(shí)刻，其加速度為an，相鄰前一個(gè)采樣時(shí)刻為(n-1)T，其加速度為an-1。在本研究中，單片機(jī)主循環(huán)程序每隔0.5 ms采集一次加速度信息，因此在設(shè)定的窗寬23 ms時(shí)間間隔內(nèi)，將有46個(gè)數(shù)據(jù)在移動(dòng)窗窗格內(nèi)。速度變化量Δvn可以通過移動(dòng)積分法求得[20]，即

(5)

為了增加主芯片的工作效率，在計(jì)算下一個(gè)速度變化量Δvn+1時(shí)，可首先通過梯形求積法求加速度an+1與an之間的梯形面積Sn+1，含義為(n+1)T時(shí)刻與nT時(shí)刻之間的速度變化量。當(dāng)前速度變化量Δvn加上剛移入移動(dòng)窗的梯形面積Sn+1，減去剛移出的小梯形S1，就可以得到(n+1)T時(shí)刻與2T時(shí)刻之間速度變化量Δvn+1，即

Δvn+1=Δvn+Sn+1-S1

(6)

加速度梯度含義為加速度變化率，通過其定義可以得出梯度J(n)計(jì)算公式：

(7)

同樣，由比功率定義可知，其計(jì)算公式可以表示為

(8)

因此，移動(dòng)窗比功率可表示為

(9)

程序流程如圖9所示。單片機(jī)依次讀入一個(gè)新數(shù)據(jù)(即加速度an)，之后分別用移動(dòng)積分法和梯度定義求得速度變化量Δvn和加速度梯度J(n)。將速度變化量和加速度梯度的乘積與加速度的平方值相加，得到比功率值UdP(n)。在設(shè)定的窗寬內(nèi)，對(duì)比功率進(jìn)行積分計(jì)算，得到移動(dòng)窗比功率Y(n)。將其與算法預(yù)先設(shè)定的閾值比較，若超過閾值，則立即發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，解除電磁鐵對(duì)鎖扣的鎖止，進(jìn)而展開頭枕。當(dāng)碰撞工況結(jié)束后，可以手動(dòng)將頭枕復(fù)位至閉合狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)。

圖9 程序流程圖Fig.9 The program flow chart

4 控制算法試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1頭枕臺(tái)架試驗(yàn)

為了測(cè)試頭枕控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，本研究設(shè)計(jì)了一款頭枕試驗(yàn)臺(tái)架，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖10所示。運(yùn)動(dòng)原理為絲杠前端與鎖扣后端軸承連接，鎖扣卡住座椅平臺(tái)后端銷子，絲杠順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，拉動(dòng)座椅沿導(dǎo)軌向后移動(dòng)，同時(shí)壓縮彈簧。鎖扣釋放時(shí)，頭枕平臺(tái)在壓縮彈簧作用下沿導(dǎo)軌向前加速運(yùn)動(dòng)。在試驗(yàn)過程中通過改變彈簧壓縮量，可以調(diào)節(jié)頭枕的加速度峰值大小。本文以不同的彈簧壓縮量進(jìn)行了七組頭枕臺(tái)架試驗(yàn)，并通過數(shù)據(jù)采集儀采集電路板加速度傳感器信號(hào)及頭枕觸發(fā)信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖10 頭枕試驗(yàn)臺(tái)架Fig.10 The bench of the head restraint

試驗(yàn)組別實(shí)際觸發(fā)時(shí)刻(s)理論觸發(fā)時(shí)刻(s)實(shí)際觸發(fā)時(shí)移動(dòng)窗比功率大小觸發(fā)電壓(V)誤差(ms)是否觸發(fā)12．94552．946564．3364．7906+0．5是22．71752．717607．0944．7711-0．5是34．11204．113576．9364．9061+1．0是44．10454．104655．4245．0465-0．5是54．01654．017760．5584．9821+0．5是63．01503．015619．4215．12000是700否

從表3中看出，前六組試驗(yàn)均已觸發(fā)，實(shí)際觸發(fā)時(shí)移動(dòng)窗比功率大小均超過閾值552，其中有四組理論與實(shí)際觸發(fā)時(shí)刻存在誤差，但誤差在1 ms之內(nèi)。第七組試驗(yàn)，頭枕沒有被觸發(fā)，其移動(dòng)窗比功率曲線最大值約為213，小于閾值552。通過測(cè)試結(jié)果可知七組試驗(yàn)完全符合標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)要求，由此表明本研究設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是準(zhǔn)確的。

4.2后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)

后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)可以更加真實(shí)地模擬后碰撞事故。本研究開展了后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)以進(jìn)一步檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、測(cè)試其反應(yīng)時(shí)間，并觀察頭枕機(jī)械結(jié)構(gòu)在碰撞中的響應(yīng)。

首先，在試驗(yàn)前，將臺(tái)車質(zhì)量配置到685 kg，吸能筒長(zhǎng)度520 mm，直徑112 mm，壁厚1 mm，材料選用Q235，單管焊接于臺(tái)車前板中央。將頭枕安裝在固定于臺(tái)車的座椅上，頭枕控制板反向安裝在臺(tái)車車架上，并將觸發(fā)開關(guān)貼在吸能桶最前端。利用數(shù)據(jù)采集儀采集控制板加速度傳感器信號(hào)及頭枕觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)吸能桶與剛性墻發(fā)生碰撞時(shí)，數(shù)據(jù)記錄儀開始啟動(dòng)并記錄碰撞數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中，將臺(tái)車的碰撞速度設(shè)定為15.6 km/h。

在碰撞過程中使用高速攝像記錄頭枕的運(yùn)動(dòng)情況，其展開過程如圖11所示。頭枕在碰撞發(fā)生后，28 ms時(shí)開始動(dòng)作，52 ms內(nèi)完全展開。

圖11 頭枕展開過程Fig.11 The bounce process of the head restraint

臺(tái)車碰撞前后效果如圖12所示。將后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)加速度曲線與KRAFFT等[21]記錄的真實(shí)后碰撞加速度波形進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示。由圖可見，其峰值大小、波形走勢(shì)及碰撞響應(yīng)時(shí)間均有較高的相似性。

(a)試驗(yàn)前 (b)試驗(yàn)后圖12 后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)Fig.12 Rear impact sled test

圖13 后碰撞臺(tái)車與后碰撞實(shí)車加速度對(duì)比曲線Fig.13 The acceleration contrast curve of the rear impact sled test and the real vehicle rear impact

后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)加速度曲線以及觸發(fā)信號(hào)曲線如圖14所示，可以發(fā)現(xiàn)，頭枕實(shí)際觸發(fā)時(shí)刻為0.0150 s，對(duì)應(yīng)的觸發(fā)電壓值為5.0263 V。以后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)加速度為基礎(chǔ)，獲得的移動(dòng)窗比功率曲線如圖15所示，可以看出，頭枕理論觸發(fā)時(shí)刻為0.0140 s，對(duì)應(yīng)算法運(yùn)算值為563.8780；整個(gè)控制系統(tǒng)延遲觸發(fā)1 ms，表明控制系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性。

圖14 后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)加速度曲線以及觸發(fā)信號(hào)曲線Fig.14 The acceleration curve of the rear impact sled test and the curve of the trigger signal

圖15 后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)移動(dòng)窗比功率曲線Fig.15 The moving window specific power algorithm curve of the rear impact sled test

綜上所述，頭枕控制系統(tǒng)在該種工況下，可在15 ms內(nèi)完成追尾碰撞識(shí)別，并發(fā)出信號(hào)。由圖11可知，頭枕系統(tǒng)總響應(yīng)時(shí)間為52 ms，頭枕完全展開需要24 ms，則電磁鐵動(dòng)作時(shí)間為13 ms。 HIMMETOGLU[22]的后碰撞仿真研究表明，不同座椅和不同碰撞波型下，乘員首次接觸頭枕的時(shí)間為55～90 ms不等，本頭枕的響應(yīng)時(shí)間小于該接觸頭枕時(shí)間的下限值，因此可以在后碰撞事故中使乘員頭部提前得到頭枕的支撐，減少頸部損傷。

5 討論

本文主要對(duì)主動(dòng)式頭枕的控制算法進(jìn)行研究，以提高觸發(fā)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，對(duì)頸部保護(hù)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義，對(duì)追尾碰撞預(yù)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)也有較好的參考價(jià)值。本課題組的仿真分析研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的主動(dòng)式頭枕在追尾碰撞中只要能及時(shí)正確彈開，就可以使乘員頸部損傷指數(shù)NIC 值相比固定式頭枕降低 33.8%[23]，對(duì)乘員頭頸部有明顯的保護(hù)作用。在本研究中，因缺少適用于后碰撞的Bio RIDⅡ假人，暫時(shí)不能驗(yàn)證本主動(dòng)式頭枕對(duì)假人的保護(hù)效果，存在一定局限性，后續(xù)研究可針對(duì)坐姿假人的頭枕保護(hù)效果繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

6 結(jié)論

(1) 開發(fā)了基于加速度信號(hào)控制的碰撞響應(yīng)式頭枕，該頭枕能夠在追尾碰撞時(shí)及時(shí)彈出托住頭部，以有效保護(hù)乘員頸部。

(2)設(shè)計(jì)了以移動(dòng)窗比功率算法為核心的控制系統(tǒng)，確定了算法的窗寬和閾值，通過與移動(dòng)窗積分算法及比功率算法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該算法的抗干擾性、觸發(fā)及時(shí)性與以上兩種算法相比都有較大優(yōu)勢(shì)。

(3)通過頭枕臺(tái)架試驗(yàn)和后碰撞臺(tái)車試驗(yàn)確認(rèn)了該算法的有效性，頭枕觸發(fā)時(shí)刻誤差在1 ms以內(nèi)，其控制系統(tǒng)可在15 ms內(nèi)完成追尾碰撞工況識(shí)別，頭枕總響應(yīng)時(shí)間為52 ms。

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(編輯王旻玥)

ControlAlgorithmofActiveHeadRestraintsBasedonMovingWindowSpecificPower

YAN Lingbo1ZHU Zhipeng1WANG Kai2CAO Libo1

1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082 2.Contemporary Amperex Technology Co.,Limited Headquarters,Ningde,Fujian，352000

An active head restraint controlled by the acceleration signals was developed to reduce occupant injury in the rear-end impacts. Aiming at the control systems of the restraint, a moving window specific power algorithm was proposed. Its anti-jamming and trigger timeliness were analyzed by comparing operational data with moving window integration algorithm and specific power algorithm respectively, and several tests including head restraint bench tests and rear impact sled tests were conducted. The results show that the algorithm has a robust anti-interference and a timely trigger, its trigger time error is within 1 ms, and that false triggering may be avoided effectively. The control system may send out the control signals within 15 ms, and that the head restraint may be fully expanded 52 ms after the collision.

active head restraint; control system; moving window specific power algorithm; rear-end impact

U461.91

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.22.001

2016-12-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51605152)；湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(31575005)；汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2015年度開放基金資助項(xiàng)目(NVHSKL-201509)

顏凌波，男，1984年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院助理研究員。主要研究方向?yàn)槠嚺鲎舶踩?。祝志鵬，男，1991年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院碩士研究生。E-mail:zzphnu@163.com。王凱，男，1990年生。寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司工程師。曹立波，男，1964 年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士研究生導(dǎo)師。