汽車碰撞預(yù)警與碰撞吸能技術(shù)結(jié)合的CST控制系統(tǒng)

杜青云 雷正保 魏書彬

1.長沙理工大學(xué)道路災(zāi)變防治及交通安全教育部工程研究中心,長沙,410004

2.長沙理工大學(xué)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙,410004

汽車碰撞預(yù)警與碰撞吸能技術(shù)結(jié)合的CST控制系統(tǒng)

杜青云1,2雷正保1,2魏書彬1,2

1.長沙理工大學(xué)道路災(zāi)變防治及交通安全教育部工程研究中心,長沙,410004

2.長沙理工大學(xué)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙,410004

為了使螺紋剪切式(CST)碰撞吸能裝置能像安全氣囊一樣,在汽車遇到危險(xiǎn)時(shí)能夠被迅速推出,以單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心,設(shè)計(jì)了一種汽車碰撞預(yù)警和碰撞吸能技術(shù)相結(jié)合的CST控制系統(tǒng)。控制單元通過接收路面條件開關(guān)信號及車速傳感器的車速信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,計(jì)算出汽車此時(shí)應(yīng)保持的安全距離,并將該安全距離與毫米波雷達(dá)所測實(shí)際距離進(jìn)行比較,一旦實(shí)測距離小于安全距離則啟動報(bào)警單元。根據(jù)上述控制系統(tǒng)制作了一個(gè)相應(yīng)的電路板,從而證明了系統(tǒng)的可行性。

汽車安全;碰撞預(yù)警;碰撞吸能;CST控制系統(tǒng)

0 引言

汽車行駛的安全性主要取決于駕駛?cè)藛T,據(jù)統(tǒng)計(jì),由駕駛員失誤引發(fā)的交通事故占交通事故總數(shù)的75%以上。大部分駕駛員對縱向安全間距與車速的關(guān)系判斷不清。奔馳汽車公司對各類交通事故進(jìn)行的研究表明:若駕駛員能夠提前1s意識到事故危險(xiǎn)并采取相應(yīng)正確的措施,則絕大多數(shù)交通事故可以避免,如果提前0.5s,則有45%的事故可以避免[1]。

因此,研究開發(fā)出道路追尾預(yù)防報(bào)警裝置可以為駕駛員爭取時(shí)間采取應(yīng)對措施以避免事故發(fā)生;另一方面,當(dāng)防撞系統(tǒng)發(fā)揮作用而駕駛員卻由于主觀因素未能及時(shí)反應(yīng)時(shí)就需要一種能在事故發(fā)生后減輕乘員傷害和財(cái)產(chǎn)損失的吸能裝置。

本文以新型的螺紋剪切式(cutting the screw thread,CST)碰撞吸能裝置(以下簡稱CST裝置)這一發(fā)明專利[2-3]為研究基礎(chǔ)進(jìn)行汽車碰撞預(yù)警與碰撞吸能技術(shù)相結(jié)合的CST碰撞吸能裝置控制系統(tǒng)(以下簡稱CST控制系統(tǒng))的設(shè)計(jì)。由于CST裝置在碰撞吸能過程中是漸進(jìn)、連續(xù)式地剪切內(nèi)螺紋或外螺紋,剪切力基本為一恒定值,因此剪切過程平穩(wěn),可以有效地減小發(fā)生二次碰撞的概率。CST裝置安裝靈活,可以配合一定的傳動裝置,充分利用車外空間進(jìn)行碰撞能量的吸收,因此,可以使車內(nèi)乘員空間適當(dāng)增大。

1 CST裝置及傳動裝置介紹

CST裝置的吸能機(jī)理不同于傳統(tǒng)的壓潰式吸能機(jī)理,它利用沖剪螺紋的過程來吸收碰撞能量,其結(jié)構(gòu)圖見圖1。其中,伸縮螺桿1可由電機(jī)9通過傳動螺母2進(jìn)行驅(qū)動,當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)迅速伸出車外,發(fā)生碰撞時(shí),伸縮螺桿1受到?jīng)_擊,最終和沖擊凸臺10一起運(yùn)動,并剪切吸能螺紋6來吸收碰撞能量。

圖1 CST裝置結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)以ATmega128-16AC芯片作為主要控制單元?？刂茊卧邮章访鏃l件開關(guān)的信號及車速傳感器的車速信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,計(jì)算出汽車此時(shí)應(yīng)保持的安全距離,然后將其與裝于汽車前部的測距儀所測實(shí)際距離進(jìn)行比較,一旦實(shí)測距離小于安全距離或自車車速超過80km/h,則啟動報(bào)警單元提醒駕駛員采取應(yīng)對措施以避免發(fā)生追尾碰撞事故;同時(shí)控制電機(jī)驅(qū)動CST裝置伸出使其在危險(xiǎn)不可避免時(shí)吸收碰撞產(chǎn)生的能量,保護(hù)汽車及乘客安全。圖2所示為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。整個(gè)系統(tǒng)由安全距離模型、測距模塊、測速模塊、驅(qū)動模塊及相應(yīng)的軟硬件組成。

2.1 安全距離模型計(jì)算

通過分析自車在各種路面狀態(tài)下應(yīng)保持的最小行車間距并對其計(jì)算公式中的參數(shù)進(jìn)行分析,建立了一個(gè)安全距離模型,代入具體參數(shù)計(jì)算出各種情況下的安全距離,見表1。

圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

表1 各種情況下的安全距離值

2.2 測距方式選擇

目前,運(yùn)用在汽車上的測距方法主要有超聲波測距、毫米波雷達(dá)測距、攝像系統(tǒng)(CCD)測距、激光測距和夜間應(yīng)用的紅外線測距等幾種。表2所示為各種測距方式的性能比較。

表2 各種測距方式的性能比較

綜合比較,本研究選用德國Smartm icro公司的毫米波雷達(dá) UMRRV 5.50作為測距設(shè)備。該款雷達(dá)是運(yùn)用于汽車和國防安全及工業(yè)場合的先進(jìn)傳感器,目前已在各高檔汽車(如大眾、馬自達(dá)、奧迪等車型)上得到應(yīng)用。

2.3 測速傳感器選擇

測速傳感器主要有磁電式、霍爾式或者光電式三種。綜合比較,本研究采用光電式測速傳感器作為測速傳感器。由于其光敏三極管接收的是峰值波長為880～900nm的近紅外光,而陽光的波長在280nm以上,易對光電傳感器形成干擾,因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)避免陽光照到光敏三極管上。故在設(shè)計(jì)中,將光電測速傳感器封閉安裝于汽車底部,從而避免了陽光對傳感器的干擾,封裝也有效降低了灰塵對傳感器的影響,增長其使用壽命。

2.4 電機(jī)驅(qū)動電路

由于直流電動機(jī)控制方便,調(diào)速性好,變流裝置結(jié)構(gòu)簡單,長期以來經(jīng)常在調(diào)速傳動中使用[4],因此本系統(tǒng)采用直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。

2.4.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算

在本系統(tǒng)中,直流電機(jī)的驅(qū)動及安裝位置如圖3所示,CST裝置的吸能內(nèi)螺紋全長為380mm,根據(jù)設(shè)計(jì)安全時(shí)間需求,螺桿要在3s內(nèi)伸出,預(yù)留出1s的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間和電機(jī)啟動時(shí)間,則螺桿要在2s內(nèi)全部伸出。該螺桿螺距為10mm,則螺桿在2.0s內(nèi)應(yīng)旋轉(zhuǎn)380/10=38圈。齒輪1與齒輪2的齒數(shù)比z1/z2=4.5,齒輪2的大徑為40mm,齒輪1的大徑為180mm,則直流電機(jī)應(yīng)具有的轉(zhuǎn)速為38×4.5/2=85.5r/s=5130r/min。傳動螺母采用的內(nèi)襯材料為Cr12M oV,螺母結(jié)構(gòu)材料為ZQA l,這樣可保證至少有8圈傳動螺紋的情況下螺母能夠剪斷吸能螺紋且自身的傳動螺紋不被破壞[5-6]。

(4)若患者在進(jìn)行腹部CT檢查前,曾進(jìn)行過鋇劑灌腸等其他造影檢查且有造影劑殘留的,不能進(jìn)行CT檢查,防止造影劑殘留于腸內(nèi)形成偽影,導(dǎo)致圖像質(zhì)量欠佳。

圖3 直流電機(jī)驅(qū)動及安裝結(jié)構(gòu)尺寸圖

2.4.2 轉(zhuǎn)矩和功率計(jì)算

電機(jī)的選型要素中,驅(qū)動力矩是一個(gè)很重要的方面,參照圖3可以看出該裝置的驅(qū)動力矩計(jì)算包括三個(gè)部分,分別是電機(jī)驅(qū)動齒輪1的驅(qū)動力矩T1、齒輪1帶動齒輪2旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩 T2、螺母帶動螺桿做螺旋運(yùn)動的驅(qū)動力矩T3。相應(yīng)的功率分三部分計(jì)算,分別為 P1、P2和 P3。由于三個(gè)部分均屬于摩擦負(fù)載類型,因此電機(jī)驅(qū)動齒輪等結(jié)構(gòu)所需轉(zhuǎn)矩按摩擦負(fù)載電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率計(jì)算方法計(jì)算。摩擦負(fù)載電動機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算分直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動兩類,本裝置屬回轉(zhuǎn)運(yùn)動,參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[7]則可計(jì)算得到:

通過以上計(jì)算,選擇SZ系列直流伺服電動機(jī)90SZ69作為執(zhí)行電機(jī)。SZ系列微型直流伺服電動機(jī)廣泛應(yīng)用于自動控制等系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件,也可用作驅(qū)動元件。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于實(shí)驗(yàn)條件限制,CST控制系統(tǒng)擬用一小模型進(jìn)行模擬演示,這樣不僅減小了設(shè)計(jì)難度,同時(shí)降低了開發(fā)成本。

(1)采用凌陽科技大學(xué)的超聲波測距模組[8]進(jìn)行距離數(shù)據(jù)采集,以代替模擬毫米波雷達(dá)測距模塊,其功能結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 超聲波模組功能結(jié)構(gòu)

(2)在小模型中采用FF-050SK-11170微型直流電機(jī)代替原系統(tǒng)中的直流電機(jī)。

本設(shè)計(jì)研究的對象是眾泰2008型轎車,其輪胎型號為205/70 R15,即輪胎斷面寬度B=205mm,輪胎斷面高寬比(H/B)為 70%,為子午線結(jié)構(gòu)輪胎,輪輞名義直徑d=381mm(15英寸),通過下列公式可以計(jì)算出對應(yīng)于各車速的模擬量(表3):

車輪外徑

表3 對應(yīng)于各車速的模擬量

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)子程序模塊較多,程序較復(fù)雜,所以選用可讀性強(qiáng)及修改較方便的C語言進(jìn)行編程。編譯軟件選擇ICCAVR。

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的,即使被動安全裝置CST裝置具有主動防御功能,系統(tǒng)首先要進(jìn)行距離測量、速度測量,并根據(jù)編碼程序進(jìn)行安全/危險(xiǎn)狀況的判斷,然后根據(jù)危險(xiǎn)情況進(jìn)行譯碼顯示、報(bào)警及控制CST裝置伸縮,從而實(shí)現(xiàn)轎車主動報(bào)警和碰撞吸能技術(shù)的有效結(jié)合。

4.1 距離測量

主機(jī)通過PB6口接超聲波模塊,控制超聲波模塊發(fā)射脈沖信號。當(dāng)PB6為高電平時(shí)控制系統(tǒng)開始發(fā)射脈沖,設(shè)置主機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T3需要發(fā)射的脈沖的脈寬時(shí)間,并使PB6置高電平的時(shí)間為定時(shí)/計(jì)數(shù)器T3的定時(shí)時(shí)間。為了防止脈沖發(fā)射過程或返回過程中發(fā)生脈沖丟失導(dǎo)致接收不到回波脈沖的現(xiàn)象,系統(tǒng)發(fā)射脈沖時(shí)適當(dāng)增加了脈沖數(shù)量,脈沖發(fā)射間隔很短,可以忽略不計(jì)。脈沖發(fā)出后,計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),當(dāng)發(fā)出9個(gè)脈沖后,PB6口置反為低電平,停止發(fā)射脈沖,停止計(jì)數(shù),同時(shí)開啟接收外部中斷。

主機(jī)PD0接超聲波模塊脈沖接收單元的輸出口,接收返回的脈沖信號。當(dāng)接收單元接收到脈沖信號后,接收單元輸出高電平,主機(jī)采集到該信號后才進(jìn)行后續(xù)工作。

4.2 速度測量計(jì)算

設(shè)計(jì)中,要實(shí)現(xiàn)的最高車速是80km/h,所以系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)按鍵以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的加減控制,控制速度分八個(gè)擋位。

本車速度測量計(jì)算子程序中,主機(jī)P3.4接到測速單元輸出口。設(shè)定主機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1,在定時(shí)器T1的定時(shí)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器1對測速單元的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),再根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出速度,確定汽車當(dāng)前的狀態(tài)。將行車狀態(tài)用 LCD顯示并確定是否采取報(bào)警、抑制報(bào)警等措施。當(dāng)自車速度低于30km/h時(shí)系統(tǒng)抑制報(bào)警并不斷查詢速度大小,一旦速度超過30km/h,系統(tǒng)即啟動防撞報(bào)警功能。當(dāng)自車速度超過80km/h時(shí),電機(jī)驅(qū)動CST裝置全部伸出,同時(shí)報(bào)警。開始測量時(shí),首先初始化計(jì)數(shù)器 T1并進(jìn)行測速,以PWM方式輸出,在電平上升沿捕獲的速度脈沖有效。然后,采用外部中斷方式檢測增減速按鍵是否閉合。增減速按鍵的閉合與否用讀鍵盤指令send(0×15)來模擬,該信號用外部中斷源INT3進(jìn)行檢測,如果是減速鍵信號同時(shí)速度大于0,則每按鍵一次,速度減小12km/h;若為增速鍵同時(shí)速度大于0,則每按鍵一次,速度增加12km/h。

4.3 危險(xiǎn)判斷

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的是在汽車有可能與前障礙物發(fā)生碰撞時(shí),及時(shí)報(bào)警以提醒駕駛員采取緊急措施,同時(shí)將CST裝置伸出以便駕駛員反應(yīng)不及時(shí)汽車發(fā)生碰撞時(shí)能夠起到保護(hù)汽車和乘員的效果。在報(bào)警模塊中,單片機(jī)首先檢測天氣情況按鍵的選項(xiàng)值(該值由駕駛員根據(jù)實(shí)際路況人為設(shè)定,從而選擇不同的安全距離模型),判斷天氣情況,進(jìn)一步調(diào)出各安全距離模型下對應(yīng)的安全速度并進(jìn)行判定。若速度小于30km/h,則系統(tǒng)判定不需要采取任何危險(xiǎn)防范措施;若速度大于30km/h,繼續(xù)判斷速度是否大于80km/h,是則報(bào)警并將CST裝置伸出;否則繼續(xù)檢測速度在30～80km/h間的哪一速度段,調(diào)出相應(yīng)的安全距離模型,判斷當(dāng)前距離值是否安全。安全則繼續(xù)返回檢測,不安全則報(bào)警并將CST裝置伸出。

為了更方便地說明系統(tǒng)軟件與硬件之間的聯(lián)系,表4列出了系統(tǒng)控制芯片ATmega128各引腳控制功能。

表4 引腳控制功能說明

系統(tǒng)總體程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

5 電路板調(diào)試結(jié)果

根據(jù)預(yù)警、碰撞相結(jié)合的CST控制系統(tǒng)的各個(gè)部分模塊設(shè)計(jì),最終完成了該控制系統(tǒng)的電路板總體制作,如圖6所示。

本系統(tǒng)設(shè)置了3種天氣情況選項(xiàng)值,每種天氣對應(yīng)有7種速度情況下的安全距離模型,合計(jì)有21種。當(dāng)超過安全距離時(shí),報(bào)警燈顯示為紅色,同時(shí)電機(jī)帶動CST裝置伸出;當(dāng)大于安全距離即危險(xiǎn)情況解除后報(bào)警燈顯示為綠色,與此同時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn),帶動CST裝置回縮。

圖6 控制系統(tǒng)電路板

采用主動測距報(bào)警和被動碰撞吸能裝置相結(jié)合的方式,能夠使汽車的碰撞安全性大大提高,使CST裝置能夠像安全氣囊一樣,在遇到危險(xiǎn)時(shí)才將螺桿快速伸出,一方面能夠以較小的吸能區(qū)長度吸收較大的動能,另一方面提高了系統(tǒng)可靠性,延長了系統(tǒng)壽命,降低汽車能耗,既適應(yīng)目前的市場需求和電子發(fā)展趨勢,又能從更高程度上提高汽車的安全性。

[1] Chen Yuanlin,Wang Chong'an.Vehicle Safety DistanceW arning System:a Novel A lgorithm for Vehicle Safety Distance Calcu lating between Moving Cars[C]//Proceedings o f the IEEE International Conference on Industrial Technology.Chengdu,2008:2570-2574.

[2] 雷正保.螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置:中國專利.ZL03124568.4[P].2005-10-12.

[3] 雷正保.自適應(yīng)沖擊能量吸收裝置:中國專利.ZL200710034933.2[P].2007-10-10.

[4] 雷正保,王素娟,張曉園.第二代螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的電子控制系統(tǒng)[J].汽車工程,2009,31(12):1185-1188.

[5] 杜青云,雷正保,魏書彬.基于主、被動結(jié)合的螺紋剪切式汽車碰撞智能吸能控制系統(tǒng)[J].公路與汽運(yùn),2009(1):6-9.

[6] 杜青云,雷正保,魏書彬,等.基于汽車安全狀況的CST控制方法[J].交通科學(xué)與工程,2009,25(2):83-89.

[7] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第四卷[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[8] 凌陽科技大學(xué)計(jì)劃教育推廣中心.超聲波測距模組V 2.0使用說明書[EB/OL].(2007-7-15)[2010-7-8].http://eelab.pku.edu.cn/pubdata/ebookother/ultrasonic.pd f.

CST Control System Based on Combination of Automotive Collision Warning and Collision Energy Absorption Technology

Du Qingyun1,2Lei Zhengbao1,2WeiShubin1,2
1.Engineering Research Center of Catastrophic Prophylaxisand Treatment of Road&Traffic Safety,M inistry of Education,Changsha University of Science and Technology,Changsha,410004
2.Key Laboratory of H ighway Engineering,M inistry of Education,Changsha University of Science and Technology,Changsha,410004

To make the CST device outstretch quick ly when the car is in danger just like a airbag,a control system w as devised.The control system took MCU(m icro controlunit)as the core,through receiving wheel speed signals from the sensor,the MCU w ill calculate the speed and the corresponding safety distance,then compare it w ith the actual distance measured by ranging system,if the actual distancewas less than the safety distance,the system will alarm and launch the CST in response to the danger because the driver did not response timely.According to the control system,an control circuit board wasmade at last.It p roves the feasibility of the contro l system.

vehicle safety;anti-collision warning;energy absorp tion;CST(cutting the screw thread)con tro l system

U467.14

1004—132X(2011)06—0751—05

2010—05—07

長沙理工大學(xué)道路災(zāi)變防治及交通安全教育部工程研究中心開放基金資助項(xiàng)目(K fj080304);湖南省研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(CX 2009B183);國家科技行動計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009BAG13A 02);國家西部項(xiàng)目——京珠復(fù)線長沙至湘潭高速公路資源節(jié)約型和環(huán)境友好型科技示范工程項(xiàng)目(CXKJSF0107,CXKJSF0108-4);長沙市重點(diǎn)科技項(xiàng)目(K 0802090-11)

(編輯 蘇衛(wèi)國)

杜青云,女,1984年生。長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。研究方向?yàn)槠嚢踩０l(fā)表論文3篇。雷正保,男,1964年生。長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。魏書彬,男,1984年生。長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。