車用智能化預(yù)緊式安全帶綜合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

趙 宇，關(guān)志偉，杜 峰

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

車用智能化預(yù)緊式安全帶綜合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

趙 宇，關(guān)志偉，杜 峰

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

分析了傳統(tǒng)汽車安全帶的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了智能化預(yù)緊式安全帶試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)。該試驗(yàn)臺(tái)由預(yù)警傳感器、安全帶卷收系統(tǒng)和基于MC9S12DP256的核心控制器組成。重點(diǎn)介紹了安全帶卷收系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制器的電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)對(duì)傳感器預(yù)警信號(hào)的處理能夠提前預(yù)知危險(xiǎn)的發(fā)生并控制安全帶收緊，實(shí)現(xiàn)了安全帶主動(dòng)預(yù)緊的功能，滿足了主動(dòng)安全的需要。

智能化主動(dòng)安全帶；試驗(yàn)臺(tái)；控制器；安全帶卷收系統(tǒng)

當(dāng)今，安全帶已作為乘員約束系統(tǒng)中的重要組成部分，是被事實(shí)證明了的最重要且最有效的安全裝置，特別地，智能化乘員約束系統(tǒng)已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢(shì)[1]。汽車的安全性能由防止事故于未然的汽車主動(dòng)安全和當(dāng)事故發(fā)生時(shí)防范駕乘人員受到傷害的被動(dòng)安全組成。安全帶主要用來(lái)當(dāng)汽車遇到意外情況緊急制動(dòng)時(shí)，將駕乘人員束縛在座椅上，從而保護(hù)駕乘人員免受二次沖撞造成傷害。據(jù)國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究表明，駕駛?cè)说钠隈{駛和違規(guī)操作是導(dǎo)致交通事故的主要原因，占到交通事故總數(shù)的75%。因此，對(duì)于安全帶的研究特別是對(duì)于安全帶在主動(dòng)安全方面的研究，具有前瞻性和啟迪性的。傳統(tǒng)的三點(diǎn)式安全帶和現(xiàn)有的預(yù)緊式安全帶均屬于被動(dòng)安全的范疇，不能滿足主動(dòng)安全的要求，這樣不僅沒(méi)有很好地起到預(yù)知危險(xiǎn)、降低危險(xiǎn)的功能，還大大增加了后期成本。

本文提出的智能化預(yù)緊式安全帶試驗(yàn)系統(tǒng)，集成了汽車主動(dòng)與被動(dòng)安全系統(tǒng)的最新技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)集預(yù)警、預(yù)緊、限力于一體的集成式安全功能。該裝置接收并解析車輛行駛預(yù)警傳感器、駕駛員對(duì)車輛的操縱狀況傳感器輸送的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)碰撞事故發(fā)生的可能性，在必要情況下將安全帶預(yù)先收緊，以消除汽車安全織帶與乘員身體之間的間隙，從而防止或降低碰撞帶來(lái)的沖擊傷害，采用非破壞性的工作方式可重復(fù)使用，實(shí)現(xiàn)多次預(yù)緊，滿足了安全帶主動(dòng)安全的要求。

1 智能化預(yù)緊式安全帶綜合試驗(yàn)臺(tái)組成

智能化預(yù)緊式安全帶綜合試驗(yàn)臺(tái)由智能化預(yù)緊式安全帶卷收器機(jī)械部分、電控部分和預(yù)緊信號(hào)傳感器構(gòu)成。

1.1 卷收器機(jī)械部分和電機(jī)型號(hào)的匹配設(shè)計(jì)

為滿足多次預(yù)緊重復(fù)使用的主動(dòng)安全要求，智能化預(yù)緊式安全帶卷收器的機(jī)械部分在原有卷收器上進(jìn)行了改進(jìn)，加入了一套電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置利用小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，依靠電磁離合器，并通過(guò)齒輪的等比傳動(dòng)控制安全帶的卷收，如圖1所示。

圖1 智能化預(yù)緊式安全帶機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過(guò)調(diào)研與設(shè)計(jì)計(jì)算，智能化預(yù)緊式安全帶卷收器設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 智能化預(yù)緊式安全帶卷收器設(shè)計(jì)參數(shù)

安全帶卷軸直徑是通過(guò)測(cè)量帶有織帶的現(xiàn)有安全帶得到。設(shè)計(jì)最大卷收拉緊力Fdmax是通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)在一輛豐田系列轎車上得到的。一般安全帶與乘員身體之間留有間隙，拉緊力遠(yuǎn)小于100 N，因此額定卷收拉緊力初步定在30 N。設(shè)計(jì)卷收量Sd是根據(jù)火藥式預(yù)緊安全帶卷收量確定的。卷收時(shí)間t是根據(jù)電機(jī)響應(yīng)時(shí)間、碰撞過(guò)程等的量級(jí)確定的。

本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)采用小功率直流永磁電機(jī)。根據(jù)上述參數(shù)具體計(jì)算如下：

計(jì)算卷收線速度

計(jì)算卷收角速度

計(jì)算卷收轉(zhuǎn)速

計(jì)算拉緊力矩

計(jì)算拉緊功率

為節(jié)省空間減速速裝置全部在減速器內(nèi)，即外部傳動(dòng)比為1。

計(jì)算電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算數(shù)據(jù)，選用了一款具有減速器的直流永磁型電機(jī)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 選用電機(jī)參數(shù)

根據(jù)選定的電機(jī)，確定最終設(shè)計(jì)參數(shù)。

電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速

實(shí)際卷收線速度

實(shí)際卷收時(shí)間

由于該設(shè)計(jì)采用等比齒輪傳動(dòng)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]查得傳動(dòng)效率范圍在0.93～0.98之間，所以取η=0.95，則實(shí)際輸出的拉緊轉(zhuǎn)矩為：

實(shí)際卷收拉力

1.2 安全帶試驗(yàn)臺(tái)電控部分和傳感器的選用

試驗(yàn)臺(tái)電控部分控制器采用Freescale公司的MC9S12DP256和MC33886作為控制器的邏輯主控芯片和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，利用NPN型三極管s8050和繼電器SRD-05-VDC-SL-C的開(kāi)關(guān)作用控制電磁離合器開(kāi)合。控制器控制結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 控制器控制框架

本設(shè)計(jì)對(duì)織帶拉緊力的控制采用恒力矩控制，其本質(zhì)是對(duì)電機(jī)的恒扭矩控制，直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)會(huì)有電流流過(guò)電樞繞組，通電導(dǎo)體位于磁場(chǎng)中會(huì)受到電磁力的作用，作用在直流電機(jī)電樞上的電磁力形成電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩公式[3]為：

一臺(tái)制造完成的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)由于有效磁通量波動(dòng)量很小，可以近似為常數(shù)，即直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與通過(guò)電樞的電流成正比關(guān)系，因此對(duì)于電機(jī)的恒扭矩控制可以轉(zhuǎn)變成電機(jī)的恒電流控制。設(shè)計(jì)中采用了電流傳感器對(duì)電流進(jìn)行采樣并和設(shè)定值進(jìn)行比較，采用數(shù)字PI控制以達(dá)到對(duì)電機(jī)的恒電流控制。

預(yù)警信號(hào)傳感器采用KS-103超聲波測(cè)距傳感器和制動(dòng)踏板力傳感器。綜合行車與前方障礙物的距離和駕駛員踩制動(dòng)踏板力的大小確定3個(gè)安全級(jí)別，達(dá)到對(duì)駕駛?cè)藛T提醒和安全帶提前預(yù)警目的。

2 智能化預(yù)緊式安全帶控制器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

智能化預(yù)緊式安全帶控制器設(shè)計(jì)主要包括控制器硬件部分設(shè)計(jì)和軟件編程，這里主要介紹硬件電路設(shè)計(jì)。硬件部分主要分為電源電路、最小系統(tǒng)電路、BDM程序下載電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、離合器驅(qū)動(dòng)電路和各傳感器接口電路。此外預(yù)留了CAN總線、485總線和A/D轉(zhuǎn)換接口，以方便及時(shí)調(diào)試和日后擴(kuò)展。下面分別介紹控制器各個(gè)電路。

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

由于為車用控制器，所以電源輸入部分采用12 V輸入，12 V電源經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲F1和二極管D1進(jìn)入電源芯片，如圖3所示。D1的作用是防止使用者將電源接反損壞硬件。F1為3A的保險(xiǎn)絲對(duì)電路起保護(hù)作用。D2為穩(wěn)壓二極管LM2576為電源轉(zhuǎn)換芯片，可以將接入的電源電壓轉(zhuǎn)換為 5 V，D4為穩(wěn)壓二極管，是LM2576的外圍電路組成部分。電感L1為L(zhǎng)M2576的外圍電路組成部件。LED12為12 V電源指示燈。電路中的電容起穩(wěn)壓濾波的功能。

圖3 電源電路原理圖

2.2 最小系統(tǒng)電路和BDM下載接口電路設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)是能使電路正常工作的最小配置系統(tǒng)。MC9S12DP256最小系統(tǒng)包括：晶振電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、調(diào)試燈電路和BDM下載接口電路[4]。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和離合器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC33886和其外圍電路組成，驅(qū)動(dòng)芯片的作用是將低功率、低電壓的PWM信號(hào)放大成24 V高功率的PWM信號(hào)，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。

由于需要對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行采樣且電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能，因此選用了一種霍爾式電流傳感器型號(hào)為TBC5PS5，采樣電流為5 A。傳感器內(nèi)部自帶采樣電阻，輸出電壓量，直接與單片機(jī)的ADC端口連接。

電磁離合器電路利用了NPN型三極管和繼電器的開(kāi)關(guān)作用，控制電磁離合器的開(kāi)合。因?yàn)殡姶烹x合器開(kāi)合時(shí)其磁感應(yīng)線圈切換會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，因此在繼電器線圈兩引腳處并聯(lián)了二極管1N4007，有效地消除了反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路的影響，驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。

2.4 通訊模塊電路設(shè)計(jì)

本控制器的控制電路采用串口通訊，單片機(jī)靠轉(zhuǎn)換芯片MAX232接入RS485總線，實(shí)現(xiàn)與電腦的通訊。串口通訊的原理圖如圖5所示。

圖4 電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖5 串口電平轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.5 制動(dòng)踏板力傳感器接口電路設(shè)計(jì)

因?yàn)橹苿?dòng)踏板力傳感器滿量程輸出信號(hào)為0到10，而單片機(jī)能采集的信號(hào)為0到5，所以要將傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，電路原理如圖6所示。

圖6 制動(dòng)踏板力電路原理圖

信號(hào)放大芯片采用的是TI公司的INA333，參考電阻采用200的電阻，放大倍數(shù)為500倍。由于INA333在放大時(shí)需要偏置電壓，經(jīng)過(guò)在Tina軟件中的仿真和實(shí)際測(cè)試，最終確定電壓為+5和-5。其中電源電路中提供了+5電壓，-5則由轉(zhuǎn)換芯片LMC7660提供。

2.6 其他電路

該控制器設(shè)計(jì)了 2個(gè) 485總線接口，采用MAX485芯片。2個(gè)CAN總線接口，使用TJA1050芯片，與該芯片內(nèi)的CAN模塊相連實(shí)現(xiàn)CAN的通訊功能。

控制器具有四路獨(dú)立的按鍵輸入，實(shí)現(xiàn)3個(gè)安全級(jí)別的硬件模擬。PCB繪制采用雙面45°布線，如圖7所示，考慮到車內(nèi)空間和行車震動(dòng)，表面元件均采用貼片封裝，防止電磁干擾增加了過(guò)孔進(jìn)行雙面覆銅[5]。

圖7 PCB布線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能化預(yù)緊式安全帶試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)對(duì)傳感器預(yù)警信號(hào)的處理，能夠提前預(yù)知危險(xiǎn)的發(fā)生并控制安全帶收緊，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的預(yù)警機(jī)制和安全帶主動(dòng)預(yù)緊的功能，工作穩(wěn)定可靠，滿足了主動(dòng)安全對(duì)安全帶的要求，為以后進(jìn)一步研發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。

［1］ 關(guān)志偉，喬富強(qiáng)，鄭明峰.面向主動(dòng)安全的智能預(yù)緊式安全帶系統(tǒng)［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2011（11）：58-61.

［2］ 殷國(guó)富，趙汝嘉.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：新編軟件版［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］ 羌予踐.電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［4］ 周潤(rùn)景，張麗敏.Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［5］ 孫同景.Freescale十六位單片機(jī)原理及嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

Design on comprehensive test-bed of vehicle intelligent preloaded safety belt

ZHAO Yu，GUAN Zhi-wei，DU Feng
（School of Automotive and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

The shortcoming of traditional automotive safety belt is analyzed.Intelligent preloaded safety belt test system is designed，the test bed by early warning sensors，seat belt furl system and based on the core of the MC9S12DP256 controller. Focus on safety belt furl system optimization design and the circuit design of the controller.Design of the test-bed based on sensor warning signal processing to be able to predict the happening of the risk in advance and control of belt tightening，realized the function of safety belt active preloaded，meet the needs of the active safety.

intelligent preloaded safety belt；test bed；electric control unit；safety belt furl system

U491.61

A

2095－0926（2014）03－0032－04

2014-07-14

天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（12JCZDJC34500）.

趙 宇（1989—），男，碩士研究生；關(guān)志偉（1970—），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻煌ōh(huán)境與安全等.