臺(tái)車干擾加速度下的ACNS觸發(fā)算法可靠性研究

陸 穎，呂羽競，張玉辰

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

效率和準(zhǔn)確性是ACNS可靠性主要的衡量指標(biāo)[8]。對于以加速度信號觸發(fā)的ACNS，其觸發(fā)算法的可靠性直接影響到ACNS的可靠性。在多種加速度信號觸發(fā)算法中，加速度峰值法只需要設(shè)置一個(gè)觸發(fā)閾值，當(dāng)檢測到車身加速度峰值超過觸發(fā)閾值時(shí)就對外呼救，具有算法簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此是工程上應(yīng)用較多的一種。但是這一算法準(zhǔn)確性不高，誤觸發(fā)的概率比較大。從國內(nèi)外的實(shí)踐來看，采用加速度峰值法的ACNS往往和以安全氣囊點(diǎn)火信號觸發(fā)的ACNS配合使用，形成雙通道式(dual-channel notification)ACNS，從而提升車輛的報(bào)警效率，典型的如安吉星(OnStar)系統(tǒng)[9]。

雖然以加速度峰值法觸發(fā)的ACNS一般不單獨(dú)使用，但該算法的可靠性仍具有研究意義，這是因?yàn)锳CNS的頻繁誤觸發(fā)報(bào)警會(huì)分散駕駛員的注意力，如果駕駛員不取消呼救，還會(huì)導(dǎo)致救援活動(dòng)的開展，造成救援資源的浪費(fèi)。觸發(fā)閾值的設(shè)定直接影響到加速度峰值法的可靠性。目前，觸發(fā)閾值的設(shè)定主要通過顛簸道路、緊急制動(dòng)試驗(yàn)得出。Xiao W等[10]考慮了緊急制動(dòng)和過減速坎后，將觸發(fā)閾值設(shè)定為2g(1g=9.8 m/s2)。賈豐源[11]考慮了車輛通過不同高度的路障的情況，將ACNS運(yùn)行的閾值設(shè)為6g。葛如海等[12]分析了車輛在卵石路、搓板路以及石階上的車身加速度，將觸發(fā)閾值設(shè)為5g～16g。由此可見，不同的研究文獻(xiàn)中對這一閾值的設(shè)定差別很大。

在車輛行駛過程中，由于動(dòng)力裝置振動(dòng)、路面顛簸等會(huì)產(chǎn)生車輛振動(dòng)[13]，由此引起的干擾加速度會(huì)影響到加速度峰值法對碰撞事故的識別。臺(tái)車碰撞試驗(yàn)是進(jìn)行ACNS終端可靠性檢測的關(guān)鍵步驟[11，14]。由于臺(tái)車的晃動(dòng)、橄欖頭中心未對準(zhǔn)吸能管中心等原因，臺(tái)車在碰撞初始階段受到了來自其他方向的力，會(huì)使碰撞開始時(shí)加速度信號有明顯的大幅度振蕩，使單一觸發(fā)閾值的ACNS終端可能出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象。因此，研究臺(tái)車干擾加速度下的ACNS觸發(fā)算法的可靠性對于研究ACNS觸發(fā)算法在顛簸路面行駛、動(dòng)力裝置振動(dòng)等情況下的可靠性具有重要的借鑒意義。

國內(nèi)外關(guān)于臺(tái)車干擾加速度對ACNS觸發(fā)算法影響的研究目前還較為少見，本文首先通過有限元軟件LS-DYNA建立臺(tái)車碰撞仿真模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。然后，分析由臺(tái)車振動(dòng)引起的干擾加速度，并對其進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。繼而，在仿真加速度的基礎(chǔ)上，加入服從正態(tài)分布的干擾加速度，統(tǒng)計(jì)加入干擾加速度前后ACNS誤觸發(fā)、漏觸發(fā)的次數(shù)，并分析干擾加速度正態(tài)分布參數(shù)對觸發(fā)算法的影響，對觸發(fā)算法的可靠性進(jìn)行研究。最后，通過ACNS終端試驗(yàn)，驗(yàn)證干擾加速度下觸發(fā)算法的可靠性。

1 臺(tái)車碰撞有限元仿真

ACNS觸發(fā)算法的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行大量的實(shí)車或臺(tái)車碰撞試驗(yàn)。然而，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高以及仿真技術(shù)的日益成熟，前期開發(fā)可以用有限元仿真代替臺(tái)車碰撞試驗(yàn)。

1.1 有限元模型的建立

中國某試驗(yàn)場DAPG-QJ-MNPZ型臺(tái)車碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要應(yīng)用于汽車安全帶動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)、汽車座椅動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)等安全部件法規(guī)試驗(yàn)。

圖1 臺(tái)車碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)場景圖

現(xiàn)根據(jù)臺(tái)車碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際尺寸建立如圖2所示的有限元模型，包括臺(tái)車、軌道、緩沖吸能裝置、壁障等。其中，臺(tái)車的減速運(yùn)動(dòng)主要通過緩沖吸能裝置實(shí)現(xiàn)，裝在臺(tái)車前部的橄欖頭插入聚氨酯吸能管，引起吸能管的彈塑性形變，從而起到減速停車的作用[15-16]。因此，作為有限元分析的主要形變部件，緩沖吸能裝置的網(wǎng)格劃分較密，如圖3所示。另外，聚氨酯吸能管采用聚氨酯材料，其余部件均采用45號鋼，材料主要參數(shù)如表1所示。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①3歲≤年齡≤12歲；②符合中華眼科學(xué)會(huì)斜視弱視學(xué)組（2011）中的弱視診斷標(biāo)準(zhǔn)[3]：視覺發(fā)育期由于單眼斜視、未矯正的屈光參差和高度屈光不正及形覺剝奪引起的單眼或雙眼最佳矯正視力（BCVA）低于相應(yīng)年齡的視力（4～5歲≤0.5，6～12歲≤0.7），或雙眼視力相差2行以上；③診斷為屈光參差性弱視[需具備相關(guān)危險(xiǎn)因素如雙眼遠(yuǎn)視性球鏡度數(shù)相差1.50 D和（或）柱鏡度數(shù)相差1.00 D[3]]；④能配合本研究的各項(xiàng)檢查；⑤未戴鏡矯正，且以往未進(jìn)行過弱視訓(xùn)練；⑥患兒監(jiān)護(hù)人自愿簽署知情同意書。

圖2 臺(tái)車碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)有限元模型示意圖

圖3 緩沖吸能裝置網(wǎng)格劃分示意圖

表1 有限元模型材料的主要參數(shù)

1.2 有限元模型的驗(yàn)證

參考?xì)W洲ECE R94對安全氣囊的點(diǎn)火要求，將20 km/h作為ACNS觸發(fā)的臨界車速。以20 km/h速度進(jìn)行臺(tái)車碰撞試驗(yàn)和仿真碰撞試驗(yàn)，得到的碰撞加速度曲線如圖4。可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)曲線存在明顯的大幅度振蕩，一方面臺(tái)車與軌道有摩擦，另一方面在碰撞過程中臺(tái)車和軌道之間產(chǎn)生振動(dòng)；而仿真模型未能考慮臺(tái)車振動(dòng)加速度，并且臺(tái)車與軌道的摩擦系數(shù)設(shè)置為定值，因此加速度曲線不存在較大的波動(dòng)。

圖4 仿真與試驗(yàn)臺(tái)車碰撞加速度曲線(20 km/h)

圖5為經(jīng)過濾波處理后的20 km/h時(shí)仿真與試驗(yàn)臺(tái)車碰撞加速度曲線。所用的濾波器為cfc60，該濾波器在車輛碰撞相關(guān)研究中經(jīng)常使用[17]。

圖5 濾波后仿真與試驗(yàn)臺(tái)車碰撞加速度曲線(20 km/h)

仿真中臺(tái)車在37 ms時(shí)達(dá)到加速度峰值-17.27g，并在60 ms時(shí)停止運(yùn)動(dòng)；試驗(yàn)中臺(tái)車在43 ms時(shí)達(dá)到加速度峰值-16.93g，并在61 ms時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。從加速度曲線軌跡、加速度峰值出現(xiàn)時(shí)間、加速度峰值、臺(tái)車停止運(yùn)動(dòng)時(shí)間這些方面考慮，仿真與試驗(yàn)加速度曲線均有較好的吻合度，因此該有限元模型可以用于后續(xù)ACNS觸發(fā)算法的可靠性研究[18]。

2 干擾加速度正態(tài)檢驗(yàn)

圖6～8是汽車通過不同路面的加速度波形曲線[19]。其中，圖6是汽車以60 km/h通過搓板路的加速度波形曲線，圖7是汽車以50 km/h通過110 mm臺(tái)階的加速度波形曲線，圖8是汽車以50 km/h緊急制動(dòng)的加速度波形曲線。

圖6 汽車以60 km/h通過搓板路的加速度波形曲線

圖7 汽車以50 km/h通過110 mm臺(tái)階的加速度波形曲線

圖8 汽車以50 km/h緊急制動(dòng)的加速度波形曲線

而臺(tái)車在運(yùn)動(dòng)過程中，由于牽引力不恒定、與軌道間摩擦系數(shù)不斷變化等原因，自身會(huì)不斷前后振動(dòng)，產(chǎn)生影響觸發(fā)算法可靠性的干擾加速度。

由于實(shí)際路況復(fù)雜，通過圖6～8可知，加速度的最大區(qū)域在-6g～6g。圖9為臺(tái)車碰撞試驗(yàn)濾出的干擾加速度曲線?？梢钥闯?，臺(tái)車干擾加速度覆蓋了這幾種路面工況下的可能發(fā)生的加速度區(qū)間。

圖9 干擾加速度

由圖9可發(fā)現(xiàn)，加速度信號沿著x軸上下波動(dòng)，實(shí)際表現(xiàn)為臺(tái)車的前后振動(dòng)。另外，曲線在0～60 ms時(shí)幅值稍大，這是由于臺(tái)車前部橄欖頭與吸能管相接觸時(shí)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)造成的。對干擾加速度進(jìn)行正態(tài)分布擬合，擬合曲線如圖10，正態(tài)檢驗(yàn)分析報(bào)表如表2。

圖10 干擾加速度正態(tài)分布擬合曲線

表2 正態(tài)檢驗(yàn)分析

由表2可知，Kolmogorov-Smirnov正態(tài)檢驗(yàn)p>0.05，說明干擾加速度服從正態(tài)分布[20]，且期望為0.006 42，標(biāo)準(zhǔn)差為3.524 75。

3 觸發(fā)算法可靠性分析

3.1 可靠性分析

加速度峰值法以加速度峰值作為評估參數(shù)，判斷系統(tǒng)是否需要發(fā)出呼救信號。加速度信號在碰撞過程中變化非?？?，容易受到車輛振動(dòng)和路面不平的干擾。雖然，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過濾波處理減小干擾加速度的影響，但其仍會(huì)不可避免地影響加速度峰值，造成系統(tǒng)誤觸發(fā)或漏觸發(fā)。

將有限元仿真20 km/h臺(tái)車碰撞加速度峰值作為觸發(fā)閾值，設(shè)定為-17.27g。在臺(tái)車碰撞初速度15～25 km/h，間隔0.5 km/h，進(jìn)行有限元仿真。無干擾加速度時(shí)不同碰撞初速度下的加速度峰值如圖11所示。

圖11 無干擾加速度時(shí)不同碰撞初速度下的加速度峰值圖

從圖11可知，僅在20.5 km/h時(shí)發(fā)生漏觸發(fā)情況。同時(shí)，可以看出，隨著臺(tái)車碰撞初速度的增大，加速度峰值有增大的趨勢。因此，在沒有干擾加速度影響時(shí)，觸發(fā)算法具有良好的可靠性。

為了研究干擾加速度對觸發(fā)算法的影響，通過Matlab R2014隨機(jī)生成21組期望為0.006 42g、標(biāo)準(zhǔn)差為3.524 75g的正態(tài)分布數(shù)據(jù)，并將其分別輸入到仿真的臺(tái)車不同碰撞初速度下的加速度信號中。圖12為有干擾加速度時(shí)不同碰撞初速度下的加速度峰值圖。

圖12 有干擾加速度時(shí)不同碰撞初速度下的加速度峰值圖

可以看出，考慮了干擾加速度之后，在17.5 h、19.5 km/h時(shí)發(fā)生誤觸發(fā)，在20.5 km/h時(shí)發(fā)生漏觸發(fā)情況，相比于無干擾加速度時(shí)，錯(cuò)誤觸發(fā)增多。這是由于濾波處理不能完全濾去干擾加速度，不可避免地影響到加速度峰值，從而降低了觸發(fā)算法的可靠性。

3.2 參數(shù)敏感性分析

由于臺(tái)車車型、碰撞初速度、臺(tái)車軌道表面狀況的不同，干擾加速度的期望和標(biāo)準(zhǔn)差也不盡相同。因此，有必要研究干擾加速度正態(tài)分布參數(shù)對觸發(fā)算法的影響。

設(shè)置干擾加速度的標(biāo)準(zhǔn)差為3.524 75g，期望范圍為-2g～2g、間隔為0.5g，分別輸入到仿真的臺(tái)車不同碰撞初速度下的加速度信號中，統(tǒng)計(jì)觸發(fā)算法誤觸發(fā)、漏觸發(fā)的次數(shù)。圖13為不同期望時(shí)觸發(fā)算法誤觸發(fā)、漏觸發(fā)次數(shù)曲線，可以發(fā)現(xiàn)干擾加速度期望為負(fù)時(shí)，較易出現(xiàn)誤觸發(fā)；期望為正時(shí)，漏觸發(fā)次數(shù)明顯多于誤觸發(fā)次數(shù)。因?yàn)槠谕麨樨?fù)時(shí)，相當(dāng)于整體上給臺(tái)車提供了同向加速度，導(dǎo)致加速度峰值變大，更易出現(xiàn)誤觸發(fā)；期望為正時(shí)，加速度峰值變小，從而發(fā)生漏觸發(fā)。

圖13 不同期望時(shí)誤觸發(fā)、漏觸發(fā)次數(shù)

設(shè)置期望為0.006 42g，標(biāo)準(zhǔn)差為1g～8g、間隔為1g，分別輸入到仿真的臺(tái)車不同碰撞初速度下的加速度信號中，統(tǒng)計(jì)觸發(fā)算法誤觸發(fā)、漏觸發(fā)的次數(shù)。圖14為不同標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)觸發(fā)算法誤觸發(fā)、漏觸發(fā)次數(shù)曲線，可以看出漏觸發(fā)次數(shù)相對較少，說明標(biāo)準(zhǔn)差的變化對漏觸發(fā)的影響較??；同時(shí)可以看出，標(biāo)準(zhǔn)差較小時(shí)，誤觸發(fā)次數(shù)相對較少，只有在標(biāo)準(zhǔn)差超過6g時(shí)，誤觸發(fā)次數(shù)才顯著增多，說明只有在車輛振動(dòng)比較劇烈的情況下才會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容易誤觸發(fā)。

圖14 不同標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)觸發(fā)算法誤觸發(fā)、漏觸發(fā)次數(shù)

4 ACNS終端試驗(yàn)

ACNS終端框圖如圖15。ACNS終端以STM32F1精英版為核心，外接三軸加速度傳感器，GPS模塊和GSM模塊。加速度傳感器用于實(shí)時(shí)采集車身加速度信號，GPS模塊用于接收地理位置信息，微控制器收集加速度傳感器、GPS模塊的數(shù)據(jù)，在判斷車輛發(fā)生碰撞后，將相關(guān)信息整合發(fā)送至GSM模塊，由GSM模塊負(fù)責(zé)將事故信息發(fā)送出去，SD卡用于存儲(chǔ)微控制器處理后的碰撞初速度、碰撞過程中的加速度等數(shù)據(jù)，顯示屏用于顯示碰撞時(shí)的地理位置、碰撞初速度等事故信息。鋰電池為整個(gè)終端供電。

圖15 ACNS終端框圖

通過有限元仿真得到碰撞初速度15～25 km/h、間隔1 km/h的11組臺(tái)車碰撞加速度數(shù)據(jù)，通過Matlab隨機(jī)生成11組期望為0.006 42g、標(biāo)準(zhǔn)差為3.524 75g的正態(tài)分布數(shù)據(jù)作為干擾加速度，然后分別加入到仿真的臺(tái)車不同碰撞初速度下的加速度數(shù)據(jù)中，最后將包含干擾的加速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部SD卡，輸入到ACNS終端，驗(yàn)證觸發(fā)算法的可靠性。ACNS終端寫入加速度峰值法程序，通過讀取SD卡中的加速度數(shù)據(jù)，判斷是否發(fā)生碰撞，并將碰撞信息顯示在LCD顯示屏上。系統(tǒng)在19 km/h時(shí)發(fā)生誤觸發(fā)情況，碰撞過程中的加速度峰值為-16.96g，如圖16(a)所示，并對外發(fā)送了事故信息；在20 km/h時(shí)發(fā)生漏觸發(fā)情況，碰撞過程中的加速度峰值為-16.74g，如圖16(b)所示。結(jié)果表明，臺(tái)車干擾加速度會(huì)降低觸發(fā)算法的可靠性。

圖16 不同碰撞初速度的ACNS終端碰撞信息顯示

5 結(jié)論

建立了臺(tái)車碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)的有限元仿真模型，并通過比較20 km/h下的臺(tái)車和仿真碰撞加速度驗(yàn)證了模型的可靠性。提取臺(tái)車碰撞試驗(yàn)加速度的干擾加速度進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，證明干擾加速度服從正態(tài)分布。在15～25 km/h進(jìn)行有限元仿真，得到碰撞加速度信號；加入干擾加速度，比較了觸發(fā)算法誤觸發(fā)、漏觸發(fā)的次數(shù)，發(fā)現(xiàn)干擾加速度的存在會(huì)影響觸發(fā)算法對碰撞事故的判斷，導(dǎo)致誤觸發(fā)、漏觸發(fā)情況增多。通過改變正態(tài)分布參數(shù)，研究干擾加速度期望、標(biāo)準(zhǔn)差對觸發(fā)算法的可靠性影響。隨著期望的增大，觸發(fā)算法誤觸發(fā)概率減小，漏觸發(fā)概率增大。并且，觸發(fā)算法在標(biāo)準(zhǔn)差較小時(shí)，受到的影響較小，只有在標(biāo)準(zhǔn)差較大時(shí)，才會(huì)顯著影響觸發(fā)算法對碰撞事故的判斷。最后通過ACNS終端試驗(yàn)對加入干擾加速度時(shí)觸發(fā)算法的可靠性和干擾加速度正態(tài)分布參數(shù)敏感性進(jìn)行了驗(yàn)證，得出的試驗(yàn)結(jié)果與分析一致。