基于偏差校正的汽車安全氣囊系統(tǒng)自動校準方法

(上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司產(chǎn)業(yè)計量中心，上海 201805)

0 引言

汽車安全氣囊系統(tǒng)包括氣囊、控制器、發(fā)生器和傳感器等，通常氣囊和發(fā)生器等在一起構(gòu)成氣囊模塊，但由于汽車的長時間行駛和顛簸，會造成安全氣囊系統(tǒng)的外部和內(nèi)部出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致在事故發(fā)生時，無法準確釋放氣囊，不能減少碰撞對乘員的損傷。針對上述問題，本文提出一種基于偏差校正的汽車安全氣囊系統(tǒng)自動校準方法。

1 汽車安全氣囊系統(tǒng)故障狀態(tài)診斷

汽車安全氣囊系統(tǒng)的偏差故障狀態(tài)診斷難度較大，因此，本文通過讀取自診斷系統(tǒng)的故障代碼，診斷氣囊狀態(tài)。打開點火控制開關(guān)時，如果安全警示燈亮起6 s之后熄滅，表明安全氣囊處于正常狀態(tài)；如果不熄滅，表明警示燈在顯示故障代碼，需要對代碼特征提??；如果警示燈不亮，表明警示燈電路存在故障。在檢測前，首先需要排除電路故障，隨后確認是否存在故障代碼。

汽車安全氣囊自診斷系統(tǒng)以安全警示燈出現(xiàn)閃爍次數(shù)為依據(jù)，故障代碼[1]讀取流程如下所述。

關(guān)閉點火等待10 s，隨后將安全氣囊插頭插入維修檢測2P插頭中。開啟點火開關(guān)，安全氣囊警示燈大約會亮起6 s后熄滅，隨后警示燈閃爍讀取故障代碼，故障代碼大多由主碼與子碼構(gòu)成。如果出現(xiàn)重疊性故障，那么警示燈會重復(fù)出現(xiàn)故障代碼；如果故障為間歇性，那么警示燈只會顯示當前故障代碼，然后常亮；如果2種故障情況都存在，那么警示燈會顯示為連續(xù)性故障代碼。

2 汽車安全氣囊系統(tǒng)自動校準

2.1 汽車安全氣囊系統(tǒng)外部校準

根據(jù)汽車安全氣囊系統(tǒng)狀態(tài)診斷結(jié)果進行外部故障校準，對于外部故障，如電路故障、電源故障、充氣機短路、電阻增加和導(dǎo)線短路[2]等，需要通過調(diào)整前束尺寸，來獲得線路校準有效距離。

在進行汽車外部故障校準的過程中，需要調(diào)整前輪前束的距離，才能夠讓維修人員進入汽車前端的維修區(qū)域進行檢修，通常需要多次調(diào)整與測量才能夠獲得所需要的前束值[3]。因此，本文通過一種簡單的測量與運算方法，對前束進行調(diào)整，只需要一次調(diào)整，便能夠獲得精確的前束值。以普通汽車為例，本文算法的計算過程如下所述。

a.設(shè)定前輪前端胎面中心線距離為A；調(diào)整后的距離為A1；后端中心線距離為B；調(diào)整后的距離為B1。則前束為正值的運算方法為：

(1)

(2)

C=B1-A1

(3)

其中，C為前束值。

b.前束為負值的運算方式為：

(4)

(5)

C=B1-A1

(6)

通常使用可伸縮的精度為1 mm的前束尺進行前束測量，僅需一個人就能夠一邊觀測B1或A1的測量值，一邊調(diào)整橫拉桿[4]，實現(xiàn)前輪前束值的調(diào)整，獲取線路校準有效距離。在調(diào)整完前束值之后，依靠外部維修人員對汽車安全氣囊系統(tǒng)位置的外部偏差進行校準。

2.2 汽車安全氣囊系統(tǒng)內(nèi)部校準

汽車安全氣囊系統(tǒng)[5]的內(nèi)部校準主要為點火校準，目的是為了讓汽車安全氣囊可以精確點火，防止漏電誤點火與遲點火問題出現(xiàn)，避免安全氣囊的彈出或防護機制產(chǎn)生錯位。因此，需要對安全氣囊點火時刻進行自動校準，以提高乘員生命安全。

2.2.1 安全氣囊點火時間確定

將汽車碰撞安全性標準FMVSS208作為乘員傷害評價指標，由于安全氣囊系統(tǒng)具有特殊性，導(dǎo)致在進行安全氣囊系統(tǒng)的校準前，需要對乘員的加速度、腿部力量、頭部損傷和氣囊可能對乘員造成的損傷值H進行評估[6]。

損傷值的定義函數(shù)為

(7)

t2和t1分別為信號延遲時間。

在校準汽車安全氣囊系統(tǒng)點火誤差前，還需要計算模型人、安全帶、氣囊、座椅之間的震動特性，獲取乘員和氣囊間存在的相互作用力、面積和時間等信息，方便分析氣囊自身的熱力過程。當出現(xiàn)碰撞時，氣囊在充滿氣體后，其背部會開啟1個小孔，用于釋放氣囊內(nèi)的氣體，同時承受乘員沖擊和緩沖，減少力對乘員的傷害。因為乘員存在坐姿隨機性，導(dǎo)致氣囊與乘員之間的作用點也是隨機的，若想要精準校準點火時刻，就需要研究氣囊整體的作用過程，獲取氣囊和乘員之間存在的相互關(guān)系。

因為坐姿和碰撞點的隨機性，想要確定氣囊的點火時刻[7]是比較困難的問題，同時由于氣囊的膨脹存在隨機性，導(dǎo)致不能廣義上獲得所有汽車的目標點火時刻。因此，本文使用經(jīng)典的5 in-30 ms作為標準點火時刻。該標準為：當出現(xiàn)碰撞時，乘員會慣性向前移動5 in，因此，汽車安全氣囊的最佳點火時間為30 ms內(nèi)點火。

擬定橫坐標為時間軸，縱坐標為乘員位移的坐標系，位移即為乘員在不同方向位移[8]的總和。汽車在剛出現(xiàn)碰撞時為0時刻，此刻乘員的位移也是0，在延遲t1時間后點火時刻為t3，t3=t2-30 ms，通過該運算便能夠得到安全氣囊點火時刻的最佳時間。

2.2.2 安全氣囊點火自動校準算法

點火最佳時刻確定后，對于安全氣囊系統(tǒng)延遲校準方法存在很多種，但都面臨著實時性差或者過于針對某一種車型，適用性差。為此，本文采用2種校準方法協(xié)同處理氣囊點火校準問題。

a.移動窗式積分方法。擬定減速曲線[9]，在減速曲線a(t)內(nèi)取時間窗[t-w,t]，w為時間窗的寬度，計算a(t)下[t-w,t]內(nèi)的積分為

(8)

移動窗式積分方法的理念：對前w時間內(nèi)的點火信號積分計算，獲取指標s(t,w)，在該指標等同于上述最后點火時刻t3時，發(fā)出點火信號[10]，反之繼續(xù)進行處理與比較。

b.ARMA模型預(yù)報方法。汽車安全氣囊的點火時刻校準作為一種預(yù)報校準問題，只有在乘員處于30 ms時刻、位移出現(xiàn)5 in時，氣囊才會準時點火。因此，校準的重要點為通過當前信號，預(yù)報30 ms后乘員頭部位移，將結(jié)果作為校準的需求。根據(jù)上述運算出的最佳點火時刻和移動窗式積分指標，把安全氣囊擬定成輸入輸出[11](SISO)線性系統(tǒng)，同時輸入最佳點火時間與汽車加速度曲線，算法就可以自動運算出乘員的頭部位移與偏差校準點火時刻。

設(shè)定u(k)為車身加速度；z(k)為頭部位移；G(z-1)為頭部位移與車身加速度的關(guān)系模型，其表達式為

(9)

乘員頭部的位移除了會被汽車加速度影響外，還會被安全帶所影響，因此把這些因素都擬定為噪聲n(k)。在關(guān)系模型[12]組建完成之后，便能夠依靠試驗數(shù)據(jù)庫辨別模型的參數(shù)，以此剔除在校準過程中出現(xiàn)的外部干擾因素。

3 實驗驗證

為了驗證本文方法的實用性，進行仿真實驗，實驗使用MATLAB6.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)，編程模擬汽車安全氣囊系統(tǒng)。

3.1 汽車加速度與乘員位移分析

以CA1091型汽車作為實驗?zāi)繕耍瑢υ撈囘M行2次不同強度的碰撞模擬實驗，依靠本文方法獲取2條不同碰撞強度下的加速度曲線42 km/h和64 km/h，結(jié)果如圖1所示。

圖1 加速度曲線

依靠損傷定義公式(7)，計算出乘員的頭部位移曲線，結(jié)果如圖2所示。能夠看出，圖1內(nèi)40～60 ms內(nèi)2條曲線的加速度最大，與圖2所示的頭部最大位移區(qū)間一致，說明本文方法能夠得出準確加速度曲線和乘員頭部位移結(jié)果。

圖2 乘員頭部位移曲線

3.2 汽車安全氣囊點火時刻分析

通過乘員頭部位移給出的點火閾值，確定點火最佳時刻，結(jié)果如圖3所示。

從圖3能夠看出，本文方法能夠較好地區(qū)分氣囊最優(yōu)點火時刻與非點火時刻，實現(xiàn)了對汽車碰撞狀態(tài)的及時判斷。這種判斷能力，可以為乘員提供良好且有效的保護。

圖3 安全氣囊點火時刻確認

3.3 汽車安全氣囊系統(tǒng)自動校準效果分析

從上述2種汽車加速度曲線內(nèi)提取64 km/h曲線作為評測目標，在產(chǎn)生碰撞時，未校準的汽車安全氣囊系統(tǒng)的點火時間和效果，如圖4所示。

圖4 汽車安全氣囊系統(tǒng)點火時間

從圖4能夠看出，氣囊的點火時刻是出現(xiàn)碰撞后的36 ms。依靠本文方法設(shè)定的點火時刻準則分析，確定該氣囊的最佳點火時間是30～32 ms。依靠對比可知安全氣囊系統(tǒng)的最佳點火與實際點火之間存在4～6 ms的差距。依靠本文方法對上述點火時刻的偏差進行校準，結(jié)果如圖5所示。

圖5 汽車安全氣囊系統(tǒng)點火校準結(jié)果

從圖5能夠看出，本文方法在32 ms時發(fā)出點火信號，縮小了與最佳點火時間的誤差，提高了乘員安全性。通過計算汽車的加速度與出現(xiàn)碰撞后乘員的頭部位移，確定最佳的點火時刻區(qū)間，最后再依靠ARMA模型預(yù)報，實現(xiàn)對安全氣囊系統(tǒng)的偏差自動校準工作，大大強化汽車安全性能。

4 結(jié)束語

為了提高汽車駕駛?cè)藛T的安全防護性能，提出一種基于偏差校正的汽車安全氣囊系統(tǒng)自動校準方法，該方法通過調(diào)整前輪前束與控制安全氣囊點火時刻，來實現(xiàn)自動校準。但本文的研究主要處于相對穩(wěn)定的環(huán)境下，受外界干擾較小，如果想要將本文方法應(yīng)用到汽車安全氣囊系統(tǒng)的生產(chǎn)線內(nèi)，完成連續(xù)的自動化校準，還需要進一步添加深度學(xué)習(xí)算法，使其能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境，提升算法的可靠性與穩(wěn)定性。