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1、智能型汽车安全气囊电子控制装置郑素君1陈志永2李楚文2( 1 郑州日产汽车有限公司2 锦州和昌汽车气囊有限公司)一、概述安全气囊是一种能够在汽车发生严重碰撞时自动点火充气以保护乘员不致因碰到方向盘或驾驶台而受到伤害的汽车安全装置。与其它的安全装置，如安全带、防撞雷达等相比，安全气囊更加有效和廉价，所以受到了普遍的重视，并开始广泛应用。目前，国际上主要的汽车制造厂商均计划或已经在其产品上安装气囊设备。安全气囊是一个复杂的机电系统，包括发火管、气袋、传感单元和控制系统等多方面的技术。应该说，有关发火管和气袋的技术已经相当成熟，气囊系统的改进与升级基本上是对传感单元和控制系统的改进：就我们所查阅的有
2、关安全气囊的专利和文献，基本上是集中讨论新型的传感器件、控制器件和控制算法的；事实上，国外的一些统计数据表明，气囊系统的失效( 包括气囊未能及时展开和气囊误动作) 主要是由于传感器或控制系统不可靠造成的；国外的一些新型气囊产品的优良性能也主要体现在新型传感器和先进控制系统的应用上，而发火装置和气袋则与传统的气囊设备没有很大的区别。所以，传感器和控制系统将是我们开发第二代安全气囊的关键，而尤以控制系统更为重要。安全气囊控制系统在三十多年的发展过程中，经历了机械式、机电式和电子式三个发展阶段，目前的发展趋势是，以单片机为核心、以数字信号处理为基础的电子控制系统。未来市场对于安全气囊的要求除了更高的
3、可靠性和安全性之外，还包括自适应、故障自诊断和碰撞信号记录等“智能”化的功能。单片机系统具有很强的数字运算和控制能力，可以很好的适应上述要求。二、国外关于安全气囊控制装置的研究现状2 1 单点传感( S i n g l eP o i n tS e n s i n g ) 系统新型气囊控制装置的研究成果虽然很多，形式也多种多样，但基本思想几乎同出一辙，都是如图l 所示的单点传感结构。称这种结构为“单点传感”主要是因为它只使用一个传感器，与以前的使用多个并联或串联传感器的控制系统有很大的不同；而且它使用单片机作为控制的核心器件。单点传感系统的优越性在于：I ) 结构简单、体积小，单片机的主要特点就
4、是“小而全”，能独立完成多项工作，无需太多的辅助3 1 0 电路；I I ) 功能齐全，单片机的功能齐全、扩展能力强，可以很容易地实现信号的检测、采集、识别和控制，以及系统自检和数据记录等功能；I I I ) 智能化，单片机本身就是一种智能化的器件，其灵活性的软件系统可以方便的实现系统的自适应调整：I V )可靠性高，简单的电路结构、故障自检和更为复杂的控制模型可以大大提高整个系统的可靠性。I传威魏c单片机点火电路II 孓酽自盯I，r图1 单点传感系统结构框图从图1 可以看出，单点传感系统实际上是一个非常简单的单片机控制系统，其复杂的功能来自单片机复杂的信号处理能力；所以信号处理算法是研究的重
5、点。文献中关于信号处理的理论方法多种多样，也没有公认的数学模型。虽然可以肯定地说，过大的负加速度( 汽车突然剧烈减速的情况) 是对乘员达成伤害的主要因素，而且确实有的算法就是把加速度的大小作为判别有无碰撞发生的根据，但是单纯依靠这一指标是不能可靠地判断碰撞的发生和严重程度的。许多研究者引入位移量( 加速度的二次积分) 、速度变化量( 加速度的一次积分) ，以及加速度的变化量( 加速度的一次微分)等参数，在高维空间进行碰撞识别；还有人把加速度信号经傅立叶变换变到频域，然后再从频域的角度进行识别。这些算法都可以极大地提高气囊控制的可靠性。事实上，由于单片机提供了相当完备和高速的数字运算能力，模式识
6、别理论中大量的方法都是可以使用的。因为很难从理论上确立碰撞信号的合理模型。所以目前只能用试验的方法来评价信号处理算法的优劣。关于单点传感系统的传感器，大部分使用的是半导体传感器，压电式或压阻式的，间或也有一些机电式的，但非常少见，其制作也非常的复杂。单点传感系统要求传感单元能连结地输出汽车的加速度信号，一般来说只有电子传感器能达到这一点。传感器一般安装在汽车驾驶室中不易变形的地方，甚至就可以固定在方向盘或驾驶台上，要求不能有相对于车厢的移动，距离信号采集电路也不能太远。2 2 单点传感系统的补充虽然单点传感系统有着如前所述的优点，但其方案本身还是存在着一些问题的。首先一点是单点传感系统的传感器
7、是安装在汽车的非变形区( 车厢在碰撞中不发生变形) 的，其输出信号并不包含碰撞的全部信息，也就是说，只依靠传感器的输出是不能完全准确地判断碰撞的发生和严重程度的。这也是单点传感系统的诸多信号处理算3 1 1 法都多少差强人意的主要原因。还有一个问题是关于乘员位置的考虑，这是影响气囊点火时间的一个重要因素。虽然在气囊控制系统设计中有著名的“5 英寸一3 0 秒”准则，但它是基于乘员与方向盘的距离为1 2 英寸这一假设的，而实际情况并非如此。根据国外文献上提供的资料，乘员的习惯乘坐位置与方向盘的距离从9 英寸到2 4 、英寸变化很大。而且，对于非驾驶员座位，还要考虑该座位是否空着的情况。，以及乘员
8、为婴幼儿时，气囊系统应作的相应调整。这些都是在设计控制系统中应该考虑的。对于第一个问题，普遍采用的解决方法是增加一个安全传感器，该传感器要安装在汽车的变形区( 保险杠、发动机箱等) ，与主传感器串联。当碰撞发生时，这些部位的形变能很好地反映碰撞的剧烈程度。安全传感器一般是机械式的( 这时，机械式传感器与电子式的相比更加可靠) 。安全传感器实际上相当予一个保险开关，即只有汽车形变到一定程度时，气囊系统才能启动。第二个问题比较复杂，目前还没有实际的气囊系统成功地解决这一问题。一般的设想是加装一个乘员位置探测装置，安装在方向盘附近，通过发射红外线或微波并接收反射回来的回波信号。来判断乘员是否存在及其
9、与方向盘的距离。可以想见，这种装置的成本是相当高的，短期内恐怕难以实用三、我们的一些考虑从国外的安全气囊产品和近期的发展趋势来看，尽管单点传感系统有着不少缺陷，但其以低成本、简单结构实现高性能的优势保证了它在新一代气囊控制系统中的普遍应用。所以，我们的第二代气囊控制装置也应采用单点传感结构；而且就我们现有的技术能力而言，研制这样的控制装置也是完全可能的。半导体传感器我们现在产品中所使用的完全可以继续使用；点火电路也可以沿用现有产品的相应部分：单片机的选择有很大的范围，由于单片机技术已非常成熟，市场上提供的产品种类繁多、功能齐全，价格也很便宜，完全可以满足要求，其应用系统的设计方法也有很多先例可
10、循。我们的主要工作是建立信号处理的数学模型，开发功能完善的软件。至于单点传感系统的补充措施，安全传感器可以考虑，这不会太增加最终产品的成本，不过会带来一些系统安装时的困难。乘员位置传感器，因为目前还没有成熟的技术可用，只能暂时不予考虑。对于碰撞信号识别的数学模型，我们经过初步的研究，确定了下面的模型：在汽车碰撞中，对驾驶员造成影响的因素主要有以下三个：1 ) 汽车加速度的大小：2 ) 加速度持续的时间：3 ) 加速度变化的大小。一般说来，在加速度很低，或虽然很高但持续时间很短的情况下，由于汽车速度的变化量很小，人体由于惯性很容易3 1 2 适应，因此不会造成危险。比如汽车行驶中的颠簸或短暂煞车
11、，均属于此种情况。即使加速度较大且持续了较长时间，但如果加速度本身的变化较小，则往往说明加速度不是由于碰撞事故引起的，因为碰撞会造成保险杠、发动机室的变形，从而使加速度发生剧烈的变化。所以，对于严重的碰撞事故( 即安全气囊必须点火) ，必须同时满足：汽车的加速度足够大，持续时间足够长，加速度的变化足够大。如果在汽车上装一加速度传感器，当发生撞车时，其输出信号为a ，我们定义速度信息值s = p 西( 1 )和碰撞模式值，M = ( 口怂一口摭)( 2 )其中Ts 表示一个取定的莳间区间，口) 和口器。) 分别是a 在取定时间区间硝上的最大和最小值，TS 和硝：的关系如图2 所示。可以看出，s
12、是汽车在T s 内的速度变化量，它综合了加速度大小和持续时间的信息。M 中则包含了加速度变化的信息。因此，我们可以构造点火判别值F = S + K M( 3 )当F 大于一定的阈值F 。时，就可以认为汽车发生了严重的碰撞事故，点火控制装置应向气囊发出点火信号。式( 1 ) 一( 3 ) 给出了汽车碰撞信号的数学模型，其中的参数T 。、T 仆K 、F 。需要根据实际情况( 比如不同的车型) 通过实验确定。一般的选取原则是：T s 应保证能覆盖a 的上升沿，T 。为T 。的1 3 到1 5 ，k 应使S 和M 对F 的贡献基本相当，F 。根据实验确定。一l图2T 。和n 关系示意图( 硝= 砰= = 研k 瓦，= ! 瓦)n3 1 3 根据上面讨论的数学模型，我们可以确定信号处理的基本流程如图3 所示3 1 4 幽3 信号处理流私：图
