汽車碰撞預警與碰撞吸能技術結合的CST控制系統

杜青云 雷正保 魏書彬

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

2.長沙理工大學公路工程教育部重點實驗室,長沙,410004

汽車碰撞預警與碰撞吸能技術結合的CST控制系統

杜青云1,2雷正保1,2魏書彬1,2

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

2.長沙理工大學公路工程教育部重點實驗室,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,在汽車遇到危險時能夠被迅速推出,以單片機控制系統為核心,設計了一種汽車碰撞預警和碰撞吸能技術相結合的CST控制系統。控制單元通過接收路面條件開關信號及車速傳感器的車速信號進行數據處理,計算出汽車此時應保持的安全距離,并將該安全距離與毫米波雷達所測實際距離進行比較,一旦實測距離小于安全距離則啟動報警單元。根據上述控制系統制作了一個相應的電路板,從而證明了系統的可行性。

汽車安全;碰撞預警;碰撞吸能;CST控制系統

0 引言

汽車行駛的安全性主要取決于駕駛人員,據統計,由駕駛員失誤引發的交通事故占交通事故總數的75%以上。大部分駕駛員對縱向安全間距與車速的關系判斷不清。奔馳汽車公司對各類交通事故進行的研究表明:若駕駛員能夠提前1s意識到事故危險并采取相應正確的措施,則絕大多數交通事故可以避免,如果提前0.5s,則有45%的事故可以避免[1]。

因此,研究開發出道路追尾預防報警裝置可以為駕駛員爭取時間采取應對措施以避免事故發生;另一方面,當防撞系統發揮作用而駕駛員卻由于主觀因素未能及時反應時就需要一種能在事故發生后減輕乘員傷害和財產損失的吸能裝置。

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)這一發明專利[2-3]為研究基礎進行汽車碰撞預警與碰撞吸能技術相結合的CST碰撞吸能裝置控制系統(以下簡稱CST控制系統)的設計。由于CST裝置在碰撞吸能過程中是漸進、連續式地剪切內螺紋或外螺紋,剪切力基本為一恒定值,因此剪切過程平穩,可以有效地減小發生二次碰撞的概率。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行碰撞能量的吸收,因此,可以使車內乘員空間適當增大。

1 CST裝置及傳動裝置介紹

CST裝置的吸能機理不同于傳統的壓潰式吸能機理,它利用沖剪螺紋的過程來吸收碰撞能量,其結構圖見圖1。其中,伸縮螺桿1可由電機9通過傳動螺母2進行驅動,當出現危險狀況時迅速伸出車外,發生碰撞時,伸縮螺桿1受到沖擊,最終和沖擊凸臺10一起運動,并剪切吸能螺紋6來吸收碰撞能量。

圖1 CST裝置結構

2 系統設計方案

系統以ATmega128-16AC芯片作為主要控制單元。控制單元接收路面條件開關的信號及車速傳感器的車速信號并進行數據處理,計算出汽車此時應保持的安全距離,然后將其與裝于汽車前部的測距儀所測實際距離進行比較,一旦實測距離小于安全距離或自車車速超過80km/h,則啟動報警單元提醒駕駛員采取應對措施以避免發生追尾碰撞事故;同時控制電機驅動CST裝置伸出使其在危險不可避免時吸收碰撞產生的能量,保護汽車及乘客安全。圖2所示為系統的結構框圖。整個系統由安全距離模型、測距模塊、測速模塊、驅動模塊及相應的軟硬件組成。

2.1 安全距離模型計算

通過分析自車在各種路面狀態下應保持的最小行車間距并對其計算公式中的參數進行分析,建立了一個安全距離模型,代入具體參數計算出各種情況下的安全距離,見表1。

圖2 控制系統的結構框圖

表1 各種情況下的安全距離值

2.2 測距方式選擇

目前,運用在汽車上的測距方法主要有超聲波測距、毫米波雷達測距、攝像系統(CCD)測距、激光測距和夜間應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 UMRRV 5.50作為測距設備。該款雷達是運用于汽車和國防安全及工業場合的先進傳感器,目前已在各高檔汽車(如大眾、馬自達、奧迪等車型)上得到應用。

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,因此在應用時應避免陽光照到光敏三極管上。故在設計中,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 電機驅動電路

由于直流電動機控制方便,調速性好,變流裝置結構簡單,長期以來經常在調速傳動中使用[4],因此本系統采用直流電機作為驅動電機。

2.4.1 轉速計算

在本系統中,直流電機的驅動及安裝位置如圖3所示,CST裝置的吸能內螺紋全長為380mm,根據設計安全時間需求,螺桿要在3s內伸出,預留出1s的系統反應時間和電機啟動時間,則螺桿要在2s內全部伸出。該螺桿螺距為10mm,則螺桿在2.0s內應旋轉380/10=38圈。齒輪1與齒輪2的齒數比z1/z2=4.5,齒輪2的大徑為40mm,齒輪1的大徑為180mm,則直流電機應具有的轉速為38×4.5/2=85.5r/s=5130r/min。傳動螺母采用的內襯材料為Cr12M oV,螺母結構材料為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)若患者在進行腹部CT檢查前,曾進行過鋇劑灌腸等其他造影檢查且有造影劑殘留的,不能進行CT檢查,防止造影劑殘留于腸內形成偽影,導致圖像質量欠佳。

圖3 直流電機驅動及安裝結構尺寸圖

2.4.2 轉矩和功率計算

電機的選型要素中,驅動力矩是一個很重要的方面,參照圖3可以看出該裝置的驅動力矩計算包括三個部分,分別是電機驅動齒輪1的驅動力矩T1、齒輪1帶動齒輪2旋轉的驅動力矩 T2、螺母帶動螺桿做螺旋運動的驅動力矩T3。相應的功率分三部分計算,分別為 P1、P2和 P3。由于三個部分均屬于摩擦負載類型,因此電機驅動齒輪等結構所需轉矩按摩擦負載電動機轉矩和功率計算方法計算。摩擦負載電動機轉矩計算分直線運動和回轉運動兩類,本裝置屬回轉運動,參考機械設計手冊[7]則可計算得到:

通過以上計算,選擇SZ系列直流伺服電動機90SZ69作為執行電機。SZ系列微型直流伺服電動機廣泛應用于自動控制等系統中用作執行元件,也可用作驅動元件。

3 硬件系統設計

基于實驗條件限制,CST控制系統擬用一小模型進行模擬演示,這樣不僅減小了設計難度,同時降低了開發成本。

(1)采用凌陽科技大學的超聲波測距模組[8]進行距離數據采集,以代替模擬毫米波雷達測距模塊,其功能結構見圖4。

圖4 超聲波模組功能結構

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

本設計研究的對象是眾泰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%,為子午線結構輪胎,輪輞名義直徑d=381mm(15英寸),通過下列公式可以計算出對應于各車速的模擬量(表3):

車輪外徑

表3 對應于各車速的模擬量

4 軟件設計

本系統子程序模塊較多,程序較復雜,所以選用可讀性強及修改較方便的C語言進行編程。編譯軟件選擇ICCAVR。

根據系統的設計目的,即使被動安全裝置CST裝置具有主動防御功能,系統首先要進行距離測量、速度測量,并根據編碼程序進行安全/危險狀況的判斷,然后根據危險情況進行譯碼顯示、報警及控制CST裝置伸縮,從而實現轎車主動報警和碰撞吸能技術的有效結合。

4.1 距離測量

主機通過PB6口接超聲波模塊,控制超聲波模塊發射脈沖信號。當PB6為高電平時控制系統開始發射脈沖,設置主機定時/計數器T3需要發射的脈沖的脈寬時間,并使PB6置高電平的時間為定時/計數器T3的定時時間。為了防止脈沖發射過程或返回過程中發生脈沖丟失導致接收不到回波脈沖的現象,系統發射脈沖時適當增加了脈沖數量,脈沖發射間隔很短,可以忽略不計。脈沖發出后,計數器開始計數,當發出9個脈沖后,PB6口置反為低電平,停止發射脈沖,停止計數,同時開啟接收外部中斷。

主機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。當接收單元接收到脈沖信號后,接收單元輸出高電平,主機采集到該信號后才進行后續工作。

4.2 速度測量計算

設計中,要實現的最高車速是80km/h,所以系統設置了兩個按鍵以實現對電機速度的加減控制,控制速度分八個擋位。

本車速度測量計算子程序中,主機P3.4接到測速單元輸出口。設定主機定時/計數器T1,在定時器T1的定時時間內計數器1對測速單元的輸出脈沖進行計數,再根據數學關系計算出速度,確定汽車當前的狀態。將行車狀態用 LCD顯示并確定是否采取報警、抑制報警等措施。當自車速度低于30km/h時系統抑制報警并不斷查詢速度大小,一旦速度超過30km/h,系統即啟動防撞報警功能。當自車速度超過80km/h時,電機驅動CST裝置全部伸出,同時報警。開始測量時,首先初始化計數器 T1并進行測速,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進行檢測,如果是減速鍵信號同時速度大于0,則每按鍵一次,速度減小12km/h;若為增速鍵同時速度大于0,則每按鍵一次,速度增加12km/h。

4.3 危險判斷

本控制系統設計的最終目的是在汽車有可能與前障礙物發生碰撞時,及時報警以提醒駕駛員采取緊急措施,同時將CST裝置伸出以便駕駛員反應不及時汽車發生碰撞時能夠起到保護汽車和乘員的效果。在報警模塊中,單片機首先檢測天氣情況按鍵的選項值(該值由駕駛員根據實際路況人為設定,從而選擇不同的安全距離模型),判斷天氣情況,進一步調出各安全距離模型下對應的安全速度并進行判定。若速度小于30km/h,則系統判定不需要采取任何危險防范措施;若速度大于30km/h,繼續判斷速度是否大于80km/h,是則報警并將CST裝置伸出;否則繼續檢測速度在30～80km/h間的哪一速度段,調出相應的安全距離模型,判斷當前距離值是否安全。安全則繼續返回檢測,不安全則報警并將CST裝置伸出。

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

表4 引腳控制功能說明

系統總體程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

5 電路板調試結果

根據預警、碰撞相結合的CST控制系統的各個部分模塊設計,最終完成了該控制系統的電路板總體制作,如圖6所示。

本系統設置了3種天氣情況選項值,每種天氣對應有7種速度情況下的安全距離模型,合計有21種。當超過安全距離時,報警燈顯示為紅色,同時電機帶動CST裝置伸出;當大于安全距離即危險情況解除后報警燈顯示為綠色,與此同時電機反轉,帶動CST裝置回縮。

圖6 控制系統電路板

采用主動測距報警和被動碰撞吸能裝置相結合的方式,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,在遇到危險時才將螺桿快速伸出,一方面能夠以較小的吸能區長度吸收較大的動能,另一方面提高了系統可靠性,延長了系統壽命,降低汽車能耗,既適應目前的市場需求和電子發展趨勢,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[J].汽車工程,2009,31(12):1185-1188.

[5] 杜青云,雷正保,魏書彬.基于主、被動結合的螺紋剪切式汽車碰撞智能吸能控制系統[J].公路與汽運,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].交通科學與工程,2009,25(2):83-89.

[7] 徐灝.機械設計手冊第四卷[M].2版.北京:機械工業出版社,2004.

[8] 凌陽科技大學計劃教育推廣中心.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

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

(編輯 蘇衛國)

杜青云,女,1984年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院碩士研究生。研究方向為汽車安全。發表論文3篇。雷正保,男,1964年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院教授、博士研究生導師。魏書彬,男,1984年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院碩士研究生。