車用智能化預緊式安全帶綜合試驗臺設計

趙 宇，關志偉，杜 峰

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

車用智能化預緊式安全帶綜合試驗臺設計

趙 宇，關志偉，杜 峰

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

分析了傳統汽車安全帶的缺點，設計了智能化預緊式安全帶試驗臺系統。該試驗臺由預警傳感器、安全帶卷收系統和基于MC9S12DP256的核心控制器組成。重點介紹了安全帶卷收系統的優化設計和控制器的電路設計。設計的試驗臺通過對傳感器預警信號的處理能夠提前預知危險的發生并控制安全帶收緊，實現了安全帶主動預緊的功能，滿足了主動安全的需要。

智能化主動安全帶；試驗臺；控制器；安全帶卷收系統

當今，安全帶已作為乘員約束系統中的重要組成部分，是被事實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已經成為必然的發展趨勢[1]。汽車的安全性能由防止事故于未然的汽車主動安全和當事故發生時防范駕乘人員受到傷害的被動安全組成。安全帶主要用來當汽車遇到意外情況緊急制動時，將駕乘人員束縛在座椅上，從而保護駕乘人員免受二次沖撞造成傷害。據國內外多項研究表明，駕駛人的疲勞駕駛和違規操作是導致交通事故的主要原因，占到交通事故總數的75%。因此，對于安全帶的研究特別是對于安全帶在主動安全方面的研究，具有前瞻性和啟迪性的。傳統的三點式安全帶和現有的預緊式安全帶均屬于被動安全的范疇，不能滿足主動安全的要求，這樣不僅沒有很好地起到預知危險、降低危險的功能，還大大增加了后期成本。

本文提出的智能化預緊式安全帶試驗系統，集成了汽車主動與被動安全系統的最新技術，旨在實現集預警、預緊、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警傳感器、駕駛員對車輛的操縱狀況傳感器輸送的數據，預測碰撞事故發生的可能性，在必要情況下將安全帶預先收緊，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的沖擊傷害，采用非破壞性的工作方式可重復使用，實現多次預緊，滿足了安全帶主動安全的要求。

1 智能化預緊式安全帶綜合試驗臺組成

智能化預緊式安全帶綜合試驗臺由智能化預緊式安全帶卷收器機械部分、電控部分和預緊信號傳感器構成。

1.1 卷收器機械部分和電機型號的匹配設計

為滿足多次預緊重復使用的主動安全要求，智能化預緊式安全帶卷收器的機械部分在原有卷收器上進行了改進，加入了一套電機驅動裝置，該裝置利用小功率直流電機驅動，依靠電磁離合器，并通過齒輪的等比傳動控制安全帶的卷收，如圖1所示。

圖1 智能化預緊式安全帶機械結構示意圖

經過調研與設計計算，智能化預緊式安全帶卷收器設計參數如表1所示。

表1 智能化預緊式安全帶卷收器設計參數

安全帶卷軸直徑是通過測量帶有織帶的現有安全帶得到。設計最大卷收拉緊力Fdmax是通過彈簧測力計靜態拉伸試驗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，拉緊力遠小于100 N，因此額定卷收拉緊力初步定在30 N。設計卷收量Sd是根據火藥式預緊安全帶卷收量確定的。卷收時間t是根據電機響應時間、碰撞過程等的量級確定的。

本試驗臺設計采用小功率直流永磁電機。根據上述參數具體計算如下：

計算卷收線速度

計算卷收角速度

計算卷收轉速

計算拉緊力矩

計算拉緊功率

為節省空間減速速裝置全部在減速器內，即外部傳動比為1。

計算電機輸出轉速

根據設計參數和計算數據，選用了一款具有減速器的直流永磁型電機，具體參數如表2所示。

表2 選用電機參數

根據選定的電機，確定最終設計參數。

電機實際輸出轉速

實際卷收線速度

實際卷收時間

由于該設計采用等比齒輪傳動，根據文獻[3]查得傳動效率范圍在0.93～0.98之間，所以取η=0.95，則實際輸出的拉緊轉矩為：

實際卷收拉力

1.2 安全帶試驗臺電控部分和傳感器的選用

試驗臺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驅動芯片，利用NPN型三極管s8050和繼電器SRD-05-VDC-SL-C的開關作用控制電磁離合器開合。控制器控制結構框架如圖2所示。

圖2 控制器控制框架

本設計對織帶拉緊力的控制采用恒力矩控制，其本質是對電機的恒扭矩控制，直流電機負載運行時會有電流流過電樞繞組，通電導體位于磁場中會受到電磁力的作用，作用在直流電機電樞上的電磁力形成電磁轉矩，轉矩公式[3]為：

一臺制造完成的電機的轉矩常數由于有效磁通量波動量很小，可以近似為常數，即直流電機的電磁轉矩與通過電樞的電流成正比關系，因此對于電機的恒扭矩控制可以轉變成電機的恒電流控制。設計中采用了電流傳感器對電流進行采樣并和設定值進行比較，采用數字PI控制以達到對電機的恒電流控制。

預警信號傳感器采用KS-103超聲波測距傳感器和制動踏板力傳感器。綜合行車與前方障礙物的距離和駕駛員踩制動踏板力的大小確定3個安全級別，達到對駕駛人員提醒和安全帶提前預警目的。

2 智能化預緊式安全帶控制器的設計開發

智能化預緊式安全帶控制器設計主要包括控制器硬件部分設計和軟件編程，這里主要介紹硬件電路設計。硬件部分主要分為電源電路、最小系統電路、BDM程序下載電路、電機驅動電路、離合器驅動電路和各傳感器接口電路。此外預留了CAN總線、485總線和A/D轉換接口，以方便及時調試和日后擴展。下面分別介紹控制器各個電路。

2.1 電源電路設計

由于為車用控制器，所以電源輸入部分采用12 V輸入，12 V電源經過保險絲F1和二極管D1進入電源芯片，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的保險絲對電路起保護作用。D2為穩壓二極管LM2576為電源轉換芯片，可以將接入的電源電壓轉換為 5 V，D4為穩壓二極管，是LM2576的外圍電路組成部分。電感L1為LM2576的外圍電路組成部件。LED12為12 V電源指示燈。電路中的電容起穩壓濾波的功能。

圖3 電源電路原理圖

2.2 最小系統電路和BDM下載接口電路設計

最小系統是能使電路正常工作的最小配置系統。MC9S12DP256最小系統包括：晶振電路、復位電路、時鐘電路、調試燈電路和BDM下載接口電路[4]。

2.3 電機驅動電路和離合器驅動電路設計

電機驅動電路由摩托羅拉公司生產的MC33886和其外圍電路組成，驅動芯片的作用是將低功率、低電壓的PWM信號放大成24 V高功率的PWM信號，對直流電機進行控制。

由于需要對電機電流進行采樣且電機需要實現正反轉功能，因此選用了一種霍爾式電流傳感器型號為TBC5PS5，采樣電流為5 A。傳感器內部自帶采樣電阻，輸出電壓量，直接與單片機的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關作用，控制電磁離合器的開合。因為電磁離合器開合時其磁感應線圈切換會產生反向電動勢，因此在繼電器線圈兩引腳處并聯了二極管1N4007，有效地消除了反向電動勢對電路的影響，驅動電路原理圖如圖4所示。

2.4 通訊模塊電路設計

本控制器的控制電路采用串口通訊，單片機靠轉換芯片MAX232接入RS485總線，實現與電腦的通訊。串口通訊的原理圖如圖5所示。

圖4 電磁離合器驅動電路原理圖

圖5 串口電平轉換電路原理圖

2.5 制動踏板力傳感器接口電路設計

因為制動踏板力傳感器滿量程輸出信號為0到10，而單片機能采集的信號為0到5，所以要將傳感器信號進行放大，電路原理如圖6所示。

圖6 制動踏板力電路原理圖

信號放大芯片采用的是TI公司的INA333，參考電阻采用200的電阻，放大倍數為500倍。由于INA333在放大時需要偏置電壓，經過在Tina軟件中的仿真和實際測試，最終確定電壓為+5和-5。其中電源電路中提供了+5電壓，-5則由轉換芯片LMC7660提供。

2.6 其他電路

該控制器設計了 2個 485總線接口，采用MAX485芯片。2個CAN總線接口，使用TJA1050芯片，與該芯片內的CAN模塊相連實現CAN的通訊功能。

控制器具有四路獨立的按鍵輸入，實現3個安全級別的硬件模擬。PCB繪制采用雙面45°布線，如圖7所示，考慮到車內空間和行車震動，表面元件均采用貼片封裝，防止電磁干擾增加了過孔進行雙面覆銅[5]。

圖7 PCB布線圖

3 結束語

本文設計的智能化預緊式安全帶試驗臺，通過對傳感器預警信號的處理，能夠提前預知危險的發生并控制安全帶收緊，實現了預定的預警機制和安全帶主動預緊的功能，工作穩定可靠，滿足了主動安全對安全帶的要求，為以后進一步研發打下了良好的基礎。

［1］ 關志偉，喬富強，鄭明峰.面向主動安全的智能預緊式安全帶系統［J］.中國制造業信息化，2011（11）：58-61.

［2］ 殷國富，趙汝嘉.機械設計手冊：新編軟件版［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［3］ 羌予踐.電機與電力拖動基礎教程［M］.北京：電子工業出版社，2008.

［4］ 周潤景，張麗敏.Altium Designer原理圖與PCB設計［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［5］ 孫同景.Freescale十六位單片機原理及嵌入式開發技術［M］.北京：機械工業出版社，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

天津市自然科學基金重點項目（12JCZDJC34500）.

趙 宇（1989—），男，碩士研究生；關志偉（1970—），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為交通環境與安全等.