磁力作用式汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬麗娟

（西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安 710077）

磁力作用式汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬麗娟

（西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安 710077）

為了彌補(bǔ)被動(dòng)安全系統(tǒng)的不足，本設(shè)計(jì)引進(jìn)了磁力作用式主動(dòng)安全概念，采用速度、距離傳感器測定兩車間的距離和速度差，然后分析制動(dòng)距離特性，引入了危險(xiǎn)估計(jì)系統(tǒng)，當(dāng)結(jié)果為危險(xiǎn)時(shí)，發(fā)送信息至前車，使兩車電磁鐵形成相同極性的磁場，從而產(chǎn)生“排斥力”阻止兩車相撞。結(jié)合理論計(jì)算和模擬測試，結(jié)果表明這種方法在實(shí)際工程中具有實(shí)用價(jià)值。

能量守恒；電磁感應(yīng)理論;主動(dòng)安全；安全距離

交通安全問題已成為世界性的大問題。據(jù)報(bào)載，全世界每年因交通事故死亡的人數(shù)約50萬，因此汽車的安全性對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)的影響是不言而喻的。汽車的安全性分為主動(dòng)安全和被動(dòng)安全兩種，被動(dòng)安全是指在萬一發(fā)生事故的情況下，汽車保護(hù)乘員的能力，主動(dòng)安全是指汽車防止發(fā)生事故的能力。目前比較成熟的被動(dòng)安全系統(tǒng)主要有安全帶、防撞式車身和安全氣囊防護(hù)系統(tǒng)[1](Supplemental Inflatable Restraint System，SRS)等。然而，被動(dòng)系統(tǒng)中，安全帶在正面低速碰撞中能有效保護(hù)乘員，但在48.3 km/h正面固定壁碰撞試驗(yàn)中，僅僅使用三點(diǎn)式安全帶，往往使乘員頭部、胸部的傷害指標(biāo)超過FMVSS 208中所規(guī)定的限值。安全氣囊是1958年發(fā)明并申請(qǐng)了專利，它的保護(hù)作用是十分顯著的，同樣也有它不安全的一面。據(jù)計(jì)算，若汽車以 60 km的時(shí)速行駛，突然的撞擊會(huì)令車輛在 0.2 s之內(nèi)停下，而氣囊則會(huì)以大約300 km/h的速度彈出，而由此所產(chǎn)生的撞擊力約有 180公斤，這對(duì)于頭部、頸部等人體較脆弱的部位就很難承受。因此，也造成了部分乘客的受傷和死亡，如果安全氣囊彈出時(shí)稍有差錯(cuò)，就有可能釀出一場“悲劇”。

為了更加完善汽車的主動(dòng)安全系統(tǒng)，彌補(bǔ)安全帶，安全氣囊所帶來的不足，減少車輛事故的發(fā)生，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種更加有效的防止汽車碰撞的主動(dòng)干預(yù)系統(tǒng)，就是在汽車相互碰撞之前，使它們之間瞬間產(chǎn)生一種強(qiáng)大的阻止相互靠近的推力，來進(jìn)一步緩沖因制動(dòng)車距不夠而未卸掉的慣性力，達(dá)到無法碰撞或減輕碰撞的效果，而這個(gè)推力就靠一定程度的“同級(jí)磁場”的排斥力來產(chǎn)生。因此，本設(shè)計(jì)是在被動(dòng)安全系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，引進(jìn)主動(dòng)安全系統(tǒng)概念，能夠更好的避免事故的發(fā)生，最大限度的保障人和車的安全。

1 硬件組成及原理

本系統(tǒng)主要由車距探測、車速探測、安全距離估算系統(tǒng)、危險(xiǎn)估計(jì)系統(tǒng)和磁力啟動(dòng)系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 車輛防碰撞系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of vehicle collision avoidance system

1.1 檢測系統(tǒng)

利用安裝于車輛前部的毫米波雷達(dá)[2]，激光雷達(dá)和CCD攝像機(jī)等傳感器測量前方車輛或障礙物的距離和速度信息。為提高測量的可靠性，可采用兩種或兩種以上的傳感器來完成測量，然后對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行融合處理，以減少傳感器的測量誤差，從而得到更可靠、更準(zhǔn)確的前方車輛的距離和速度信息。

1.2 安全距離估算系統(tǒng)

安全距離估算系統(tǒng)應(yīng)隨時(shí)根據(jù)從檢測系統(tǒng)得到的前方車輛的距離與速度信息，以及己車的動(dòng)力學(xué)特征，如車速、減速度等計(jì)算當(dāng)前情況下的“臨界安全車間距離”[3]，以防當(dāng)前車突然停車時(shí)，由于車間距離過小而導(dǎo)致的追尾碰撞事故。

1.3 控制原理

當(dāng)a、b兩車距離快速接近的時(shí)候，主動(dòng)接近的a車輛的車輪轉(zhuǎn)速傳感器、車距檢測器在很短的時(shí)間內(nèi)分別把車速信號(hào)和兩車距離信號(hào)傳給ECU，ECU根據(jù)存儲(chǔ)的車速跟制動(dòng)距離表，計(jì)算出該車所需的制動(dòng)距離并啟動(dòng)自動(dòng)剎車，如果距離不夠，ECU會(huì)迅速傳信號(hào)給信號(hào)發(fā)射器，同時(shí)，a車信號(hào)發(fā)射器與b車信號(hào)接收器取得聯(lián)系并使電磁閥工作，使兩車電磁系統(tǒng)的電路走向相同，使兩車之間產(chǎn)生相同的磁極，然后在瞬間產(chǎn)生較大的排斥力，避免使車相撞，當(dāng)相對(duì)速度為零的時(shí)候，磁力迅速消失。如果設(shè)計(jì)磁力偏弱，即使無法避免碰撞，也可以最大程度的延長碰撞之前的緩沖時(shí)間，最大程度的減輕碰撞，減少人員財(cái)產(chǎn)損失。

2 相關(guān)參數(shù)的理論計(jì)算

2.1 碰撞力的計(jì)算

小汽車的自重一般為1 200～1 600 kg，取平均值為1 400 kg，加上5個(gè)人的重量400 kg（80 kg×5），共計(jì)總質(zhì)量m=1 800 kg,由于人承受的加速度最大值不能超過 40 g[4]，所以取安全加速度a=40 g，根據(jù)牛頓第二定律可以計(jì)算出一般小汽車最大的安全碰撞力F=ma=720 kN。如果碰撞力超過該值，車上人員就會(huì)發(fā)生意外，這一值為下一步設(shè)計(jì)電磁鐵提供了依據(jù)。

2.2 制動(dòng)距離的計(jì)算

ABS汽車在平路緊急制動(dòng)時(shí)，道路摩擦阻力在制動(dòng)距離上所做的功等于汽車制動(dòng)前所具有的平動(dòng)動(dòng)能。因此平路總制動(dòng)距離S（m）為[5]：

式中：φ：路面阻力系數(shù)，計(jì)算時(shí)按持續(xù)制動(dòng)階段的實(shí)際滑動(dòng)率選取；v0：汽車制動(dòng)初速度（m/s）；t：制動(dòng)力增加時(shí)間。按式（1）計(jì)算ABS汽車相應(yīng)的平路制動(dòng)距離S如表1所示。

2.3 電磁力的計(jì)算

為了簡化計(jì)算，忽略漏磁、漏滯等因素的影響，依據(jù)電磁理論虛位移原理可以將電磁鐵產(chǎn)生的電磁力Fd[6]表示為：

式中：N為線圈的匝數(shù)；A為鐵芯的橫截面積；μ0為真空磁導(dǎo)率 （μ0=4π×10-7H/m）；I為線圈中的電流；δ為電磁鐵與永久磁鐵兩端面間的距離（也叫氣隙）。

表1 ABS汽車平路制動(dòng)距離表Tab.1 The calculated results of the braking distances of automobiles on horizontal road

從式（2）中可知：對(duì)照表1可知制動(dòng)距離為最低8 m,因此設(shè)計(jì)危險(xiǎn)估計(jì)系統(tǒng)的閾值為1 m,從而啟動(dòng)磁力系統(tǒng)。為了使汽車不碰撞，因此每個(gè)磁力線圈承擔(dān)汽車碰撞力的一半 。即 ：。線圈的橫截面積以及匝數(shù)由車身的空間間隙來決定，從而來設(shè)計(jì)電磁鐵，確定產(chǎn)生電磁力的電流：

3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

選取Fd=360 kN作為設(shè)計(jì)電磁力，δ=0.7 m作為最大設(shè)計(jì)氣隙（Smax），設(shè)N=3.06×104，鐵芯橫截面積 A=0.3 m2，根據(jù)式（3）得出電磁力所需的電流為I=40 A。再根據(jù)電流I=40 A來選擇導(dǎo)線直徑Φ、線圈的電阻R及所需要的電壓U。如果計(jì)算的結(jié)果不符合要求，可以重新設(shè)計(jì)電流I或?qū)Ь€電阻R來修正電壓U數(shù)值。

4 結(jié)束語

本課題的研究成果，對(duì)于車輛行車和運(yùn)輸過程中減少或減輕車輛碰撞有著深遠(yuǎn)的理論和實(shí)際意義。系統(tǒng)綜合運(yùn)用電子技術(shù)、汽車工程技術(shù)、檢測及控制技術(shù)、高速無線通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了各學(xué)科間的高度融合。在汽車行駛參數(shù)高速檢測、短距離高速無線通信、高速控制等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)理論與技術(shù)突破。并將電磁力引入汽車主動(dòng)安全控制領(lǐng)域，彌補(bǔ)了以往機(jī)械方式進(jìn)行安全控制的缺陷，有著很重要的理論意義。

鑒于交通事故的不可預(yù)測性和不可絕對(duì)避免性，本課題研究的實(shí)踐意義則主要突出表現(xiàn)在對(duì)車輛行駛中常見的制動(dòng)距離不足而引起的交通事故的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，進(jìn)而減少交通事故傷害的產(chǎn)生和財(cái)產(chǎn)損失。

[1]屈豐,胡敏.汽車安全氣囊氣體發(fā)生器的性能測試分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014(21):159-162. QU Feng,HU Min.Performance test analysis of car safety air bag gas generator[J].Modern Electronics Technique,2014(21):159-162.

[2]張俊溪,楊亞萍,楊海粟.毫米波雷達(dá)DBS回波信號(hào)仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012(11):49-51. ZHANG Jun-xi,YANG Ya-ping,YANG Hai-su.DBS millimeter wave radar echo signal simulation[J].Modern Electronics Technique,2012(11):49-51.

[3]楊軍，張偉光，陳先華.減速度非線性變化對(duì)制動(dòng)距離影響分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),2011,41(4):848-853. YANG Jun,ZHANG Wei-guang,CHEN Xian-hua.Influence analysis of non-linear variation of deceleration on braking distance[J].Journal of Southeast University.2011,41(4):848-853.

[4]黨宏社，韓崇昭，段戰(zhàn)勝.汽車防碰撞報(bào)警與制動(dòng)距離的確定[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào),2001,22(6):89-91. DANG Hong-she,HAN Chong-zhao,DUAN Zhan-sheng. Determination of distance for vehicle collision avoidance warning and braking [J].Journal of Chang’an University, 2002,22(6):89-91.

[5]王潤琪,蔣科軍.ABS汽車制動(dòng)距離分析與計(jì)算[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào),2005,25(2):70-73. WANG Run-qi,JIANG ke-jun.Analysis and Calculation of Braking Distance of ABS Automobiles,2005,25(2):70-73.

[6]蔣鐵珍，武虎，吳凱，等.毫米波汽車防撞雷達(dá)恒虛警率門限設(shè)定方法[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào),2005,24(3):217-219. JIANG Tie-Zhen,WU Hu,WU Kai,et al.Threshold design method of cfar for millimeter-wave collision warning radar[J]. J Infrared Millim.Waves,2005,24(3):217-219.

The design of car active safety system w ith the magnetic force acting

MA Li-juan
（Xi'an Institute of Foreign Affairs College,Xi’an 710077,China）

TO make up for the deficiency of the passive safety system,the magnetic force acting active safety concept is inteoduced.Through the speed sensor and distance sensor,the distance and speed between vehicles can be measured,then the braking length performance can be analyzed by the risky estimation system,if the result is risk,the vehicle behind transmitted information to the forward vehicle,then the two cars establish the same polarity of magnetic field to produce “repulsion”to avoid the two cars crashed into each other.It is shown this method is practical in the project.

energy conservation;electromagnetic induction;vehicle active safety；safe distance

U491.6

A

1674－6236（2015）07-0022-02

2014-07-12 稿件編號(hào)：201407096

西安外事學(xué)院資助（2013XKZ09）

馬麗娟(1979—)，女，云南水富人，碩士，講師。研究方向：電氣自動(dòng)化。