汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)控制策略研究

劉全周，李占旗，陳慧鵬，白穩(wěn)峰，張 蕾

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

安全氣囊的廣泛采用始于20世紀(jì)80年代末，而汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng) （event data recorder system，EDR）是伴隨著安全氣囊的發(fā)展而出現(xiàn)的，為獲得觸發(fā)安全氣囊所需的數(shù)據(jù)，汽車生產(chǎn)商開始在氣囊控制模塊中安裝一個小型存儲器，這就是 EDR的雛形。EDR所記錄的碰撞前速度、ΔV時間變化曲線、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、氣囊點爆狀態(tài)、制動狀態(tài)、安全帶使用狀態(tài)、加速踏板位置、車輛擋位等多項數(shù)據(jù)，為事故調(diào)查、事故還原提供重要的原始數(shù)據(jù)支持，從而可以客觀地、科學(xué)地劃分汽車廠商和駕乘人員的事故責(zé)任［1］。同時也可以作為考核駕駛者違規(guī)操作的重要監(jiān)督手段，這種“監(jiān)督”及“見證”的功能，大大提高了駕駛者的安全責(zé)任感，從而大幅度降低了事故率［2］。

目前，汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)尚在制定過程中，EDR功能大多集成于安全氣囊控制器中，并未出現(xiàn)真正獨立存在的EDR產(chǎn)品，也沒有完善的EDR系統(tǒng)開發(fā)方案提出。EDR是一種法規(guī)性的產(chǎn)品，將在配套法規(guī)的支持下推廣應(yīng)用，國外的經(jīng)驗做法就是這樣，國內(nèi)也將如此，可以預(yù)見國標(biāo)制定完成并正式實行后，EDR產(chǎn)品必然成為國內(nèi)車輛的標(biāo)準(zhǔn)安全配置。

本文從EDR系統(tǒng)實際應(yīng)用需求著手，確定需記錄的事件數(shù)據(jù)，進而對EDR的完整控制策略展開研究。

1 EDR數(shù)據(jù)選擇

EDR所記錄數(shù)據(jù)對事故還原、分析提供了重要的數(shù)據(jù)支撐，改變了此前過多依賴行駛痕跡進行事故分析的方式，因此數(shù)據(jù)的選擇需充分考慮第三方使用需求［3］。從EDR數(shù)據(jù)來源分析，EDR所記錄數(shù)據(jù)來自于車上不同的控制器、自身所連接的傳感器以內(nèi)部計算值，其中其他控制器的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳遞給EDR，傳感器數(shù)據(jù)通過硬線傳遞給EDR。車輛提供數(shù)據(jù)的不同控制器目前主要包含車身控制模塊、動力底盤控制模塊、主被動安全模塊及高級駕駛輔助系統(tǒng)模塊等［4］。

美國聯(lián)邦法規(guī)“49 CFR Part 563”中規(guī)定安裝 EDR的車輛必須記錄速度變化量 （縱向）、最大速度變化量 （縱向）、最大速度變化量 （縱向）、車速、節(jié)氣門開度、制動踏板狀態(tài)、點火周期 （碰撞時）、點火周期 （讀取數(shù)據(jù)時）、駕駛員側(cè)安全帶狀態(tài)、正面氣囊報警燈狀態(tài)、駕駛員前側(cè)氣囊展開時間、左前成員前側(cè)氣囊展開時間、多次事件的次數(shù)、多次事件的時間間隔、事件記錄完整性等15項數(shù)據(jù)［5］，目前可實現(xiàn)EDR功能的車輛也基本滿足上述數(shù)據(jù)的記錄要求。

但隨著新能源車輛的逐步普及、高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的廣泛應(yīng)用，規(guī)定中所要求數(shù)據(jù)已無法對車輛的狀態(tài)描述進行全面覆蓋，不能夠滿足實際應(yīng)用需求，數(shù)據(jù)種類急需拓展與補充。現(xiàn)整理并匯總以下16項數(shù)據(jù) （詳見表1），并分為ADAS數(shù)據(jù)、新能源數(shù)據(jù)、控制器信息數(shù)據(jù)等3大類。

表1 需補充數(shù)據(jù)

ADAS數(shù)據(jù)表征了ADAS各系統(tǒng)的功能狀態(tài)，可以用于分辨碰撞前后車輛狀態(tài)的實際控制源是駕駛員操作還是車輛自主控制，由此可以準(zhǔn)確判定事故成因、判別操作責(zé)任等［6］。對于新能源車輛碰撞事故，電池狀態(tài)的反映有著重要作用，上述新能源數(shù)據(jù)可以充分表征碰撞前后車輛動力電池的關(guān)鍵狀態(tài)。控制器信息數(shù)據(jù)主要用于數(shù)據(jù)記錄與控制器的匹配與對應(yīng)，保證數(shù)據(jù)的真實性與可信度。

2 EDR系統(tǒng)構(gòu)成及控制原理

EDR系統(tǒng)由外圍碰撞傳感器、EDR控制存儲單元、數(shù)據(jù)提取工具、數(shù)據(jù)顯示與分析軟件等4部分構(gòu)成，如圖1所示，可實現(xiàn)事件數(shù)據(jù)的觸發(fā)與鎖定、數(shù)據(jù)存儲記錄、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析及事故還原等功能。

圖1 EDR系統(tǒng)構(gòu)成

EDR控制策略主要包含系統(tǒng)初始化模塊、功能主程序模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊、故障診斷模塊等，實現(xiàn)流程如圖2所示。初始化模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化及硬件自檢，功能主程序模塊主要實現(xiàn)事件數(shù)據(jù)的觸發(fā)、鎖定及存儲，數(shù)據(jù)讀取模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取，故障診斷模塊主要實現(xiàn)故障機制。

圖2 EDR控制策略組成

2.1 初始化模塊設(shè)計

初始化模塊主要實現(xiàn)對ROM、RAM、A／D模塊、加速度傳感器、電容等進行自檢，并設(shè)置相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)及各模塊工作模式，包括通用IO端口、定時器、AD轉(zhuǎn)換控制器、CAN控制器、中央處理器、存儲器等［7］。

控制器上電后EDR進入初始化過程，在初始化過程中主程序模塊、故障診斷模塊不工作。初始化過程不通過時，會產(chǎn)生相應(yīng)故障碼，并存儲在RAM中，此時控制器對外輸出故障燈控制信號。初始化過程中故障指示燈亮，初始化結(jié)束且通過時，故障指示燈滅，否則保持常亮。控制器每次上電，初始化程序均進行一次。

2.2 功能主程序設(shè)計

功能主程序模塊主要實現(xiàn)事件數(shù)據(jù)的觸發(fā)、鎖定與存儲，本控制器依據(jù)碰撞強度設(shè)計2個閾值，分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)的觸發(fā)非鎖定、觸發(fā)并鎖定，可實現(xiàn)最大3次數(shù)據(jù)存儲，且數(shù)據(jù)記錄時長共計5.25s。

2.2.1 數(shù)據(jù)緩存設(shè)計

上電初始化過程完成后，來自于碰撞傳感器、CAN總線等的所有待記錄數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)緩存區(qū)［8］。由于EDR需記錄碰撞前5s及碰撞后250ms的數(shù)據(jù)，根據(jù)各數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)長度、記錄精度、記錄數(shù)量計算得到緩存空間大小，為充分利用該存儲空間且提高存儲效率，數(shù)據(jù)緩存采用堆棧方式處理，遵循先入先出的原則，當(dāng)緩存空間填滿后，最早進入緩存的數(shù)據(jù)將被頂出。

2.2.2 數(shù)據(jù)記錄觸發(fā)

1）申報子系統(tǒng)。通過系統(tǒng)，申報者可以不受時間與空間的限制進行在線項目立項申請、中期檢查申請、結(jié)題申請、項目修改申請等，通過申報者身份可以登錄系統(tǒng)查看和管理本人所有教改項目，查詢項目狀態(tài)及專家評審意見等信息；同時作為教改項目的資料庫，申報者還可以隨時調(diào)取相關(guān)項目申報資料。

上電初始化完成后，內(nèi)置加速度傳感器的縱軸、橫軸加速度信號，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換、濾波處理后，進入控制器。

采用移動窗算法實時計算縱軸與橫軸ΔV，當(dāng)縱軸或橫軸方向上，150ms內(nèi)車輛速率變化小于8km／h時，輸出控制值0；當(dāng)縱軸或橫軸方向上，150ms內(nèi)車輛速率變化等于或超過8km／h時，輸出控制值1。如果事件持續(xù)時間小于150ms，那么觸發(fā)閾值指的是從最近的時間零點算起，等于或者超過8 km／h的車輛速率的變化。控制值為0時，緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)不會被存儲到非易失性存儲器中；控制值為1時，緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)被存儲至非易失性存儲器中，并被標(biāo)記為事件X1。

為節(jié)省存儲空間并使數(shù)據(jù)存儲指令簡化，數(shù)據(jù)存儲按照數(shù)據(jù)采集周期進行分類，分別按照2ms、10ms、100ms、500ms及單次分別進行存儲，當(dāng)控制值置為1后，緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進入非易失性存儲器。

2.2.3 數(shù)據(jù)記錄鎖定

若無不可逆的約束裝置 （氣囊、安全帶張緊）展開、或ΔV未達到第二閾值時，非易失性存儲器中事件X1的數(shù)據(jù)不被鎖定，此時鎖定標(biāo)志位為0；當(dāng)出現(xiàn)不可逆的約束裝置展開或ΔV達到第二閾值時，非易失性存儲器中事件X1的數(shù)據(jù)被鎖定，此時鎖定標(biāo)志位置1。

非易失性存儲器最多可存儲3次事件數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)的覆蓋滿足以下規(guī)則。

1）當(dāng)非易失性存儲器未存滿3次事件時，鎖定與非鎖定數(shù)據(jù)均不被覆蓋。

3）被鎖定的事件數(shù)據(jù)不被任何后續(xù)事件數(shù)據(jù)所覆蓋。

2.3 數(shù)據(jù)讀取設(shè)計

EDR所存儲的事件數(shù)據(jù)需通過專用的提取工具進行事后提取，提取過程需保證數(shù)據(jù)的完整性與安全性［9］，因此數(shù)據(jù)的提取需先經(jīng)過校驗步驟，當(dāng)校驗通過獲得數(shù)據(jù)提取權(quán)限后方可以通過特定傳輸方式進行數(shù)據(jù)提取。數(shù)據(jù)提取方式可以通過Ethernet、CAN、LIN等多種協(xié)議實現(xiàn)，由于CAN總線在汽車上的廣泛應(yīng)用，目前基于CAN的數(shù)據(jù)提取方式仍為主流選擇［10］，可分別采用物理尋址、功能尋址進行，每種方式都存在自身的優(yōu)勢與限制，充分考慮到提取方式的通用性，特設(shè)計功能+物理的提取方式。

具體為當(dāng)數(shù)據(jù)提取工具和EDR連接后，上位機軟件檢測通信是否正常；正常通信后，工具端發(fā)送7DF功能尋址請求，請求EDR物理的ID；收到請求后，EDR向工具端發(fā)送本控制器的物理ID信息［11］；基于該物理ID信息，工具端向EDR發(fā)送VIN請求，當(dāng)EDR反饋正確VIN信息后，校驗完成；隨后工具端向EDR發(fā)送數(shù)據(jù)提取請求，EDR中所記錄信息按照存儲方式進行上傳；數(shù)據(jù)提取完畢后按照選擇存儲在指定路徑。數(shù)據(jù)提取流程見圖3。

2.4 故障診斷設(shè)計

圖3 數(shù)據(jù)提取流程

故障診斷功能是EDR中必不可少的組成部分，更是提高控制器可靠性的重要手段，在汽車控制單元的代碼總量中，故障診斷代碼量會占到60%甚至更多［12］。故障診斷能夠?qū)ο到y(tǒng)的各個節(jié)點進行診斷，并把診斷結(jié)果存儲到相應(yīng)的存儲器中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，會產(chǎn)生故障代碼并對功能造成影響。

EDR故障可分為兩大類，即內(nèi)部故障與外部故障［13］。內(nèi)部故障主要是EDR控制單元的故障，它包括模塊內(nèi)部的所有可能發(fā)生的故障，如看門狗出錯，存儲器讀寫錯誤，A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換錯誤，加速度芯片自檢錯誤等。內(nèi)部故障是致命的，因為控制單元是EDR條件判定、數(shù)據(jù)存儲的主要實現(xiàn)方，一旦出現(xiàn)故障可能會導(dǎo)致記錄無法被觸發(fā)，數(shù)據(jù)不能被鎖定等情況，其后果很嚴(yán)重。因此當(dāng)出現(xiàn)此類型故障時，EDR會點亮指示燈，提醒駕駛員進行維修或更換［14］。外部故障指與EDR連接的外部器件所出現(xiàn)的故障，如外置加速度傳感器連接線故障、總線傳輸故障、供電電壓故障等。此類故障往往是由于線束開路、短路等電氣原因造成［15］。

根據(jù)EDR控制器工作特點，本系統(tǒng)故障診斷設(shè)置見表2。

表2 故障診斷設(shè)置

3 結(jié)束語

本文分析了國外法規(guī)對EDR數(shù)據(jù)記錄的要求，并基于新能源汽車、ADAS應(yīng)用趨勢的分析，整理出16項實際需求數(shù)據(jù)。對EDR的功能、診斷策略進行研究，給出了完整的控制策略組成，并設(shè)計了包含校驗、物理+功能的數(shù)據(jù)提取流程。EDR為交通事故中碰撞過程還原、責(zé)任認定提供了強大的數(shù)據(jù)支撐，已成為進一步提高事故調(diào)查水平，提出更加有效的事故預(yù)防措施的重要保障，對其數(shù)據(jù)記錄種類及實現(xiàn)技術(shù)的深入研究具有重大的現(xiàn)實意義。