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汽車(chē)電子智能安全系統的簡(jiǎn)單敘述

作者： 時(shí)間：2012-12-03 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò ) 收藏
1 引言

安全帶和安全氣囊是汽車(chē)碰撞事故中最有效的乘員保護設施。據有關(guān)數據表明，佩帶座椅安全帶可以使碰撞事故中乘員傷亡率減少15%-30%。安全氣囊對駕駛員和乘員的頭部、頸部安全再發(fā)生正面碰撞時(shí)有著(zhù)十分明顯的保護作用。

但是由于實(shí)際碰撞事故的復雜多樣性，無(wú)論是安全帶還是安全氣囊，其保護作用都有其局限性，而且如使用或設計不當還會(huì )帶來(lái)較大的負面影響。具體表現在：

當小規模事故發(fā)生時(shí)，氣囊對乘員的傷害很有可能超過(guò)事故本身。當駕駛員乘坐位置過(guò)于靠近方向盤(pán)時(shí)（out of position，即OOP），安全氣囊系統來(lái)內部氣體發(fā)生器約在30ms內將氣袋充滿(mǎn)，巨大的沖擊力將對離氣囊組件很近并處于膨脹方向的乘員的頭部和頸部造成嚴重傷害；按標準位置乘員設計的氣囊系統，極有可能對離位乘員和小身材婦女甚至兒童造成傷害；對于大尺寸乘員來(lái)說(shuō)，碰撞中常常會(huì )將氣囊壓扁后與轉向盤(pán)碰撞，也就是說(shuō)普通氣囊難以對大尺寸乘員起到應有的防護作用。

就此擺在車(chē)在安全系統設計人員面前的問(wèn)題就是：怎樣開(kāi)發(fā)出一套針對個(gè)人而非針對標準的安全系統，這種系統要能夠對乘員情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，并通過(guò)監控得到的參數在碰撞過(guò)程中控制安全系統。

開(kāi)發(fā)新型智能安全系統的重要性毋庸置疑。據有關(guān)數據統計，到2005年，35%的新型車(chē)將裝備智能人員識別系統。按照美國的標準，到了2006年，所有的都必須裝備此類(lèi)系統?？梢院敛华q豫地說(shuō)，開(kāi)發(fā)汽車(chē)智能安全系統在今后將具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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MOTOROLA公司所開(kāi)發(fā)的傳感器和微處理器在汽車(chē)控制方面具有很高的性能價(jià)格比。而本次參賽所采用的傳感器是該公司最新開(kāi)發(fā)的電場(chǎng)成像器件MC33794，該芯片非常適合用于測量和人有關(guān)的物理參數（因為人體本身主要由水組成，而水里的金屬元素是人體成為具有常電解特性的良導體。）所以我們以該傳感器為核心，優(yōu)化了傳感器安排，重新設計了該智能安全系統。此系統使用傳感器和高性能MCU來(lái)探測駕駛員的體型、位置和重量并決定安全帶和安全氣囊的工作狀態(tài)。

2 設計概述

2.1為什么開(kāi)發(fā)智能安全系統？

首先，據National Highway Traffic Safety administration (NHTSA)的調查，大多數應安全氣囊受傷的乘員（aggressive airbag）都是由于不恰當的乘坐位置。新的智能安全系統通過(guò)MC33794電場(chǎng)成像芯片，實(shí)時(shí)監控駕駛員的乘坐位置，在碰撞發(fā)生時(shí)，自動(dòng)調節安全帶矯正乘員乘坐位置。若乘員是乘坐位置不當的兒童，為了避免安全氣囊傷害乘員，氣囊將不展開(kāi)。

其次，傳統的安全帶氣囊系統是建立在三種用于汽車(chē)碰撞的人模(Hydrid3)之上的：

（1）50%人模:代表平均身高1.77米和體重86公斤
（2）95%人模:包括95%的人的身高1.88米和體重108公斤.
（3）5%人模:代表5%的矮小身材1.48米和體重56公斤.

該統計未考慮體重小于5%人模的兒童。傳統的安全氣囊時(shí)在打開(kāi)時(shí)會(huì )對大多數的兒童頸部造成巨大壓強，根據NHTSA2003.1.1的測試報告，在242起由安全氣囊引起的受致命傷害的模型中，119起是兒童模型。同時(shí)大多數的在交通事故中死亡的兒童頸部都因使用安全氣囊而對頸部造成致命損傷。與之相對的是，大體型的乘員（提醒超過(guò)95%人模）在事故中又常常壓扁安全氣囊而撞到方向盤(pán)。

針對以上考慮，新開(kāi)發(fā)的智能的安全系統能自動(dòng)識別成員的體型，并將體型作為影響氣囊控制參數的一個(gè)因子，實(shí)現個(gè)人化的安全氣囊控制。

2.2系統的功能及原理

本次設計的目標是開(kāi)發(fā)一種通用的不限車(chē)型的智能安全系統。該系統能既能用作駕駛位安全汽囊控制系統，也能安裝在乘客位控制乘客位安全汽囊系統。利用單片機精確地控制安全氣囊的開(kāi)放和安全帶的收緊程度，以此來(lái)避免因為安全氣囊的非必要或不充分打開(kāi)而引起的人員傷亡。

本系統并不直接控制安全氣囊與安全帶，而是作為CAN總線(xiàn)內的一個(gè)節點(diǎn)，向實(shí)際控制安全氣囊和安全帶的微控制器發(fā)出部分控制參數。借以實(shí)現安全系統的智能化。

2.2.1系統應具備的功能：

1.針對安全氣囊的功能設計

⑴智能氣囊開(kāi)關(guān)控制（AutomaticAirBagOn-OffSwitches）。關(guān)鍵因素是碰撞發(fā)生時(shí)的加速度。在國家鑒定試驗中，碰撞瞬時(shí)的加速度約為-40g；當由碰撞造成的減速度小于40g時(shí)氣囊不會(huì )打開(kāi)。另外，考慮到氣囊并非針對兒童設計，當汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)氣囊有可能對兒童造成致命傷害，故當乘員乘坐姿勢不當的兒童（體重小于30公斤）時(shí)，氣囊將永遠不會(huì )打開(kāi)。（建議使用帶有兒童安全帶的反向安全座位）。

⑵雙氣囊噴射口多級延時(shí)噴射

為了能夠實(shí)現在發(fā)生汽車(chē)碰撞時(shí)，不同體型的人受到不同膨脹程度的氣囊的保護，我們采用了雙氣囊噴射口模型。并且通過(guò)控制每個(gè)噴射口相對碰撞時(shí)刻的延時(shí)長(cháng)短來(lái)控制氣囊開(kāi)始膨脹的時(shí)刻及最終膨脹程度。

采用上述的功能設計是因為經(jīng)研究表明，并非在汽車(chē)發(fā)生碰撞之后立即打開(kāi)氣囊就能取得最好的保護效果，而是要經(jīng)過(guò)一段延時(shí)（典型值10ms）。延時(shí)具體值則取決于碰撞導致的汽車(chē)加速度和乘員體型的大小。

2.安全帶預調整。

在發(fā)生碰撞時(shí)，汽車(chē)安全智能系統通過(guò)采樣有電場(chǎng)成像器件檢測的各電極電壓值來(lái)獲取乘員的乘坐姿勢與位置（這是本次大賽建議使用芯片MC33794的一大功能），若乘客身體過(guò)于接近方向盤(pán)則提前收緊安全帶，減小OOP（outofposition）程度，進(jìn)一步保證乘客安全。

2.2.2工作原理

1.工作原理圖

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2.系統原理

OOP的概念：即out of position，是指駕駛員在駕駛時(shí)偏離正確的坐姿而靠近方向盤(pán)的情況。本方案中多次用到這一概念，故在此強調說(shuō)明。

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系統組成如上圖一所示。駕駛員坐上座位時(shí)，電場(chǎng)成像器件MC33794則通過(guò)查詢(xún)循環(huán)不斷檢測駕駛艙內電場(chǎng)變化，得到駕駛員實(shí)時(shí)的位置/坐姿參數（由傳感器各電極電壓匹配乘員姿勢的示意圖如右邊所示）；放在座位下的壓強傳感器將駕駛員對座位的壓強參數傳給MCU，；同時(shí)安全帶傳感器（本系統簡(jiǎn)化為一個(gè)開(kāi)關(guān)電路）則負責將駕駛員是否系上安全帶的信號傳給MCU。

當汽車(chē)速度急速下降時(shí)，若加速度大于中斷閥值（即使得單片機進(jìn)入中斷服務(wù)程序的加速度），則向MCU發(fā)出外部中斷，MCU將加速度傳感器得到的模擬量A/D轉化后判斷該加速度是否超過(guò)安全氣囊的開(kāi)啟閥值。若已超過(guò)，則將各傳感器得到的參數轉變?yōu)椴楸淼刂?詳細的闡述見(jiàn)第四部分軟件描述)，進(jìn)而查表得到氣囊參數受傳感器參數。
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