（载运工具运用工程专业论文）紧急自动呼救技术中所录用车辆事故信息的研究.pdf

江苏大学硕士论丈 摘要 车辆事故紧急自动呼救技术是在车辆碰撞安全研究、车辆行驶记录仪、车载 g p s 导航、车载无线通信研究的基础上整合集成的。车辆发生事故时，车载模块 自动对事故状况进行判断，如果确定事故发生，则触发紧急呼救，并向呼救中心 发送事故信息。我国在车辆事故紧急自动呼救领域的研究才刚刚起步，还没有建 立完善的紧急呼救系统理论。 本文就紧急自动呼救技术中所录用的车辆事故信息进行了研究，包括安全气 囊点火信息、车辆损坏信息、人体伤害信息。 分析了安全气囊的工作原理、点火准则和有关算法的特点等，以安全气囊点 火信息作为紧急呼救系统的基本呼救触发信息； 介绍了车辆损坏评价指标，根据碰撞过程的特点，对碰撞作用期间的车辆进 行力学分析简化，分别分析了车辆碰撞损坏的三个模型，进而分析了汽车对固定 墙壁正面碰撞的动力学模型。在此基础上，根据碰撞试验标准以初速度3 0 k r n h 进行台车模拟碰撞试验，采集得到台车的加速度信号，分析了其变化历程及能量 损失情况，为安全气囊点火和紧急救援提供事故信息； 由加速度时间曲线计算得到台车的刚度系数、阻尼系数、弹性恢复系数，以 此建立p c c r a s h 车辆碰撞伤害仿真模型。验证模型的可行性后，以初速度为 4 8 3 k m h 进行p c c r a s h 碰撞伤害仿真，研究正面碰撞事故中车内乘员的运动学、 动力学响应过程，分析人体各部位的动力学参数，得到乘员头部伤害指标h i c 值、胸部3 m s 加速度值、腿部轴向合力等伤害指标及总变形能，根据人体伤害 特点、伤害程度评价指标与损伤概率的关系来判断乘员伤害程度。 救援人员根据这些事故信息可以及时掌握事故严重程度，进行救援决策，实 施相应的救援方案，为车辆事故紧急救援的i l i o n 实施提供保证。 关键词：车辆事故，紧急呼救，信息，事故评价，p c c r a s h 江苏大学硕士论文 a b s t r a c t i n v e h i c l ea u t o m a t i cc r a s hn o t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi st h ei n t e g r a t i o no fv e h i c l e c o l l i s i o ns a f e t yr e s e a r c h ，t r a v e lr e c o r d i n gi n s t r u m e n t ，g p sn a v i g a t i o na n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s w h e na na c c i d e n th a p p e n s ，t h ei n v e h i c l em o d u l ej u d g e sa n dd e t e c t s t h es i t u a t i o n ，i ft h ea c c i d e n ti sd e f i n i t e ，e m e r g e n c yc a l lw i l lb et r i g g e r e d ，a c c i d e n t i n f o r m a t i o nw i l lb et r a n s m i t t e dt oc a l lc e n t e r i nc h i n ar e s e a r c ho na u t o m a t i cc r a s h n o t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sj u s ts t a r t e d ，ac o m p r e h e n s i v ee m e r g e n c yr e s c u et h e o r y r e m a i n sy e tt ob ed e v e l o p e d t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c h e so nr e q u i r e dv e h i c l ea c c i d e n ti n f o r m a t i o no f i n v e h i c l ea u t o m a t i cc r a s hn o t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h ei g n i t i o ns i g n a l f r o mt h ea i r b a g , v e h i c l ed e f o r m a t i o nd a m a g ea n dh u m a nb o d yh a r mv a l u e t h e p r i n c i p l ea n di g n i t i o nr u l eo fa i r b a ga n dt h ef e a t u r eo fr e l e v a n ta l g o r i t h m si s a n a l y z e d a i r b a gi g n i t i o n i n f o r m a t i o nc a nb e a d o p t e da s t h eb a s i ct r i g g e r i n g i n f o r m a t i o no f a u t o m a t i cc r a s hn o t i f i c a t i o ns y s t e m e v a l u a t i n g c r i t e r i o no fv e h i c l ed a m a g ei si n t r o d u c e d ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o l l i s i o np r o c e s s ，v e h i c l em e c h a n i c a la n a l y s i si s s i m p l i f i e d d u r i n gc o l l i s i o np r o c e s s ，t h r e em o d e l so fv e h i c l ec o l l i s i o nd a m a g ea n dd y n a m i c s m o d e lo fv e h i c l ei m p a c tf a c i n gaf i x e dw a l li sr e s p e c t i v e l ya n a l y z e d t h e n ，a c c o r d i n g t ot h ei m p a c tt e s ts t a n d a r d ，t h es l e da c c e l e r a t i o ni sg a t h e r e dw i t ht h ei n i t i a lv e l o c i t y 30 k m h t h ec h a n g ec o u r s eo fs l e da c c e l e r a t i o na n de n e r g yl o s si sa n a l y z e d ，w h i c h c a ns u p p l yi n f o r m a t i o nf o ra i r b a gi g n i t i o na n dt h ee m e r g e n tr e s c u e p c - c r a s hv e h i c l ec o l l i s i o nd a m a g es i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dw i t ht h e s t i f f n e s sc o e f f i c i e n t ，d a m p i n gc o e f f i c i e n t ，e l a s t i cr e s t i t u t i o nc o e f f i c i e n to ft h es l e d ， c a l c u l a t e db yt h es l e da c c e l e r a t i o nt i m ec u r v e a f t e rt h ec o n f i r m a t i o no fp c c r a s h m o d e lf e a s i b i l i t y , t h et o t a ld i s t o r t i o ne n e r g ya n di n j u r yi n d i c a t o r s ，s u c ha st h ec r e w h e a di n j u r yh i cv a l u e ，c h e s ta c c e l e r a t i o nv a l u eo f3 m sa n da x i a lf o r c eo ft h i g h ，w h i c h i so b t a i n e db yp c c r a s hc o l l i s i o ni n j u r ys i m u l a t i o nw i t ht h ei n i t i a lv e l o c i t y i i l 江苏大学硕士论文 4 8 3 k m h ，c a ne s t i m a t ed a m a g eo fo c c u p a n t ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh u m a n i n j u r y , t h er e l a t i o n s h i po fd a m a g ee v a l u a t i o ni n d e xa n di n j u r yp r o b a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h e s ea c c i d e n ti n f o r m a t i o n ，t h er e s c u ep e r s o n n e lc a ng r a s pt h e a c c i d e n ts e v e r i t yi nt i m ea n di m p l e m e n tt h ec o r r e s p o n d i n gr e s c u ep l a n ，i n s u r i n gt h e f a v o r i n gp e r f o r m a n c eo f v e h i c l e sa c c i d e n te m e r g e n c yr e s c u es e r v i c e k e yw o r d s ：v e h i c l ea c c i d e n t , e m e r g e n c yc a l l ，i n f o r m a t i o n ，a c c i d e n te v a l u a t i o n ， p c c r a s h i v 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：7 泵，心致 叫年矿月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密西 学位论文作者签名：乍系小型指导教师签名：弘，仁冱 1 年f 月( 7 日 年占月io 日 江苏大学硕士论丈 第一章绪论 1 1 车辆安全性的研究背景及意义 1 1 1 研究背景 在现代文明的今天，汽车已经成为人类不可缺少的交通运输工具。自从1 8 8 6 年第一辆汽车诞生以来，它给人们的生活和工作带来了极大的便利，也已经发展 成为近现代物质文明的支柱之一。但是，在汽车产业高速发展、汽车产量和保有 量不断增加的同时，汽车不可避免地产生交通事故，给人类造成巨大的生命、财 产损失，汽车交通事故已经成为当今威胁、残害人类生命的一大公害。 据统计，美国1 9 0 1 年至今的1 0 0 多年间，因车祸死亡的人数在2 5 0 万人以 上，将近美国独立战争以来7 次战争中战死人数( 约6 5 万人) 的四倍【i 】。因道 路交通事故造成的经济损失也相当惊人，例如，美国的道路交通事故经济损失约 是火灾经济损失的7 倍。日本因道路交通事故造成的经济损失相当于年道路建设 投资的一半。道路交通事故在发展中国家尤为严重，尽管这些国家汽车拥有量只 占全球的两成，专家指出，到2 0 2 0 年若不及时采取措施，发展中国家的道路交 通事故死亡人数将剧增8 0 f ”。据世界卫生组织估计，道路交通事故每年给全世 界经济造成5 18 0 亿美元损失，约占全球生产总值的1 0 o , 2 t 3 1 。因此，人们称道 路交通事故是“现代文明病和“无休止的交通战争1 4 】。 我国是世界上交通事故最多的国家之一，表1 1 1 5 】所示为我国近年来的每年 交通事故数、死伤人数、直接经济损失和万车死亡率。由此可见，汽车安全性是 一个严重的社会问题。 汽车的安全性分为主动安全性、被动安全性两个方面【6 1 。其中主动安全性也 称事故前安全性，是指汽车预防或回避事故的性能，主要包括制动性能、操纵稳 定性能、灯光和视野等：被动安全性是指汽车减轻事故过程中对乘员伤害的性能， 主要包括车身结构、座椅、安全带、气囊、安全玻璃、转向柱、车顶和车门强度、 内饰件缓冲性能等。 江苏大学硕士论文 表1 1 我国交通事故统计( 1 9 9 4 年到2 0 0 8 年) t a b 1 ls t a t i s t i c so ft r a f f i ca c c i d e n t si nc h i n a ( 19 4 4 2 0 0 8 ) 年份交通事故数死亡人数受伤人数直接经济损失( 亿元)万车死亡率 1 9 9 42 5 3 5 3 76 6 3 6 21 4 8 8 1 71 3 3 2 4 2 6 1 9 9 5 2 7 1 8 4 37 1 4 9 41 5 9 3 0 81 5 22 2 4 8 1 9 9 61 8 7 6 8 57 3 6 51 7 4 4 4 71 7 22 0 4 l 1 9 9 73 0 4 2 1 77 3 8 6 l1 9 0 1 2 81 8 51 7 5 0 1 9 9 8 3 4 6 1 2 9 7 8 0 6 7 2 2 2 7 2 l1 9 3 1 7 3 0 1 9 9 94 1 2 8 6 08 3 5 2 92 8 6 0 8 02 i 21 5 4 5 2 0 0 06 1 6 9 7 l9 3 8 5 34 1 8 7 2 i2 6 71 5 6 4 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 l5 6 2 0 7 43 3 21 3 7 l 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 7l o 8 l 2 0 0 45 1 7 8 8 91 0 7 0 7 74 8 0 8 6 42 3 99 9 3 2 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 l1 8 87 5 7 2 0 0 63 7 8 7 8 l8 9 4 5 54 3 1 1 3 91 4 96 2 2 0 0 73 2 7 2 0 9 8 1 6 4 93 8 0 4 4 21 25 1 2 0 0 82 6 5 2 0 47 3 4 8 43 0 4 9 1 9l o 14 3 在汽车安全性的研究中，汽车的被动安全性是最主要的研究内容之一。汽车 的被动安全性即汽车的碰撞安全性，当发生意外交通事故时，如何对司机和乘员 进行保护，尽量减少其受到的伤害。大量数据表明，9 5 以上的事故是由于人和 环境因素共同造成的，主动安全性只能避免部分事故的发型7 】。在对汽车被动安 全性的研究中，主要是通过汽车碰撞试验模拟汽车碰撞事故中的一些典型的和重 要的碰撞过程，研究以下几方面内容：车身结构耐撞性、碰撞生物力学、乘员约 束系统、内饰件的开发和碰撞安全性试验【8 】。 1 1 2 研究意义 “安全、环保、节能是本世纪汽车发展的主题，“买车首选安全更是目 前汽车消费心理的突出反映，对于那些追求现代化、高效率、高节奏生活的汽车 消费群体来说驾乘安全尤显重要。大量交通事故的发生、无数生命的代价换来民 众、生产商和政府部门对汽车安全性的重视，并采取各种措施来减少人员及车辆 的损失。 2 江苏大学硕士论文 根据我国公安部公稚的数据，截至2 0 0 7 年底，中国的汽车保有量已近5 7 0 0 万辆，按1 3 亿人口计算，每千人拥有汽车不到4 4 辆，而全世界平均水平是每干 人拥有1 2 0 辆汽车1 9 1 ，全球约1 5 的交通事故发生在中国【咖，我国每年死亡人数 超过1 0 万。 世界医疗统计表明，重伤者有三分之二的人会在2 5 分钟内死亡，如果受伤 者在3 0 分钟以上才能得到治疗，死亡的危险要大3 倍。道路交通事故救援统计 分析：交通事故造成的死亡，约有5 0 发生在事故的瞬i 日j ；约有3 0 发生在伤 害后的一、- d , 时；约有1 5 发生在伤害后的七天左右【i l 】。美国交通事故救援 单位提出的“黄金时间”是一个重要的救援指标，所谓“黄金时间”是指在汽车 交通事故发生后一小时之内，将受伤者送到医院的急救室，那么这个受伤者复原 的机会就会增加【1 2 1 。 尽管无线通信网络不断发展，但是从发现事故受伤者到做出相应的救援，其 时间可能还是相当长。事故受伤者到达医院的时间包括以下时间：( 1 ) 从碰撞发 生到派遣紧急救援服务的派遣时间；( 2 ) 从派出紧急救援服务到抵达事故地点的 时间；( 3 ) 紧急救援服务抵达事故地点到离开的时间；( 4 ) 紧急救援服务离开事故 地点到抵达医院的时间。 目前，交通事故伤亡者必须靠路过的汽车驾驶员、公路巡逻者和交通记者发 现，有时报告交通事故的人可能不知道所在地点，尤其在偏僻和人烟稀少的地方， 找到事故地点可能长达数小时，有时数天都未能被发现。 事故受伤者得到救援的关键是迅速发现：( 1 ) 事故己发生；( 2 ) 事故的地点； ( 3 ) 衡量碰撞严重程度或受伤情况的一些参数。 车辆事故紧急自动呼救技术就是能在车辆发生碰撞等事故后及时、自动向事 故救援机构呼救报警的技术。国外车辆事故紧急自动呼救系统的投入使用使乘员 在发生事故后得到及时有效的救助，明显减少了伤亡，特别是对于发生在偏远地 区的事故。因此，研究车辆紧急自动呼救技术具有重要的实用价值和社会意义。 1 2 车辆事故紧急自动呼救技术的研究现状 车辆事故紧急自动呼救技术是在车辆碰撞安全研究、车辆行驶记录仪、车载 3 江苏大学硕士论文 g p s 导航、车载无线通信研究的基础上整合集成的。 车辆事故紧急自动呼救系统由两个主要的子系统组成【1 3 】：( 1 ) 车载模块：安 装在车上，负责检测碰撞，确认碰撞的位置，并把事故地点和事故严重性等有关 信息传送给呼救中心。( 2 ) 呼救中心：负责接收来自车辆模块的紧急呼叫，并在 电子地图上显示事故地点，根据事故地点、损伤状况派遣紧急救援人员。 车辆发生事故时，车载模块自动检测识别事故，如果确定事故发生，则触发 紧急呼救，与此同时，全球定位系统( g p s ) 接收器接收车辆位置信息，车载模块 将车辆的身份信息、事故信息组成事故电文，通过无线通信终端向呼救中心发送， 呼救中心接收到信息后，根据车辆事故信息派遣离事故地点最近的救援机构及时 救援【14 1 。 目前事故电文信息的基本内容包括车辆位置、车辆i d ( 1 d e n t i f i c a t i o n n u m b e r ) 、车主身份信息、车速等。为了使救援人员及时了解乘员的受伤状况， 事故信息还包括表征事故的严重程度和乘员的伤亡程度、乘员生理状态以及乘员 数量等参数信息。当车辆事故伤害程度较轻或者由于其他原因需要救助时，乘员 可以使用手动呼救方式呼救。车辆成员还可通过语音通讯向呼救中心报告事故的 有关情况。 1 2 1 国外研究现状 国外的车辆事故紧急自动呼救技术的研究已经进入了实用阶段，在北美和欧 洲建立了呼叫救援中心，比较典型的有美国通用公司的o n s t a r 系统、福特公司的 r e s c u e 系统、奔驰公司的t e l e a i d 。此外，丰田、宝马、菲亚特、大众奥迪等车都 装备有类似的自动紧急呼救系统，还有一部分厂商生产手动紧急呼救系统。 1 通用的o n s t a r 系统 通用的o n s t a r 系统由车载通讯平台、免提微型电话、g p s 和呼救中心构成。 车载通讯平台提供双通道，用于传输声音和数据，g p s 定位精度为1 0 0 米，呼救 中心2 4 小时提供服务。 汽车发生碰撞时，不管安全气囊是否展开，紧急自动呼救系统自动接通呼救 中心，o n s t a r 系统通过分布在车上的传感器网络可以检测到中等、严重程度的碰 4 江苏大学硕士论文 撞，启动紧急呼救系统的最主要参数是碰撞力，碰撞的方向也是重要的事故信息。 当呼救中心收到信息，声音、数据连接就启动。在连接启动的瞬间，车载系 统将通过微型电话的声讯频道把车辆的牌号、从车载g p s 接收器获得的位置参 数、事故信息( 包括碰撞力大小和方向) 以及其它与用户需求相关的数据发送到 呼救中心。呼救中心接到数据后，将g p s 范围缩d , n 事故发生区域，联系最近 的救援和服务机构，并指引他们前往事故现场。 2 福特r e s c u e 主要技术 ( 1 ) 呼救中心通过g p s 获知汽车的具体位置、行驶方向、以及出事后的姿态 ( 倾覆、侧翻等) ； ( 2 ) 利用微型摄像机获取车内现场的照片，如乘员数量、乘员位置、安全带 使用情况和气囊展开情况等； ( 3 ) 通过碰撞传感器获得有关碰撞力、碰撞的能量和方向等的资料。 3 奔驰t e l e a i d 系统 奔驰公司从1 9 9 6 年开始在c 级、s 级等车上装备t e l e a i d 紧急自动呼救系统。 在发生事故后，该系统自动发出救援信号，要求救援服务，并指引救援服务人员 抵达现场。 紧急呼救系统根据事故类型，由标准碰撞传感器启动，或者由滚翻传感器启 动。标准碰撞传感器也负责可靠地启动安全气囊和安全带收紧器。乘客也能够随 时手动发出紧急呼救，这时只需触动两个红色s o s 按钮之一即可，两个按钮分 别位于车厢后部的中自j 控制台以及车厢前部的项置控制板。 奔驰的s 级及迈巴赫车上的t e l e a i d 系统还增加了通讯、导航及娱乐功能。 实践表明车辆事故紧急呼救技术可以提高事故救援响应速度和急救效率，为 伤员抢救赢得宝贵的时间，明显减少交通事故的乘员伤亡，特别是在比较偏远的 地区。 1 2 2 国内研究现状 国外投入使用的车辆紧急呼救系统普遍采用蜂窝移动通信或者卫星移动通 信技术，车辆定位采用g p s 定位技术，系统呼救触发是通过安全气囊系统直接 江苏大学硕士论文 触发或者人工按钮来实现触发，报告车辆位置、车主身份及车辆碰撞速度等。 国内在无线通信技术、车辆导航定位技术、车辆碰撞安全、地理信息系统都 分别进行了研究和应用，特别是车辆导航定位及车辆监控技术已经应用于一些特 定行业的大客户的监控管理，如公安、银行、交通管理、物流货运等，部分车辆 监控调度系统还具备防盗自动报警和手动呼救功能。但是，国内汽车厂商在汽车 出厂时没有安装车辆监控调度终端，一方面是由于我国汽车电子行业与国外差距 较大，车辆监控调度产品没有形成商品化，另一方面我国的电子地图制作没有形 成统一标准，电子地图的生产销售等商业活动没有得到普遍认同，相关法律政策 还不健全。 我国在车辆事故紧急呼救领域的研究才刚刚起步，还没有建立完善的紧急救 援系统理论，还没有建立统一的交通事故处理办法和紧急救援体系，还没有掌握 开发车辆事故紧急自动呼救的关键技术。总之，目前车辆事故紧急呼救技术研究 应用存在的问题是各国各地区的发展水平不均衡，难以建立统一的车辆事故紧急 救援体系。 1 3 本文的研究内容及意义 降低汽车事故所带来的负面影响的一个有效途径就是完善车辆事故紧急呼 救技术，在我国尤为重要。掌握车辆事故信息可以提高事故救援效率，可以为确 立车辆事故紧急呼救系统的功能结构奠定基础。本文的主要研究内容如下： 1 车辆事故紧急自动呼救系统介绍。介绍车辆事故紧急自动呼救系统的组 成，了解其工作原理，明确课题的研究意义。 2 以安全气囊点火信息作为紧急自动呼救系统的事故信息。介绍安全气囊 的组成、工作原理、点火准则、点火控制算法等。 3 车辆损坏信息及车辆模拟碰撞试验研究。分析车辆损坏评价指标、模型， 了解汽车模拟碰撞试验方法，进而利用安全部件模拟碰撞试验系统进行碰撞冲击 信号的采集、处理研究。根据碰撞试验标准进行台车模拟碰撞试验，测取碰撞过 程中台车的碰撞加速度信号，对试验结果进行分析，为紧急救援提供事故信息， 并为下一步仿真做准备。 6 江苏大学硕士论文 4 人体伤害信息及基于p c c r a s h 的车辆碰撞伤害仿真分析。归纳人体伤害 特点，分析人体损伤机理、伤害评价指标等。了解交通事故分析软件p c c r a s h 的原理、计算方法及一些主要特性。参照台车试验，建立p c c r a s h 车辆碰撞事 故模型，进行p c c r a s h 碰撞仿真，研究正面碰撞事故中车内乘员的运动学、动 力学响应过程，分析人体各部位的动力学参数，根据乘员头部伤害指标h i c 值、 胸部3 m s 加速度值、腿部轴向合力等伤害指标以及车辆总变形能，来掌握事故 信息，以便呼救中心实施不同的救援方案。 7 江苏大学硕士论文 第二章安全气囊点火信息 座椅安全带的发明，挽救了成千上万人的生命，但是由于人体与汽车内饰件 间的二次碰撞仍不可避免的给人体以巨大的伤害，安全气囊的发明，大大减少了 这类悲剧的发生。据统计，安全气囊可以使驾驶死亡率减少3 0 ，并且可以减少 8 0 左右的头部及颈部的伤害，对于胸部的伤害也可以降低二到三成【15 1 。因此安 全气囊点火信息可以作为紧急自动呼救技术中所录用的车辆事故信息。 2 1 安全气囊系统及工作原理 汽车安全气囊系统主要由控制模块和气囊模块组成，包括：传感器、电子控 制系统、触发装置、气体发生器和气囊( 如图2 1 ) 。汽车上的安全总成还应包括 安装气囊的方向盘、仪表板部分以及用于传导的导线系统等。 图2 1 安全气囊系统组成 f i g 2 - 1c o n s t i t u t i o no fa i r b a gs y s t e m 当汽车发生碰撞时，传感器感受汽车碰撞强度，电子控制系统接受并处理传 感器信号。当经过计算机判断有必要打开时，立即由触发装置发出点火信号触发 气体发生器，气体发生器收到信号后迅速产生大量的气体并充满气袋，使得乘员 扑在气挚上，以缓和冲击并吸收碰撞能量，达到减轻乘员伤害的目的。当人体与 气袋接触时，通过气袋的排气孔节流阻尼来吸收碰撞能量，从而达到尽量减少伤 害、保护乘员的目的。 2 1 1 气囊 气囊是在碰撞发生时通过充气形成一柔软的气挚来起到缓冲吸能作用，从而 减少对乘员的伤害。气囊是用具有一定物理力学特性的膜状材料制成的，具有特 定结构的袋子，袋子的进口与气体发生器的气体出口相连，以使气体发生器产生 8 江苏大学硕士论文 的气体全部进入袋子。气囊可以是单气室的，也可以是多气室的。对多气室的气 囊来说，各气室之间应有通道相连，以保证所有气室都能获得来自气体发生器的 气体。无论是单气室还是多气室气囊，气囊内部都可设置一定的联接筋，以控制 气囊充气后的形状。气囊系统不仅应在充气过程中能有足够的密封性以保证气囊 能迅速建立足够的压力，而且要有一定的透气或节流机制以便气囊受撞后能排出 其内部的气体而达到消耗碰撞能量的目的。 2 1 2 气体发生器 气体发生器主要用于汽车发生碰撞时，迅速产生大量气体，并给气囊充足气。 气体发生器的重要特性指标包括单位时间内产生的气体量及其温度和压力，以及 所产生的气体总量。气体发生器最早使用火箭固体推进剂即固态的叠氮化钠作为 气体发生剂。该种发生器点火爆炸后，产生的气体温度较高，容易对人体产生灼 伤，此外爆炸后有异味产生，并且其工作时产生的烟雾有毒，污染环境。现已有 的一种替代方法是采用少量固体燃料加热储存气体的混合式气体发生器，该种发 生器采用压缩气体，一般用氢气，点火爆炸后压缩气体从储气罐中冲出充满气袋， 另一种是采用有机气体或可燃气体混合剂为燃料的纯气体式气体发生器。另外， 正在研究的还有采用无烟型推进剂作为燃料的纯烟火式气体发生器。未来的气体 发生器在性能方面也会有很大的改进，改进后的装置，将应能根据不同的碰撞情 况及乘坐者的特征而采取最佳的启动方式【1 6 】。 2 1 3 控制模块 控制模块是安全气囊系统的核心，它可以控制气囊系统的点火，进行系统的 故障诊断，同时还可判定要保护的乘员座位是否有乘员及是什么样的乘员等。控 制装置中的传感器( 含放大器) 主要有三种类型：机械式、电子式及机电一体式。 传感器是用来检测汽车发生碰撞事故的严重程度，它将感测到的信号传给电 子控制系统。电控系统通过对传感器信号的计算和分析来决定是否要启动安全气 囊，如果汽车碰撞足够强烈，达到了启动条件，电控系统就给触发装置发启动信 号。 9 江苏大学硕士论文 触发装置接到启动信号后便点爆气体发生器，使安全气囊进入工作状态。由 于汽车事故的突发性和瞬时性，电控系统不仅要反应快还要反应准确。通常从传 感器感测到碰撞到触发器工作，这段时间只能在几毫秒的范围。要判断准确，不 仅要采用科学严密的计算理论和方法，还要了解汽车本身的冲击特性，以便准确 地判断由于急刹车、过路坎和其他非破坏性冲击所引起的冲击信号。 2 2 安全气囊点火信号 安全气囊从发明到现在的几十年里得到了迅猛的发展，这是因为它在汽车碰 撞中对乘员有非常明显的保护效果。但随着安全气囊在轿车上的普及，却出现了 一些气囊伤害乘员的负面效应。美国的碰撞事故资料州a s s c d s ) 表明在 1 9 9 0 1 9 9 8 年的1 1 6 起正面碰撞导致驾驶员死亡的事故中，有1 6 是由于气囊在 展开过程中冲击力过大所致f 1 7 】。 气囊对人体造成的伤害大致有两种：其一是气囊开始膨胀时产生的巨大的向 前冲击力，对离气囊很近并处于其膨胀方向的乘员胸部造成伤害【1 8 1 9 】；其二是气 囊在膨胀过程中未完全展开前与乘员相碰撞接触时，其继续展开产生的膜张力对 乘员的头部和颈部造成伤害【2 0 2 。致使气囊对人体造成伤害的原因很多，气囊的 误点火是其中一个主要原因。 而安全气囊的误点火主要是由于气囊的点火时刻的不准确造成的。 2 2 1 安全气囊点火准则 安全气囊的点火准则是，车内乘员在达到最大允许位移量前，气囊必须已经 完全张开。乘员的最大允许位移量是指碰撞丌始时乘员的初始位置和乘员保护装 置发挥约束作用后( 即气囊完全张丌) 的乘员位置之差。当气囊完全张丌时，乘员 头部恰好与气囊接触。能满足这一要求的点火时刻，称为安全气囊系统的目标点 火时刻。 美国采用“1 2 7 m m 3 0 m s ”准则来确定安全气囊点火时刻。“1 2 7 m m 一3 0 m s 准则是说汽车正面碰撞过程中，乘员胸部向前移动1 2 7 m m 时刻的前3 0 m s 为目 标点火时刻。它的依据是美国大多数轿车乘员与方向盘之问的间距为3 0 5 m m ， 1 0 江苏大学硕士论文 气囊充气后的厚度为1 7 8 r a m ，气囊从点火到充满气体的时间为3 0 m s 。3 0 5 m m 减 去1 7 8 r a m 等于1 2 7 r a m 。这样，当乘员向前移动1 2 7 r a m 这一时刻的前3 0 r n s 为最 佳点火时刻【2 2 1 。 2 2 2 安全气囊点火算法 气囊点火时间是由点火控制算法确定的。点火控制算法是安全气囊系统的精 髓，它对安全气囊电子控制模块采集、处理的数据信号进行运算和判断，来判断 车辆是否发生严重的碰撞事故，是否需要点爆气囊。而各个公司开发使用的算法 不相同，有的使用的是加速度信号，有的使用的是速度信号。而采集了同样的加 速度或者速度信号后，对这些信号的处理算法思想又是不一样的。目前全球使用 的点火控制算法主要有以下几种： 1 加速度峰值法：即将碰撞时采集到的加速度信号经过滤波后，看其值是 否达到阈值作为判断点火的条件。但是在汽车碰撞过程中，加速度变化非常快， 而且与汽车的振动有关，容易受到外界的干扰，一般用于机械式传感器的气囊系 统，起爆速度比较高，以提高抗干扰能力。 2 速度变化量法：即通过对碰撞中的加速度信号积分得到速度变化量，根 据该速度变化量是否达到阈值来作为判断点火的条件。由于速度变化量曲线比加 速度曲线平滑的多，所以这种算法有较强的抗干扰能力。速度变化量法要求确定 开始积分时刻，一般是通过加速度阈值来确定碰撞起始时刻。当检测到加速度值 超过设定阈值时系统就认定有碰撞发生，开始启动点火评价系统，比较积分结果 与预先设定，决定是否点火。 3 加速度坡度法：即将碰撞时采集到的加速度信号滤波后求导，看得到的 加速度的导数是否达到阈值来作为判断条件。使用加速度峰值法作为判断指标， 抗干扰能力差：而速度变化量作为指标，又对碰撞不敏感。加速度坡度法对加速 度信号求导，得到加速度变化量作为点火判断指标。这种算法对加速度应进行很 好的滤波。 4 比功率法：在碰撞过程中，功率的导数称为比功率。通过判断比功率是 否达到阈值来作为判断点火的条件。使用比功率作为点火阈值综合了加速度、速 江苏大学硕士论文 度、加速度坡度，对不同碰撞形式有更好的适应性，是研究的重点。 碰撞过程中的动能为： 1 e ( f ) = 去朋y ( f ) 2 ( 2 一1 ) 对其求导得到功率： d p ( t ) = 历【口( f ) 口( f ) + ，o ) ，( f ) ( 2 - 2 ) 再对功率求导得到比功率： p ( t ) = d e ( t ) d t = m v ( t ) a ( t )( 2 3 ) 式中：历为试验车辆的质量，y ( f ) 为碰撞过程中的速度，e ( t ) 为碰撞过程中 的能量，e ( t ) 为碰撞过程中的功率，a ( t ) 为碰撞过程中的加速度，j ( t ) = d a ( t ) a t 为碰撞过程中的加速度坡度，d p ( t ) 为比功率。 5 移动窗法：对碰撞过程中的时间曲线，以某一时间长度t 作为窗宽，把 窗内的加速度信号曲线对时间积分，以积分的结果是否达到阈值来作为判断条 件。窗随着时间变化在横坐标轴上移动，窗的右边界即是加速度的当前时刻，这 种算法总是只处理最近的w 时间长度内的信号，对窗外的信号自动遗忘。此方 法是速度变化量法的变形。当窗宽较大时，如大于3 0 m s 时，则此法等同于速度 变化量法。积分公式为： f p s ( t ，w ) = ia ( t ) d ( t ) ( 2 - 4 ) 6 a r m a 模型预报算法：该算法是通过控制系统的模型参数来预报乘员胸 部的位移量，判断乘员头部在后3 0 m s 时刻的位移为1 2 7 m m 时才点火。系统的 输入参数为车身的加速度曲线，系统的输出为乘员的胸部位移。系统模型建立之 后，可以根据实验数据识别模型的参数，从而对系统实现自适应控制。 7 神经网络算法 构造一个神经网络系统，利用神经网络的自学功能，输入碰撞波形和点火条 件，对网络进行训练。此种算法理论上是可行的，只要选择适当的阶数，构造出 的神经网络可适应任何系统。但是由于实际碰撞过程中的试验次数所限，实现起 来有很大的难度。 1 2 江苏大学硕士论文 8 基于速度的判别算法 由加速度传感器测得汽车的加速度信号，由硬件和软件进行低通滤波、积分 计算汽车的速度。以速度为横坐标，计算加速度、加速度的平方、加速度平方的 积分值等。计算结果中任何项超过某种标准，则点爆气囊。这种算法是近年来 提出的算法，消除了由于积分起点判断不准而引起的计算误差。 9 速度预测法 此种算法的前提是能够检测到汽车的速度，从而可以对碰撞强度及碰撞形式 有准确的计算预测。速度的测量可以由车载雷达提供。也可以由现有的汽车速度 表改装束测量。对于新型汽车，速度的测量并不是困难的事情，此种算法对未来 汽车有一定的意义。 2 2 3 以安全气囊点火信息为紧急呼救事故信息 国外通常是根据大量的事故统计数据，总结出不同车速的碰撞事故对乘员造 成的伤害程度，掘此确定何种车速需启动气袋对乘员进行保护。目前从国外的资 料可以得知【2 3 1 ，对使用安全带的安全气囊系统来说，一般车速在2 0 k m h 以下正 面碰撞时，气袋不点爆；3 0 k m h 以上正面碰撞时，气袋一定点爆；2 0 , - - 3 0 k m h 之间为点火的模糊区，气袋可点爆也可不点爆。对不使用安全带的气袋，一般是 当车以1 2 9 k m h ( 8 m p h ) 的速度j 下面撞墙时气袋不点爆，2 0 9 k m h ( 1 3 m p h ) j 下 面撞墙时气袋要点爆。 目前国内的安全气袋系统是与安全带配合使用的，因此安全气囊点爆车速较 高。利用安全气囊系统的点火信号作为车辆事故紧急自动呼救触发信号时，旦 呼救，就说明碰撞速度至少达到3 0 k m h ，会给乘员造成伤害，因此派遣救援人 员前往救援。 国外许多专利采用了与安全气囊系统类似的传感模块来触发紧急呼救2 4 1 ， 有的直接利用安全气囊的触发信号来触发紧急呼救【2 5 1 ，还有的利用判别速度的方 式束触发呼救【2 6 1 。 江苏大学硕士论文 2 3 本章小结 汽车安全气囊作为一种辅助的乘员约束系统，其在汽车安全方面的作用是很 明显的，已被汽车工业界广泛接受为一种有效的被动安全措施。由于国内已经有 大量科研机构对安全气囊设计、点火控制等进行了深入的研究，本章介绍了安全 气囊的组成、工作原理、点火准则、点火控制算法等，不再赘述。安全气囊点火 信息可以作为车辆事故信息录用于紧急自动呼救技术中，国外有的直接利用安全 气囊的触发信号来触发紧急呼救。 1 4 江苏大学硕士论文 第三章车辆损坏信息及车辆模拟碰撞试验研究 车辆损坏程度的评价在交通事故调查中应用广泛。在车辆事故紧急呼救系统 中，车辆损坏信息是车辆事故的重要信息之一，是紧急救援有效实施的保证。车 辆事故的信息来源是车辆碰撞过程中的加速度信号。车辆碰撞信号的采集可以在 车辆上装事故记录仪来记录、收集，在车辆事故紧急呼救系统投入使用后，根据 车载系统所保存的碰撞加速度信号，结合事故调查、事故再现研究所得的结果， 可以为紧急呼救系统的决策提供依据；也可以通过实车碰撞试验来获得，但由于 实车碰撞对试验场所、试验装置的要求都很高，成本太高；而通过模拟碰撞试验 测取碰撞过程的加速度信号，是一种比较经济有效的方法，在国内外的众多企业、 研究机构、高校都广泛使用。 3 1 车辆损坏评价 3 1 1 车辆损坏评价指标 在车辆碰撞事故中，由于车身受到机械冲击载荷，在惯性力和接触力的作用 下，车身的受力部位将产生一定的力学响应，当受力超过一定车身强度极限时， 车身将产生变形。车身变形的大小跟车身的结构强度、车身的质量、冲击过载峰 值、作用时间、过载速率有关系，还跟受力方向、受力的部位等因素有关。 车辆损坏分析主要是依据交通事故现场勘查数据、事故车辆受损状况和当事 人问询笔录等信息。车辆损坏评价一般采用车辆损坏分级的方法。车辆损坏分级 必须代表碰撞的强度，同时必须依照事故车辆损坏条件进行。无论是对任一车型、 任一形式是碰撞的损坏进行分级，还是要做模拟计算，都应考虑它的主要影响因 素和边界条件。 ( 1 ) 当量壁障车速e b s ( e q u i v a l e n tb a r r i e rs p e e d ) 【l 】。汽车对平面刚性屏障碰 撞，使其产生损坏程度和变形形式与该车的实际事故情况相同。 车辆损坏分级的最好方法是以碰撞车体能量吸收为基础换算成当量壁障速 度，。y 。表示碰撞瞬间车辆具有定动能的速度，该速度的动能等于发生碰撞 ls 江苏大学硕士论文 事故时由车身塑性变形所吸收的能量。实际上，将发生在两车之间的碰撞用v 。转 换成等效的车辆相对固定壁障的碰撞，似乎损伤是由于车辆碰撞壁障引起的。当 量壁障车速最初用于正面碰撞，现在也用于追尾碰撞和侧面碰撞。 的计算公式如下： = 2 9 e c( 3 1 ) 式中：当量壁障车速，单位k m h g - 重力加速度，单位m s 2 卜车辆变形吸收的能量，单位j g _ i 气车的重力，单位n ( 2 ) 碰撞变形分级( c o l l i s i o nd e f o r m a t i o nc l a s s i f i c a t i o n ，c d c ) 。碰撞变形分 级c d c 原称汽车变形指数( v e h i c l ed e f o r m a t i o ni n d e x ，v d i ) ，是美国汽车工程师 协会s a ej 2 2 4 推荐的确定车辆损坏分级办法，也是目f j i 国际上广泛采用的汽车 事故变形评价标准。它是根据碰撞位置、碰撞方向和变形侵入深度等共7 位代码 描述汽车的损坏程度。 ( 3 ) 当量能量车速e e s ( e q u i v a l e n te n e r g ys p e e d ) 。汽车