汽车安全气囊控制系统以及调试方法研究分析 车辆工程管理专业

汽车安全气囊控制系统以及调试方法研究摘要：安全气囊体系是汽车中的一种装置。一旦发生车祸，安全气囊能够保护乘客，避免伤害。目前，在全世界已经成为了汽车标配。在现如今大多数的中高端车型中，安全气囊体系不但包含一对前气囊，还安装了针对后排乘客的气囊，以及对侧面撞击有保护作用的气帘。和它同时配置的还有系统的加速敏感装置，这一变化会影响安全气囊体系决策和对车辆控制复杂度的变化。安全气囊体系的性能是否良好与乘车人员的人身安全密切相关。为了在发生任何突发情况时，都能保护乘客的安全，需要不断的进行车辆碰撞试验，可是，进行碰撞试验必定消耗极大的人力资源、金钱，所以，快速并高质量地调试控制安全气囊的系统是一项困难的工作。现在汽车气囊主要有以下三种方进行调试：（1）静态起爆法。不可以近似还原实际车祸情况。（2）电脑仿真法。可以检测安全气囊程序稳定性，不可以准确的测定软硬件的实际性能。（3）台车碰撞法。虽然不存在以上这些问题，但是试验费用很高。在这种背景下，研究一种用仿真软硬件内外部测试方法，设计出一种适合出低端车型以外车的安全气囊决策指导体系。论文具体的工作如下：以安全气囊的控制体系以及调试气囊方法的研究为前提，提出一种以软件和硬件的模拟科技手段为基础的安全气囊的控制体系和硬件调试方法，此方式使用DA转换器和相应的放大电路进行汽车加速度的模拟实验测试，使用光电藕合器和MCU进行实验测试。在制定好安全气囊的控体系测试方法的思路后，就可以准备开始测试平台。整个体系分支可以分为三个部分：模拟加速度信号设备、气囊模拟设备和PC机的操作软件。使用MCU型排列的框架，实现多个信号同时输出;内部结构与外部结构分隔开，使MCU间加速信号输出阻碍减少。对轿车的安全气囊的中控体系提出问题，在测试器上结束测试任务。台车实验的数据表明我们在研究中取得了初步的成功。我们研究的安全气囊中控体系测试法，耗费金额少，加速度的图表错误少，有着很高的价值和广的适用范围。关键词:安全气囊;碰撞实验;加速度传感器;调试方法Abstract:Theairbagsystemisadeviceinacar.Itcanprotecttheoccupantfromsomedamageinacaraccident.Becauseitcangreatlyreducethepersonalinjurysufferedbythepassengersinthecaraccident,ithasbecomethenecessaryequipmentforthenewcarinthewholeworldarea.Nowadaysmostofthemediumandhigh-endmodels,theairbagsystemnotonlycontainsapairoffrontairbags,alsoaddedforafteraroworseveralrowsofpassengerstodefendairbags,andforsideimpactofaprotectiveeffectofaircurtain.Atthesametime,itincreasesthenumberofmachinesequippedtospeedupthesensitivityofthesystem.Thischangewillinevitablyaffecttheairbagsystem'sdecisionstrategyandtheincreaseofvehiclecontrolcomplexity.Theperformanceofairbagsystemisrelatedtothesafetyofpassengers.Inordertomakeithappeninavarietyofcollisionconditionatthesametime,caneffectivelyprotectthetrainpersonnel,oftenneedalotoftheexperimentsofvehiclecollision,obviouslydoimpacttestmustconsumeagreatdealofhumanresources,resourcesandmoney,thus,fastandhighqualitytodebugairbagcontrolsystemrequirestoomucheffort.Nowautoairbagmulti-purposetestthefollowingthreemethods:staticdetonationmethodhaveabilitytoapproximatereductionactualcrash,computersimulationmethodcanknowairbagprogramiscorrect,justnotsuretheperformanceofthesystemhardwareandsoftware.Theseproblemsdonotexistinthevehiclecollisionmethod,butthetestcostisveryhigh.Gassourcecarairbagcontrolsystemisaproblemthat,moneyandmanpowermaterialresourcesareinsufficient,inthiscontext,thesimulationsoftwareandhardwareisusedtostudyakindofinternalandexternaltestingmethods,designasuitableforthelow-endmodelsoutsidecarairbagdecision-makingguidancesystem.Thespecificworkofthethesisisinthefollowingparagraphs:Theairbagswerestudied.Basedonthestudyofthefollowingtwomethods:airbagcontrolsystemandmethodofcontrolairbags,putforwardakindofbasedonthesoftwareandhardwareofthesimulationtechnologyofairbagairbagcontrolsystemsoftwareandhardwaredebuggingmethod,usingDAconverter,andthemethodanditsmatchingamplifiedcircuittorealizetheautoaccelerationcurvesimulation,usingphotoelectriccouplingdevicedistributionwaytoimplementthesimulationofvehicleaccelerationcurveandMCUtorealizesimulatedairbagsAftertheoverallthinkingofthetestplatformofthecontrolsystemoftheairbag,thetestplatformcanbeconceivedandcompleted.Thewholesystemcanbedividedintothreeparts:themachinethatsimulatestheaccelerationsignal,theairbagsimulatorandtheoperatingsoftwareofthePC.WiththeM-shapedframe,thesignalcangooutatthesametimeinseveralways.Theinternalstructureisseparatedfromtheexterior,sothattheaccelerationsignalbetweenMCUandtheexitobstaclewillnotoccur.Thesourceofthecentralcontrolsystemfortheairbagofthemid-aircarisproblematic,sotherulesaresettocomplywiththesystemandendthetesttasksonthetester.Theinformationofthecarexperimentindicatesthatthecontrolsystemofairbagissuccessful.Wethinkofthesafetyairbagcontrolsystemtestmethod,thecostissmall,theaccelerationcharterrorissmall,hashighvalueandwideapplicationscope.Keywords:airbag;Collisionexperiment;Accelerationsensor;Debugmethod目录29623_WPSOffice_Level1第1章绪论 123442_WPSOffice_Level21.1研究背景及意义 123442_WPSOffice_Level31.1.1选题背景 125036_WPSOffice_Level31.1.2研究意义 125036_WPSOffice_Level21.2安全气体系调试方法研究的现状 122538_WPSOffice_Level31.2.1计算机仿真方法 25374_WPSOffice_Level31.2.2实车碰撞方法 222538_WPSOffice_Level21.3本文章节安排 223442_WPSOffice_Level1第2章安全气囊系统的调试方法研究 35374_WPSOffice_Level22.1碰撞检测以及气囊控制方法研究 34043_WPSOffice_Level32.1.1碰撞检测方法的研究 36228_WPSOffice_Level32.1.2气囊控制方法的研究 34043_WPSOffice_Level22.2安全气囊系统的调试方案 310778_WPSOffice_Level32.2.1安全气囊模拟方法 328694_WPSOffice_Level32.2.2加速度传感器自检的模拟 36228_WPSOffice_Level22.3汽车安全气囊控制系统以及调试方法研究、 425036_WPSOffice_Level1第3章安全气囊控制系统的设计 528694_WPSOffice_Level23.1安全气囊控制系统的整体设计 520494_WPSOffice_Level23.2安全气囊控制系统的硬件设计 52544_WPSOffice_Level23.3对安全气囊的控制体系进行软件设计 68647_WPSOffice_Level33.3.1下位机软件设计 61423_WPSOffice_Level33.3.2上位机软件设计 61423_WPSOffice_Level1第4章实验结果与分析 710133_WPSOffice_Level1结论 813833_WPSOffice_Level1参考文献 915689_WPSOffice_Level1致谢 10第1章绪论1.1研究背景及意义1.1.1选题背景汽车的安全技术有两大类：有主动安全技术和被动安全技术。主动安全技术就是在汽车的设计以及制造过程中，对汽车的内部和外部结构进行有效设计，运用先进的技术和配置，用主动预防法来降低汽车的安全事故发生率，提高汽车安全性能。[1]被动安全技术则相反，它是由于车辆驾驶不当而导致的交通事故后，通过内部保护系统，对车上的所有人员还有车附近的行人进行保护，使人员受伤程度降到最低直至零伤害。安全气囊控制系统在很多汽车上的都有被动安保装置，如果驾驶中发生意外车祸，这个体系可以保护驾驶员安全，还有车上其他人员和车身间的再次碰撞受伤。到现在为止，前排安全气囊在世界范新型生产汽车均有配备。[2]早期的汽车安全气囊一般有两个，车身前端的方向盘有一个，副驾驶座位前的平台下端也有一个，能保证后排乘车人以外人免于伤害。现如今，除低端车型以外很多车，安全气囊体系在传统两排气囊的基础上，不但增加了在前排座位靠里面的气囊，还创新的增加了车窗旁的气帘，还有专门保护头膝部的系统。安全气囊数量和它的体系搭配的传感器成正比，同步增加。在某些高级车上，加速度传感器数目己达6个，而且可能会不断增加。[3]安全气囊数量的增加会使其系统的反应速度变慢，加速传感器数量的增加指令试验变得不够灵活，从而使安全气囊体系测试过程变得低效。安全气囊体系的性能良好与否关系到乘车人员的人身安全。为使它在多种多样的碰撞状况发生同时，都可以有效地保卫乘车人员，经常需要大量的进行车辆碰撞的试验，显然做碰撞试验必定消耗极大的人力、资源和金钱，由此可见，快速并高质量地调试控制安全气囊的系统需要付出极大的努力。[4]1.1.2研究意义开始构思安全气囊操纵体系时，肯定要进行很多次实验，判定安全气囊体系功能质量是否合格，然后再决定是否要改良气囊的内部程序。现在，我们有很多方法调整测试安全气囊的体系。例如：静态起爆方法、计算机仿真方法、台车碰撞方法和实车碰撞法。第一种办法车辆撞击后，加速度是未知且无规则的，所以做不到完全还原车辆撞击的图像。用计算机做的仿真实验能够基本还原车辆互相撞击的过程中乘员和气囊体系之间的相互作用，加上MATLAB软件参与，我们也能判断汽车气囊能不能真的起作用以及效果好不好。但是它只能判定程序的准确性，不能知道体系中其他设计和内部构思是否准确。台车碰撞法没有这些问题，加速度相应还原也做的很好，但是台车碰撞的试验非常贵，要很多成员参与并费时长，算法进步见效慢。实体车辆撞击法的结果最真实。[5]但是这个方法也是所有方法中最贵的。所以设计一种不贵且迷你的加速信号模拟器来还原加速度曲线是非常必要的。[6]在台车实验时，高速摄像头可以对气囊着火的时间灵敏的感知。由于一般用的是真的安全气囊，这样的话，爆破时噪音响，动作也大。破坏性不小，因为是一次性制品，还特别费钱。所以设计一种经济、环境友好、保障安全的安全气囊模拟设置是非常迫切而且很必要的，这可以完全替代安全气囊，而且也能检测点火脉冲。[7]我们希望在我们的研究下，能够解决一部分安全气囊体系研发中的难题。为了达到在这个目的，我们将更深层次探讨安全气囊体系测试方法和气囊操纵，然后想出一种以内外部件的近似还原技术为基础的安全气囊操纵体系测试法。1.2安全气体系调试方法研究的现状安全气囊的原型是安全气垫，安全气垫的设计者是美国的JohnW.Hetrick。1952年时他发明了一种能够减少急刹车或车辆碰撞等事故危害的机械装置，此装置被称为“安全气囊”。气囊可以安装到汽车的三个位置，分别是驾驶座的方向盘中、仪表板的上部以及前排座椅后面的靠背中，通过压缩空气使气囊膨胀。质量块与弹簧互相连接，作用是感应汽车发生碰撞，并且在发生碰撞时减缓速度，原理是在质量块发生位移时，压缩器的阀门将打开，将空气压缩并释放到容器外面，将气囊充气。[8]起初，安全气囊是安全装置的一部分，作用是使飞机能够平稳的着陆。二十世纪六十年代开始有民众使用安全气囊，而且还对它加以改进。二十世纪末，安全气囊使用规则在美国被提出。目的就是为了安全气囊技术发展的更好，让更多人去研究它。再过了十年，美国福特、通用，日本丰田，以及一些其他国的汽车公司，例如德国的奔驰公司、美国TRW公司、ICT研究院、瑞典AUTOLIV公司等都想尽一切方法去研发安全气囊技术，安全气囊的技术由于他们的不懈努力逐渐的向更好的方向去前进。1.2.1计算机仿真方法计算机仿真方法以有限元为小单位，1970s初第一个安全气囊电脑模型问世。椭型是最初的安全气囊雏形，立体的平面的都有，而在相同的时期模型的乘车人是硬质的仿真模型。模型人受到作用力是按凹痕高度算出来的。而且与此同时非线性的有限元技术和计算机软件硬件技术迅速的发展，计算机仿真技术以有限元法为基础，这个技术正逐步规模化，商业化，帮助分析结构工程里面各种问题，越来越强大。现如今，有限元方法也应用于其他方面，例如：现代力学、热力学和流体力学等。[9]1.2.2实车碰撞方法实车的碰撞实验具体操作是用汽车与之前固定好的障碍物相碰撞，作用是可以判定气囊体系功能好坏。但是实车的碰撞试验是不可重复的、一次性的，它综合运用多种学科技术，分别包括机械运动学技术、计算机技术、电子以及光学等，实验耗资昂贵，而且即使微小事故也会发生巨额损失。因而，要做好实体车撞击试验，必须准备好精密仪器设备，还需要经验丰富技术娴熟的实验员，还有极度认真的试验准备。实体车碰撞试验可以综合的对车辆的安全性能进行评估，优点是由于是实体碰撞所以此实验最有说服力，缺点是由于实验的不可重复性该实验耗资巨大。[10]1.3本文章节安排本文的章节安排如下:第1章，绪论。对于论文的选题背景和研究安全气囊的的意义和作用以及安全气囊在国内和国外的发展现状和前景进行详细的介绍。第2章，关于调试气囊系统研究。在掌握了安全气囊的碰撞的检测方法和如何控制气囊的方法之后更深入的去探究调制安全气囊系统的方法。提出一种软硬件调试气囊系统的方法。并且将气囊控制系统的各种调试方法进行总结。然后又通过对系统结构的分析设计通信协议。并且对其中很重要的三个部分进行设计，分别包括Pc机操作软件、气囊模拟器和加速度信号模拟器等。第3章，对于安全气囊控制系统的设计。根据设计轿车安全气囊控制系统时所出现的问题，经改良后，设计出了一款新的安全气囊控制系统，并且分别从五个方面介绍该系统的设计方法，该五个方面包含系统总框架、硬件的选型、设计电路、上下位机软件设计。第4章，对实验结果的描述及分析。首先呢将安全气囊控制系统进行独立测试通过后再进行联机实验最后进行台车试验。然后将测试结果进行描述和分析。验证了本篇论文提出的调试方法是有效的。最后在结尾高度的概括全文所描述的工作，并且分析当下，提出当下的不足，然后展望未来，提出下一步该完成的目标。第2章安全气囊系统的调试方法研究2.1碰撞检测以及气囊控制方法研究2.1.1碰撞检测方法的研究碰撞传感器可以对车辆碰撞进行检测，常用的碰撞传感器大体型号有两种分别为机电式和电子加速度式。这两种传感器都能检测，而后者只有这个功能，前者不只是检测，还能点火，制造方式大都落后，导致它被几乎淘汰。电子式加速度传感器功能专一，微控器负责点火，因此机器比较灵活，可以随意搭配算法，且后者技术改进降低制作成本，使用频率范围大大增加。加速度传感器功能是计算加速度，至今为止大部分的加速度传感器制造技术都为微电机械系统。采用MEMS技术的优点是成本低、体积小、可靠性强 。2.1.2气囊控制方法的研究电点火器是一种开始发射装置，在安全气囊气体发生器和预紧式安全带气体发生器中，在驾驶员的乘员辅助约束系统中有应用。当收到电控单元的点火脉冲时，点火器便立即以最快的速度将下级的引药点燃。点燃后充气剂会立马感应到然后释放出一种使安全气囊膨胀的气体并且在短时间内将安全带拉紧使乘员所受到的伤害大大减少。近年来，外国一直在研究电点火器内外部结构。普遍特点都是要容易大批量的自动化生产，然后在保证产品质量一致的基础上降低成本。其中数刚性电发火头式和玻璃烧结电极塞式电打火器最为典型。国外在研究电点火器上重点是高安全、高可靠性和环保。2.2安全气囊系统的调试方案测试安全气囊的操控系统，原理是将实车碰撞的实时加速度通过模拟法输入到安全气囊体系中，并检测安全气囊体系输出点火脉冲的时候。通过实验数据上的和现实生活中真实的点火时刻对气囊的控制系统的性能进行评估并且提高它算法的精密度。所以，能实现对加速度信号的模拟并且成功检测气囊点火脉冲是安全气囊调试平台设计的关键。2.2.1安全气囊模拟方法台车试验里，常常将安全气囊安装在台车上，利用高速摄像头的灵敏感应并记下气囊的着火时间。由于一般用的是真的安全气囊，这样的话，爆破时噪音响，动作也大。破坏性不小，因为是一次性制品，还特别费钱。所以能够设计一种经济、环境友好、安全能够得到保障的安全气囊模拟装置很迫切，而且设计的出来的安全气囊模拟装置一定得完完全全替代真实的安全气囊，并且能够对点火脉冲进行检测。点火器作用还有将真实的安全气囊引爆，根据前面所介绍的USCAR标准，点火器的发火电流不能大于1.2A,持续时间少于2ms。用内部的高内阻导体丝红热点燃点火器，所以可以用大功率电阻代替真实点火器，通过定时器MCU，可记录开始着火时间从而记录通电时长，点火大小电流的判断由光电祸合器完成，通过它隔绝点火脉冲对于MCU系统干扰。2.2.2加速度传感器自检的模拟车内加速度传感器一般都可以自我检查，可以方便的操控系统并随时了解传感器的损坏情况。一旦发现传感器故障，仪表盘表面警报灯会立即亮起来提醒驾驶员。自检是由微控器将自检命令传播到传感器，然后回复响应加速度。自检的过程中，STATUS为保持高电平。所以，在设计调试平台时还需要参照传感器的厂商的规则，基本还原传感器的自我检查。2.3对安全气囊控制系统以及调试方法的分析确定好气囊的调试控制系统的整体方案后，便出现了该调试控制系统的主要结构。该结构分为三个部分，分别是加速度信号模拟器、气囊模拟器和PC机操作软件。具体如图1图1安全气囊控制系统以及调试方法的分析第3章对于安全气囊控制系统的设计3.1安全气囊控制系统的整体设计针对轿车安全气囊控制系统的设计所出现的问题，提出了一种新的气囊控制系统的结构，该结构的总体框架见下图：图2安全气囊控制系统系统中存在的加速传感器有六个，有两个主控板上安装了，还有四个装在车辆左右两侧还有这两边的偏前方的位置，主控板用电缆把他们连起来。主控MCU将六个加速传感器的加速度的信号集中，然后八条电路里的安全气囊的点火线路开启。常规电源为主控MCU、点火驱动还有加速度传感器供给电能;一旦发生事故，电源就若被切断，备用电源就会启动，保证即使在断电时传感器和MCU也能在六秒内正常爆破安全气囊。传感器和安全气囊的自我检查可通过自我检查提醒模块做到，若有故障发生并被检测到，方向盘旁的盘上有关的故障报警灯就会发光，这样可以提醒驾驶员去处理问题。系统的实时数据通过MCU向CAN的总线传播，上位机软件对CAN的总线进行监测，可以在同一时间得到系统的所有量并且在电脑上记录、在软件界面显示。若想这个过程成功实现则需要随时监控系统各种状态3.2安全气囊控制系统的硬件设计安全气囊的控制系统的硬件类型有传感器芯片、点火驱动芯片、主控MCU芯片。(1)传感器芯片选型不同的加速传感器的效率，功能等都有差异。安全气囊体系要求高实时性，这要求加速传感器对信号应答决策快捷。相对于不停振动的来说能够选择立刻静止的传感器能够将器件的反应时间缩短。通常一个低通滤波（约400Hz)就完全可以将加速度传感器信号中存在的高频噪声抵消，这样在撞击产生到时候MCU的安全气囊操纵程序可以判定车祸是否发生。对于大多数用户来说比较方便的是现在感应器的芯片上都有相关的电路。除了这个以外，如果加速传感器的自我检查功能够好的话，传感器就是有了问题也能立刻被驾驶员发现。(2)点火式驱动芯片的选型MCU下令点火，同时电路发出点火脉冲，它的I多少还有时间长短如果符合安全气囊要求，说明它是比较有用的。反之，则是没有用的。安全气囊的点火回路中点火的机器有短路或者断路，内阻大小体积温度不合适，只要出现一个说明点火器的自我检查功能不够完善。(3)主控芯片的选型系统的主控芯片是由加速传感器和点火式驱动芯片一同的选型结果共同确定的。不能少于六路AD转换器的微控器才能将加速传感器的输出成功的测出，1路CAN总线控制器作用是监控上位机，1路SPI控制器作用是控制MC33797点火驱动芯片。系统要求同一时刻微控制器的运行速度，引脚数量，存储器大小都在合适的范围内。3.3对安全气囊的控制体系软件设计3.3.1下位机软件设计构思做下机位软件时，吸收了分块的设计理念，这是因为需要做到同时，稳定，效率高。图4.10为下位机软件的全部流程。通电自我检查块，开始块，同时采集块，操控安全气囊块，同时自我检查块这几个分区，组成了这个软件。前两个模块只是工作一次，剩下的都是按对应的周期循环工作。作为初始化模块的功能的系统参数和系统模块，他们的工作模式的设定一定要适当。上电自检是在系统通电后对整个系统全面检查;自检模块可以在固定的周期对气囊控制系统进行自检;软件的重点是控制气囊模块，大体上功能是判断车辆碰撞。实时采集模块可以对多路加速度传感器进行AD转换并且采集样品，定时器Timer1在每250时会触发一次实时采集模块。如图3图3下位机软件自我检察模块能够使系统运行更加稳定，自检的有点火驱动电路、通信端口、加速度传感器。在系统中自检模块包括同时两块分别是自检和上电自检。同时自检模块也在固定周期对安全气囊控制系统、点火驱动电路以及加速传感进行自检。每350ms定时器Timer2会将自检模块触发，而上电自检模块的作用是在系统上电后对所有模块自检，以上的三项便为它的全部自检项目，完成上电自检后便可以开始运行气囊的控制程序，如果仪表盘上的安全气囊故障灯变亮那便表示在自检时发现了故障，以及时提醒驾驶员。安全气囊控制系统的经典之处便是气囊控制模块中的点火控制算法，算法的原理是实时处理各路加速度的数据，判断汽车是否发生碰撞事故和是否打开安全气囊。当前，速度变化量法、移动窗积分法、加速度阂值法以及比功率法等都被称为是最典型的安全气囊点火控制算法。车子的型号不同，气囊的点火控制算法的设计也有很大差异，而且在设计完成后还要经过大量的现实实践来进行测试并不断地进行调试改良。这之后所得出的算法的可靠性和抗干扰能力会大大的提升。3.3.2上位机软件设计CAN总线负责收集气囊操纵体系用相关程序发送的检测日记，而它则被检测去获取实时体系状态数据，这些数据有各路收集到的加速度曲线，体系自我检查数据，是否出现问题，气囊爆破指令时间等。CAN在下位机可收到两类数据，分别是与加速度相关的数据和EUC状态数据，前者大体包括3种碰撞状态、8个通道的点火状态和6个通道的AD值，每250时下位机便采集一次数据向CAN总线发送，一次发1帧数据，，这当中6路加速度传感器的输出值是ByteO一Byte5，状态信息是Byte6和Byte7的第4位，数据类型是Byte7的高4位。后者包括加速度传感器故障、点火电压、气囊短路等几个状态。上位机发1次状态数据的时间间隔为一秒，一次发2帧数据，每8个字节为一帧。上位机软件根据通信协议解析并保存收到的数据。第4章实验结果与分析本章单独测定了安全气囊操控体系测试平台的性质效率，表示基础功能很好，依据是每条道的加速度数值都符合规定。为达到中气轿车的气囊要求，我们在平台上测试了我们的气囊操控体系，外部结构的构思验