5.1.智能乘员约束技术

5.1.智能乘员约束技术5.1.1概述汽车安全性能主要包括3个方面：主动安全性、被动安全性和事故发生后的安全性。被动安全是指汽车在发生事故以后对车内乘员的保护，如今这一保护的概念以及延伸到车内外所有的人甚至物体。汽车乘员约束系统是汽车被动安全的重要环节。乘员约束系统是在车祸意外发生，车辆已经失控的状况之下，对于乘坐人员进行被动的保护作用，希望透过固定装置，让车室内的乘员，固定在安全的位置，并利用结构上的导引与溃缩，尽量吸收撞击的力量，确保车室内乘员的安全。汽车乘员约束系统主要包括:安全带（含预紧器、限力器）、安全气囊、安全座椅压溃式转向柱和膝垫等。其中安全带和安全气囊是汽车碰撞事故中最有效的乘员保护设施。据有关数据表明佩带座椅安全带可以使碰撞事故中乘员伤亡率减少15%-30%。安全气囊是安全带的辅助装置，对驾驶员和乘员的头部、颈部安全有着十分明显的保护作用，特别是在汽车正面碰撞和侧面碰撞时其保护作用尤为明显。据统计，气囊在汽车碰撞时，可使头部受伤率减少面部受伤率减少25%左右。目前，各国关于碰撞乘员保护的法规中，多数都只规定了第50百分位HybridIII假人正常乘坐位置在一种碰撞强度下的保护标准（新FMVSS208增加了对第5百分位女性和儿童的保护要求）。事实上，由于实际碰撞事故的复杂多样性，无论是安全带还是安全气囊，其保护作用都有其局限性，而且如使用或设计不当还会带来较大的负面影响。佩戴安全带的乘员在汽车发生正面碰撞事故时，织带直接与乘员胸部和腿部相接触并使得乘员向前移动，织带的线性特性使乘员受的约束力几乎直线增大，过大的胸部压力甚至造成致命伤害。而对于小身材乘员，则极有可能发生“下潜”的现象，造成腹部、颈部和肩部的伤害。对安全气囊系统来说，气体发生器约在30ms内将气囊充满，巨大的冲击力将对离气囊组件很近并处于膨胀方向的乘员的头部和颈部造成严重伤害；按第50百分位正常位置乘员设计的气囊系统，极有可能对离位乘员和小身材妇女甚至儿童造成伤害。也就是说气囊系统是一个有效的伤害防护装置，但是气囊的展开可能是新的伤害源。值得一提的是，对于大尺寸乘员来说，碰撞中常常会将气囊压到底(bottomingoutofairbag)后与转向盘碰撞，也就是说普通气囊难以对大尺寸乘员起到应有的防护作用。随着电子技术和汽车安全技术的发展，发展智能乘员约束技术来增加汽车被动安全性能成为国内外汽车界的普遍共识。智能约束系统就是通过自动判断乘员的类型和碰撞发生时的车速,来自动调整约束系统的参数,通常可控的参数如下:安全气囊多级点火气体发生器点火的级数、排气孔的面积、安全带预紧器和限力器的特性、压溃转向柱特性。本文将结合国内外在智能约束系统的最新研究成果，主要介绍智能约束系统的两大组件——安全气囊和安全带——的新技术，并介绍其他一些关键技术的研究进展和发展趋势。5.1.2.智能安全气囊安全气囊系统称为SRS，相对于安全带，安全气囊只是一个辅助保护设备。安全气囊是用带橡胶衬里的特种织物尼龙制成，工作时用无害的氦气填充。安全气囊的基本原理是在发生一次碰撞后、二次碰撞前，迅速在乘员和汽车内部结构之间打开一个充满气体的袋子，让乘员扑在气囊上，从而降低乘员的伤害指标。安全气囊发展至今，技术上已经非常成熟，能够对乘员起到更好的保护作用，同时为了降低安全气囊点爆过程中对于乘员的伤害，出现了更多更为智能化、低能量化、多级化的安全气囊，在保护乘员的同时避免了对乘员的伤害。智能安全气囊就是在普通型的基础上增加传感器，以探测出座椅上的乘员是儿童还是成年人，他们系好的安全带以及所处的位置是怎样的高度，通过采集这些数据，由电子计算机软件分析和处理控制安全气囊的膨胀，使其发挥最佳作用，避免安全气囊出现无必要的膨胀，从而极大地提高其安全作用。5.1.2.1乘员识别技术乘员识别系统或者乘员鉴别系统是智能安全气囊的关键技术。通过增加这样的系统，ECU可以判断出乘员的类型、乘员的质量、乘员距转向盘/仪表板的距离、座椅位置以及安全带状态等，从而准确控制安全气囊的点火时刻以及点火能量等级，采用对应这类乘员的低能量点爆方式，从而避免传统气囊点爆过程中对于这类乘员的伤害作用。图1.1是一种利用超声波方法探测乘员距方向盘/仪表板远近的解决方案，如果发现乘员距离过近，就提前触发气囊，同时有可能的话降低气囊的点火能量等级，防止气囊点爆时刻对人的伤害。图1.1超声波乘员探测3图1.2是德国bosch公司开发的乘员识别系统。它基本包括如下组成部分：3个前部预碰撞传感器（能够更快感知正面碰撞信号，从而提高点火的快速性），1个儿童座椅传感器（当前排座椅安装背向儿童座椅的时候禁止气囊的点爆），1个集成滚翻传感器的主控单元（主要的控制单元，同时集成了滚翻传感器，能够进行滚翻事故的气囊点火控制），4个侧面传感器（感知侧面碰撞，包括加速度传感器和压力传感器），1个乘员离位传感器（判断乘员是否处于离位状态），2套乘员识别传感器（感知乘员的重量以及位置）。各个传感器之间通过总线方式进行数据传递。同时，为了起到更好的保护效果，司机侧和乘员侧使用了2级气体发生器、同时为每个乘员配备了一个侧面气囊以及相应的安全带预紧器，因此整个系统相对比较复杂，但是保护效果却大有提咼。乗员离位传感器乘员识别传感器乗员离位传感器乘员识别传感器图1.2多方位乘员保护系统结构示意图图1.3是一套通过应变片测量乘员重量的乘员识别系统。每个乘员底座下分布四个应变片，通过应变片电阻的变化测量乘员质量的变化，从而起到乘员识别的效果。图1.3乘员重量测量系统图1.3乘员重量测量系统图1.4是某气囊厂商研制的乘员侧智能ECU系统。4个超声波位置传感器和座椅位置传感器可以判别乘员与气囊之间的位置关系，质量传感器判断乘员是否为儿童或者没有乘员，带扣传感器判断乘员是否系好安全带。通过以上传感器的输入信号，ECU可以决定气囊是否点爆，以什么方式点爆。图1.4智能ECU传感系统图1.5是BMW7系车所采用的乘员识别系统，主要是采用分布式电容技术感知乘员类型以及乘员乘坐姿势的变化，进而采取不同的点火策略。9个电极分布在座椅的靠背和底座上。当不同类型的乘员乘坐的时候，各个电极的电容是不一样的，同样，当乘员的坐姿发生变化的时候，各个电极之间的测量值也有所不同，通过测量电极之间电容的差别，从而获知关键的乘员参数，进而采取合适的点火方式，从而起到更好的乘员保护效果。图1.5BMW7系乘员识别系统图像识别技术在乘员识别系统中也有一定的应用，部分厂家使用摄像头拍摄司机侧和乘员侧的乘员，判断乘员的类型以及乘员的实际乘坐位置，如果乘员距离方向盘或者仪表板过近，则采用低能量级别点爆气囊或者禁止气囊的点爆。但是图像识别技术由于摄像头成本较高，加上图像数据处理设备对于硬件要求较高，因此整体的造价比较高，如果要得到更为广泛的使用还有待时日。乘员识别系统的类型各异，原理上也有一定的差异，但是基本上需要有主控ECU设备、乘员信息感知设备等模块。5.1.2.2.非易失性铁电存储器（FRAM）技术智能安全气囊系统比传统的安全气囊需要收集更多的信息，包括碰撞的严重程度、乘客的体重和座椅相对气囊的位置等，并且需要对这些数据实时处理和分析以及与车内其它安全系统的相互交换的信息。智能安全气囊存储器的唯一要求就是记录发生事故的乘员的历史信息，包括座位位置和乘员重量等，这些数据由汽车内部的加速度计和传感器产生，并送至安全气囊ECU。为了保存事故发生前人员形态的可靠记录，有必要连续储存这些信息。这种连续储存需要能够远比传统快闪存储器写入更频繁的存储技术。另外，越来越多的车辆安装了事故数据记录仪（EDR，EventDataRecorder），用来收集碰撞相关的信息，类似于飞机“黑匣子”。EDR功能一般被包含在安全气囊电子控制单元（ECU）中。EDR技术的关键在于所需的数据量及存储这些数据所需要的时间。新的规范将大大扩展需要采集的数据。当发生严重事故时，极有可能出现掉电情况。对于这种情况，EDR系统必须赶在系统电源失去之前把数据保存下来。事故中，供电可能会突然失去，而传统的非易失性存储解决方案需要很长的时间来对新信息进行写入。这两种安全气囊存储器应用对存储器的要求很苛刻（高耐久性和快速写入速度），非易失性铁电存储器（FRAM）提供的技术方案能同时应对这两种挑战。FRAM具有可靠的非易失性存储，与传统存储器的主要差别是其写操作的高耐久性（能写很多次）和快速写入速度。安全气囊应用普遍选择5V工作的串行外设接口（SPI）FRAM存储器，这些器件的写耐久性超过1万亿次（1x1012）写操作，这足够智能安全气囊连续写操作了，能实现乘员数据无缝记录。这些器件也能以总线接口速度进行写操作。无延迟地以5MHz到20MHz速率写能使主处理器流数据尽可能地快，同时丢失信息的风险非常小。非易失性、无与伦比的写耐久性再配上快速数据采集能力，使FRAM成为下一代高级安全气囊系统的理想存储器工艺。

最近，韩国现代汽车（HyundaiAuto）决定在它的下一代智能安全气囊系统中采用非挥发性铁电随机存取存储器（FRAM）。而现代汽车是继美国、亚洲、日本和欧洲另外8家汽车制造商之后，选用FRAM技术来为智能安全气囊系统和相关的碰撞事故资料记录仪提供“智能性”的又一家知名公司。5.1.2.3.分级气囊点爆技术智能型安全气囊中装备的气体发生器都是多级气体发生器，由动态和静态监测系统得到的信息判断出乘员是否佩带安全带、乘员身材和体重大小、座椅移动情况/乘员离位情况（靠近安全气囊模块的程度），除了要确定是否打开气囊还是在高阀值/低阀值下打开气囊以外，还要决定对佩带安全带和未佩带安全带的乘员，对身材高大的成年乘员及身材矮小的女性乘员和儿童乘员，对采取正确坐姿的乘员和未采取正确坐姿的“离位乘员”等信息来确定向对应的安全气囊采取不同的充气级别。这一功能的执行机构就是多级气体发生器。它是由两级单独的电雷管和相应的装药组成，可以视作两个单独的气体发生器，他们的充气强度（充气量）是不相同的，视汽车碰撞的严重程度和乘员身体参数以及坐姿和安全带等的使用情况不同，由传感器将感应到的信号输送到电子控制单元（ECU），电子控制单元通过预先设定的计算程序进行运算，确定是否应该点爆气体发生器。如需要点爆气体发生器时则判定是点爆强充气档，还是点爆弱充气档，通常碰撞强度越是激烈，乘员的体重越重，气囊的充气强度要求要高，此时设置两级气体发生器同时向气囊充气。在乘员体重较轻、碰撞情况较弱时，除了点爆其中单级气体发生器外，还可以改变点爆第一级气体发生器的起始时间和点爆第一级和第二级气体发生器的间隔时间来改变气囊不同的充气强度，以适应不同类型乘员撞到气囊上时得到更好保护效果的对应充气程度。使气囊的充气时间和充气强度与乘员相应的静态和动态状况相适应，以取得最佳的保护效果。5.1.3.气囊式安全带福特后排座椅气囊式安全带佩戴安全带的乘员在汽车发生正面碰撞事故时，织带直接与乘员胸部和腿部相接触，织带的线性特性使乘员受的约束力几乎直线增大，过大的胸部压力甚至造成致命伤害。有一个非常简单和合理的想法，就是结合传统的安全带和安全气囊技术，在汽车碰撞时，安全带在乘员躯干和肩膀处展开成气囊。这个想法已经由福特公司实现。最新开发出的气囊式安全带得益于福特公司在气囊充气和安全带构造技术方面的领先性，它的气囊能在碰撞发生的40ms内在乘客的躯干和肩膀处展开。在日常使用时，气囊式安全带与传统安全带的作用相同，而且适用于儿童安全座椅。福特的调研结果显示，90%以上参与测试气囊式安全带的人员认为，气囊式安全带的舒适度等同或优于传统安全带，因为它使人

感到有衬垫且更柔软。工作原理：带有气囊的安全带是在三点式安全带的肩带上设计有一个气囊（见图1）。该气囊折叠成带状藏于织带内，织带比普通织带略微厚一点（见图2）。气囊充气膨胀时，会撕开织带上的气囊保护层，展开气囊于乘员胸前和汽车内饰之间（见图3）。带有气囊的安全带由腰带、带有气囊的肩带、特殊带扣和气体储存器组成（见图4）。腰带横跨佩戴者盆骨部位前方，肩带从臀部斜跨前胸至另一侧肩部、特殊的带扣除了使佩戴者能够被安全带固定住和能快速解脱外，还有快速连接和脱卸气囊进气口，气体储存器安装在座椅底下，与锁扣上的气体控制阀相连。气体储存器内装有冷压缩气体，这种气体没有传统安全气囊系统通常采用的发热化学反应气体高温，意味着气囊式安全带充气时，不会使佩带者感到处于高温环境中。气囊式安全带的膨胀压力和速度也比传统安全气囊小，因为该装置无需像常规安全气囊那样，压缩安全带与乘客身体之间的空隙。气囊式安全带的膨胀压力和速度也比传统安全气囊小，但是，气囊随安全带贴附在乘员展开，其体积设计得较小，因此从汽车碰撞到气囊安全带在乘客躯干和肩膀处展开是在一个极短的时间内完成。折叠后的气褻气囊保护层安全带织带展开后的气囊气聂保护层安全带织带图2带有气奏的安全带织带结构示意图图3带有气聂的安全带气囊展开时织带结构示意图一旦汽车发生碰撞，该车的安全系统传感器会在瞬间测定碰撞信号，安全系统的控制器接收到该信号，辨认碰撞的严重程度。判定需要展开气囊式安全带时，会发出信号给气囊式安全带，打开通气阀，位于座位底下折叠后的气褻气囊保护层安全带织带展开后的气囊气聂保护层安全带织带图2带有气奏的安全带织带结构示意图图3带有气聂的安全带气囊展开时织带结构示意图气囊式安全带将撞击能量分散到乘客身体上的功能比传统的安全带高出5倍，它通过把撞击压力扩散到更大的面积来扩大保护范围，即通过减少汽车撞击时对乘客胸部的压力来降低发生伤害的风险。同时，可对乘客的头部和颈部提供额外支持，这样将有助于控制后座乘客头部和颈部在碰撞中的移位。安全带上的气囊展开后，在其内部的气体通过气囊上的小孔散发出去之前，安全带气囊会在数秒内保持膨胀状态。5.1.4.主动头部保护系统WHIPS头颈保护系统头颈部受损伤是交通事故中最常见的伤害。在瑞典，每年就有2.5万人蒙受这类伤害。永久性头颈部受伤害的比例约占受伤人员总数的1/10,而且这类伤害往往很难被确诊。WHIPS头颈部保护系统已成为所有型号Volvo汽车的标准配置，可在发生追尾撞击事故时使永久性颈部伤害的危险减少一半。如图所示，WHIPS—般设置于前排座椅。当轿车受到后部的撞击时，头颈保护系统会迅速充气膨胀起来，其整个靠背都会随乘坐者一起后倾，乘坐者的整个背部和靠