改進(jìn)的汽車安全氣囊控制算法

1、改良的汽車平安氣囊控制算法摘要本文闡述了目前國內(nèi)外汽車平安氣囊控制的一些主要算法，并解釋了該算法中的核心內(nèi)容和研究特點。在結(jié)合傳統(tǒng)方法的同時，提出了兩種新的算法數(shù)據(jù)交融控制算法和形式識別控制方法。關(guān)鍵詞平安氣囊；汽車碰撞；數(shù)據(jù)交融；形式識別汽車平安氣囊的應(yīng)用拯救了許多乘員的生命。但隨著汽車的應(yīng)用越來越多，氣囊錯誤彈出的情況也時有發(fā)生，這樣反而會威脅到乘員的平安，所以必須進(jìn)步平安氣囊的控制性能。因此，我們也需要進(jìn)一步研究氣囊控制算法。汽車平安氣囊技術(shù)開展到今天，其優(yōu)劣已經(jīng)不在于是否可以判斷發(fā)生碰撞和實現(xiàn)點火，現(xiàn)代的平安氣囊控制的關(guān)鍵在于可以在最正確時間實現(xiàn)點火和對于非破壞性碰撞的抗干擾。只有實現(xiàn)

2、最正確時間點火，才可以更好的保護(hù)駕駛員和乘客。最正確時間確實定在于當(dāng)汽車發(fā)生碰撞的過程中，乘員向前挪動接觸到氣囊，此時氣囊剛好到達(dá)最大體積，這樣的保護(hù)效果最好。假如點火慢了，那么乘員在接觸氣囊的時候，氣囊還在膨脹，這樣會對乘員造成額外的傷害。假如點火快了，乘員在接觸到氣囊的時候氣囊已經(jīng)可以萎縮，那么氣囊不能對乘員的碰撞起到最好的緩沖作用，也就不能很好的起到對乘員的保護(hù)作用。圖1氣囊示意圖第二個是氣囊的可靠性問題，也就是對于急剎車、過路坎和其他非破壞性碰撞時引起的沖擊信號的抗干擾。汽車在顛簸路面上行駛或以很低速度的碰撞產(chǎn)生的加速度信號可能會令氣囊誤觸發(fā)，一個好的控制系統(tǒng)應(yīng)該可以很好的識別這些信號

3、，從而在汽車產(chǎn)生非破壞性碰撞時不會使氣囊系統(tǒng)誤翻開。第三個就是氣囊控制技術(shù)的根本指標(biāo)，包括防止以下情況：氣囊可能在很低的車速時翻開。車輛在很低車速行駛而發(fā)生碰撞事故時，只要駕駛員和乘員系上了平安帶，是不需要氣囊翻開起保護(hù)作用的。這時氣囊的翻開造成了不必要的浪費。當(dāng)乘客偏離座位或座位上無人，氣囊系統(tǒng)的啟動不僅起不到應(yīng)有的保護(hù)作用，還可能對乘客造成一定傷害1。1)加速度法該算法是通過測量汽車碰撞時的加速度減速度，當(dāng)加速度超過預(yù)先設(shè)定的閾值就彈出平安氣囊。2)速度變量法該算法是通過對汽車加速度進(jìn)展積分從而得到加速度變化量，當(dāng)加速度變化量超過預(yù)先設(shè)定的閾值時就彈出平安氣囊。3)加速度坡度法該方法是對加

4、速度進(jìn)展求導(dǎo)得到加速度的變化量作為判斷是否點火的指標(biāo)。4)挪動窗積分算法2對加速度曲線在一定時間內(nèi)進(jìn)展積分，當(dāng)積分值超過預(yù)先設(shè)置的閾值時，就發(fā)出點火信號。2.1挪動窗積分算法下面詳細(xì)介紹一下挪動窗積分算法，選定以下幾個觀察量作為氣囊點火的條件指標(biāo)。汽車碰撞時的程度方向加速度或減速度ax。ax是直接反映碰撞劇烈程度的信號，而且ax在最正確點火時刻的選取中起關(guān)鍵作用。汽車碰撞時垂直方向的加速度ay，氣囊控制系統(tǒng)參加ay對非碰撞信號能起到很大的抗干擾作用，當(dāng)汽車發(fā)生正向碰撞時，ay與ax有很大的不一致性3；而當(dāng)汽車受到路面干擾，例如汽車與較高的臺階直接相撞時，ay與ax有很大的一致性3，可以由此來判

5、別干擾信號。結(jié)合這幾個量，得出一個判斷氣囊點火的最正確指標(biāo)。需要采樣一個時間段從碰撞開場ax的值，根據(jù)這一系列的值才能判斷碰撞的劇烈程度.氣囊點火控制算法應(yīng)在發(fā)生碰撞后2030s內(nèi)做出點火判斷，因為氣囊膨脹到最大需要時間大概為30s4，在碰撞初速度為28.4k/h時，人體向前挪動5inh到達(dá)接觸氣囊的時間大概為70s，那么目的點火時刻為703040s，所以氣囊翻開應(yīng)該在碰撞后的40s時刻，所以算法必須在2030s內(nèi)做出點火決定。這樣可以采樣碰撞后的20個加速度值頻率是1kHZ作為算法的輸入值。而對于垂直方向也可以如此采樣。那么可得兩組值：ax(1)，ax(2)ax(20)；ay(1)，ay(2

6、)ay(20).挪動窗算法中對ax的處理為1式：(1)圖2挪動窗口算法示意圖其中t為當(dāng)前時刻，為時間窗寬度采樣時間寬度，對ax(t)進(jìn)展積分，得到指標(biāo)S(t，)，當(dāng)S(t，)超過預(yù)先設(shè)定值時，那么發(fā)出點火信號。寫成離散形式，如式(2)：(2)n為當(dāng)前時間點，k為采樣點數(shù)，f為采樣頻率。加上垂直加速度之后，可以進(jìn)步對路面干擾的抗干擾才能3，形式如式(3)：(3)S(n，k，)為雙向合成積分量，n，f，k如上定義；為合成因數(shù)，表征兩個方向加速度在合成算法中的權(quán)重。這種算法主要是考慮了汽車碰撞時的加速度因素，當(dāng)加速度的積分到達(dá)一定值的時候，表示汽車的碰撞劇烈程度也到達(dá)一定值，會給乘員帶來一定傷害。而

7、且這種算法對于判斷最正確點火時刻也是很有優(yōu)勢的，經(jīng)過實驗，利用這種算法得出的點火時刻離汽車碰撞的最正確點火時刻利用攝像得出僅差幾毫秒2，符合要求的精度。但是這種算法也有其缺乏，例如沒有考慮碰撞時的速度以及座位上有沒有人的因素，這樣當(dāng)汽車低速運行的時候，還是有可能引起誤觸發(fā)。假如將速度和座位上是否有人的信號引入，那么可以進(jìn)一步減少誤觸發(fā)的時機(jī)。2.2利用數(shù)據(jù)交融提出的改良算法由上面的表達(dá)中我們可以知道，挪動窗積分算法對于氣囊彈出與否進(jìn)展判斷主要是根據(jù)積分量S，如今我們對積分量進(jìn)展一些改造，可以克制上述缺點。詳細(xì)做法如下，參加以下幾個觀察量：1汽車碰撞時的程度方向速度v，v可以反映汽車碰撞時乘客的

8、受傷害程度。v越大，乘客的動能就越大，碰撞時受到的傷害就越大。v是判斷氣囊是否應(yīng)該翻開的最直接的指標(biāo)。2坐位上是否有乘員的信號5。坐位上無人時，當(dāng)發(fā)生碰撞那么可以不彈出氣囊，這樣做可以減少誤觸發(fā)的幾率，同時避免對其他乘員的傷害。引入函數(shù)，這個函數(shù)的波形為：圖3函數(shù)波形圖當(dāng)v超過30k/h的時候，y的值就大于1；反之就小于1。如今普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)是，平安帶配合使用的氣袋引爆車速一般為：低于20k/h正面撞擊固定壁時，不應(yīng)點爆。而在大于35k/h碰撞時，必須點爆。在20k/h和35k/h之間屬于可爆可不爆的范圍。所以我們?nèi)030k/h為標(biāo)準(zhǔn)點，這樣結(jié)合上面的挪動窗積分算法，提出新的S1，那么S1為

9、：(4)這樣當(dāng)vv0時，汽車點火引爆的靈敏度就比原來大了；而vv0時，點火靈敏度就比原來小了。再引入座位是否有人信號，有人時1，反之0。(5)S即為參加了v和的雙加速度合成積分量，其優(yōu)點是可以減少氣囊誤觸發(fā)的幾率，更好的保護(hù)乘員的平安。再考慮到vv0時引爆氣囊的靈敏度不需要太大，可以適當(dāng)調(diào)整的系數(shù)為1/，此時y函數(shù)圖形如圖4。由圖4可看到，采用增加了速度函數(shù)的算法后，使到vv0時的靈敏度適當(dāng)增加，同時也有效的減少了vv0低速時的誤點火幾率。這個參數(shù)可以通過大量的碰撞實驗來確定，使得點火效果最優(yōu)。2.3利用形式識別的方法提出的控制算法上述利用數(shù)據(jù)交融改良的挪動窗控制算法是一種利用直觀概念進(jìn)展設(shè)計

10、的方法，采用的是實時計算得出碰撞判決指標(biāo)，缺點是計算量比擬大，控制系統(tǒng)的性能要求較高。假如可以直接根據(jù)輸入進(jìn)展點火判斷，那么計算量會大大減少。為了減少計算量，使點火控制速度更加迅速，可以采用形式識別的方法。原理如下，在臺車碰撞試驗中采用第二節(jié)中提出的參加了速度函數(shù)的改良挪動窗算法，對不同的輸入加速度和速度及其結(jié)果進(jìn)展判斷，并將其記錄下來，得到一個數(shù)據(jù)庫。再利用形式識別的方法，結(jié)合大量的記錄，那么可以求出某一車型的氣囊點火判斷的判別函數(shù)。然后在實際應(yīng)用中可以利用判別函數(shù)對輸入的加速度和速度直接進(jìn)展判別，對汽車狀態(tài)氣囊彈出和氣囊不彈出進(jìn)展分類，從而大大減少計算量。圖4函數(shù)波形圖氣囊的彈出(1)與不

11、彈出(2)可歸結(jié)為通過對對象汽車的碰撞n組特征觀察量a1，a2.an，v的判斷這里取汽車碰撞的加速度和速度為特征觀察量，從而對xa1，a2.an，v進(jìn)展歸類。在歸類中，我們總是希望錯誤率最小，所以可以采用基于最小錯誤率的貝葉斯決策6。通過對上述數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計，我們可以得到氣囊彈出的概率P(1)，從而P(2)=1P(1)。要對x進(jìn)展分類，還需要類條件概率密度。p(x|1)是氣囊彈出狀態(tài)下觀察x的類條件概率密度；p(x|2)是氣囊不彈出狀態(tài)下觀察x的類條件概率密度。這樣我們可以算出1和2的后驗概率，如式(6)：(6)基于最小錯誤率的貝葉斯決策規(guī)那么為：假如P(1|x)P(2|x)，那么把x歸類于彈出

12、狀態(tài)1，反之P(1|x)P(2|x)，那么把x歸類于不彈出狀態(tài)。把它設(shè)計成分類函數(shù)的形式，那么可以直接利用分類函數(shù)進(jìn)展判別。如式(7)：(7)x是樣本向量，為權(quán)向量，0是個常數(shù)。在實際操作中，可以通過上述數(shù)據(jù)庫中大量的樣本來計算出和0。得出g(x)后，那么可以對實際中檢測到的一組特征值進(jìn)展評估，以決定是否引爆氣囊。二維的情況下g(x)的示意圖如圖所示。圖5分類函數(shù)示意圖如圖5所示，分類函數(shù)g(x)可以將兩種狀態(tài)引爆氣囊和不引爆氣囊很好地區(qū)分開來，實現(xiàn)了對汽車碰撞狀態(tài)的即時判斷。而這種算法只要求系統(tǒng)進(jìn)展一個查表的運算，大大減少計算量。綜上所述，挪動窗算法對于低速的抗干擾方面存在缺乏；而參加了速度函數(shù)的改良算法，可以適當(dāng)增加系統(tǒng)在高速時的靈敏度，又能減少低速時的氣囊誤觸發(fā)幾率，符合現(xiàn)代平安氣囊的控制要求；形式識別的控制算法是建立在前面正確的控制算法的根底上，利用大量的歷史數(shù)據(jù)得出判別函數(shù)，從而直接對氣囊是否彈出進(jìn)展判斷，大大減少計算量。1鐘志華，楊濟(jì)匡.汽車平安氣囊技術(shù)及其應(yīng)用J中國機(jī)械工程，2000年2月第1