車用智能化預緊式安全帶控制策略研究

劉海峰

摘要：控制系統(tǒng)的策略研究對控制軟件的設計和后期裝置的設計具有重要意義。在不同安全等級下MCU發(fā)出不同的控制指令信號，控制電機完成不同的轉動，實現(xiàn)了安全帶系統(tǒng)多級預警的功能。

關鍵詞：智能化；預緊安全帶；控制策略；研究

【中圖分類號】U491.61；U467.52

1引言

目前現(xiàn)有的安全帶的設計目的均是在危險發(fā)生后對駕乘人員進行保護，缺乏在危險發(fā)生前進行提前保護的功能，屬于被動安全技術范疇。主動安全技術在保留原有的被動安全帶功能的前提下，通過采集車輛各種預警傳感器信號、安全帶預緊力等這些變量作為輸入變量和反饋參數(shù)，以卷收器驅動電機的回轉方向及回轉角度作為輸出變量（被控參數(shù)），結合臺架試驗及仿真數(shù)據(jù)，合理確定控制規(guī)則，確定多個預警級別，設計出一套智能化預緊式安全帶裝置，以實現(xiàn)安全帶在預收緊的過程中達到對車輛駕乘人員主動保護和安全舒適的實用功能?？刂葡到y(tǒng)的策略研究對控制軟件的設計和后期裝置的設計具有重要意義。

2編程環(huán)境搭建

設計的智能化預緊式安全帶系統(tǒng)，使用的主控芯片是Freescale微控器MC9S12DP256單片機，這款MCU的編譯環(huán)境為CodeWarrior5.1。

3系統(tǒng)整體控制模式

設計的控制系統(tǒng)采用三種控制的觸發(fā)模式，一種為手動模式、一種為串口模式，另一種為自動模式。控制的主要目的是通過預警傳感器采集到的數(shù)值，判斷相應的安全級別，在危險發(fā)生前或即將發(fā)生的第一時間內對駕乘人員進行提醒，并控制安全帶卷收系統(tǒng)進行卷收，使安全帶拉緊。綜合考慮多種方法的優(yōu)缺點，并考慮到對安全帶織帶張力的恒拉力控制和實際應用時車輛各方面的限制，選擇PI控制算法作為安全帶系統(tǒng)的整體控制算法。

4系統(tǒng)總體控制策略研究

根據(jù)踏板制動力大小和車輛與前方物體距離的不同組合設計了三種不同的安全級別：安全級別1、安全級別2、安全級別3，分別對應三種不同的行車危險程度，危險程度按對應數(shù)字排序安全級別3最為危險。在不同的安全級別下采取了三種不同的電機控制方法。其中安全級別1時，對應車輛距障礙物較遠或駕駛員踩制動踏板力較小，危險程度較弱，此時電機小扭矩正轉兩次，帶動卷收器拉緊安全帶織帶兩次，對駕乘人員提醒；安全級別2時，車輛距前方碰撞物較近或已經踩下制動踏板，危險程度中等，此時對應電機小扭矩正轉，然后迅速反轉，電機動作時間較短，收緊安全帶織帶，并將織帶鎖止；安全級別3時，對應車輛即將發(fā)生碰撞事故，此時與前方碰撞物的距離極近或駕駛人員猛踩制動踏板（制動踏板力在300N左右），電機大扭矩迅速正轉然后迅速反轉，在危險發(fā)生前的一瞬間迅速消除安全帶間隙。

在電機扭矩控制方面是通過控制流經電機電樞的電流大小來控制電機的轉矩大小，本質上是對PWM波的占空比進行控制。

根據(jù)瞬態(tài)控制法來確定PI調節(jié)中的參數(shù)，其基本方法為：如果被控制系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)開環(huán)階躍響應理論圖，可以得到曲線的最大斜率R和達到最大斜率所用的時間L，根據(jù)R和L我們可以確定出P，PI控制的參數(shù)。

按照瞬態(tài)控制法，通過實驗，利用示波器記錄了電流傳感器采集到的電流值的瞬態(tài)響應圖并最終確定了參數(shù)。

5手動模式與自動模式選擇

系統(tǒng)上電，正常工作后默認進入自動模式，自動模式下根據(jù)超聲波測距傳感器與制動踏板力傳感器的結合通過閾值來判斷當前所處的安全等級。自動模式與手動模式可以通過按鍵或觸摸屏上的按鈕來切換。液晶屏系統(tǒng)板上有4個按鍵，其中3個分別對應3種安全等級，另一個為手動模式與自動模式切換按鍵。

按下START_CSB按鈕將啟動自動模式，系統(tǒng)根據(jù)傳感器信號自動判斷實時的安全級別，SAFE_LEVEL1、SAFE_LEVEL2、SAFE_LEVEL3分別為3種安全等級模式。

5.1手動控制模式

在手動模式下，可由按鍵或觸摸屏來設置安全等級，當按下控制器PCB板上的相應按鍵時，中斷被觸發(fā)，安全等級變量也相應的被改變。主函數(shù)在掃描時會判斷當前的安全等級并控制電機執(zhí)行相應的動作，達到能夠進行硬件仿真的要求。

5.2 自動控制模式

自動模式主要模擬真實的碰撞前的預緊情況，主要根據(jù)超聲波測距傳感器與制動踏板力傳感器所測量的實時距離信號和踏板力信號的邏輯組合來判斷當前的危險系數(shù)，并自動控制電機采取相應的動作。

其主要功能是主動及時地消除安全帶織帶和駕駛人員間的空隙余量。在整個過程中通過對通過電機電流的PI控制使通過電機的電流保持在一定值，從而使電機的轉矩保持在一定值，所以安全帶的張力是一定的，一直在初始安全帶預緊力上下微小浮動，保證安全帶織帶的張力不會過大以免使駕駛員受傷。安全帶張力控制算法即PI控制。

5.3 安全等級閾值參數(shù)確定

GB7258-2004_機動車運行安全技術條件規(guī)定，液壓制動系統(tǒng)的車輛，滿載時制動踏板力最大值不得大于500N；空載時制動踏板力最大值不能大于400N?？紤]到汽車常規(guī)運行狀態(tài)，根據(jù)以往經驗數(shù)據(jù)取制動踏板力的最大值為370N。超聲波測距傳感器信號在C語言程序中進行等比例放大50倍，模擬最大量程達到50米。

參考文獻：

[1]廖傳錦， 秦小虎， 黃席樾. 以人為中心的汽車主動安全技術綜述[J]. 計算機仿真， 2004， （9）： 152-156.

[2]杜青云， 雷正保， 魏書彬. 汽車碰撞預警與碰撞吸能技術結合的CST 控制系統(tǒng)[J]. 中國機械工程， 2011， 22（6）： 751-755.endprint