集成主被動式安全帶的性能評估及優(yōu)化分析

宋志強(qiáng) 曹立波 歐陽志高 邱洋迪 陳 凱

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙，4100822.長沙立中汽車設(shè)計(jì)開發(fā)股份有限公司，長沙，410205

0 引言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，車內(nèi)集成的功能越來越多，隨之出現(xiàn)的車內(nèi)的控制按鈕也越來越多，且按鈕之間在空間布置上也相距較遠(yuǎn)。而多數(shù)駕駛員認(rèn)為安全帶的限制影響了其操作按鈕，從而不愿意佩戴安全帶。且客車駕駛員經(jīng)常處于長途駕駛狀態(tài)，長時間的駕駛?cè)菀讓?dǎo)致駕駛員疲勞，容易出現(xiàn)注意力不集中、反應(yīng)遲鈍、閉眼打盹等情況，對臨時出現(xiàn)的緊急情況難以及時應(yīng)對，從而可能引發(fā)慘重的交通事故。據(jù)相關(guān)交通數(shù)據(jù)顯示，疲勞駕駛是引發(fā)惡性交通事故的重要原因之一，因此，預(yù)防疲勞駕駛已成為當(dāng)前國際上的一個研究熱點(diǎn)。為了預(yù)防因注意力分散、疲勞打盹等人為因素導(dǎo)致的交通事故的發(fā)生，本文開發(fā)設(shè)計(jì)了集成主被動式安全系統(tǒng)(integrated active passive safety system, IAPS)，該系統(tǒng)將可逆預(yù)緊式安全帶(reversible pretension seat belt, RPSB)與前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)(forward collision warning system,FCWS)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)(lane departure warning system,LDWS)及疲勞駕駛監(jiān)測系統(tǒng)(fatigue driving monitoring system, FDMS)等高級駕駛員輔助系統(tǒng)(advanced driver assistance system,ADAS)相集成。這樣，可逆預(yù)緊式安全帶可允許駕駛員和織帶之間預(yù)留較大的間隙，方便駕駛員操作復(fù)雜的按鈕；同時，ADAS系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測危急情況，給駕駛員以預(yù)警提醒，甚至干預(yù)駕駛。

集成主被動式安全系統(tǒng)(IAPS)的工作原理是通過電子控制單元(eletronic control unit,ECU)來解析車載ADAS的監(jiān)測信號，判斷本車周圍行駛狀態(tài)是否安全，及駕駛員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)，然后決策控制直流電機(jī)的輸入電壓和電流去實(shí)施危急提醒，甚至根據(jù)不同的可能碰撞程度驅(qū)動安全帶卷收器卷收織帶，實(shí)現(xiàn)一級主動預(yù)緊、二級主動預(yù)緊或解除預(yù)緊的功能，實(shí)施不同的防護(hù)作用力，達(dá)到更好地保護(hù)乘員的目的[1]。且IAPS與自動緊急制動(autonomous emergency braking,AEB)系統(tǒng)集成后，在碰撞前或緊急剎車時，IAPS能夠有效地消除安全帶與乘員間的松弛間隙，提前糾正乘員的離位坐姿，實(shí)現(xiàn)“避撞與降損”的雙重目標(biāo)[2]。此外，IAPS中的可逆預(yù)緊式安全帶還具有多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，避免傳統(tǒng)火藥爆炸式安全帶起作用即報廢的缺點(diǎn)。

國內(nèi)在可逆預(yù)緊式安全帶方面的研究主要有：曹立波等[3-4]建立了主動預(yù)緊式安全帶與自動緊急制動相結(jié)合的仿真模型,對可逆預(yù)緊式安全帶降低乘員損傷的保護(hù)性能進(jìn)行了仿真研究，并對可逆預(yù)緊式安全帶與安全氣囊進(jìn)行了參數(shù)匹配優(yōu)化；郜亢[5]、胡先男[6]通過制定一定的控制策略，并利用飛思卡爾嵌入式軟硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了主動預(yù)緊式安全帶的控制功能；SONG等[7]在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行安全帶靜態(tài)測試試驗(yàn)，驗(yàn)證了上述主動預(yù)緊式安全帶系統(tǒng)的可行性，并分析了主動預(yù)緊式安全帶的關(guān)鍵性能參數(shù)；鄒杰慧等[8]利用MADYMO軟件仿真對比分析了主動可逆安全帶與傳統(tǒng)安全帶對乘員的保護(hù)效果；朱玉強(qiáng)等[9]對預(yù)緊式安全帶的關(guān)鍵參數(shù)與約束保護(hù)效能之間的關(guān)系進(jìn)行了分析；余義[10]運(yùn)用靈敏度分析法分析了預(yù)緊式安全帶系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)對乘員損傷指標(biāo)的影響，得出各參數(shù)的最優(yōu)值。本文在上述研究基礎(chǔ)之上，將LDWS、FCWS和FDMS與可逆預(yù)緊式安全帶集成研發(fā)，并進(jìn)行了志愿者實(shí)驗(yàn)研究。

1 可逆預(yù)緊式安全帶結(jié)構(gòu)

可逆預(yù)緊式安全帶主要由直流電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、卷收器、電子控制單元(ECU)組成[11-12]，其中傳動機(jī)構(gòu)中包含傳動齒輪和單向離合器,單向離合器采用棘輪棘爪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖止?fàn)顟B(tài)?？赡骖A(yù)緊式安全帶結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 可逆預(yù)緊式安全帶結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure schematic of RPSB

2 控制策略

可逆預(yù)緊式安全帶與FCWS、LDWS和FDMS集成為一體，其邏輯結(jié)構(gòu)示意圖見圖2?？赡骖A(yù)緊式安全帶的ECU根據(jù)FCWS、LDWS監(jiān)測到的行車信號，經(jīng)過算法識別當(dāng)前的危險等級，進(jìn)而控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)危急提醒、碰撞預(yù)緊、解除預(yù)緊等功能。

圖2 可逆預(yù)緊式安全帶與ADAS集成系統(tǒng)Fig.2 The integrated system of RPSB and ADAS

當(dāng)LDWS監(jiān)測到車輛未開啟轉(zhuǎn)向燈非正常偏離車道時，或FCWS監(jiān)測到碰撞時間(time to collision,TTC)[13](即當(dāng)兩車發(fā)生沖突時，若保持原有的速度差不變，從沖突開始至碰撞發(fā)生的時間段)Tc<1.4 s時，IAPS被激活而實(shí)施危急提醒功能。當(dāng)碰撞預(yù)警信號來源于FCWS，0.7 s 1.4 s時，IAPS會判斷當(dāng)前行車狀態(tài)已處于安全狀態(tài)，從而控制電機(jī)執(zhí)行反向旋轉(zhuǎn)來解除預(yù)緊狀態(tài)。IAPS控制策略示意圖見圖3。

圖3 主被動集成安全系統(tǒng)的控制策略Fig.3 Control strategy for IAPS

該系統(tǒng)對駕駛員疲勞狀態(tài)的監(jiān)測是基于人在疲勞時的生理反應(yīng)特征而實(shí)現(xiàn)的，如對眨眼頻率、閉眼時間、嘴巴的張開率等進(jìn)行監(jiān)測。通常，人眼的虹膜和瞳孔、眼白、眼皮之間的灰度值有明顯的差異，因此可利用這種差異來監(jiān)測駕駛員的眨眼頻率、眼睛閉合時間占某一特定時間的百分比和嘴巴張開率。為了在白天和晚上都可采集圖像，采用可見光/近紅外攝像頭采集視頻，其中基于Haar-like特征的級聯(lián)分類器是目前較好的一種人臉監(jiān)測算法[14]。然后進(jìn)行綜合判斷駕駛員是否進(jìn)入疲勞狀態(tài)，最后通過IAPS對駕駛員以語音和體感的方式進(jìn)行提醒和警告。判斷時利用的三個主要參數(shù)如下：

(1)PERCLOS參數(shù)。PERCLOS參數(shù)P用于描述駕駛員的疲勞程度，P值越大時駕駛員越疲勞。P指在一定的時間內(nèi)眼睛閉合狀態(tài)所占的比例，可表示為

式中，N為一定時間內(nèi)采集到的人眼視頻的總幀數(shù)；n為眼睛閉合狀態(tài)所占的幀數(shù)。

通過駕駛員的疲勞駕駛模擬分析得到，P≥0.3時駕駛員處于疲勞駕駛，因此將0.3設(shè)置為P的閾值。

(2)眨眼頻率。正常情況下人的眼睛眨眼頻率約為15～30次/min，當(dāng)駕駛員處于疲勞狀態(tài)時，在一段時間內(nèi)的眨眼頻率將低于10次/min，此時需要對駕駛員進(jìn)行警告。

(3)打哈欠參數(shù)。在駕駛過程中，正常駕駛時駕駛員的嘴巴基本處于閉合狀態(tài)；與他人講話時嘴巴處于普通的張開狀態(tài)；當(dāng)疲勞狀態(tài)駕駛時會伴隨頻繁的打哈欠行為，打哈欠時嘴巴張開的幅度較大，并且持續(xù)一段時間。打哈欠參數(shù)與PERCLOS參數(shù)計(jì)算方法類似，取閾值為 0.2。

圖4為系統(tǒng)軟件疲勞監(jiān)測的流程圖，系統(tǒng)的處理流程包括圖像采集、人臉識別與跟蹤、眼部與嘴部狀態(tài)信息的判別和疲勞狀態(tài)的判斷及疲勞預(yù)警。在疲勞狀態(tài)的判斷過程中，首先監(jiān)測P值是否大于閾值Tp1，當(dāng)P值小于Tp1但大于Tp2時，對眨眼頻率進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，當(dāng)眨眼頻率小于Te(Te=10次/min)時，判斷為疲勞狀態(tài)；否則對駕駛員的打哈欠參數(shù)進(jìn)行判斷，當(dāng)打哈欠參數(shù)大于0.2時，判斷駕駛員處于疲勞狀態(tài)，然后對駕駛員做出警告提醒[15]。

圖4 系統(tǒng)軟件疲勞監(jiān)測的流程圖Fig.4 Flow chart of fatigue monitoring

3 志愿者實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在某款乘用車上安裝被測試的IAPS，包括：預(yù)緊式安全帶、FCWS與LDWS,用于監(jiān)測行車狀態(tài)，并將計(jì)算的Tc值及相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送給主動式安全帶的ECU,如圖5a、圖5b所示；在安全帶上安裝肩帶張力傳感器(型號為IF-964，F(xiàn)TS，美國)，如圖5c所示，用于獲取實(shí)驗(yàn)時肩帶力的數(shù)據(jù)；在車身上安裝2只量程分別是2g和50g的加速度傳感器(型號分別為4610-002與4610-050，MEAS，美國)，見圖5d；在制動踏板上安裝角速率傳感器(型號為ARS-300，DTS，美國)，見圖5e，用于獲取縱向加速度和制動踏板力[16]；相關(guān)的傳感器與專用的數(shù)據(jù)采集儀(瑞士奇石樂)進(jìn)行連接，并且用筆記本電腦存儲及分析采集的數(shù)據(jù)。

(a)FCWS、LDWS(b)可逆預(yù)緊式安全帶

(c)肩帶力 (d)加速度 (e)角速率 傳感器 傳感器 傳感器圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安裝Fig.5 Installation of experimental equipment

3.2 實(shí)驗(yàn)前的調(diào)試

實(shí)驗(yàn)的道路選擇限速分別為50 km/h、70 km/h、80 km/h的市內(nèi)主干道、市郊主干道、環(huán)城高速路。為了保證實(shí)驗(yàn)過程的安全性，選擇在晴天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)時間避開上下班高峰期。

當(dāng)Tc≤1.4s時，激活FCWS的峰鳴器，發(fā)出“滴、滴”的間斷警告聲；當(dāng)Tc≤0.7 s時，F(xiàn)CWS的峰鳴器發(fā)出“滴、滴、滴”的急促警告聲。當(dāng)測試車輛在未撥轉(zhuǎn)向燈下偏離車道時，LDWS會發(fā)出“滴滴滴、滴滴滴”急促的警告聲，且將監(jiān)測到的前方車道線顯示為紅色，表明車輛處于危險行駛狀態(tài)；而當(dāng)駕駛員事前操作了轉(zhuǎn)向燈，有意地正常偏離車道時，LDWS則不會發(fā)出警告聲，且LDWS監(jiān)測的前方車道線為藍(lán)色，表明車輛處于安全行駛狀態(tài)。

3.3 志愿者基本信息

現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)研究由于處于研發(fā)前期階段，志愿者基本來自高校的學(xué)生和老師，考慮到安全因素，在實(shí)驗(yàn)過程中招募了13位具有駕駛經(jīng)驗(yàn)的志愿者，包括10男3女，年齡分布在30～55歲之間，身高基本均勻分布在165～181 cm之間, 體重分布在54～83 kg之間，選取的志愿者基本屬于駕駛員的生理特征的典型代表。在制定志愿者的主觀接受度評價指標(biāo)時，借鑒了文獻(xiàn)[17]調(diào)查Volvo車主對City Safety選裝安全包的主觀感受評價方法。駕駛員志愿者可依據(jù)其自身的生理與心理反應(yīng)對IAPS的各項(xiàng)性能作出自己的感受評價。

3.4 LDWS危急提醒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

LDWS能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)車輛的中心線與兩側(cè)車道線的距離判斷本車輛是否偏離了目標(biāo)行駛車道線。文獻(xiàn)[18]統(tǒng)計(jì)了志愿者對LDWS觸發(fā)可逆預(yù)緊式安全帶工作的接受度評價，圖6描述了各評價項(xiàng)目的滿意度百分比。

由圖6統(tǒng)計(jì)的志愿者主觀接受度可知，大部分志愿者認(rèn)為LDWS能在恰當(dāng)時刻發(fā)出預(yù)警提醒聲音，且可逆預(yù)緊式安全帶的抽動體感提醒方式也較為舒適。然而，少部分志愿者由于接收到的LDWS危急提醒次數(shù)偏多，對此系統(tǒng)產(chǎn)生了厭倦的情緒，最終選擇了較低的接受度或保持了中立的態(tài)度。

圖6 志愿者對LDWS觸發(fā)安全帶的接受度Fig.6 Volunteers acceptability for LDWS triggerin g seat belt

圖7顯示了實(shí)驗(yàn)中某次在車輛偏離行駛車道線時采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖7的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)車輛先是向左越過車道線，在即將越線的時刻，LDWS發(fā)出預(yù)警提醒；且安全帶的肩帶力開始出現(xiàn)兩次不超過15 N的峰值，說明安全帶執(zhí)行了兩次輕微的“抽動”，給駕駛員以提醒；當(dāng)駕駛員得知預(yù)警提醒后，開始減速并回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤，將車輛駛?cè)朐嚨馈?/p>

3.5 FCWS危急提醒的實(shí)驗(yàn)及分析

FCWS依據(jù)其自身ECU計(jì)算的Tc值，判斷前方的潛在碰撞危險，Tc值是決策可逆預(yù)緊式安全帶是否被激活的條件。圖8示出了每位志愿者對FCWS危急提醒的提醒次數(shù)和主觀接受度。危急提醒的提醒次數(shù)統(tǒng)計(jì)說明了可逆預(yù)緊式安全帶的危急提醒與碰撞預(yù)緊功能在相應(yīng)的工況下都進(jìn)行了準(zhǔn)確的響應(yīng)。

根據(jù)志愿者的主觀接受度統(tǒng)計(jì)，78%的志愿者認(rèn)為FCWS危急預(yù)警提醒時刻偏早，而且提醒次數(shù)偏多，引起了他們反感的情緒；而只有22%的志愿者認(rèn)為FCWS危急預(yù)警提醒時刻恰當(dāng)，表示可接受的態(tài)度。還有部分志愿者反映，駕駛中有時由于高度注意行車交通情況而沒有注意到FCWS發(fā)出的“滴、滴”間隙警告聲，但是對IAPS的兩次輕微抽動感知明顯。

(a)距離左側(cè)車道線的水平距離隨時間變化曲線

(b)距離右側(cè)車道線的水平距離隨時間變化曲線

(c)車輛的測試速度隨時間變化曲線

(d)肩帶力隨時間變化曲線圖7 偏離車道線時的實(shí)車實(shí)驗(yàn)Fig.7 Real world experiments when deviatin g from lane lines

圖8 志愿者對FCWS危急提醒的主觀接受度Fig.8 Volunteers’ acceptability for FCWS reminder

圖9 志愿者對一級預(yù)緊功能的主觀評價Fig.9 Volunteers’ evaluation for first-leve l preload function

從提醒時機(jī)、安全帶約束性能、舒適性和總體的認(rèn)可度方面統(tǒng)計(jì)了志愿者對一級預(yù)緊功能的主觀評價，由圖9所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，志愿者對一級預(yù)緊功能的主觀認(rèn)可度也不是太高，需要進(jìn)一步地優(yōu)化，尤其是提醒時機(jī)的激活時刻。

3.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)時采集的Tc數(shù)據(jù)值，圖10示出了13位志愿者路試時不同的Tc值占比分布情況，可以看出，不同的Tc占比分布情況隨駕駛員的不同差異較大，這也說明不同的駕駛員駕駛行為各異。同時可以看出，每位志愿者在規(guī)定的駕駛時間內(nèi)，Tc>1.4 s的占比分布大于60%，其中駕駛注重安全的保守派8號與9號志愿者的Tc>1.4 s的占比分布可達(dá)到90%。Tc值介于0.7～1.4 s之間，以及Tc值小于0.7 s的兩種情況的占比波動范圍分別為6.77%～28%和0.4%～8.6%。從所有志愿者的總體情況來看，Tc值介于0.7～1.4 s之間的占比為17.8%，說明駕駛員有約1/6的駕駛時間都接收到預(yù)警提醒的信息，頻率較高；而Tc值小于0.7 s的占比為3.9%，說明駕駛員在駕駛過程中有3.9 %的概率出現(xiàn)危急情況，此概率基本符合現(xiàn)實(shí)情況。

根據(jù)志愿者的主觀接受度和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，將Tc≤1.0 s作為FCWS激發(fā)IAPS執(zhí)行危急提醒功能的條件。再根據(jù)圖10a中統(tǒng)計(jì)的每位志愿者的實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)的Tc值占比分布圖對比可知，優(yōu)化后的控制策略會使IAPS預(yù)警提醒頻次減少近50%(圖10b)，這樣可有效地提高志愿者的接受度。

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后圖10 志愿者實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)的Tc值分布Fig.10 The distribution of Tc in volunteer rea l world experiments

圖11 典型的Tc值變化曲線Fig.11 Typical curve of Tc value changing

圖11為志愿者道路實(shí)驗(yàn)中采集的某一典型的Tc值變化曲線，可知，Tc值的最小值約為0.4 s，最大值約為4.6 s。圖中顯示Tc值有兩處突然急劇減小，根據(jù)行車記錄儀視頻與LDWS數(shù)據(jù)得知，第一處急劇減小是由于志愿者駕駛員向左變換車道減小了自車與前車的距離所致，Tc在第二處急劇減小是由于其他車輛從本實(shí)驗(yàn)車前方插入本實(shí)驗(yàn)車行車道，使其與本實(shí)驗(yàn)車相對距離較小所致。

(a)Tc值隨時間變化的曲線

(b)肩帶力隨時間變化的曲線

(c)制動踏板角速率隨時間變化的曲線

(d)減速度隨時間變化的曲線

(e)車輛速度隨時間變化的曲線圖12 碰撞時間、肩帶力、減速度及車速的變化曲線Fig.12 Curves of Tc, shoulder force, brakin g deceleration and speed with time

圖12所示為在FCWS危急提醒及可逆預(yù)緊式安全帶執(zhí)行一級碰撞預(yù)緊的實(shí)驗(yàn)過程中，傳感器采集到的某次典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。可知，當(dāng)Tc≤0.7 s時，F(xiàn)CWS發(fā)出預(yù)警提示，接著肩帶力開始較緩慢地增大至380 N，實(shí)現(xiàn)一級預(yù)緊的功能，在相對滯后約500 ms駕駛員開始實(shí)施間歇制動，隨后車輛減速度開始增大，大約為0.3g，同時車速也開始逐漸減小，達(dá)到避開危險的目的。當(dāng)Tc值增大到1.4 s后，F(xiàn)CWS與IAPS解除相應(yīng)的預(yù)緊功能。在對傳感器采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接收到FCWS危急提醒后，只有很小部分的志愿者采取了間歇制動，減速度平均值為2.0 m/s2，制動時間不超過2.0 s；當(dāng)FCWS發(fā)出碰撞預(yù)緊及安全帶執(zhí)行一級預(yù)緊(Tc≤0.7 s)時，志愿者執(zhí)行制動的概率顯著增大，減速度均值為2.3 m/s2，制動時間持續(xù)約為2.2 s，IAPS的預(yù)緊力均值為380 N；志愿者有時通過變更車道來避免與前車的追尾。采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和志愿者的主觀感受基本一致。

3.7 制動實(shí)驗(yàn)中志愿者對IAPS的主觀感受

為了便于志愿者在緊急制動工況下對IAPS進(jìn)行主觀感受評價，在該實(shí)驗(yàn)車不具備自動緊急制動功能且在安全第一的前提下采取的實(shí)驗(yàn)方法是：選擇寬闊無其他車輛的平直公路，駕駛員擇機(jī)突然實(shí)施緊急制動，并同時通過手動按鈕開關(guān)觸發(fā)IAPS的碰撞預(yù)緊功能來替代FCWS監(jiān)測前方障礙物后觸發(fā)IAPS的碰撞預(yù)緊功能，讓志愿者坐在副駕駛的位置并佩戴眼罩進(jìn)行主觀評價，如圖13所示。

(a)駕駛員 (b)志愿者圖13 緊急制動實(shí)驗(yàn)Fig.13 Emergency braking experiment

圖14顯示了在緊急制動實(shí)驗(yàn)過程中激活I(lǐng)APS后，其中兩位志愿者實(shí)驗(yàn)的肩帶力與制動加速度隨時間變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線結(jié)果。由圖14可知，車輛減速度約為9.5 m/s2，IAPS碰撞預(yù)緊張力的峰值可達(dá)到410 N。且IAPS的碰撞預(yù)緊張力在開始階段增長速率非常快，在接近峰值前增長速率變緩，這是由于在急剎車時乘員在慣性力的作用下向前迅速前傾導(dǎo)致開始階段的預(yù)緊張力迅速增大，在后階段由于IAPS卷收織帶約束乘員上肢軀干回位，這時的肩帶張力增大速率相對較小。說明IAPS在碰撞前對乘員進(jìn)行了有效的約束，減少了乘員前傾的位移。在這一過程中，志愿者也明顯地主觀感受到了IAPS的約束保護(hù)效果，并表示了較高的接受度。

3.8 疲勞監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

在PC機(jī)VS集成開發(fā)環(huán)境下，基于Open CV 類庫，采用 C++編程語言設(shè)計(jì)了駕駛疲勞監(jiān)測仿真程序，利用Open CV訓(xùn)練好的監(jiān)測程序?qū)Σ杉降囊曨l圖像進(jìn)行人臉、人眼和嘴部定位和特征監(jiān)測[19]，圖15顯示了人眼狀態(tài)特征的變化情況。

(a)制動加速度隨時間的變化

(b)肩帶張力隨時間的變化圖14 緊急制動實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Fig.14 Experimental data in emergenc y braking experiment

(a)眨眼過程中的特征像素的變化

(b)一定時間內(nèi)頻繁眨眼3次

(c)一定時間內(nèi)頻繁眨眼6次圖15 人眼狀態(tài)特征的像素變化Fig.15 Pixel changes of human eye state characteristics

由于人眼的虹膜和瞳孔灰度值較低，即像素較低，眼白的灰度值較高，即像素較高，眼皮的像素介于瞳孔和眼白的像素之間，這樣在睜閉眼的瞬間會呈現(xiàn)三種不同的像素特征，因此在計(jì)算PERCLOS參數(shù)時，根據(jù)像素的變化特征，一個負(fù)的峰值出現(xiàn)在一個正的峰值之前，意味著眼睛從閉合到睜開、再從睜開到閉合的過程，隨后的平坦幀數(shù)表示眼睛一直處于閉合的狀態(tài)，則通過統(tǒng)計(jì)相應(yīng)狀態(tài)下的平坦幀數(shù)部分的持續(xù)時間就可以獲得閉眼時間。眨眼頻率可以通過統(tǒng)計(jì)規(guī)定時間內(nèi)的特征像素的峰谷的次數(shù)來獲得。這樣即可將疲勞狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果的信號傳送到RPSB系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)預(yù)警提醒功能。

4 噪聲監(jiān)測與分析

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)可逆預(yù)緊式安全帶工作時發(fā)出的噪聲相對較高，根據(jù)常規(guī)推理可能是傳動齒輪間的互相沖擊或摩擦而產(chǎn)生的，或是齒輪組間的共振引起的。為了分析此問題的具體原因，對安全帶工作狀態(tài)做了如下的監(jiān)測和分析。

4.1 噪聲監(jiān)測

為監(jiān)測可逆預(yù)緊式安全帶工作時的噪聲值，通過利用分貝監(jiān)測儀在試驗(yàn)臺架上對不同PWM(pulse width modulation)信號占空比和相應(yīng)最大電流值情況下的噪聲值進(jìn)行了測試，監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 主動預(yù)緊式安全帶工作的噪聲值

根據(jù)表1所示的噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[20-21]可知，每種工況下的噪聲值都高于車內(nèi)的聲音，實(shí)驗(yàn)值最高時的平均值為81.00 dB，會對乘員造成額外的干擾，難以接受，因此需要進(jìn)一步查找原因解決。

4.2 噪聲數(shù)值處理與分析

針對PWM信號占空比為100 %，即電壓24 V、電流60 A的典型工況進(jìn)行分析，電機(jī)此時的轉(zhuǎn)速為22 250 r/min，轉(zhuǎn)頻為370.83 Hz，并且根據(jù)傳動機(jī)構(gòu)之間的傳動比得到各齒輪組之間嚙合時的頻率如表2所示。圖16為噪聲分析儀監(jiān)測到的噪聲時域圖。

表2 齒輪組間的嚙合頻率

圖16 時域圖Fig.16 Time domain diagram

對圖16的時域曲線經(jīng)過傅里葉變換(FFT)得到圖17的頻域曲線。由圖17可知，噪聲幅值在頻率為3 200 Hz和4 300 Hz左右時突然出現(xiàn)峰值；但是與齒輪間嚙合的頻率(表2所示)不一致，說明出現(xiàn)大幅值的噪聲不完全是齒輪間嚙合產(chǎn)生的。經(jīng)過對結(jié)構(gòu)布局的進(jìn)一步優(yōu)化，提高加工制造精度，有效地降低了噪聲值，測得優(yōu)化后的平均噪聲值為63 dB，低于車內(nèi)噪聲值，達(dá)到了乘員的接受度。

圖17 頻域圖Fig.17 Spectrum diagram

5 結(jié)語

本文主要描述了可逆預(yù)緊式安全帶的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)該主動預(yù)緊式安全帶具有電動化的特征，將其與前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)及疲勞駕駛監(jiān)測系統(tǒng)等高級駕駛員輔助系統(tǒng)相結(jié)合，集成為主被動一體化的安全系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所研發(fā)的主動預(yù)緊式安全帶對高級駕駛員輔助系統(tǒng)輸入的信號具有較高的識別率。進(jìn)一步通過開展志愿者實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)研究了前方預(yù)警系統(tǒng)的碰撞時間、安全帶的預(yù)緊力大小和安全帶預(yù)緊時產(chǎn)生的噪聲等對乘員的主觀評價的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)警系統(tǒng)的碰撞時間閾值較高導(dǎo)致了系統(tǒng)具有較高的預(yù)緊頻次，且前期的研究設(shè)計(jì)存在工作噪聲，影響了乘員的認(rèn)可度。經(jīng)過對控制策略和機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高了志愿者對該集成式主被動安全系統(tǒng)的認(rèn)可度和接受度。

為了解決實(shí)驗(yàn)中志愿者人數(shù)較少的問題，本研究采用了通過傳感器采集每次實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證分析的方法，在一定程度上可以克服實(shí)驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)性。當(dāng)然，對此項(xiàng)工作的進(jìn)一步研究還需要開展大量的志愿者實(shí)驗(yàn)，對志愿者的生理狀況、年齡、衣服穿著、職業(yè)等進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)記錄及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在產(chǎn)品制造過程中，需提高傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械加工精度，研發(fā)新材料新工藝，消除工作噪聲，提高集成式主被動預(yù)緊式安全帶的防護(hù)舒適性。未來進(jìn)一步的研究工作主要是開發(fā)智能化自適應(yīng)的安全帶系統(tǒng)，使其利用視覺傳感器和體重傳感器根據(jù)不同體型的駕駛?cè)藛T的生理參數(shù)自動調(diào)整約束系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，充分發(fā)揮其防護(hù)性能。