8.1 传统汽车安全气囊点火控制算法
汽车安全气囊的点火控制算法包括两个方面:点火判断控制与最佳点火时刻的预测,即决定安全气囊在什么条件下点火和在什么时刻点火。评价一个安全气囊的控制算法就看这两个指标。由于装备安全气囊的汽车车型各异,而且汽车碰撞的形式也不一样,所以并没有统一的安全气囊控制算法,而且随着技术发展,不断有新的算法出现。比如,早期的机械式安全气囊大多采用速度变量法或加速度峰值法,而出现了电子式和集成式传感器之后,便陆续出现了许多其他的算法,如移动积分窗式速度变化量法、加速度坡度法等。这些算法各有优劣,下面就简单介绍一下这些算法。
首先介绍一下一些与汽车碰撞程度相关的基本参数:加速度信号a(t);加速度的绝对值,即|a(t)|;速度变化量,即
加速度绝对值的积分,即
加速度的微分值,又称加速度坡度,即d a(t)/d t;加速度绝对值微分后的积分值,即
下面开始介绍几种现有的经典控制算法。
1.加速度峰值法
顾名思义,加速度峰值法是实时判断当前加速度信号是否超过阈值,并据此判定是否发出气囊点火信号。加速度峰值法的原理很简单,它的缺点也很明显,就是容易受外界信号的干扰。这是因为汽车加速度变化很快,检测到的加速度信号与汽车的结构相关,并不能真实完整地反映当前汽车的加速度情况。一般而言,加速度峰值法只能对车速较高时发生的碰撞给出正确点火判断,然而在车速较低时则容易失效。所以,加速度峰值法一般应用于简单的机械式安全气囊控制系统,而在较为先进的电子传感器式安全气囊系统中则使用较少。
碰撞中的加速度信号曲线是对碰撞过程的一种实时反映,随碰撞形式、碰撞强度、汽车型号等不同,而其峰值大于阈值的时刻与最佳点火时刻没有固定关系,出现在之前或是之后、之前多少或是之后多少都没定数,所以加速度峰值法不能确定最佳点火时刻。
2.速度变量法
本质上讲,速度变量法与加速度峰值法一样,同样依据加速度信号。与加速度峰值法不同的是,加速度变量法对加速度信号进行积分,这样就得到了速度变量。接着再据此判断其是否超过阈值,或者说是否需要进行点火。由于速度是加速度的积分,其曲线要比加速度曲线光滑,能够削弱加速度信号的毛刺现象所带来的误报影响,所以速度变量法比加速度峰值法具有更好的可靠性。速度变化量法使用的是积分量,所以确定积分的起始时刻就十分重要。一般情况下,将碰撞发生时刻作为积分起始时刻,也就是当检测有碰撞发生时,就开始积分。确定起始时刻后,速度变量法对在此之后一定时间内的加速度变量值进行积分得到速度变量,然后将积分结果与预先设定的阈值相比较,从而决定是否点火。
速度变量法使用的是车体加速度的时间累计量信息,是速度的瞬态信息,并没有对车体加速度进行预测。所以,速度变量法无法很好地完成最佳点火时刻的预测。
3.加速度坡度法
加速度坡度法由美国ASL实验室的Tony Gioutsos提出。事实上,和加速度峰值法、速度变量法一样,加速度坡度法也是对加速度信息进行运算而做出判断。速度峰值法依据的是瞬时值,速度变量法依据的是积分值,而加速度坡度法依据的是微分值。加速度变化量对加速度信号进行微分,判断是否超过阈值进而判断是否进行点火。通常,由于加速度信号在尺度上存在许多尖峰,所以加速度坡度法在微分前需要对加速度信号进行严格的低通滤波,防止尖峰造成的误报。加速度坡度法采用的是微分,类似于PID控制里的微分量,所以更能反映加速度大小的变化情况,也就是说更能反映出碰撞的强度。但是这种算法与前两种算法一样会点火提前,不能完成最佳点火时刻的确定。
4.移动积分窗式算法
移动积分窗式算法首先对加速度变量a(t)在时间段[t 1,t 2]积分:
取t为当前时刻,w=t 1-t 2,称为时间窗的宽度,上式可表示为
S(t,w)是移动窗式积分算法所采用的控制指标,移动窗式积分算法同时预先设置了一个阈值S th,当这个指标S(t,w)超过阈值S th时,就发出点火信号。
移动窗式积分算法与速度变量法有相似的地方,即都是对加速度变量进行积分,只不过移动窗式积分算法只是对当前时刻前w时间长度内的加速度信号进行积分运算,而速度变量法是对当前时刻以前的较长一段时间内的加速度信号进行积分。S th、w是使用移动窗式积分算法时必须确定的两个参数。其中点火阈值S th需要通过实车碰撞试验的电测量结果和图像测量结果,同时结合“127mm-30ms”准则来确定;而时间窗的窗宽w主要与发生碰撞的方式和汽车的结构有关,需要根据特定车型调整。从本质上讲,移动式积分窗法属于速度变化量法,只是积分的时间长度变了,所以同样无法确定最佳点火的准确时刻。
5.比功率法
比功率法由J.L.Allen提出,此种算法综合考虑了影响碰撞严重程度的诸多参数,如车身加速度、加速度变化量、能量变化量、速度变化量、加速度坡度等。比功率法假设汽车在水平方向上的加速度波形为反余弦波,加速度表示为
式中:GP为加速度峰值;T为碰撞脉冲宽度;w为角频率。
根据a(t)可以得出速度变化量:
加速度的坡度J(t)为
碰撞过程中的总动量为
式中:m为汽车的质量;Δv(t)为碰撞过程中汽车的速度变化量。
对式(8.5)两边求导,可得其功率P(t)为
对式(8.6)两边求导,得到功率比为
由于这里的汽车质量一般情况下不会改变或改变很小,所以将这个因素移动至左边,于是得到
d P(t)/d t就是比功率法进行点火控制的指标,当指标超过阈值时就判为严重碰撞,需要点爆气囊,对乘员进行保护。指标d P(t)/d t综合考虑加速度坡度、加速度和速度变化量三个参数,具有较好的适应性。与前面的算法一样,比功率法同样不能确定最佳点火时刻。