车用智能化预紧式安全带控制策略研究

刘海峰

摘要：控制系统的策略研究对控制软件的设计和后期装置的设计具有重要意义。在不同安全等级下MCU发出不同的控制指令信号，控制电机完成不同的转动，实现了安全带系统多级预警的功能。

关键词：智能化；预紧安全带；控制策略；研究

【中图分类号】U491.61；U467.52

1引言

目前现有的安全带的设计目的均是在危险发生后对驾乘人员进行保护，缺乏在危险发生前进行提前保护的功能，属于被动安全技术范畴。主动安全技术在保留原有的被动安全带功能的前提下，通过采集车辆各种预警传感器信号、安全带预紧力等这些变量作为输入变量和反馈参数，以卷收器驱动电机的回转方向及回转角度作为输出变量（被控参数），结合台架试验及仿真数据，合理确定控制规则，确定多个预警级别，设计出一套智能化预紧式安全带装置，以实现安全带在预收紧的过程中达到对车辆驾乘人员主动保护和安全舒适的实用功能。控制系统的策略研究对控制软件的设计和后期装置的设计具有重要意义。

2编程环境搭建

设计的智能化预紧式安全带系统，使用的主控芯片是Freescale微控器MC9S12DP256单片机，这款MCU的编译环境为CodeWarrior5.1。

3系统整体控制模式

设计的控制系统采用三种控制的触发模式，一种为手动模式、一种为串口模式，另一种为自动模式。控制的主要目的是通过预警传感器采集到的数值，判断相应的安全级别，在危险发生前或即将发生的第一时间内对驾乘人员进行提醒，并控制安全带卷收系统进行卷收，使安全带拉紧。综合考虑多种方法的优缺点，并考虑到对安全带织带张力的恒拉力控制和实际应用时车辆各方面的限制，选择PI控制算法作为安全带系统的整体控制算法。

4系统总体控制策略研究

根据踏板制动力大小和车辆与前方物体距离的不同组合设计了三种不同的安全级别：安全级别1、安全级别2、安全级别3，分别对应三种不同的行车危险程度，危险程度按对应数字排序安全级别3最为危险。在不同的安全级别下采取了三种不同的电机控制方法。其中安全级别1时，对应车辆距障碍物较远或驾驶员踩制动踏板力较小，危险程度较弱，此时电机小扭矩正转两次，带动卷收器拉紧安全带织带两次，对驾乘人员提醒；安全级别2时，车辆距前方碰撞物较近或已经踩下制动踏板，危险程度中等，此时对应电机小扭矩正转，然后迅速反转，电机动作时间较短，收紧安全带织带，并将织带锁止；安全级别3时，对应车辆即将发生碰撞事故，此时与前方碰撞物的距离极近或驾驶人员猛踩制动踏板（制动踏板力在300N左右），电机大扭矩迅速正转然后迅速反转，在危险发生前的一瞬间迅速消除安全带间隙。

在电机扭矩控制方面是通过控制流经电机电枢的电流大小来控制电机的转矩大小，本质上是对PWM波的占空比进行控制。

根据瞬态控制法来确定PI调节中的参数，其基本方法为：如果被控制系统为开环系统，根据开环阶跃响应理论图，可以得到曲线的最大斜率R和达到最大斜率所用的时间L，根据R和L我们可以确定出P，PI控制的参数。

按照瞬态控制法，通过实验，利用示波器记录了电流传感器采集到的电流值的瞬态响应图并最终确定了参数。

5手动模式与自动模式选择

系统上电，正常工作后默认进入自动模式，自动模式下根据超声波测距传感器与制动踏板力传感器的结合通过阈值来判断当前所处的安全等级。自动模式与手动模式可以通过按键或触摸屏上的按钮来切换。液晶屏系统板上有4个按键，其中3个分别对应3种安全等级，另一个为手动模式与自动模式切换按键。

按下START_CSB按钮将启动自动模式，系统根据传感器信号自动判断实时的安全级别，SAFE_LEVEL1、SAFE_LEVEL2、SAFE_LEVEL3分别为3种安全等级模式。

5.1手动控制模式

在手动模式下，可由按键或触摸屏来设置安全等级，当按下控制器PCB板上的相应按键时，中断被触发，安全等级变量也相应的被改变。主函数在扫描时会判断当前的安全等级并控制电机执行相应的动作，达到能够进行硬件仿真的要求。

5.2 自动控制模式

自动模式主要模拟真实的碰撞前的预紧情况，主要根据超声波测距传感器与制动踏板力传感器所测量的实时距离信号和踏板力信号的逻辑组合来判断当前的危险系数，并自动控制电机采取相应的动作。

其主要功能是主动及时地消除安全带织带和驾驶人员间的空隙余量。在整个过程中通过对通过电机电流的PI控制使通过电机的电流保持在一定值，从而使电机的转矩保持在一定值，所以安全带的张力是一定的，一直在初始安全带预紧力上下微小浮动，保证安全带织带的张力不会过大以免使驾驶员受伤。安全带张力控制算法即PI控制。

5.3 安全等级阈值参数确定

GB7258-2004_机动车运行安全技术条件规定，液压制动系统的车辆，满载时制动踏板力最大值不得大于500N；空载时制动踏板力最大值不能大于400N。考虑到汽车常规运行状态，根据以往经验数据取制动踏板力的最大值为370N。超声波测距传感器信号在C语言程序中进行等比例放大50倍，模拟最大量程达到50米。

参考文献：

[1]廖传锦， 秦小虎， 黄席樾. 以人为中心的汽车主动安全技术综述[J]. 计算机仿真， 2004， （9）： 152-156.

[2]杜青云， 雷正保， 魏書彬. 汽车碰撞预警与碰撞吸能技术结合的CST 控制系统[J]. 中国机械工程， 2011， 22（6）： 751-755.endprint