发动机舱盖智能弹起的行人保护系统设计

王 博，黄国潮，胡林柯

发动机舱盖智能弹起的行人保护系统设计

王 博，黄国潮，胡林柯

（浙江交通职业技术学院 汽车学院，浙江 杭州 311112）

交通事故中，行人头部撞击发动机舱盖下方硬点造成很多伤亡。针对这种情况，本系统所设计的发动机舱盖智能弹起装置，由超声波雷达、发动机舱盖、舱盖前旋转轴、前轴开关锁、舱盖后旋转轴、后轴开关锁、空气弹簧等部分组成。在发生行人碰撞时，控制系统控制后轴开关锁打开，前轴开关锁关闭，空气弹簧弹起发动机舱盖后端，对行人起到撞击缓冲，避免行人头部撞击发动机下方硬点，减少伤亡。空气弹簧释放后可以再次加压，使发动机舱盖智能弹起装置可以重复使用，维护成本低，通过超声波雷达检测行人距离，结合汽车车速进行碰撞分析，能提前预测碰撞，起到更加及时的保护效果。

超声波雷达；行人检测；空气弹簧；预测碰撞；行人保护；发动机舱盖；智能弹起

随着汽车保有量的增加，交通事故频发的现象日益突出。在交通事故死亡人数构成中，行人占据了很高的比例，行人在道路交通事故中处于弱势群体，在人-车碰撞的交通事故中，行人的头部损伤占比很高，在行人的致死原因中，头部损伤占到50%以上，因此，行人保护的重点是在人-车碰撞中避免或减轻行人的头部损伤，而头部撞击部位主要集中在发动机舱盖上[1]。在发生汽车撞击行人的事故中，发动机舱盖后端向上弹起形成一个倾斜面，起到碰撞缓冲作用，可以有效降低事故对行人造成的伤害。

现在将发动机舱盖升起的装置主要有两种类型。一种是气体发生器式，另一种是机械式[2]。气体发生式是通过化学反应，瞬间产生高压气体，把发动机舱盖后端抬起，这种方式只能使用一次，弹起之后需要更换该装置，不能重复使用。机械式的升起装置也是起相同的作用，区别在于是通过释放加压的弹簧或气体，使发动机舱盖后端升起，结构比较复杂，需要预先对弹簧或气体进行加压，好处是可以重复使用，目前正处于研究阶段[3]。在行人碰撞检测方面，目前主要采用的技术是后发现式的碰撞传感器，安装在汽车前保险杠位置，在发生碰撞行人之后，触发压力传感器产生碰撞信号，再由控制器控制舱盖下的安全气囊打开，弹起发动机舱盖后端，这种方式存在一定的滞后性，对气囊的响应的实时性要求较高；另外一种技术方式是通过车前雷达检测等手段，提前预判碰撞行人的危险，在汽车碰撞行人之前，提前弹开发动机舱盖后端，弹起装置有更加快速的响应。因此，对响应及时、可重复使用的用于保护行人安全的发动机舱盖智能弹起系统的研究具有非常重要的意义。

1 系统装置组成

发动机舱盖智能弹起装置包括行人碰撞信号传感器模块、单片机控制模块、弹起装置机构模块。

1.1 行人碰撞传感器模块

超声波雷达是一种常用的检测障碍物的传感器，其工作原理是通过探头发射超声波并接收返回的超声波，根据声波往返传输的时间测算距离。超声波雷达灵敏度非常好，而且精度很高，非常适合进行障碍物的实时检测。超声波雷达传感器如图1所示。

图1 超声波雷达传感器

行人碰撞传感器模块包括三个安装在车头位置的超声波雷达装置，检测前方行人与汽车之间的距离。超声波雷达的最大探测距离5 m，最小探测距离25 cm。在行车过程中，碰撞行人时，探测距离会出现在25 cm到5 m的区间范围内，可以在即将碰撞行人的情况下提前打开智能舱盖弹起装置，相比于安装在车身上的接触式行人碰撞传感器，可以实现更快的反应速度[4]。

1.2 单片机控制模块

本次设计中，选用STC89C52单片机作为主控芯片，该芯片有4组可以进行编程的I/O口，每组8位，分别是P0、P1、P2、P3口，每个口有8个针脚，这些丰富的I/O口可以接收不同的数据信号，也可以进行输出控制[5]。在发动机舱盖智能弹起的行人保护系统中，需要STC89C52单片机接收的信号主要是安装在汽车前面的5个超声波雷达信号，需要STC89C52单片机进行输出控制的包括发动机舱盖、舱盖前旋转轴、前轴开关锁、舱盖后旋转轴、后轴开关锁、空气弹簧等机构。所采用的STC89C52单片机如图2所示。

图2 STC89C52单片机

由STC89C52单片机搭建的控制系统，接收超声波雷达传送过来的距离信号，通过汽车通信总线接收汽车的车速信号，经控制模块进行决策分析，控制执行机构响应。控制策略根据车速和距离来确定，在汽车向前行驶的速度不高于5 km/h时，车速很低，撞击行人后一般不会对行人造成很大的影响，可以不启动弹起装置；在车速高于 5 km/h时，检测到前方行人距离小于50 cm时，立刻触发弹起装置进行碰撞行人保护。

1.3 弹起装置机构模块

弹起装置机构模块是执行机构，由发动机舱盖、舱盖前旋转轴、前轴开关锁、舱盖后旋转轴、后轴开关锁、空气弹簧等部件组成，由控制模块控制弹起。在平时状态下，空气弹簧连接舱盖后端和后旋转轴，经过加压锁定后，舱盖后端被锁在后轴，舱盖前端没有被锁定在前轴，舱盖可沿后轴旋转打开，进行发动机维护保养；在碰撞行人时，舱盖前端被开关锁锁定在前轴，后轴开关锁打开，空气弹簧弹开，舱盖沿前轴旋转，舱盖后端抬起，进行行人保护[6]。后轴开关锁处于常关状态，前轴开关锁处于常开状态，在碰撞行人时，后轴开关锁打开，前轴开关锁关闭。并且空气弹簧弹开后可以再次进行加压锁定，用于下一次行人保护。

图3 舱盖弹起装置机构示意图

发动机舱盖弹起装置机构如图3所示。

2 控制原理和保护机制

2.1 超声波传感器采集距离信号

如图3所示，5个超声波雷达均匀安装在车头正前方的位置，这样可以更加全面地检测到前方的障碍物。在汽车向前运动时，实时检测前方是否有行人出现，并检测车头与行人之间的距离[7]。超声波雷达距离探测的区间是25 cm到5 m，在任何一个超声波雷达检测到前方障碍后，都将距离信息传送给单片机控制器。超声波采用单片机IO口进行触发测距，单片机输出10 μs以上的高电平信号，超声波模块自动发送8个40 kHz的方波并自动检测是否有信号返回。当超声波有信号返回时，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。从而根据超声波传输速度和时间确定障碍物距离。

2.2 弹起装置工作方式

发动机舱盖、舱盖前旋转轴、前轴开关锁、舱盖后旋转轴、后轴开关锁、空气弹簧等部分共同组成发动机舱盖弹起装置机构。其中，空气弹簧连接发动机舱盖后端和后旋转轴，空气弹簧经过加压，由后轴开关锁将发动机舱盖后端与后旋转轴锁定在一起，舱盖前端和前旋转轴可通过前轴开关锁锁定在一起[8]。当前轴开关锁打开，后轴开关锁关闭，舱盖可沿后轴转动；前轴开关锁关闭，后轴开关锁打开，舱盖可沿前轴转动。前轴和后轴的开关锁，由STC89C52单片机，根据系统判断进行自动控制。

2.3 控制器信号接收与舱盖弹起机制

图4为系统工作原理框架图，超声波雷达采集行人距离信息并传送给控制单片机，同时单片机也通过汽车信息总线提取汽车的车速信息[9]。下一步，根据距离分析和速度分析进行碰撞分析，当车速大于5 km/h，同时车头与行人间的距离小于50 cm时，考虑汽车的制动减速度和驾驶员的反应时间，汽车会撞到行人，舱盖弹起保护装置开始响应，控制单片机将触发信号传递给开关锁，打开后轴开关锁，关闭前轴开关锁，加压的空气弹簧释放弹开发动机舱盖后端，起到行人保护作用。

图4 系统工作原理框架图

2.4 舱盖前端打开与后端弹起

图5为舱盖打开模式，舱盖打开模式是用于平时汽车的维修保养，大多数情况下发动机舱盖的前轴锁是常开的，后轴锁是关闭的，抬起发动机舱盖前端，舱盖沿后轴旋转，可以将舱盖打开。

图5 舱盖打开模式示意图

图6为舱盖弹起模式示意图，舱盖弹起模式是在汽车向前行驶过程中，碰撞到行人，舱盖由平时的打开模式切换成弹起模式，前轴锁和后轴锁状态切换，前轴锁关，后轴锁开，发动机舱盖后端向上弹起。有行人撞击到舱盖上时，舱盖后端通过释放后的空气弹簧可以对行人起到缓冲保护的作用。舱盖释放后，可以再次给空气弹簧加压，锁定舱盖后端和后旋转轴，下一次继续使用。采用这种重复使用的方式，舱盖弹起装置的维护成本很低。

图6 舱盖弹起模式示意图

3 控制系统电路设计

图7为控制器最小系统电路原理图，本系统装置的控制器选用STC89C52单片机，可以在满足功能设计的情况下节约开发成本，单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4引脚分别接收超声波雷达1、超声波雷达2、超声波雷达3、超声波雷达4、超声波雷达5的信号，车速信号通过串行数据总线传给P3.0引脚，控制单片机经过计算分析，在满足装置触发的情况下，通过P0.0、P0.1两个引脚控制发动机舱盖前轴锁和后轴锁，单片机系统5 V供电，由汽车蓄电池经过分压电路为其供电。

图7 控制器最小系统电路原理图

4 总结

本次设计的发动机舱盖智能弹起的行人保护系统，采用超声波雷达传感器检测行人碰撞，在人体接触汽车之前就可以触发舱盖弹起，安全保护系统反应速度快；采用空气弹簧弹起发动机舱盖后端，弹起后可再次加压用于下一次弹起，装置可以重复使用，维护成本低。

[1] 都雪静,王艺群.复合材料发动机罩的行人头部保护研究[J].中国安全科学学报,2017,27(12):43-48.

[2] 王宏雁,朱育民,吴丹,等.基于行人保护的主动式发动机罩抬升装置[J].交通科学与工程,2010,26(4):55- 59.

[3] 束萍萍,李宏华,李功赋,等.基于行人保护的发动机罩总成优化设计[J].汽车工程师,2013(8):23-25,29.

[4] 王明庆,苟黎刚,张德彬,等.基于模态瞬态法的发动机罩焊点疲劳优化[J].计算机辅助工程,2020,29(4): 7-11.

[5] 侯林,史承婕,王鹏,等.气弹簧助力式四连杆铰链发动机罩的计算与优化分析[J].汽车技术,2021(7):52-57.

[6] 董俊红,杨建森,何丽.引入不确定参数的汽车发动机罩抗凹性分析[J].湖北汽车工业学院学报,2020,34 (2):5-10.

[7] 全斌义,雷振华,蔡钢.发动机罩大角度滚边装配技术研究[J].时代汽车,2020(12):114-115.

[8] 彭文会.发动机罩外板冲压工艺及模具结构的改进[J].模具制造,2017,17(4):11-15.

[9] 于英华,刘明,陈玉明,等.泡沫铝层合结构汽车发动机罩板研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版), 2017,40(4):461-465.

Design of Pedestrian Protection System with Intelligent Bouncing of the Engine Canopy

WANG Bo, HUANG Guochao, HU Linke

( Automotive Academy, Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112, China )

In traffic accidents, pedestrians' heads hit hard spots under the engine canopy, causing many casualties. In view of this situation, the intelligent ejection device of the engine canopy designed by the system is composed of ultrasonic radar, engine canopy, front cover front rotating shaft, front axle switch lock, rear axle rotating shaft, rear axle switch lock, air spring and other parts. In the event of a pedestrian collision, the control system controls the rear axle switch lock to open, the front axle switch lock to close, and the air spring to bounce up the rear end of the engine canopy, which cushions the pedestrians from impacting, avoiding the pedestrian's head from hitting the hard point under the engine and reducing casualties. After the release of the air spring, it can be pressurized again, so that the engine canopy intelligent bounce device can be reused, the maintenance cost is low, the pedestrian distance is detected by ultrasonic radar, and the collision analysis is carried out in combination with the speed of the car, which can predict the collision in advance and play a more timely protection effect.

Ultrasonic radar;Pedestrian detection;Air springs;Predictive collisions;Pedestrian protection;Engine canopy;Intelligent bouncing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.016

U464

A

1671-7988(2022)23-88-05

U464

A

1671-7988(2022)23-88-05

王博（1992—），男，硕士，助教，研究方向为智能网联，E-mail:wangbo@zjvtit.edu.cn。

浙江交通职业技术学院2020—2021学年导师制项目：一种发动机舱盖智能弹起装置研究；2021年浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划浙江交通职业技术学院项目（2021R441008）。