控制系统的优化设计

汽车安全气囊控制系统的优化设计 郭 波,等

汽车安全气囊控制系统的优化设计

OptmiizationDesignofAutomotiveAirbagControlSystem

郭 波 管菊花 王钟庄

(南昌大学科学技术学院,江西南昌 330029)

摘 要:利用计算机辅助工程(CAE)技术对汽车安全气囊控制系统进行仿真分析与改进,使各参数达到目标值,是新型安全气囊控制系统在工程化设计阶段的重要内容。首先,建立基于ARMCortex内核的安全气囊控制系统仿真模型;然后在台车试验数据的基础上,采用MADYMO软件进行CAE仿真,对X方向加速度进行了重点分析,进而校准了仿真模型;最后,通过调整安全气囊排气孔等参数,降低了对驾驶员头部的伤害值,进一步提高了汽车的安全性能。

关键词:ARM 安全气囊 控制系统 参数优化 计算机辅助工程 系统仿真中图分类号:TP273 文献标志码:A

Abstract:Smiulationanalysisandmiprovementofautomotiveairbagcontrolsystemtomeettargetvaluebyusingcomputer aidedengineering(CAE)ismiportantissueinautomationengineeringdesignstageofnovelairbagcontrolsystem.Firs,tthesmiulationmodelofthecontrolsys tembasedonARMCortexisestablished;thenonthebasisoftestdata,theXaccelerationisanalyzedinfocusthroughCAEsmiulationbyadop tingMADYMOsoftware,forcalibratingthesmiulationmode;lfinally,viaadjustingparameters,suchasexhaustventofairbag,theinjuringval uetothedriverisreducedtofurtherenhancesafetyperformanceofautomotives.

Keywords:ARM Airbag Controlsystem Parameteroptmiization Computer aidedengineeing(CAE) Systemsmiulation

0 引言

随着高速公路的发展,交通事故及伤亡率逐年攀升。如何在发生交通事故时有效地保护驾驶员是值得研究的课题。作为与安全带配合使用的安全气囊已在国产汽车中普及,成为提高汽车安全性能的主要构件。目前,安全气囊的研究方向主要有2个:一个是气囊准确爆破控制,目的是使安全气囊准确点火,最大程度地起到保护作用;另一个是研究安全气囊的体积、放气特性等,以尽可能地降低碰撞伤害值,有效地保护驾驶员。

本课题采用ARMCortex微控制器,研发出了较为实用的汽车安全气囊控制系统,确保在最佳点火时刻点火

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度,比32位编码减少了26%的内存使用率,较16位编码提高了25%的性能;芯片实现了Tail chaining中断技术。Tail chaining技术把中断之间的延迟缩短到6个机器周期,在实际应用中可减少70%的中断。此外,处理器内核还具有在每一个写操作中修改单个数据位的独立位操作、单周期乘法、硬件除法及分支指令预测等功能。

本系统微处理器选用TI公司生产的基于ARMCortex M3内核的LM3S1138工业级微控制器。其工作温度范围为-40~85!,具有良好的电磁兼容特性,可应用于汽车电子领域。

2 气囊控制系统

安全气囊控制系统主要由气囊引爆电路、安全传感器、电源和备用电源电路以及自诊断报警电路和串口通信电路组成,其结构如图1所示。

;并在此基础上,对气囊控制系统进行了优化,

进一步降低了碰撞对驾驶员的伤害值。

1 ARMCortex内核

ARM公司针对低成本应用领域,开发出32位ARMCortex内核。该处理器通过降低时钟频率,提供更低的功耗;单线调试技术避免了使用多管脚进行JTAG调试,大大节约了成本;结合Thumb 2指令,提高了代码密

南昌大学自然科学基金资助项目(编号:2008YKY-004)。

修改稿收到日期:2010-02-22。第一作者郭波,男,1981年生,2010年毕业于西北工业大学控制理论与控制工程专业,获硕士学位,讲师;主要从事嵌入式系统方面的研究。

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图1 安全气囊控制系统结构图Fig.1 Structureofairbagcontrolsystem

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气囊引爆电路接收安全传感器的触发信号,并向气囊的点火管发出引爆大电流。安全传感器电路判断碰撞性质和碰撞程度是属于一般性的碰撞事故还是具有伤亡性的严重碰撞,从而决定是否发出引爆信号。备用电源电路防止碰撞后电路断电而不能引爆气囊,通过其自放电功能,向引爆电路输出应急电流,确保安全气囊及时引爆。汽车的电器负载变化频繁,许多电感线圈和开关通断时都会造成负载电流突变。电压调节电路用来维持各元件工作电压平衡,使控制电路始终处于最佳状态,一旦出现短路或断路,报警灯立即点亮。

在行驶过程中,汽车安全气囊因震动、减速或其他偶发性原因发生电路和元件故障时,自诊断报警电路的报警灯立即点亮,以通知用户及时维修,进而确保在碰撞发生时,气囊能可靠打开。串口通信电路负责将记录的事故数据传送至上位机,以便事后分析事故原因,即 黑匣子#功能。

校准。

假人模型校准后头部X方向加速度曲线与试验曲线对比如图2(b)所示。

台车试验中头部X方向加速度峰值为145.5m/s,模型仿真中头部X方向加速度峰值为140.9m/s,两者相差不超过5%。比较头部加速度试验曲线和仿真曲线可知,两曲线的形状吻合程度和作用时间都非常接近,两者最大相差不超过7%。因此,校准后的模型能够用来进行碰撞仿真。

2

2

3 模型建立

目前,国内基于MADYMO软件的仿真模型一般采用气囊均匀压力算法定差距。

为比较准确地模拟气囊的充气过程和气囊内部压力的不均匀分布现象,并保证模型假人伤害值更接近物理假人,采用了MADYMO软件中流体动力学CFD(computationalfluiddynamics)算法模型及MADYMO自带的五百分位Facet假人模型。Facet假人通过定义有限元网格,细化了假人外型描述,提高了模型的精度。CFD算法模型计算时间较长,而Facet假人模型抛弃了完全有限元的接触特性描述而采用材料特性描述,从而大大降低了运算时间。

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,但利用这种理想气体模型

图2 X加速度仿真曲线

Fig.2 SimulationcurvesoftheXacceleration

来模拟气囊内部气体与气囊内部气体实际情况存在一

5 参数优化

5.1 气囊参数影响分析

实验设计DoE(designofexpermients)是研究如何

制定适当的实验方案,以便对实验数据进行有效统计分析的数学理论与方法

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。本文采用DoE方法分析

气囊控制系统各参数对假人伤害值灵敏度的影响,为下一步参数优化作准备。

在正面碰撞时,人体的伤害值由控制系统的参数所决定

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4 模型校准

假人模型的准确性决定了碰撞仿真的正确性,对模型的准确性进行验证并进一步校准是非常必要的。图2(a)为模型校准前假人头部X方向加速度的台车试验和模型仿真曲线。

由图2(a)可知,两曲线在X方向的最大加速度值与其出现时刻有较大差异。为了使仿真模型与实际试验尽量一致,仿真中加入了实际车身加速度、安全气囊、安全带、转向柱管移动量、座椅刚度、B柱处的塌陷和弯曲以及左侧的座椅下移等因素,对头部X加速度进行了重点分析,并在此基础上,对假人模型进行了

,如安全气囊拉伸的长度、安全气囊排气孔直

径、安全带的刚度、安全带限力器水平、能量吸收式转向柱的压溃力、安全带卷收器锁止时间、安全气囊触发时间和座椅座垫刚度等。

为分析各参数对人体的损伤影响及其灵敏度,在工程设计允许的范围内选择的各参数依次如下。

安全气囊拉伸的长度(参数1),范围为0.26~0.4m;安全气囊排气孔直径(参数2),范围为20~45mm;安全带的刚度(参数3),范围为8%~18%;安全带限力器水平(参数4),范围为2.0~4.0kN;能量吸收式转向柱的压溃力(参数5),范围为3.0~4.0kN;安全

ISTRUONVol No meber

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带卷收器锁止时间(参数6),范围为10~20ms;安全气囊触发时间(参数7),范围为10~30ms;座椅座垫刚度(参数8),范围为2.0~4.0kN;膝垫的刚度(参数9),范围为2.0~4.0kN。

采用实验设计方法分析各参数的重要性,得到如图4所示的分析图。

通过调整安全气囊排气孔和安全带刚度这2个参数,对头部的伤害进行二次优化,得到的数据如表2所示。

由表2可知,安全带的刚度变化对假人模型头部伤害值HIC36影响不大。在正面碰撞的情况下,当安全带刚度为18%时,假人在接触气囊时有触底危险。因此,安全带刚度采用12.5%,气囊排气孔直径采用40mm。

表2 二次优化数据表

Tab.2 Datasheetofsecondaryoptimization

安全带刚度/%

12.512.518.0

气囊排气孔直径/mm

354035403540

头部伤害值(HIC36)

825.8536.5845.1527.7818.3551.9

图3 系统参数重要性分析图

Fig.3 Analysisonimportanceofsystemparameters

18.08.08.0

由图3可知,安全气囊排气孔直径等6个参数的重要性比较突出;而另外3个参数,即气囊拉伸长度、能量吸收转向柱的压溃力和气囊的触发时间在给定的范围内对乘员伤害值的影响较小。虽然座椅刚度重要性也较高,但座椅刚度主要影响乘员腿部的伤害值,而优化工作是针对头部伤害值。因此,没有考虑座椅刚度,从而减少了仿真运算量,缩短了优化的时间。

6 结束语

在控制系统开发进入实际工程设计前,往往要利用CAE技术进行建模仿真。本文着重论述了以TI公司ARMCortex处理器为核心的汽车安全气囊控制系统的建模与仿真设计过程。

安全气囊控制系统的主要任务是准确可靠地保护驾驶员的安全,使事故对其伤害程度达到最低。首先采用MADYMO软件完成了建模工作;然后通过正面台车碰撞数据对模型进行了校准,围绕假人模型头部伤害值,利用DoE方法对气囊控制系统各参数的重要性进行了详细分析;最后,分2个阶段对参数进行了优化。优化后的气囊控制系统可以使假人模型头部伤害值达到最小,进一步提高了汽车的安全性能。

参考文献

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系统[J].南昌大学学报:工科版,2009,31(3):86-88.[4]TexasInstruments.LM3S1138Datasheet[EB/OL].[2007-06-29].http://www.t.icom/LM3S1138Datashee.tpd.f

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inferencesystem[J].FuzzySetsandSystems,2007,158(24):2706-2708.

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北京:清华大学,1995.

[7]葛如海,蓝善斌,陈晓东,等.安全气囊对离位乘员损伤影响的

仿真研究[J].汽车工程,2007,29(9):769-770.

5.2 优化结果

优化分析采用的各参数如下。

安全气囊排气孔的直径为20~45mm;安全带的刚度为8%~18%;安全带限力器水平为2.0~5.0kN;安全带卷收器锁止时间为10~20ms;膝垫刚度为2.0~4.0kN;安全气囊拉伸的长度为0.3m;能量吸收式转向柱的压溃力为4.0kN;安全气囊触发时间为0.015ms;座椅座垫刚度为2.0kN。

选取模型头部伤害值较小的典型数据如表1所示。

表1 伤害值典型数据表Tab.1 Typicaldataofinjuringvalue

气囊排气孔安全带直径/mm刚度/%

31.31.31.31.33.

00005

1212121211

限力器水平/N20001500200020002000

卷收器触膝垫头部发时间/s刚度/N伤害值0.0.0.0.0.0101020101

22212000000000500000

425433421446383

在优化分析过程中,除了选取表1所示的6个参数外,其余3个参数选定为:

安全带限力器水平为2.0kN;安全带卷收器锁止时间为10ms;膝垫刚度为2.0kN。

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