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摘 要 本文论述了目前国内外汽车安全气囊控制的一些主要算法，并解释了该算法中的核心内容和研究特点。在结合传统方法的同时，提出了两种新的算法——数据融合控制算法和模式识别控制方法。
关键词 安全气囊；汽车碰撞；数据融合；模式识别
1 引言
汽车安全气囊的应用拯救了许多乘员的生命。但随着汽车的应用越来越多，气囊错误弹出的情况也时有发生，这样反而会威胁到乘员的安全，所以必须提高安全气囊的控制性能。因此，我们也需要进一步研究气囊控制算法。
汽车安全气囊技术发展到今天，其优劣已经不在于是否能够判断发生碰撞和实现点火，现代的安全气囊控制的关键在于能够在最佳时间实现点火和对于非破坏性碰撞的抗干扰。只有实现最佳时间点火，才能够更好的保护驾驶员和乘客。
最佳时间的确定在于当汽车发生碰撞的过程中，乘员向前移动接触到气囊，此时气囊刚好达到最大体积，这样的保护效果最好。如果点火慢了，则乘员在接触气囊的时候，气囊还在膨胀，这样会对乘员造成额外的伤害。如果点火快了，乘员在接触到气囊的时候气囊已经可以萎缩，则气囊不能对乘员的碰撞起到最好的缓冲作用，也就不能很好的起到对乘员的保护作用。
图1 气囊示意图
第二个是气囊的可靠性问题，也就是对于急刹车、过路坎和其他非破坏性碰撞时引起的冲击信号的抗干扰。汽车在颠簸路面上行驶或以很低速度的碰撞产生的加速度信号可能会令气囊误触发，一个好的控制系统应该能够很好的识别这些信号，从而在汽车产生非破坏性碰撞时不会使气囊系统误打开。
第三个就是气囊控制技术的基本指标，包括避免以下情况：①气囊可能在很低的车速时打开。车辆在很低车速行驶而发生碰撞事故时，只要驾驶员和乘员系上了安全带，是不需要气囊打开起保护作用的。这时气囊的打开造成了不必要的浪费。②当乘客偏离座位或座位上无人，气囊系统的启动不仅起不到应有的保护作用，还可能对乘客造成一定伤害[1]。
2 安全气囊点火控制的几种算法
1) 加速度法
该算法是通过测量汽车碰撞时的加速度（减速度），当加速度超过预先设定的阈值就弹出安全气囊。
2) 速度变量法
该算法是通过对汽车加速度进行积分从而得到加速度变化量，当加速度变化量超过预先设定的阈值时就弹出安全气囊。
3) 加速度坡度法
该方法是对加速度进行求导得到加速度的变化量作为判断是否点火的指标。
4) 移动窗积分算法[2]
对加速度曲线在一定时间内进行积分，当积分值超过预先设置的阈值时，就发出点火信号。
2.1 移动窗积分算法
下面具体介绍一下移动窗积分算法，选定以下几个观察量作为气囊点火的条件指标。①汽车碰撞时的水平方向加速度（或减速度）ax。ax是直接反映碰撞激烈程度的信号，而且ax在最佳点火时刻的选取中起关键作用。②汽车碰撞时垂直方向的加速度ay，气囊控制系统加入ay对非碰撞信号能起到很大的抗干扰作用，当汽车发生正向碰撞时，ay与ax有很大的不一致性[3]；而当汽车受到路面干扰，例如汽车与较高的台阶直接相撞时，ay与ax有很大的一致性[3]，可以由此来判别干扰信号。
结合这几个量，得出一个判断气囊点火的最佳指标。
需要采样一个时间段（从碰撞开始）ax的值，根据这一系列的值才能判断碰撞的激烈程度. 气囊点火控制算法应在发生碰撞后20～30ms内做出点火判断，因为气囊膨胀到最大需要时间大概为30ms[4]，在碰撞初速度为28.4km/h时，人体向前移动5inch到达接触气囊的时间大概为70ms，则目标点火时刻为70－30＝40ms，所以气囊打开应该在碰撞后的40ms时刻，所以算法必须在20～30ms内做出点火决定。这样可以采样碰撞后的20个加速度值（频率是1kHZ）作为算法的输入值。而对于垂直方向也可以如此采样。则可得两组值：ax(1)，ax(2)……ax(20)；ay(1)，ay(2)……ay(20).
移动窗算法中对ax的处理为（1）式：
(1)
图2 移动窗口算法示意图
其中t为当前时刻，w为时间窗宽度（采样时间宽度），对ax(t)进行积分，得到指标S(t，w)，当S(t，w)超过预先设定值时，则发出点火信号。
写成离散形式，如式(2)：
(2)
n为当前时间点，k为采样点数，f为采样频率。
加上垂直加速度之后，可以提高对路面干扰的抗干扰能力[3]，形式如式(3)：
(3)
S(n，k，ρ)为双向合成积分量，n，f，k如上定义；ρ为合成因数，表征两个方向加速度在合成算法中的权重。这种算法主要是考虑了汽车碰撞时的加速度因素，当加速度的积分达到一定值的时候，表示汽车的碰撞剧烈程度也到达一定值，会给乘员带来一定伤害。而且这种算法对于判断最佳点火时刻也是很有优势的，经过实验，利用这种算法得出的点火时刻离汽车碰撞的最佳点火时刻（利用摄像得出）仅差几毫秒[2]，符合要求的精度。
但是这种算法也有其不足，例如没有考虑碰撞时的速度以及座位上有没有人的因素，这样当汽车低速运行的时候，还是有可能引起误触发。如果将速度和座位上是否有人的信号引入，则可以进一步减少误触发的机会。
2.2 利用数据融合提出的改进算法
由上面的叙述中我们可以知道，移动窗积分算法对于气囊弹出与否进行判断主要是根据积分量S，现在我们对积分量进行一些改造，可以克服上述缺点。具体做法如下，加入以下几个观察量：
（1）汽车碰撞时的水平方向速度v，v可以反映汽车碰撞时乘客的受伤害程度。v越大，乘客的动能就越大，碰撞时受到的伤害就越大。v是判断气囊是否应该打开的最直接的指标。（2）坐位上是否有乘员的信号[5]。坐位上无人时，当发生碰撞则可以不弹出气囊，这样做可以减少误触发的几率，同时避
免对其他乘员的伤害。
引入函数，这个函数的波形为：
图3 函数波形图
当v超过30km/h的时候，y的值就大于1；反之就小于1。现在普遍采用的标准是，安全带配合使用的气袋引爆车速一般为：低于20km/h正面撞击固定壁时，不应点爆。而在大于35km/h碰撞时，必须点爆。在20km/h和35km/h之间属于可爆可不爆的范围。所以我们取v0＝30km/h为标准点，这样结合上面的移动窗积分算法，提出新的S1，则S1为：
(4)
这样当v>v0时，汽车点火引爆的灵敏度就比原来大了；而v<v0时，点火灵敏度就比原来小了。再引入座位是否有人信号c，有人时c＝1，反之c＝0。
(5)
S' 即为加入了v和c的双加速度合成积分量，其优点是可以减少气囊误触发的几率，更好的保护乘员的安全。
再考虑到v>v0时引爆气囊的灵敏度不需要太大，可以适当调整的系数为1/∏，此时y函数图形如图4。
由图4可看到，采用增加了速度函数的算法后，使到v>v0时的灵敏度适当增加，同时也有效的减少了v<v0（低速）时的误点火几率。这个参数可以通过大量的碰撞实验来确定，使得点火效果最优。
2.3 利用模式识别的方法提出的控制算法
上述利用数据融合改进的移动窗控制算法是一种利用直观概念进行设计的方法，采用的是实时计算得出碰撞判决指标，缺点是计算量比较大，控制系统的性能要求较高。如果能够直接根据输入进行点火判断，则计算量会大大减少。
为了减少计算量，使点火控制速度更加迅速，可以采用模式识别的方法。原理如下，在台车碰撞试验中采用第二节中提出的加入了速度函数的改进移动窗算法，对不同的输入（加速度和速度）及其结果进行判断，并将其记录下来，得到一个数据库。再利用模式识别的方法，结合大量的记录，则可以求出某一车型的气囊点火判断的判别函数。然后在实际应用中可以利用判别函数对输入的加速度和速度直接进行判别，对汽车状态（气囊弹出和气囊不弹出）进行分类，从而大大减少计算量。
图4 函数波形图
3 设计判别函数原理
气囊的弹出(w1)与不弹出( w2)可归结为通过对对象（汽车的碰撞）n组特征观察量（a1，a2....an，v）的判断（这里取汽车碰撞的加速度和速度为特征观察量），从而对x＝[a1，a2....an，v]进行归类。在归类中，我们总是希望错误率最小，所以可以采用基于最小错误率的贝叶斯决策[6]。
通过对上述数据库的统计，我们可以得到气囊弹出的概率P( w1)，从而P(w2)=1－P(w1)。
要对x进行分类，还需要类条件概率密度。p(x|w1)是气囊弹出状态下观察x的类条件概率密度；p(x|w2)是气囊不弹出状态下观察x的类条件概率密度。这样我们可以算出w1和w2的后验概率，如式(6)：
(6)
基于最小错误率的贝叶斯决策规则为：如果P(w1|x)> P(w2|x)，则把x归类于弹出状态w1，反之P(w1|x)<P(w2|x)，则把x归类于不弹出状态。把它设计成分类函数的形式，则可以直接利用分类函数进行判别。如式(7)：
(7)
x是样本向量，w为权向量，w0是个常数。在实际操作中，可以通过上述数据库中大量的样本来计算出w和w0。得出g(x)后，则可以对实际中检测到的一组特征值进行评估，以决定是否引爆气囊。
二维的情况下g(x)的示意图如图5所示。
图5 分类函数示意图
如图5所示，分类函数g(x)可以将两种状态（引爆气囊和不引爆气囊）很好地区分开来，实现了对汽车碰撞状态的即时判断。而这种算法只要求系统进行一个查表的运算，大大减少计算量。
4 总结
综上所述，移动窗算法对于低速的抗干扰方面存在不足；而加入了速度函数的改进算法，能够适当增加系统在高速时的灵敏度，又能减少低速时的气囊误触发几率，符合现代安全气囊的控制要求；模式识别的控制算法是建立在前面正确的控制算法的基础上，利用大量的历史数据得出判别函数，从而直接对气囊是否弹出进行判断，大大减少计算量。
参考文献
[1]钟志华，杨济匡. 汽车安全气囊技术及其应用[J]． 中国机械工程，2000年2月第11卷第1-2期
[2]王建群等. 汽车安全气囊点火控制算法的研究[J]．汽车工程，1997年第1期
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[4]张金换等. 汽车安全气袋系统的研究[J]． 清华大学学报，1997年第11期第69～72页
[5]尹武良等. 一种基于电容传感的乘员感应装置[J]. 汽车技术，2000年第8期
[6]边肇祺，张学工. 模式识别[M．清华大学出版社 2000，第1～100页
丰田汽车安全气囊检测与维修
随着汽车工业的迅速发展和高速公路的开发建设,汽车行驶速度越来越快,事故更为频繁,汽车的安全性就变得尤为重要。汽车安全气囊系统(SRS———Supplemental Resistant System)是一种乘员辅助保护系统。主要用来防止乘员在前碰撞事故中与驾驶室内饰件的二次碰撞。由于其使用方便、效果显著,得到了迅速的发展和普及。
1 安全气囊的组成及作用
安全气囊主要由碰撞传感器、安全气囊控制单元(SRS ECU)、安全气囊组件、安全气囊系统指示灯等主要部件组成。碰撞传感器作为安全气囊系统中主要的控制信号输入装置,主要检测车辆发生碰撞时的冲击或减速度值,再把信号传递给安全气囊控制单元,ECU对各传感器输入的信号进行分析处理,判断是否点火引爆气囊,并对系统故障进行自诊断。安全气囊系统指示灯是指示安全气囊系统功能是否处于正常状态。
2 安全气囊的工作原理及相关注意事项
2.1安全气囊工作原理
在汽车行驶中,各传感器不断将车速变化的信息输入到ECU,ECU不断地计算、分析、比较和判断,并随时准备发出指令。当车速小于30 km/h冲撞时,前方传感器和其串联的安全传感器同时向ECU输入撞车信号,并发出引爆安全带预紧器电雷管的指令,而中央传感器发出的信号不能使ECU发出引爆气囊电雷管的指令。所以,在低速(减速度较小)冲撞时,只要预紧器向后拉紧安全带,就足以保护驾乘人员不撞向前方。
在高速(减速度较大)冲撞时,前方传感器和中央传感器同时向ECU输入冲撞信号,ECU在迅速判断后发出指令,同时引爆左右预紧器和双气囊的电雷管。安全带向后拉紧的同时,2个气囊同时张开,吸收驾乘人员因减速度大而产生的冲撞能量,
有效地保护他们的安全。
例如,当汽车发生正面碰撞事故时,安全气囊控制系统检测到冲击力超过设定值时,安全气囊ECU立即接通充气元件中的电雷管电路,点燃电雷管内的点火介质,从而引燃点火药粉和气体发生剂,产生大量气体,在0.03 s的时间内即将气囊充气,使气囊急剧膨胀,冲破转向盘上装饰盖板鼓向驾驶员和乘员,使驾驶员和乘员的头部和胸部压在充满气体的气囊上,缓冲对驾驶员和乘员的冲击,随后又将气囊中的气体放出。它可将撞击力均匀地分布在头部和胸部,防止脆弱的乘客肉体与车身产生直接碰撞,大大减少受伤的可能性。
此外,气囊爆发时的音量大约只有130 dB,在人体可忍受的范围;气囊中78%的气体是氮气,十分稳定且不含毒性,对人体无害;爆发时带出的粉末,对人体亦无害。
从发生冲撞、传感器发出信号到控制器判断引爆电雷管,大约需要10 ms时间。引爆后,气体发生器产生大量氮气,迅速吹胀气囊。从发生冲撞到气囊形成,进而到安全带拉紧,全过程可在不到1 s内完成。当气囊引爆后,由于产生的气体大量涌进气囊,使气囊的压力增高,不利吸收冲撞能量,所以,在气囊的后面有2个排泄压力的气体排放孔,从而有利于保护驾乘人员的安全。
2.2安全气囊相关注意事项
1)安全气囊必须与安全带一起使用
如果不系好安全带,即使有气囊,在碰撞时也可能造成严重伤害甚至死亡。在撞车事故中,安全带可以减小乘员撞击车内物体或被抛出车外的危险,而气囊是用来与安全带协同工作而不是用来取代安全带的。种种迹象表明,安全气囊必须与安全
带一起使用。
2)乘车时与气囊保持合适的距离
如果离气囊太近,可能会受到严重伤害。在撞车前和撞车过程中,安全带可以保持住乘员的位置。切记,即使有气囊,也要系好安全带,并且驾驶员应当在保证能够操控车辆的前提下尽量靠后坐。
3)安全气囊为一次性产品
每个气囊只能使用一次,引爆后须回厂换一个新的气囊,不可重复使用。
4)修理气囊的特征显示
要注意观察位于仪表板上的安全气囊报警灯。在正常情况下,点火开关转到ACC或ON位置时,报警灯会亮大约6 s,进行自检,然后熄灭,若报警灯一直亮,则表明安全气囊系统有故障,应立即进行修理。否则会产生不良后果。
5)要尽快清理残留物
当安全气囊充气时,随着氮气产生,会有相当大的声响和烟雾,这些是无害的,但务必要尽快将残留物清洗掉,以防止皮肤过敏。
3丰田汽车安全气囊的检测与修理
3.1丰田安全气囊的诊断与检测
3.1.1初步检查
当点火开关从LOCK位置打至ACC或ON位置时,诊断电路起动气囊报警灯约6 s进行初步检查。当检测到故障时,报警灯不熄灭,即使过了6 s,报警灯仍点亮。
3.1.2常规检查
在初步检查中如没有发现故障,约6 s后报警灯熄灭,使发火级做好准备。诊断电路开始常规检查,以检查各个部件、电源和电气配线是否有断路或短路等故障。发现故障,报警灯常亮以提醒驾驶员。
3.1.3诊断码校核
诊断码可由报警灯闪烁方式表示。
1)将点火开关打至ACC或ON,并等待20s以上。
2)连接TDCL(丰田专用诊断接口)或用跨接
线跨接诊断插座的Tc和E1两个端子,当报警灯开始闪烁,则显示诊断代码。
如果SRS系统功能正常,则仪表板上的SRS指示灯每秒闪烁2次,每次点亮与熄灭的时间均为0.25s,高电平时灯亮,低电平时灯灭。如果SRS系统有故障,则SRS指示灯会闪烁显示故障代码。丰田车系安全气囊系统的故障代码均为2位数字,指示灯先
显示十位数字,后显示个位数字。同一数字灯亮与灯灭的时间均为0.5 s,十位数字与个位数字之间间隔1.5 s。如果有多个故障代码,则故障代码与故障代码之间的间隔为2.5 s,并按故障代码的数字由小到大顺序显示。故障代码全部输出后,间隔4 s后再重复显示[1,3]。
3)诊断代码清除。
故障排除后,如果点火开关在ACC或ON位置时,不将所储存的诊断代码清除,报警灯不会熄灭。此时的清除程序要视存储器类型而异。
常规型只须切断电源即可。EEPROM(电子可擦可编程只读存储器)型即使切断电源,也不能擦除存储内容。此时则可使用以下2种方法。
方案1:不使用专用检测器①将SST(丰田专用维修工具)与TDCL连接。②将点火开关打至ACC或ON约6 s。③用TC端子起动,在1.0+0.5 s周期内,交替地将TC端子与各个端子搭铁2次,最后将TC端子搭铁几秒。④在进行清除程序后的几秒内,报警灯会以50 ms的周期闪烁,表示诊断代码已经清除。
方案2:使用丰田专用检测器(IT2)将IT2与TDCL连接,根据检测器屏幕上的提示,逐步清除诊断代码。
3.2安全气囊的修理
当安全气囊发生故障时,最普遍使用的是丰田专用检测器(IT2),按以上检测方法检测出故障后,通过该仪器进行修理。
进入丰田专用检测器(IT2)相应界面,选择AUTO(自动),再选择相应车型和出厂年份,然后检测。根据提示,逐一清除故障,故障解除后,最后清除故障码。切记要再次进入系统,重新检测一下,确认无误后方可。
4 如何废弃安全气囊
首先准备一个蓄电池作为张开安全气囊的电源。
第1步,使用相应工具,拆下气囊总成。
第2步,用车辆维修线束绑住气囊总成。在总成上安装2个螺母,将线束缠在总成的双头螺柱上,将总成放在轮胎内侧,气囊朝里张开(切记线束要绑紧,否则会由于张开时的冲击而飞出)。
第3步,检查SST专用工具的功能。
第4步,放置轮胎。①绑有总成的轮胎下面至少应放置2个轮胎;②绑有总成的轮胎上面至少应放置2个轮胎,顶部轮胎应有钢圈;③用2条线束将轮胎绑在一起。
第5步,安装SST。
第6步,弃置气囊总成。
注意:放开时,总成会很热,所以应将其放置至少30 min;处理已张开气囊总成时,戴上手套和护眼镜;不能往张开气囊总成上泼水;操作完成后,一定要洗手。
