智能化車用預(yù)警式安全帶系統(tǒng)PI 控制研究

尤毅，曹麗娜，趙宇

（1.山東交通技師學(xué)院，山東 臨沂 276000；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

前言

目前，現(xiàn)有的安全帶的設(shè)計(jì)屬于被動(dòng)安全技術(shù)范疇[1][2]，不存在提前保護(hù)功能，僅在危險(xiǎn)發(fā)生后對(duì)人員進(jìn)行采取保護(hù)。當(dāng)前，主動(dòng)安全技術(shù)已經(jīng)在車輛上應(yīng)用廣泛，針對(duì)被動(dòng)安全帶存在的弱點(diǎn)，并在被動(dòng)安全帶基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套智能化預(yù)警式安全帶裝置，能夠根據(jù)不同狀態(tài)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)保護(hù)和駕乘安全舒適較實(shí)用的方法。在采集車輛各種預(yù)警傳感器、安全帶預(yù)緊力等信號(hào)基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)以安全帶系統(tǒng)卷收器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的回轉(zhuǎn)方向及角度作為輸出參數(shù)。最終結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)，合理確定控制規(guī)則，并由此確定出不同狀態(tài)的多個(gè)預(yù)警級(jí)別。

1 安全帶系統(tǒng)控制編程環(huán)境的搭建

設(shè)計(jì)中，綜合考慮成本、可靠性等因素，使用Freescale微控器MC9S12DP256 單片機(jī)作為智能化預(yù)警式安全帶系統(tǒng)主控芯片[3]。 這款控制器的編譯環(huán)境為CodeWarrior5.1，如圖1 所示。

圖1 CodeWarrior 軟件環(huán)境

2 安全帶系統(tǒng)整體控制設(shè)計(jì)

通過采集到的預(yù)警傳感器的相關(guān)數(shù)值，安全帶主動(dòng)預(yù)警控制系統(tǒng)能夠以此判斷相應(yīng)的安全級(jí)別，在危險(xiǎn)發(fā)生前提醒駕乘人員，并控制安全帶卷收系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及時(shí)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)卷收工作，拉緊安全帶，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全。設(shè)計(jì)中使用手動(dòng)、串口和自動(dòng)三種觸發(fā)模式。在控制算法使用上可采用PI 控制法、比功率法、速度預(yù)測(cè)算法、加減速度峰值法等；結(jié)合實(shí)際應(yīng)用時(shí)車輛各方面的限制，綜合幾種控制算法的特點(diǎn)，并考慮到對(duì)安全帶織帶張力的恒拉力控制，預(yù)警控制系統(tǒng)選擇PI 控制算法[4][5]。

3 智能化安全帶系統(tǒng)控制策略研究

設(shè)計(jì)的預(yù)警安全帶系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)在檢查各個(gè)模塊均正常工作后，則默認(rèn)進(jìn)入自動(dòng)觸發(fā)模式。系統(tǒng)控制器根據(jù)超聲波測(cè)距、制動(dòng)踏板力兩種傳感器信號(hào)的不同，依次組合確定三個(gè)安全級(jí)別的閾值。根據(jù)每種組合判斷當(dāng)前車輛所處的安全等級(jí)，控制器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，提前預(yù)警，電機(jī)以不同模式轉(zhuǎn)動(dòng)完成卷收系統(tǒng)不同的預(yù)緊動(dòng)作。

圖2 系統(tǒng)控制整體流程圖

為了在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中不會(huì)因?yàn)榘踩珟埩^大使駕駛員感到不適或者受到傷害，程序中使用了PI 算法，對(duì)電流傳感器的電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，并通過對(duì)電機(jī)控制PWM 波占空比的調(diào)節(jié)使安全帶張力始終保持在出廠的安全帶張力初始值左右，從而使安全帶的張力不會(huì)在大范圍內(nèi)變化，更好的起到保護(hù)駕乘人員的作用，設(shè)計(jì)的整體控制流程圖如圖2所示。

根據(jù)上述兩種傳感器信號(hào)不同，組合設(shè)計(jì)了三種不同的安全級(jí)別：安全級(jí)別1、2、3，按對(duì)應(yīng)數(shù)字排序分別對(duì)應(yīng)不同的行車危險(xiǎn)程度，安全級(jí)別3 最為危險(xiǎn)。安全級(jí)別1 為危險(xiǎn)程度弱，驅(qū)動(dòng)電機(jī)小扭矩正轉(zhuǎn)兩次，進(jìn)而通過卷收器機(jī)構(gòu)拉緊安全帶織帶兩次，對(duì)駕乘人員提醒；安全級(jí)別2 為危險(xiǎn)程度中等，驅(qū)動(dòng)電機(jī)小扭矩正轉(zhuǎn)，然后迅速反轉(zhuǎn)，動(dòng)作時(shí)間較短，收緊安全帶織帶，并將織帶鎖止；安全級(jí)別3，電機(jī)大扭矩迅速正轉(zhuǎn)，然后迅速反轉(zhuǎn)，在危險(xiǎn)發(fā)生前一瞬間迅速消除安全帶間隙。

動(dòng)作過程中，控制器通過調(diào)節(jié)脈沖波的占空比（PWM控制）進(jìn)行控制[6]，實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)電樞的電流大小，最終實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)扭矩大小。在調(diào)節(jié)PI 參數(shù)時(shí)，根據(jù)瞬態(tài)控制法來確定：如果被控系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)且其階躍響應(yīng)如圖3 所示[7]，在圖中可以得到曲線的最大斜率R，同時(shí)得到達(dá)到R時(shí)所用時(shí)間L，最終根據(jù)斜率與時(shí)間確定出P、PI 最優(yōu)控制參數(shù)。[8]

圖3 開環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖

根據(jù)以上控制理論方法，通過實(shí)驗(yàn)法最終確定參數(shù)，如圖4 所示利用示波器記錄了電流傳感器采集到的電流值的瞬態(tài)響應(yīng)圖。

圖4 示波器記錄實(shí)際瞬態(tài)響應(yīng)曲線

通過示波器波形得出參數(shù)：

編寫程序軟件采用C 語言，定義了Kp為整形參數(shù)，取Kp=2V。

所有使用的控制參數(shù)確定后，編寫控制器C 語言程序。

4 手動(dòng)模式與自動(dòng)模式選擇

系統(tǒng)自動(dòng)模式為默認(rèn)工作模式，上電正常工作即可進(jìn)入。系統(tǒng)在自動(dòng)模式工作中，根據(jù)上述兩種傳感器信號(hào)結(jié)合的閾值來判斷安全等級(jí)。液晶屏系統(tǒng)板如圖5 所示，其中三個(gè)SAFE 對(duì)應(yīng)三種安全等級(jí)，START 和STOP 為手動(dòng)模式與自動(dòng)模式切換控制按鍵，按下START_CSB 按鈕啟動(dòng)自動(dòng)模式，按下STOP_CSB 按鈕將啟動(dòng)手動(dòng)模式，在液晶觸摸屏上即可實(shí)現(xiàn)手、自動(dòng)切換。

圖5 觸摸屏控制界面

手動(dòng)模式工作中，可由控制板按鍵設(shè)置安全等級(jí)。按下控制器PCB 板上的相應(yīng)按鍵時(shí)，觸發(fā)中斷，改變安全等級(jí)變量，主函數(shù)判斷當(dāng)前的安全等級(jí)并發(fā)出相應(yīng)控制指令，從而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作。

自動(dòng)模式工作中，能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)消除安全帶織帶和駕駛?cè)藛T間的空隙余量。采用PI 控制算法控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流，不斷調(diào)節(jié)脈沖波占空比，使電流保持在一定值，從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)出的轉(zhuǎn)矩保持恒定，最終能夠保證安全帶張力在初始預(yù)緊力上下一定微小范圍內(nèi)浮動(dòng)，防止由于織帶的張力過大造成駕駛員受傷。張力控制算法邏輯如圖6 所示。

圖6 PI 控制流程圖

5 系統(tǒng)安全等級(jí)閾值參數(shù)確定

根據(jù)GB7258-2004_機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件規(guī)定，使用液壓制動(dòng)系統(tǒng)的車輛，滿載和空載對(duì)制動(dòng)踏板力最大值都有限制，分別為不得大于500N 和 400N。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮到車輛常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，取制動(dòng)踏板力的最大值為370N。 在編寫程序時(shí)，測(cè)距傳感器信號(hào)等比例放大50 倍，模擬最大安全距離50 米。由此確定三個(gè)安全級(jí)別，如表1：

閾值預(yù)先編寫在控制器中，也可以根據(jù)實(shí)際需要使用液晶觸摸屏進(jìn)行設(shè)置或修改，當(dāng)觸摸不同的方框時(shí)會(huì)彈出數(shù)字輸入動(dòng)態(tài)字符標(biāo)控件，參數(shù)輸入完畢后，立即發(fā)送參數(shù)到控制器中，并生效，方便后期調(diào)試和實(shí)際驗(yàn)證。

6 結(jié)論

本文主要描述了軟件控制方案?？刂品桨阜譃槭謩?dòng)控制與自動(dòng)控制，在控制中，使用PI 算法控制電流反饋信號(hào)和電機(jī)旋轉(zhuǎn)，保證安全帶張力大小保持一定值，保護(hù)駕駛?cè)藛T的行車安全。確定了行車不同狀態(tài)下的三個(gè)安全等級(jí)和每個(gè)等級(jí)下的距離、制動(dòng)踏板力的初步閾值，和觸摸液晶屏結(jié)合，通過其自帶功能實(shí)現(xiàn)了閾值在液晶屏上的手動(dòng)更改、自動(dòng)存儲(chǔ)的功能，方便了后期實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步標(biāo)定相關(guān)閾值的工作。在不同安全等級(jí)下，實(shí)現(xiàn)安全帶系統(tǒng)多級(jí)預(yù)警的功能。同時(shí)，為系統(tǒng)后期的編程確定了大的方向和功能要求。