CN108032856A - 一种主被动集成的多级预紧式安全带控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主被动集成的多级预紧式安全带控制系统及其方法，该系统由传感器模块检测行车环境、行车状态并将信号传送至ECU，ECU根据接收到的信号判断汽车的危险等级，根据危险等级发出相应的指令，控制预紧电机进行“预警‑调整‑约束‑复位”的多级预紧动作。本系统采用“预警‑调整‑约束‑复位”的多级预紧设计，提高了不同工况、不同坐姿下的乘员安全性；通过内置算法对预紧力进行实时优化计算，提高了乘员的舒适性；将驾驶员操纵信号作为触发信号之一，弥补了主动安全预警系统在恶劣环境下“误判”、“漏判”的风险，提高了系统的可靠性和系统响应的及时性。

Description

一种主被动集成的多级预紧式安全带控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及汽车安全技术领域，特别是涉及一种基于汽车主被动技术集成的多级预紧式安全带及其控制方法。

背景技术

随着汽车主动安全技术及电子控制技术的发展，汽车中越来越多的系统及部件实现了电子化、主动化、智能化，使整车的安全水平逐步提高。预紧式安全带作为主被动技术集成的代表产品，融合了整车状态监测、环境监测、危险预警等主动安全信息，近年来得到了长足的发展，极大地提高了汽车驾驶的安全性与乘坐的舒适性。

然而，当前的预紧式安全带依然存在着诸多缺陷，亟待改进。

第一，预紧时刻不科学。传统的预紧式安全带均为单级预紧，即在给定的预紧时刻一次性收紧安全带。但是，研究发现，汽车制动时乘员有离位前倾趋势，提前预紧时间可以改善碰撞前乘员的离位坐姿，以减少乘员在汽车碰撞时所受损伤；另一方面，研究表明，预紧式安全带预紧时刻过早，反而会使保护效果降低，甚至低于传统火药式安全带，当乘员不存在离位前倾时，预紧时刻在碰撞发生前300ms之内时，对乘员的综合保护效果较佳。这样单级预紧的安全带就存在着局限性，无法兼顾不同坐姿乘员的安全需求。

第二，预紧力控制不精确。当前的预紧式安全带均采取了固定的预紧力，即在预紧动作时卷收一固定长度的安全带织带以达到设定的预紧力。一方面，过大的预紧力会影响乘员的舒适性，甚至在乘员坐姿不恰当时，会对乘员造成额外伤害；另一方面，过小的预紧力在汽车紧急制动时又无法有效的约束乘员，无法达到很好的保护效果。

第三，预紧信号来源单一。当前的预紧安全带均以主动安全预警系统的碰撞预警信号、车道偏离预警信号作为判断依据，然而碰撞预警系统、车道偏离预警系统采用的摄像头、雷达受到天气、路况等行车环境影响，可能存在“漏判”的可能，而此时预紧安全带未接收到预警信号不会采取任何动作，这就给乘员的安全带来了极大的隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术所涉及到的缺陷，提供一种主被动集成的多级预紧式安全带控制系统及其方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种主被动集成的多级预紧式安全带控制系统，包括前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块、电子控制单元、预紧电机执行模块、安全带织带及其固定机构；

所述前碰撞预警系统用于计算汽车前向发生碰撞的时间、即预碰撞时间TTC，并将其传递给所述电子控制单元；

所述车道偏离预警系统用于计算汽车侧向偏离车道的时间、即预偏离时间TLC，并将其传送给所述电子控制单元；

所述行车状态传感模块包括整车速度传感器、整车加速度传感器和碰撞传感器，其中，所述整车速度传感器、加速度传感器均置于汽车B柱内侧，分别用于监测汽车的速度、加速度，并将其传递给所述电子控制单元；所述碰撞传感器置于汽车前脸内侧，用于监测汽车当前是否发生碰撞，并将其传递给所述电子控制单元；

所述驾驶员操纵传感模块包括制动踏板力传感器和方向盘角速度传感器，其中，所述制动踏板传感器置于制动踏板处，用于监测制动踏板的受力大小，并将其传递给所述电子控制单元；所述方向盘角速度传感器置于汽车方向盘处，用于监测方向盘的转角速度，并将其传递给所述电子控制单元；

所述预紧电机执行模块包括预紧电机和机械传动机构，其中，所述预紧电机用于在接收到电子控制单元的控制指令时输出相应的预紧力矩给所述机械传动机构，所述机械传动机构用于在预紧电机输出的预紧力矩的驱动下拉紧安全带织带；

所述电子控制单元分别和前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块、预紧电机执行模块电气相连，用于根据前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块的传递的信号控制所述预紧电机执行模块工作。

本发明还公开了一种该主被动集成的多级预紧式安全带控制系统的控制方法，包含以下具体步骤：

步骤1），前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块分别将实时测得的预碰撞时间TTC、预偏离时间TLC、汽车的速度、汽车的加速度、汽车当前是否发生碰撞、制动踏板的受力大小、方向盘的转角速度传递给所述电子控制单元；

步骤2），电子控制单元按照以下方式将汽车的危险等级评价为高优先级、中优先级、低优先级和零优先级：

高优先级：预碰撞时间TTC<预设的第一TTC阈值、当前发生碰撞的信号；

中优先级：预设的第一TTC阈值≤预碰撞时间TTC<预设的第二TTC阈值、或预偏离时间TLC<预设的第一TLC阈值、或制动踏板的受力大小>预设的第一力量阈值、或方向盘的转角速度>预设的第一转角速度阈值；

低优先级：预设的第二TTC阈值≤预碰撞时间TTC<预设的第三TTC阈值、或预设的第一TLC阈值≤预偏离时间TLC<预设的第二TLC阈值、或预设的第二力量阈值<制动踏板的受力大小≤预设的第一力量阈值、或预设的第二转角速度阈值<方向盘的转角速度≤预设的第一转角速度阈值；

步骤3），电子控制单元根据当前汽车的危险等级向预紧电机发送控制指令，采取相应的预紧动作，所述预紧动作包含“预警”动作、“调整”动作、“约束”动作和“复位”动作，低优先级对应“预警”动作，中优先级对应“调整”动作，高优先级对应“约束”动作，零优先级对应“复位”动作，其中：

“预警”动作是指控制预紧电机“收-放-收”30mm长度的安全带织带；

“调整”动作是指控制预紧电机快速收紧50-90mm长度的安全带织带；

“约束”动作是指控制预紧电机快速收紧100-120mm长度的安全带织带；

“复位”动作是指控制预紧电机解除安全带预紧、放松安全带织带回复到正常位置；

步骤4），汽车的危险等级发生变化时，电子控制单元将新危险等级和原危险等级进行对比，若新危险等级的优先级高于原危险等级，则执行新危险等级对应的预紧动作，否则继续执行原危险等级对应的预紧动作；

步骤5），若电子控制单元控制预紧电机执行“预警”或“调整”动作后未发生碰撞，且汽车的危险等级变化为零优先级信号，则电子控制单元控制预紧电机执行“复位”动作，放松安全带回复初始位置，以满足乘员正常乘坐的舒适性；

步骤6），若电子控制单元控制预紧电机执行“约束”动作且碰撞已发生，此时电子控制单元停止根据汽车的危险等级控制预紧电机工作，而是控制预紧电机在碰撞发生后等待预设的时间阈值执行“复位”动作，以方便乘员逃生并防止其因安全带长时间束缚而受到二次伤害。

作为本发明一种该主被动集成的多级预紧式安全带控制系统的控制方法的优化方案，所述预设的第一TTC阈值为500ms，预设的第二TTC阈值为1000ms，预设的第三TTC阈值为2000ms，预设的第一TLC阈值为200ms，预设的第二TLC阈值为500ms，预设的第一力量阈值为300N，预设的第二力量阈值200N, 预设的第一转角速度阈值为2rad/s，预设的第二转角速度阈值为1.5rad/s，预设的时间阈值为1500ms。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. “预警-调整-约束-复位”的多级预紧设计即可实现对乘员的危险预警，又可兼顾不同的危险工况对于预紧时刻的不同要求，通过提前“调整”使乘员保持正确的坐姿，在碰撞发生前紧急束缚乘员实现最佳的保护效果，提高了系统的安全性。

2. 在“调整”、“约束”动作时，通过内置的优化算法由汽车行驶状态推算最佳的预紧力，实现对预紧力的精确控制，改善了传统的固定预紧力过大造成的乘员舒适感降低的现象，提高了系统的舒适性。

3. 增加了预紧动作的触发信号来源，在前碰撞预警系统、车道偏离预警系统传感器因外界环境恶劣无法正常工作或准确度下降时，可根据驾驶员操纵信号判定汽车的行驶状态，进而采取必要的预紧动作，提高了系统的可靠性。

4. 将汽车危险等级进行高、中、低、零优先级的分级，可以保证在紧急状况下高优先级对应的预紧操作的优先执行，避免控制命令串行执行引起的时间延迟而错过最佳的预紧时刻，提高系统响应的及时性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为ECU中的具体控制策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明为一种主被动集成的多级预紧式安全带控制系统及其方法，包括前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块、电子控制单元、预紧电机执行模块、安全带织带及其固定机构；

所述前碰撞预警系统用于计算汽车前向发生碰撞的时间、即预碰撞时间TTC，并将其传递给所述电子控制单元；

所述车道偏离预警系统用于计算汽车侧向偏离车道的时间、即预偏离时间TLC，并将其传送给所述电子控制单元；

所述行车状态传感模块包括整车速度传感器、整车加速度传感器和碰撞传感器，其中，所述整车速度传感器、加速度传感器均置于汽车B柱内侧，分别用于监测汽车的速度、加速度，并将其传递给所述电子控制单元；所述碰撞传感器置于汽车前脸内侧，用于监测汽车当前是否发生碰撞，并将其传递给所述电子控制单元；

所述驾驶员操纵传感模块包括制动踏板力传感器和方向盘角速度传感器，其中，所述制动踏板传感器置于制动踏板处，用于监测制动踏板的受力大小，并将其传递给所述电子控制单元；所述方向盘角速度传感器置于汽车方向盘处，用于监测方向盘的转角速度，并将其传递给所述电子控制单元；

所述预紧电机执行模块包括预紧电机和机械传动机构，其中，所述预紧电机用于在接收到电子控制单元的控制指令时输出相应的预紧力矩给所述机械传动机构，所述机械传动机构用于在预紧电机输出的预紧力矩的驱动下拉紧安全带织带；

所述电子控制单元分别和前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块、预紧电机执行模块电气相连，用于根据前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块的传递的信号控制所述预紧电机执行模块工作。

如图1所示，本发明的工作方法为：

步骤1），前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块分别将实施测得的预碰撞时间TTC、预偏离时间TLC、汽车的速度、汽车的加速度、汽车当前是否发生碰撞、制动踏板的受力大小、方向盘的转角速度传递给所述电子控制单元ECU。

为了使得ECU更好的进行控制处理，可以在ECU前设置信号处理传递模块，专门对接收到的信号进行预处理。

步骤2），电子控制单元按照以下方式将汽车的危险等级评价为高优先级、中优先级、低优先级和零优先级：

高优先级：预碰撞时间TTC<500ms，此时碰撞已发生或者无法避免，需采取“约束”动作紧急束缚乘员，以减轻乘员所受的冲击损伤；

中优先级：500ms≤预碰撞时间TTC<1000ms、或预偏离时间TLC<200ms、或制动踏板的受力大小>300N、或方向盘的转角速度>2rad/s，此时有较大可能发生碰撞或者汽车处于紧急制动、紧急转向的状态，乘员有前倾、侧倾趋势而离开座椅，需采取“调整”动作以较大的预紧力给乘员支撑，帮助其调整回正常坐姿；

低优先级：1000ms≤预碰撞时间TTC<2000ms、或200ms≤预偏离时间TLC<500ms、或200N<制动踏板的受力大小≤300N 、或1.5rad/s<方向盘的转角速度≤2rad/s ，此时汽车处于正常工况与危险工况的过渡阶段，需采取“预警”动作以提醒乘员注意车况、路况的变化，以避免危险工况发生。

除以上信号外，皆为零优先级信号，零优先级信号代表正常工况，采取“复位”动作，放松安全带织带。

步骤3），电子控制单元根据当前汽车的危险等级向预紧电机发送控制指令，采取相应的预紧动作，所述预紧动作包含“预警”动作、“调整”动作、“约束”动作和“复位”动作，低优先级对应“预警”动作，中优先级对应“调整”动作，高优先级对应“约束”动作，零优先级对应“复位”动作，其中：

“预警”动作是指预紧电机“收-放-收”30mm长度的安全带织带，轻微束缚乘员以达到提醒其注意车况、路况并调整坐姿的目的；

“调整”动作是指预紧电机快速收紧50-90mm长度的安全带织带，以适当的预紧力抵消紧急制动、转向时乘员所受的惯性力，从而帮助其保持正确的坐姿，避免碰撞发生时身体过度前倾所受损伤，其中安全带的预紧长度根据车身加速度信息由ECU内置算法计算得出，以实现精确控制预紧力，在保证乘员安全的前提下提高舒适性；

“约束”动作是指预紧电机快速收紧100-120mm长度的安全带织带，在碰撞发生时尽量束缚乘员，在安全气囊展开前先消耗掉一部分惯性势能，降低乘员与安全气囊、方向盘、车身碰撞时的冲击损伤，最大限度地保护乘员的生命安全，其中安全带的预紧长度根据车身速度、加速度信息由ECU内置算法计算得出；

“复位”动作是指在汽车由危险工况变化为正常工况或者碰撞已经发生后，解除安全带预紧，放松安全带织带回复到正常位置，以满足乘员正常乘坐的舒适性或者方便碰撞后逃生自救。

步骤4），汽车的危险等级发生变化时，电子控制单元将新危险等级和原危险等级进行对比，若新危险等级的优先级高于原危险等级，则执行新危险等级对应的预紧动作，否则继续执行原危险等级对应的预紧动作。

步骤5），若电子控制单元控制预紧电机执行“预警”或“调整”动作后未发生碰撞，且汽车的危险等级变化为零优先级信号，则电子控制单元控制预紧电机执行“复位”动作，放松安全带回复初始位置，以满足乘员正常乘坐的舒适性。

步骤6），若电子控制单元控制预紧电机执行“约束”动作且碰撞已发生，此时电子控制单元停止根据汽车的危险等级控制预紧电机工作，而是控制预紧电机在碰撞发生后1500ms执行“复位”动作，以方便乘员逃生并防止其因安全带长时间束缚而受到二次伤害。

如图2所示，该控制系统的控制策略为：

步骤A），ECU持续扫描接收新信号，并判定新的汽车危险等级。

步骤B），比较新危险等级与原危险等级的优先级，若新危险等级优先级高于原危险等级的优先级，则执行该更高优先级的新危险等级对应的预紧动作；若新危险等级的优先级不高于原危险等级的优先级，则继续执行原危险等级对应的预紧动作。

步骤C），循环执行步骤A）至步骤B）。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种主被动集成的多级预紧式安全带控制系统，其特征在于，包括前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块、电子控制单元、预紧电机执行模块、安全带织带及其固定机构；

所述前碰撞预警系统用于计算汽车前向发生碰撞的时间、即预碰撞时间TTC，并将其传递给所述电子控制单元；

所述车道偏离预警系统用于计算汽车侧向偏离车道的时间、即预偏离时间TLC，并将其传送给所述电子控制单元；

所述行车状态传感模块包括整车速度传感器、整车加速度传感器和碰撞传感器，其中，所述整车速度传感器、加速度传感器均置于汽车B柱内侧，分别用于监测汽车的速度、加速度，并将其传递给所述电子控制单元；所述碰撞传感器置于汽车前脸内侧，用于监测汽车当前是否发生碰撞，并将其传递给所述电子控制单元；

所述驾驶员操纵传感模块包括制动踏板力传感器和方向盘角速度传感器，其中，所述制动踏板传感器置于制动踏板处，用于监测制动踏板的受力大小，并将其传递给所述电子控制单元；所述方向盘角速度传感器置于汽车方向盘处，用于监测方向盘的转角速度，并将其传递给所述电子控制单元；

所述预紧电机执行模块包括预紧电机和机械传动机构，其中，所述预紧电机用于在接收到电子控制单元的控制指令时输出相应的预紧力矩给所述机械传动机构，所述机械传动机构用于在预紧电机输出的预紧力矩的驱动下拉紧安全带织带；

所述电子控制单元分别和前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块、预紧电机执行模块电气相连，用于根据前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块的传递的信号控制所述预紧电机执行模块工作。

2.基于权利要求1所述主被动集成的多级预紧式安全带控制系统的控制方法，其特征在于，包含以下具体步骤：

步骤1），前碰撞预警系统、车道偏离预警系统、行车状态传感模块、驾驶员操纵传感模块分别将实时测得的预碰撞时间TTC、预偏离时间TLC、汽车的速度、汽车的加速度、汽车当前是否发生碰撞、制动踏板的受力大小、方向盘的转角速度传递给所述电子控制单元；

步骤2），电子控制单元按照以下方式将汽车的危险等级评价为高优先级、中优先级、低优先级和零优先级：

高优先级：预碰撞时间TTC<预设的第一TTC阈值、当前发生碰撞的信号；

中优先级：预设的第一TTC阈值≤预碰撞时间TTC<预设的第二TTC阈值、或预偏离时间TLC<预设的第一TLC阈值、或制动踏板的受力大小>预设的第一力量阈值、或方向盘的转角速度>预设的第一转角速度阈值；

低优先级：预设的第二TTC阈值≤预碰撞时间TTC<预设的第三TTC阈值、或预设的第一TLC阈值≤预偏离时间TLC<预设的第二TLC阈值、或预设的第二力量阈值<制动踏板的受力大小≤预设的第一力量阈值、或预设的第二转角速度阈值<方向盘的转角速度≤预设的第一转角速度阈值；

步骤3），电子控制单元根据当前汽车的危险等级向预紧电机发送控制指令，采取相应的预紧动作，所述预紧动作包含“预警”动作、“调整”动作、“约束”动作和“复位”动作，低优先级对应“预警”动作，中优先级对应“调整”动作，高优先级对应“约束”动作，零优先级对应“复位”动作，其中：

“预警”动作是指控制预紧电机“收-放-收”30mm长度的安全带织带；

“调整”动作是指控制预紧电机快速收紧50-90mm长度的安全带织带；

“约束”动作是指控制预紧电机快速收紧100-120mm长度的安全带织带；

“复位”动作是指控制预紧电机解除安全带预紧、放松安全带织带回复到正常位置；

步骤4），汽车的危险等级发生变化时，电子控制单元将新危险等级和原危险等级进行对比，若新危险等级的优先级高于原危险等级，则执行新危险等级对应的预紧动作，否则继续执行原危险等级对应的预紧动作；

步骤5），若电子控制单元控制预紧电机执行“预警”或“调整”动作后未发生碰撞，且汽车的危险等级变化为零优先级信号，则电子控制单元控制预紧电机执行“复位”动作，放松安全带回复初始位置，以满足乘员正常乘坐的舒适性；

步骤6），若电子控制单元控制预紧电机执行“约束”动作且碰撞已发生，此时电子控制单元停止根据汽车的危险等级控制预紧电机工作，而是控制预紧电机在碰撞发生后等待预设的时间阈值执行“复位”动作，以方便乘员逃生并防止其因安全带长时间束缚而受到二次伤害。

3.根据权利要求2所述主被动集成的多级预紧式安全带控制系统的控制方法，其特征在于，所述预设的第一TTC阈值为500ms，预设的第二TTC阈值为1000ms，预设的第三TTC阈值为2000ms，预设的第一TLC阈值为200ms，预设的第二TLC阈值为500ms，预设的第一力量阈值为300N，预设的第二力量阈值200N, 预设的第一转角速度阈值为2rad/s，预设的第二转角速度阈值为1.5rad/s，预设的时间阈值为1500ms。