KR20090060434A - 차량의 개인 보호 수단을 트리거하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

차량의 개인 보호 수단을 트리거하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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토마스 브랜드마이어
크리스티안 라우어러
미하엘 페저
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

본 발명은 차량의 개인 보호 수단, 특히 차량의 탑승자 보호 수단을 트리거하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 가속도 센서(41)는, 트리거링 임계치(th)와 비교되는, 제1 충격 파라미터 식(I)을 생성한다. 샤시 노이즈 센서(42)는 제2 충격 파라미터 식(II)을 생성한다. 트리거링 임계치(th)는 제2 충격 파라미터 식(II)에 따라서 변화된다.

Description

차량의 개인 보호 수단을 트리거하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR TRIGGERING A PERS0NAL PROTECTION MEANS FOR A VEHICLE}
본 발명은 차량의 개인 보호 수단, 특히 차량의 탑승자 보호 수단을 트리거(trigger)하기 위한 방법으로서, 특히 가속도 센서인 제1 충격 센서가 특히 가속도 신호인 제1 충격 신호를 생성한다. 가속도 신호로부터 도출되는 제1 충격 변수를 임계치와 비교한다. 또한 제2 충격 센서가 제2 충격 신호를 기록하고, 제2 충격 신호로부터 도출되는 제2 충격 변수가 형성된다. 제1 충격 변수와 비교된 임계치가, 제2 충격 변수의 값들의 범위에 대하여 적어도 부분적으로, 제2 충격 변수에 따라서 달라지도록 상기 임계치를 변형(fashion)하는데, 이 때 제2 충격 변수의 값들의 다른 범위에서는 일정하게 유지될 수 있다. 바람직하게는 단지 가속도 신호가 임계치를 초과하는 경우에만, 개인 보호 수단이 트리거된다.
이러한 장치가 유럽 특허 EP 0 458 796 B2에 개시되어 있다. 거기서, 차량 탑승자 안전 시스템에서 구속 장치를 트리거하는 방법이 개시되는데, 탐지된 가속도 신호 또는 그로부터 도출된 신호를, 차량에 분산되게 배치될 수 있는 하나 이상 의 센서들에 의한 하나 이상의 신호들로부터 도출되는 하나 이상의 충격 변수들에 따라서 달라질 수 있는 임계치와 비교한다(청구항 제1 항 및 제9 항, 그리고 칼럼 12, 33줄 내지 42줄). 탑승자 보호 수단은 단지 가속도 신호 또는 그로부터 도출된 신호가 이 가변적인 임계치를 초과하는 경우에만 트리거된다.
이러한 유형의 방법들과 이러한 방법들을 사용하는 장치들은 차량 사고에 연류된 사람들을 보호하는 역할을 한다. 차량 사고가 발생하자마자 개인 보호 시스템 내 개인 보호 수단을 트리거하기 위하여, 센서들, 예를 들어 가속도 센서들, 압력 센서들 등이 사용된다.
개인 보호 수단은 한편으로 예를 들어, 에어백들, 벨트-텐셔너들(belt-tensioners) 또는 예를 들어, 사고 영역으로부터 멀리, 예를 들어 차량의 전방에서 사고가 난 경우 차량의 후방으로, 차량 시트가 이동하는 것과 같은 차량 사고 동안 탑승자 보호를 위한 다른 기능적인 요소들, 또는 예를 들어, 슬라이딩 루프(sliding roof)의 닫힘 등과 같은 다른 기능들과 같은 탑승자 보호 수단을 포함하는 것으로 고려될 수 있다. 그런데 개인 보호 시스템은 또한, 예를 들어 일단 보행자와의 충돌이 탐지되면, 상응하는 보행자 보호 수단이 트리거될 수 있는 보행자 보호 시스템을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 자동차 보닛( hood)이 들어올려져서, 상기 보닛에 대하여 연관된 보행자의 충격을 줄여서 상기 보닛 아래에 직접적으로(directly) 위치한 강체 엔진 블록이 보행자에게 심한 부상 을 입히지 않도록 할 수 있다.
충격 탐지에 사용되는 센서 기술은 가능한 짧은 시간 후에 적절한 보호 수단이 트리거될 수 있도록 충격의 특성에 관한 정보를 확인할 수 있어야만 한다. 안전 탐지를 위해 가용한 시간은 일반적으로 차량에 정면으로 충격하는 경우보다 측면으로 충격하는 경우에 대체로 더 짧다.
정면으로 충격하는 사고들의 탐지를 위하여, 가속도 센서들이 주로 사용되는데, 가속도 센서들은 차량 몸체에 가능한 단단하게 연결되고, 예를 들어, 차량 터널 상에, 주로 (탑승자 보호 시스템을 위한) 중앙 처리 유닛 내부에, 또는 그렇지 않으면 선택적으로 부가적으로, 차량의 앞 쪽 또는 차량의 측부의 하나 이상의 지점들에서 배치될 수 있다.
그런데 자동차 공학에 있어서, 개인 보호에 관한 높은 안정성의 요구들로 인하여, 탑승자 보호 수단을 트리거하기 위해 단지 하나의 센서 신호를 이용할 뿐만 아니라 적어도 타당성 체크 목적으로, 제2의 센서 신호를 이용할 것을 점점 더 요구하고 있다. 이것은 예를 들어 가속도 센서와 협력하는, 자동차의 전술한 위치들의 어느 하나에 위치한 다른 가속도 센서일 수 있지만, 차량 앞쪽의 캐비티(cavity) 내부의 압력 센서 또는 그렇지 않으면 고체 전파음 센서일 수도 있다.
예를 들어 전술한 특허 명세서 EP 0 458 796 B2에 기술된 바와 같이, 두 충격 센서들의 신호들의 조합(combination)에서, 제1 센서의 신호는 제2 센서의 신호에 따라서 가변되는 임계치 특성 커브와 변화된다.
탑승자 보호 수단을 트리거하기 위하여 가속도 센서들과 고체 전파음 센서들(structure-borne sound sensors)을 동시에 사용하는 것이 유럽 특허 명세서 EP 0 305 654 B1에 개시되어 있다.
또한 EP 1 019 271 B1에는 다음이 개시되어 있다: 여기에 개시된 자동차 내 탑승자들을 보호하기 위한 장치는, 자동차의 차체 부재의 고체 전파음의 편위(偏位, excursion)를 탐지하는 센서를 포함하는데, 상기 센서는 탐지된 고체 전파음에 따라서 자동차의 탑승자 보호 수단을 제어하기 위하여, 자동차의 차제 부재에서의 고체 전파음의 횡방향 편위(transversal excursion)를 탐지한다.
DE 10 2005 020 146 A1(도면 및 [0019] 내지 [0029] 참조)은 차량의 개인 보호 수단을 트리거하기 위한 방법을 개시하는데, 가속도 센서이고 제1 충격 신호로서 가속도 신호를 제동하는 제1 충격 센서와, 고체 전파음 센서이고 제2 충격 신호로서 고체 전파음 신호를 제공하는 고체 전파음 센서를 포함한다. 제2 충격 신호 (고체 전파음 신호)는 관계되는 충격 물체가 보행자, 다른 차량, 나무, 또는 기타단지 공 또는 돌인가에 따라서 달라지는 변수이다. 단지 관계되는 충돌 물체가 보 행자인 경우에만, 트리거링 신호가 개인 보호 시스템에 보내지는데, 여기서 개인 보호 시스템은 보행자를 보호하기 위해 활성화되는 보행자 보호 시스템이다. 한편으로 제1 충격 센서(가속도 센서)의 신호들로부터 그리고 특별히는 제2 충격 센서(고체 전파음 센서)의 신호로부터 결정될 수 있는, 충돌의 격한 정도(severity)에 따라서, 탑승자 보호 시스템이 목적된 방식으로 트리거되거나 트리거되지 않을 수 있다.
신호들이 하나 이상의 탑승자 구속 수단(occupant-restraining means)을 트리거하기 위해 사용되는 가속도 센서들 및/또는 다른 충격 센서들로서, 근래에 차량에 일반적으로 배치되는 것은, 차량 중심 내, 바람직하게는 차량 터널 상의, 탑승자 구속 시스템의 중앙 제어 유닛 상 또는 내부에 배치되는, 진행 방향으로 가속도에 민감한 가속도 센서, 그리고 차량의 왼편과 오른편에 분산되는 두 센서들이다. 이러한 분산된 센서들은 종종 위성들(satellites)이라고 불린다. 분산된 센서들은 이른 충돌 센서들(early crash sensors, ECS)일 수 있고, 다시 말해서 분산된 센서들은 충격에 의해 야기되는 가속도 신호들을 처음으로 중앙 제어 유닛에 매우 이른 단계에서 통신할 수 있다. 이러한 신호들은 일반적으로 중앙 제어 유닛에서 이른 경고로서 사용될 뿐만 아니라, 또한 중앙 유닛의 중앙에 배치된 가속도 센서의 가속도 신호의 값들의 타당성 검토를 위한 신호들로서도 사용된다.
그런데 두 분산화된 센서들의 연결(cabling)의 결과, 그리고 또한 일반적으 로 단지 센서들뿐만 아니라 신호 처리 및 평가 전자부와 통신 전자부가 위성들에 배치될 수 있기 때문에, 이러한 배치는 제공에 더 많은 시간을 요하고 더 비용이 들 뿐만 아니라 더 간섭(interference)하기 쉽다. 여기서 탑승자 보호 시스템들에서 이러한 어떤 분산된 센서 유닛(위성)을 제거하는 것 또는 이른 충돌 센서들의 수를 줄이는 것은, 특히 전면 충격 탐지에 대하여, 충격 탐지의 적합함(suitability)이 변하지 않은 채로 유지될 수 있다면, 이로울 것이다.
그런데, 특히 탑승자 보호 시스템의 중앙 제어 유닛 내부에 특히 전면 충격 탐지에 단지 하나의 가속도 센서가 사용되는 충돌 시험들에서, 어떤 충격 유형들은 어렵게만이 서로로부터 구별될 수 있음이 보여진다. 특히, ODB(offset deformable barrier) 충돌 시험들에서, 변형 가능한 물체들이 차량의 전면과 정도를 달리하여 오버랩되어(overlapping to differing degrees with) 차량 전면에 대하여 주로 옆으로(laterally) 충돌(strike)하는 "소프트 충돌들"은, 보험 충돌 시험들에서(insurance crash tests)에서, 예를 들어 알리안츠 기술 센터(Allianz Center for Technology)의 AZT 충돌 시험들에서, 예를 들어 단단한 벽에 대하여 또는 비교적 변형되지 않는 물체들에 대하여 차량 전면과 정도를 달리하여 오버랩되는 충격 사건들인 "하드 충돌들"과 어렵게만이 구별될 수 있다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 차량들에서 충격의 다른 유형들을 보다 양호하게 구별할 수 있는 것이다. 상기 과제는 제1 항에 따른 방법에 의해서 해결된다. 또한, 상기 과제는 제7 항에 따른 장치에 의해서 해결된다.
본 발명에 따른 차량의 개인 보호 수단, 특히 차량의 탑승자 보호 수단을 트리거(trigger)하기 위한 방법에 있어서, 가속도 센서인 제1 충격 센서가 제1 충격 신호, 즉 가속도 신호를 제공하고, 상기 가속도 신호로부터 제1 충격 변수를 도출하고 임계치와 비교한다. 제2 충격 센서가 제2 충격 신호를 제공하고, 상기 제2 충격 신호로부터 제2 충격 변수가 형성된다. 임계치가 상기 제2 충격 변수에 따라서 달라지도록 상기 임계치를 변형(fashion)한다. 단지 제1 충격 변수가 상기 임계치를 초과하는 경우에만, 개인 보호 수단이 트리거된다. 트리거되는 것은 또한 다른 척도(criteria)에 따라서도 행해질 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 제2 충격 센서가 고체 전파음(structure-borne sound) 센서이고, 제2 충격 신호는 고체 전파음 신호이고, 제2 충격 변수는 고체 전파음 신호의 음향 에너지, 음향 파워, 또는 평균 음향 파워의 측정이고 이로써 충격 동안 차량의 체적 변화 측정(measure)이라는 것에 의해 특징지워진다. 이것은 제2 충격 변수가 고체 전파음 신호의 음향 에너지, 음향 파워, 및 평균 음향 파워 중 하나 이상에 대략(approximately) 비례하고, 이로써 특히 또한 체적 변화에 적어도 대략 비례한다는 것을 의미하는 것으로서 이해될 수 있다.
제2 충격 변수는 바람직하게는 고체 전파음 신호(aks)의 측정치의 또는 그 시간-정규화된 또는 비정규화된 시간 적분의 절대값에 의해 형성되거나 또는 적어도 상기 절대값으로부터 도출된다. 실제적으로, 이 값들이 자주 고체 전파음 파워의, 시간-평균된 고체 전파음 파워의, 또는 고체 전파음 신호의 에너지의 측정(measure)으로서 사용되는데, 이것은 많은 경우 이 값들이 일반적으로 대개 다른 근사화된 변수들보다 연산이 더 용이하고 그 결과 연산 지출(computational outlay)을 더 낮게 유지할 수 있고, 이것은 차례로 선택적으로 더 값싼 프로세서들을 사용하는 것을 가능하도록 하여 비용을 절감할 수 있기 때문이다. 그러나 물론 다른 이유들에 의해서도 이러한 접근이 선호될 수 있다.
유사하게, 다른 예시적인 실시예들에서 제2 충격 변수가 고체 전파음 신호(aks)의 측정치의 또는 그 시간-정규화된 적분의 제곱에 의해 형성되거나 또는 적어도 상기 제곱으로부터 도출된다면, 이로울 수 있는데, 그 효과는 전술한 근사화된 변수들과 등가적일뿐만 아니라, 또한 그들보다 파워, 평균 파워 및 에너지에 대한 물리적인 정의에 더 부합할 수 있다.
제1 충격 변수로서, 바람직하게는 시간에 따른 가속도 신호의 변화 측정이 사용된다. 이를 도면의 상세한 설명에 의해 상세히 설명할 것이다. 그런데 어떤 경우에서 본 발명에 따른 방법은 제1 충격 변수에 대한 이 특정한 실시예에 제한되지 아니한다. 어떤 특정한 조건 하에서는 또한 제1 충격 변수들로서 가속도 신호로부터 도출된 다른 변수들을 사용하는 것이, 예를 들어 가속도 신호의 슬라이딩 시간 평균 값(sliding temporal mean value), 전처리 단계에서 어플리케이션에 대하여 선택적으로 적절히 필터링된 가속도 신호를 또한 의미하는 것으로 항상 이해되는 가속도 신호 자체, 적분된 가속도 값에 근거한 속도의 측정 등을 사용하는 것이 또한 이로울 수 있다.
본 발명은 차량에서 충격 사건 동안 저주파 고체 전파음은 균질한(homogeneous) 고체 내에서의 음파 진행을 나타내는 간단한 모델로 대략 근사될 수 있다는 가정에 기초한다. 동시에, 간단한 스프링-질량 모델에 의해 충격 사건을 기술하기 위해 상대적으로 저주파인 가속도 신호가 사용되는데, 이전에는 측정에 의해 하나의 변수, 즉 변형 경로 및 결과적으로 차량의 변형된 체적을 얻을 수 없었기 때문에, 이 모델은 이전에는 사용될 수 없었다. 그런데 이 변수는 이제 고체 전파음 모델로부터 및 고체 전파음의 측정으로부터 측정을 통해 얻어질 수 있다. 이런 방식으로, 이전에는 이용할 수 없었던 변수를 트리거링 임계치로서, 측정된 신호, 즉 가속도 신호, 또는 이로부터 도출된 제1 충격 변수가 비교되는 상기 트리거링 임계치를 변화시키는 데에 사용할 수 있다. 이런 방식으로, 이전에는 어렵게만 구별할 수 있었던 충격의 유형들을 서로로부터 명확하게 구별할 수 있다. 특히, 충돌 시험들, 특히 예를 들어, 전술한 ODB 또는 AZT 충돌 시험들에서 특히 중요한 "소프트 충돌" 또는 "하드 충돌"로 충격을 분류할 수 있다.
가속도 신호들에 대한 새로운 충돌 모델은 스프링 진동 방정식에 의해 물리적으로 기술될 수 있는 간단한 스프링-질량 모델이라는 가정에 근거한다. 이 스프링-질량 모델로부터, 미분 방정식의 가속도에 대한 해가 차량의 가속도에 대하여 얻어질 수 있다. 이 방정식의 미분(derivation)은, 즉, 가속도를 미분한 것은 충격 동안 체적 변화에 비례한다.
다른 한편으로, 고체 전파음 모델은 고체 전파음 신호의 음향 에너지, 음향 파워, 또는 평균 음향 파워가 또한 충격 동안 차량의 체적 변화에 비례한다는 가정에 근거한다. 그런데 음향 파워는 측정된 고체 전파음으로부터 간단한 방식으로 도출할 수 있는데, 예를 들어, 가장 간단한 근사로서는 측정된 고체 전파음 신호를 제곱하여서 도출할 수 있다. 그 결과, 충격 신호 즉 고체 전파음 신호로부터 도출된 제2 충격 변수를 이용할 수 있는데, 제2 충격 변수는 충격 동안 자동차의 체적 변화에 또한 직접 비례한다.
간단한 고려에 의해서, "하드 충돌"의 그리고 "소프트 충돌"의 극단적인 조건들이 얻어진다. 이들로부터, 자동차의 체적 변화를 따르는 제1 충격 변수에 대한 임계치 특성 커브가 얻어질 수 있다. 임계치 특성 커브들 양자는 탑승자 보호 수단를 트리거하는데 사용될 수 있다: 제1 충격 변수가 제2 충격 변수를 따르는 이러한 결합된 임계치 특성 커브를 초과한다면, 개인 보호 수단이 트리거된다.
바람직한 실시예들이 종속항들에서 구체화된다.
고체 전파음은 음속으로 몸체 내를 진행하는 탄성 응력파(elastic stress wave)로서 정의될 수 있다. 고체 전파음 발생의 결과는 서로 다른 미시적(microscopic) 및 거시적(macroscopic) 효과(effects)이다. 이들은 물질의 고전적인 변형(classic deformation) 동안 발생한다. 여기서, 고체 전파음은 변형 동안 재료-물리적인(material-physical) 메커니즘들에 의해 생성된다. 금속의 소성 변형(plastic deformation)에서 핵심이 되는 물리적인 효과는, 특히 전위 이동(dislocation movements), 쌍정(twinning)("tin cry"라고도 함), 마르텐사이트 변형(martensitic transformation), 루더스 변형(Lueders deformation), 크랙 변형(crack formation) 및 이러한 고체의 분열(fracture)이다. 금속의 결정학적인 구조에서의 이런 미시적인 변화들은 변형 동안 개별적인 몰들과 몰들 그룹들의 또는 심지어 개별 원자들의 또는 원자들의 그룹들의 여기(excitation)를 서로 다르게 만든다. 이런 프로세스에서, 고체전파음이라 불리는 음의 발생이 나타난다.
이것은 특히 충격 사건 동안 또한 차량의 부분들의 변형 동안 나타난다. 특히, 자동차 산업에서 사용되는 것과 같은 새로운 유형의 강철들과 합금들, 예를 들어 TRIP 강은 변형 동안 충분한 음 발생을 생성한다. 고체 전파음 출현에 기여하는 모든 물리적인 메커니즘에 대하여 공통적인 사실은 이들이 차량의 변형 영역에서 변형 과정 동안 발생할 수 있다는 것이다. 여기서 생성되는 고체 전파음의 음향 파워는 물질 또는 연류된 물질들의 특성 및 변형의 유형에 의존할 뿐만 아니라 변형된 체적 및 변형 속도에 의존한다. 고체 전파음 출현에 있어서 주요한 부가적인 외부적인 원인은 마찰이다. 이것은 변형 영역에서 불가피하게 나타나고 또한 변형된 체적 및 변형 속도에 의존한다. 변형 영역에서 고체 전파음의 개별적인 원인들은 음속으로 차량 구조에서 진행하는 전체적인(overall) 신호를 제공하는데, 이 신호는 거의 모든 지점에서 측정할 수 있다.
고주파 고체 전파음의 전송은 일반적으로 오늘날 탑승자 구속 수단을 트리거하기 위해 사용되는 저주파 가속도 신호들로서 약 400 Hz 이하의 제한 주파수가 측정되는 상기 저주파 가속도 신호들과 진행 속도와 진폭 감쇠에 있어서 다르다. 고체 전파음은 주로 이 주파수 이상으로 측정된다. 또한 고체 전파음은 수개의 파 유형들로 구성된다. 이들은 예가 굽힘파(flexural wave)와 종파(longitudinal wave)이다. 주파수가 400 Hz인 굽힘파는 3 mm 두께 강철판 내를 100 mm/ms의 속도로 진행한다. 동일한 파 유형이 50 kHz의 주파수를 가지고 2400 mm/ms의 속도로 진행하는 것이 이미 보여졌다. 종파는 퍼짐 효과(dispersive effects)를 나타내지 아니하고 이런 방식으로 앞서 언급한 강철판을 주파수와 무관하게 약 5000 mm/ms의 속도로 진행한다. 그 결과, 심지어 센서 위치가 충격 위치로부터 멀리 위치했을지라도, 고체 전파음은 매우 빠르게 센서 위치에 이를 수 있다.
탑승자 구속 수단을 트리거하기 위한 고체 전파음 신호들의 적절성을 검토하기 위하여, 최근에 차량에서 수많은 충돌 시험들이 행해졌다. 시험 차량들은 몇몇 위치들에 다양한 센서들을 구비한다. 예를 들어, 고체 전파음 센서들은 차량 앞쪽의 락킹 크로스 부재(locking cross member)에 장착된다. 탑승자실(passenger cabin)에서, 중앙 제어 유닛 내부의 중앙 제어 유닛의 하우징 상에서, 그렇지 않으면 중앙 제어 유닛 내부의 인쇄 회로 기판 상에서 센서들이 중앙 제어 유닛의 위치에 근접하게 터널 상에 배치된다.
구별하기 어려운 충돌 유형들을 특히, 고체 전파음 신호들을 사용하여 보다 용이하게 인식할 수 있는 것이 설정된다:
- 충격 속도가 16 km/h이고 충격 물체인 강체 벽과 40% 표면 오버랩(overlap)되는 AZT 보험 시험, 그리고 "대너 시험(Danner test)"에서, 벨트-텐셔너들(belt-tensioners) 또는 에어백들의 트리거링은 전혀 예정되지 않고,
- 강체벽에 20 km/h로 충돌하고 충격 물체와 완전히 표면 오버랩되는 충돌 시험에서, 에어백은 다시 트리거되는 것으로 예정되지 않고,
- 예를 들어 유로(Euro) NCAP 충돌 시험들에서 사용된 것처럼 충격 속도가 64 km/h인 ODB(offset deformable barrier) 충돌 시험에서, (전술한 두 충돌 시험들과는 대조적으로) 벨트-텬셔너들과 에어백들의 매우 신속한 트리거링의 발생이 의도된다.
이러한 충돌 시험들에 있어서, 많은 위치들이 차량에 고체 전파음 센서들을 장착하기에 적절하다는 것이 설정된다. 실시예들은 탑승자실(passenger cabin) 내부 중앙 터널 및 락킹 크로스 부재를 포함하지만, 에어백 시스템의 중앙 제어 유닛 내부의 위치도 가능하다.
본 발명에 따른 방법의 잇점은 특히 2 kHz 이상, 대개는 심지어 4 또는 6 kHz 이상에서 20 kHz 이상까지 측정되는 고주파 고체 전파음 신호로부터, 생성된 충격 신호의 다른 주파수 대역에서 특히 400 Hz 이하의 주파수에서, 가속도 센서에 의해 가속도 신호들이 측정된다는 것이다.
가속도 신호 및 고체 전파음 신호 양자의 측정하기 위하여 몇몇 이로운 변형들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 양자의 신호 성분들을 측정하기 위하여 가속도 센서를 이용할 수 있다. 이 경우, 최근에는 대개 마이크로역학(micromechanical) 기술을 이용하여 제조하는 일반적인 가속도 센서를 이용하여, 마이크로역학 센서 셀에 의해 20 kHz 이상까지의 측정을 평가할 수 있다. 하향 스트림으로(downstream) 적절히 연결된 필터들은 한편으로 저주파 가속도 신호에 대하여 400 Hz까지 추출될 수 있도록 할 수 있고, 다른 한편으로 더 큰 주파수를 가지는 신호에 대하여 20 kHz 이상 [sic]까지의 사이에서 추출될 수 있도록 할 수 있다. 이것은 이러한 방식으로 결합된 고체 전파음 센서 및 가속도 센서가 하우징 내부에 예를 들어 탑승자 보호 시스템의 중앙 제어 유닛 내에 뿐만 아니라, 또한, 예를 들어, 예상되는 변형 영역에 근접하게 위치한 차량의 전면 위치에 배치될 수 있다는 잇점을 가진다. 두 개의 별개의 센서 유닛들과 비교하여, 이것은 동일한 마이크로역학 센서 셀뿐만 아니라, 동일한 전처리(pre-processing) 및 후-처리(further-processing) 전자부 및 통신 전자부의 적어도 일부가 신호 성분들 양자에 대하여 이용될 수 있다는 잇점을 가진다. 이로써 첫째 비용이 절감되고 둘째, 예를 들어 전자기 간섭 방사(interference radiation)에 의해 전송 경로 상에 야기될 수 있는 영향들로부터, 간섭이 줄어들 수 있다.
이러한 결합된 센서 유닛은 바람직하게는 중앙 제어 유닛 내부에 배치될 수 있다. 이것은 특히, 평가 유닛에의 전송 이전에 센서 신호들이 디지털화되지 않아도 된다는 잇점을 가지는데, 센서 신호들이 평가 전자부까지 단지 매우 짧은 선 경로(line paths)만을 가로지르기 때문이다.
다른 한편으로, 몇몇 차량 구조들에서 이러한 결합된 센서 유닛이 예상되는 변형 영역에 더 가까운 전면 위치에 배치되는 것이 이로울 수 있다. 이 경우, 특히 가속도 신호들이 중앙 제어 유닛에서 보다 빠르게 나타날 수 있는데, 처음으로 더 느린 가속도 신호들이 차량 구조를 가로질러 더 긴 경로를 커버(cover)하지 않아도 되기 때문이다.
그런데, 차량 설계 및 결과로서 예측되는 충격 신호들에 의해, 고체 전파음 센서 및 가속도 센서 각각이 별개의 하우징을 구비하면서 별개의 센서 유닛들에 배치되는 것이 타당한 것으로 나타난다면, 본 발명에 따른 방법의 적용은 어떤 방식으로든지 이러한 배치를 배제하지 아니한다.
고체 전파음 센서 및 가속도 센서를 차량 내에 적절하게 배치하는 것에 있어서 중요한 것은, 차량의 강체 구조 부재들에, 예를 들어 길이 방향 부재들(longitudinal members) 또는 대각선 부재들(cross members), 차량 터널, B 필라(B-pillar), A 필라 또는, 전술한 바와 같은, 락킹 크로스 부재(the locking cross member)에 양자를 단단히 연결(rigid connection)하는 것이다.
본 발명에 따라서 고체 전파음 신호들을 이용하여 탑승자 구속 수단을 트리거하기 위해, 강체 차량 구조에의 단단한 연결을 제공하는 한, 차량의 측부 구조에 고체 전파음 센서를 부착하는 것조차 가능하다.
이하 본 발명의 근원적인(underlying) 물리적인 모델들과 예시적인 실시예를 개략적인 다이어그램들을 참조하여 설명할 것이다. 이하 동일한 디자인 및 기능적인 피쳐들(features)을 동일한 도면 부호를 사용하여 가리킬 것이다.
지금까지 그리고 무엇보다도 후술할 도면의 상세한 설명에서, 주로 전면 충격 탐지 용도의 시스템들을 언급하지만, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치 중 어느 것도 전면 충격 탐지에 한정되지 아니한다. 양자는 또한 측면 충격 탐지에도 사용될 수 있다.
도 1은 강체 차량 구조와 본 발명에 따른 가속도 센서와 본 발명에 따른 고체 전파음 센서가 배치되는 가능한 위치들을 나타내고,
도 2는 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 탑승자 보호 장치를 나타내고,
도 3은 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 탑승자 보호 장치를 나타내고,
도 4는 음향 파워 모델을 나타낸 것이고,
도 5 는 차량 충격의 스프링-질량 모델을 나타낸 것이고,
도 6은 "하드 충돌"에 대한 임계치 특성 커브를 나타내고,
도 7은 "소프트 충돌"에 대한 임계치 특성 커브를 나타내고,
도 8은 본 발명에 따른 결합된 임계치 특성 커브를 나타내고,
도 9는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 실시예에 대한 일 시퀀스를 나타낸다.
도 1은 자동차의 지지 차체 부재들(supporting bodywork components)을 개략적으로 나타낸다. 자동차(10)의 앞 부분(front section)이 도시되어 있다. 지지 차체 부재들(13, 14, 15, 17 및 18)이 서로 연결되어 있다. 도면 부호 19는 자동차의 차량 터널(vehicle tunnel)을 가리키며, 이 또한 지지 차체 부재를 구성한다. 모든 지지 차체 부재들은 기계적으로 서로 단단히 연결된다.
도면 부호 16으로 가리킨 도어들에는 압력 응답 센서들(pressure-responsive sensors)(3)이 배치되는데, 압력 응답 센서들(3)은 옆편의(lateral) 탑승자 보호 수단(occupant-protection means)을 트리거(trigger)하는 역할을 한다. 이들은 (도면에서 미도시) 중앙 터널(19)에 배치된 평가 유닛에 전기적으로 연결된다.
도면 부호 4는 가속도 센서들 및 고체 전파음 센서들(structure-borne sound sensors)의 가능한 위치들을 나타낸다. 도입부에서 전술한 바와 같이, 고체 전파음 센서(42)와 가속도 센서(41)는 서로 독립적일 수 있지만, 적절한 필터 전자부(filter electronics)에 의해 가속도 센서(41) 및 고체 전파음 센서(42)에 대한 서로 다른 두 주파수 범위들의 분리가 구현되면서, 또한 단지 하나의 센서 유닛(4) 내에 구현될 수 있다. 도 1 및 도 2에서 센서 유닛(4) 내부에 점선으로 된 경계선을 도시하여, 이러한 두 변형들(variants)을 도식적으로 나타냈다. 도 1은 단지 결합된 센서 유닛(4)만을 나타내지만, 센서 유닛(4) 내부에서 고체 전파음 센서(42)가 가속도 센서(41)와 분리되고 도면 부호 4로 라벨링한 차량의 어느 위치들에도 배치될 수 있다. 그러나 고체 전파음 센서(42)와 가속도 센서(41)가 배치되는 변형과는 무관하게, 고체 전파음 센서(42)와 가속도 센서(41)는 평가 유닛(2)과 항상 서로 신호적으로 연결된다. 바람직하게는, 도 1에 도시한 바와 같이, 평가 유닛(2')과 결합된 센서 유닛(4)은 중앙 제어 유닛(2) 내부에 배치된다.
그런데, 만약, 결합된 센서 유닛(4)이 예를 들어 위성 유닛(satellite unit)으로서 앞 크로스 부재(cross member) 상에 또는 분산된(decentralized) 위치에 배치된다면, 데이터가 결합된 센서 유닛(4)으로부터 중앙 제어 유닛(2)으로 전달되기 전에 디지털화된 후에 결합된 센서 유닛(4) 내 통신 유닛(미도시)로 전송되어야 하는데, 이것은 센서값들(a, aks)를 디지털화하고 적절한 통신 프로토콜에 의해 이들을 처리하고 중앙 제어 유닛(2)에 이들을 전송한다. 여기서, 디지털화된 센서 신호들을 다시 디코딩할 수 있고 평가 유닛(2') 내부의 적절한 평가 알고리듬으로 이들을 전달(feed)할 수 있는 상응하는 수신 수단이 제공되어야 한다.
도 4는 화살표로 나타낸 길이 방향으로 변형되는 경우에 있는 차량의 길이 방향 부재(longitudinal member)를 개략적으로 나타낸다. 차량의 길이 방향 부재의 변형 동안 출력되는 음향 파워(sound power)(P)에 대한 물리적인 관계식은 다음과 같이 가정된다:
Figure 112009021774532-PCT00001
여기서
P는 W 단위의 음향 파워이고,
S는 Jm-3 단위의 포텐셜 음향 에너지 밀도(potential sound energy density) 이고,
A는 m2 단위의 충격 표면이고 ,
v는 ms-1 단위의 충격 속도이고,
Figure 112009021774532-PCT00002
는 m3s-1 단위의 체적 변형률이다.
포텐셜 음향 에너지 밀도(S)는 물질 의존 상수를 구성한다. 포텐셜 음향 에너지 밀도(S)는 소정의 차량 부분에 특징적이고, 경험적으로 결정될 수 있다. 체적 변형률(
Figure 112009021774532-PCT00003
)은 시간당 변형된 물질 체적이다. 체적 변형률(
Figure 112009021774532-PCT00004
)은 또한 변형 속도(v)와 변형된 부분의 충격 표면(A)에 의해 나타낼 수 있다. 이러한 관계로부터, 출력된 고체 전파음(P)의 변형 속도(v)에 대한 직접적인 의존이 도출될 수 있다.
차량의 충격 동안, 전체 신호(total signal)는 포함된 모든 차량의 부분들의 변형으로부터 생성된다. 그런데, 제1 가정에서, 차량의 강체 구조를 형성하지 아니하는 차체의 다른 부분들의 영향을 무시하면서, 도 1에 도시된 것과 같은 차량의 강체 부분들이 도 4에 따른 고체 몸체처럼 함께 거동할 것이라고 가정한다. 이러한 한도에서, 음향 파워(P)에 관한 전술한 관계는 전체로서 차량에 적용된다.
음향 파워(P)의 측정치는 예를 들어, 선택적으로는 신호 전-처리에서 필터링 된, 고체 전파음 신호(aks)의 절대값, 바람직하게는 그것의 시간-정규화된 시간 적분, 고체 전파음 신호(aks)의 또는 바람직하게는 그것의 시간-정규화된 시간 적분의 제곱이다.
경험적으로 결정되는 포텐셜 음향 에너지 밀도(S)가 알려져 있으므로, 그 결과 이런 방식으로 측정될 수 있는 음향 파워(P)는 체적 변형률(
Figure 112009021774532-PCT00005
)에 직접(directly) 비례한다. 이러한 체적 변형률(
Figure 112009021774532-PCT00006
)은 임계치 특성 커브를 변화시키기 위하여 제2 충격 변수로서 사용된다.
도 5는 측정가능한 저주파수 가속도 신호(a)에 관하여 차량 충격이 기초하는 물리적인 모델을 나타낸다. 그것은 대체로 스프링-질량 모델이다. 충격시 발생하는 힘은 변형에 따라서, 특히 변형 경로(deformation path)에 따라서 나타나는데, 다시 말해서 예를 들어 전면 충격(frontal impact)의 경우, 변형된 범위의 길이(X)는 충격의 길이에 달한다(reach over). 변형 길이(X) 내에서 자동차의 변형된 물질은 스프링 상수, 소위 충돌 강성(crash rigidity)(C)을 가지는 스프링으로서 근사된다. 각 차량 모델에 대하여 적어도 대략 알려진 차량의 총질량은 스프링 상에 초기 속도(v0)를 가지고 작용하는 균질한 질량(homogeneous mass)(m)으로서 근사된다. 도면 부호 100은 장애를 나타내는데, 이 장애에 대항하여 차량(10)으로 나타낸 스프링과 질량의 변형이 발생한다. 전술한 모델에 의해서, 다음의 미분 방정식 이 도출된다:
Figure 112009021774532-PCT00007
각 주파수
Figure 112009021774532-PCT00008
와 함께, 이 미분 방정식의 해는 실제 가속도(active acceleration)에 대하여 다음과 같이 얻어진다:
Figure 112009021774532-PCT00009
여기서 t는 시간을 나타낸다.
Figure 112009021774532-PCT00010
, 여기서 A는 충격 표면과 함께, 궁극적으로 다음이 얻어진다:
Figure 112009021774532-PCT00011
수학식 1 및 수학식 4로부터, 본 예시적인 실시예의 제1 충격 변수
Figure 112009021774532-PCT00012
과 제2 충격 변수
Figure 112009021774532-PCT00013
사이의 관계가 얻어진다:
Figure 112009021774532-PCT00014
여기서
Figure 112009021774532-PCT00015
은 충돌 경도(crash hardness)를 나타내는데 대체로 충돌 강성을 충격 표면(A)으로 나눈 것(C/A)이다.
이 기능적인 관계에 의해서, 제1 충격 변수
Figure 112009021774532-PCT00016
에 대한 임계치(th) 특성 커브가 근원적인(underlying) 물리적인 충격 모델에 따라서 제2 충격 변수
Figure 112009021774532-PCT00017
의 함수로서 이롭게도 변형될 수 있다.
도입부에서 언급한 하드 충돌(hard crash)에 있어서, 변형 경로(X)는 극단적으로 짧다. 이것은 예를 들어, 강체 벽에 대한 충돌 시험 또는 AZT 충돌 시험의 경우인데, 이 경우에서, 적어도 충격 사건의 초기 구간에서 상대적으로 짧은 변형 경로(X)가 얻어진다. 이 경우 앞의 수학식 5로부터 제1 충격 변수에 대하여 극단적인 값이 나타날 수 있다:
Figure 112009021774532-PCT00018
여기서 k1은 차량 모델에 대하여 경험적으로 결정되는 상수이다.
도 6은 제1 충격 변수
Figure 112009021774532-PCT00019
에 대하여 제2 충격 변수
Figure 112009021774532-PCT00020
의 함수로서 그로부터 얻어지는 임계치 특성 커브를 나타낸다. 쌍곡선의 임계치 특성 커브를 실선으로 나타냈다. 이 임계치 특성 커브의 표현에 있어서, 임계치 쌍곡선 위 오른쪽의 제1 충격 변수
Figure 112009021774532-PCT00021
에 대한 값 값들이 하드 충돌 발생에 대한 척도(criteria)로서 나타날 수 있고, 이를 기초로 탑승자 구속 수단이 트리거될 수 있다. 또한, 탑승자 보호 시스템의 신뢰성을 보다 향상시키고자, 일정한 최소 변형률 값들과 최소 가속도 증가들이 제공될 수 있는데, 이를 도 6에 수직선에 평행한 점선과 수평선에 평행한 점선으로 나타냈다. 최소 변형률과 최소 가속도 증가의 존재는 하드 충돌에 대한 부가적인 척도로서의 역할을 한다. 그 결과, 도 6에서 빗금친 영역은, 하드 충돌로 분류되어서, 탑승자 보호 수단을 트리거하기에 충분한
Figure 112009021774532-PCT00022
의 함수로서
Figure 112009021774532-PCT00023
의 값들의 범위를 나타낸다.
도 7은 소위 소프트 충돌(soft crash)에 대한 임계치 특성 커브를 나타낸다. 소프트 충돌은, 동시에 전체 차량의 상대적으로 작은 가속도가 발생하면서, 자동차 내로 충격을 가하는 물체의 침투 깊이가 큰 것으로 특징지워진다. 소프트 충돌은 예를 들어, 유형 ODB 충돌 시험에서 또는 폴-충격(pole-impact) 충돌 시험에서 기대된다. 최대 침투 깊이에 대한 전술한 방정식의 최대값을 예측(estimate)함으로써, 제1 충격 변수
Figure 112009021774532-PCT00024
와 제2 충격 변수
Figure 112009021774532-PCT00025
의 상호관계가 다음과 같이 얻어질 수 있다:
Figure 112009021774532-PCT00026
여기서 k2는 다시 차량-특징적인 상수를 나타낸다. 이로부터 도 7에서 실선 으로 도시한 것과 같이 체적 변형률
Figure 112009021774532-PCT00027
(제2 충격 변수)의 함수로서 3차 임계치 특성 커브가 나타난다. 가속도
Figure 112009021774532-PCT00028
(제1 충격 변수)의 변화에 대하여 임계치(th) 특성 커브의 왼쪽의 모든 값들은 트리거링 척도로서 간주된다. 또한, 점선으로 도시된 것들(즉, 수직선에 병행한 점선으로 도시한 최소 변형률과 수평선에 평행한 점선으로 도시한 최소 가속도 증가)는 도 6의 경우에서처럼 부가적인 트리거링 척도로서 나타날 수 있다.
도 8은 도 6 및 도 7로부터의 임계치 특성 커브들의 조합을 나타낸다. 단지 임계치(th) 특성 커브 왼편의 빗금친 영역만이 탑승자 보호 수단이 트리거되지 아니하는 경우를 나타낸다. 이 결합된 임계치(th) 특성 커브를 사용하여, 그렇지 않으면 구별하기 어려운 벽 충격 사건들, 소위 AZT 충돌 시험, 소위 하드 충돌 유형들과 좀 더 자주 소프트 ODB 충돌 유형 양자를, 이제 서로로부터 구별할 수 있다.
차량 충격들은 크게 세 가지 충격 유형들, 선택적으로는 더 많은 유형들로 분류될 수 있는데, 예를 들어 하드, 중간, 및 소프트 충격들로 분류될 수 있다. 충격에 대하여 얻어지는 제1 충격 변수들
Figure 112009021774532-PCT00029
의 일 세트(set)를 작도하는 것은, 세 가지 전형적인 충격 유형들에 대하여 특성 커브들 각각이, 도 8에서 하드, 중간, 및 소프트 충돌 각각에 대하여 도면 부호 I, II 및 III로 라벨링한 원점을 지나는 직선 부근을 적어도 근접하게 지나감을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 방법의 개략적인 시퀀스를 나타낸다. 방법 단계 1에서, 가속도 센서(41)는 가속도 신호(a)를 기록하고 고체 전파음 센서(42)는 고체 전파음 신호(aks)를 기록한다.
가속도 신호(a)는 이후 방법 단계 21에서 미분되고, 고체 전파음 신호(aks)는 방법 단계 22에서 체적 변화
Figure 112009021774532-PCT00030
로 변환된다. 가속도 변화
Figure 112009021774532-PCT00031
과 체적 변화
Figure 112009021774532-PCT00032
는 이후 방법 단계 31에서 전술한 물리적인 상호관계들에 따라서 충격의 경도(
Figure 112009021774532-PCT00033
)를 연산하기 위하여 변환된다. 이후 방법 단계 51에서, 충돌이 "소프트 충돌"인지 또는 "하드 충돌"인지를 설정한다.
방법 단계 51로부터의 결과는, 가속도 변화
Figure 112009021774532-PCT00034
및 체적 변화
Figure 112009021774532-PCT00035
와 함께, 평가 유닛(2')에 저장된 물리적인 충격 모델을 기초로 하여, 임계치(th) 특성 커브를 변화시키고자 이후의 방법 단계 32에서 사용된다.
여기서 보여지는 방법 시퀀스에 있어서, 예를 들어 도 8에 도시된 임계치 특성 커브는 특히 두 부분들로 이루어지는데: 한 부분은 "하드 충돌"로부터 얻어지는 것이고, 다른 하나는 "소프트 충돌"로부터 얻어지는 것이다.
이후 방법 단계 52에서, 가속도 변화를 이런 방식으로 얻어진 임계치 특성 커브에 대하여 비교한다. 가속도 변화
Figure 112009021774532-PCT00036
를 초과한다면, 이후 방법 단계 61에서, 탑승자 보호 수단에 대하여 트리거링 신호가 출력되고 탑승자 보호 수단이 트리거된다.

Claims (8)

  1. 차량의 개인 보호 수단, 특히 차량의 탑승자 보호 수단을 트리거(trigger)하기 위한 방법으로서,
    - 가속도 센서인 제1 충격 센서(41)가 제1 충격 신호(a)인 가속도 신호를 제공하고,
    - 상기 가속도 신호(a)로부터 도출되는 제1 충격 변수(
    Figure 112009021774532-PCT00037
    )를 임계치(th)와 비교하고,
    - 제2 충격 센서(42)가 제2 충격 신호(aks)를 제공하고,
    - 상기 제2 충격 신호(aks)로부터 도출되는 제2 충격 변수 (
    Figure 112009021774532-PCT00038
    )가 형성되고,
    - 상기 임계치(th)는 상기 제2 충격 변수(
    Figure 112009021774532-PCT00039
    )에 따라서 달라지도록 변형(fashion)되고,
    - 바람직하게는 단지 상기 가속도 신호가 상기 임계치(th)를 초과하는 경우에만, 상기 개인 보호 수단이 트리거되고,
    - 상기 제2 충격 센서(42)는 고체 전파음(structure-borne sound) 센서이고,
    - 상기 제2 충격 신호(aks)는 고체 전파음 신호이고,
    - 상기 제2 충격 변수(
    Figure 112009021774532-PCT00040
    )는 충격 동안 상기 차량의 체적 변화 측정(measure)을 적어도 대략적으로(approximately) 나타내고, 상기 제2 충격 변수 (
    Figure 112009021774532-PCT00041
    )가 상기 고체 전파음 신호(aks)의 음향 에너지에, 음향 파워에, 또는 평균 음 향 파워에 비례하는 것을 특징으로 하는,
    차량의 개인 보호 수단을 트리거하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 충격 변수(
    Figure 112009021774532-PCT00042
    )는 상기 고체 전파음 신호(aks)의 측정치의 또는 그 시간-정규화 적분의 절대값에 의해 형성되거나 또는 적어도 상기 절대값으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는,
    차량의 개인 보호 수단을 트리거하는 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제2 충격 변수(
    Figure 112009021774532-PCT00043
    )는 상기 고체 전파음 신호(aks)의 측정치의 또는 그 시간-정규화 적분의 제곱에 의해 형성되거나 또는 적어도 상기 제곱으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는,
    차량의 개인 보호 수단을 트리거하는 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 충격 변수(
    Figure 112009021774532-PCT00044
    )는 가속도 변화의 측정임을 특징으로 하는,
    차량의 개인 보호 수단을 트리거하는 방법.
  5. 제1 항 내지 제3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계치(th)가 적어도 부분적으로(at least in sections), 상기 제2 충격 변수 (
    Figure 112009021774532-PCT00045
    )에 반비례하는 것을 특징으로 하는,
    차량의 개인 보호 수단을 트리거하는 방법.
  6. 제1 항 내지 제4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계치(th)가 적어도 부분적으로, 상기 제2 충격 변수 (
    Figure 112009021774532-PCT00046
    )의 세제곱에 비례하는 것을 특징으로 하는,
    차량의 개인 보호 수단을 트리거하는 방법.
  7. 가속도 센서(41), 고체 전파음 센서(42) 및 두 충격 센서들(41, 42)의 신호들에 대한 평가 유닛(2')을 포함하는 차량의 개인 보호 수단, 특히 차량의 탑승자 보호 수단을 트리거하기 위한 장치로서,
    제1 항 내지 제6 항 중의 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기에 적합한 장치임을 특징으로 하는,
    차량의 개인 보호 수단을 트리거하는 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 가속도 센서(41)와 상기 고체 전파음 센서(42)가 공유되는 센서 유닛(4)에 의해 형성되되, 공유되는 센서 요소에 의해 광대역(broadband) 가속도 신호가 측정될 수 있고, 저역 통과 필터에 의해 저주파 가속도 신호(a)가 생성될 수 있고, 고역 통과 필터에 의해 고체 전파음 신호(aks)가 생성될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    차량의 개인 보호 수단을 트리거하는 장치.
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