安全气囊的检测和智能控制.doc

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1、 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 安全气囊系统的发展11.1.1 国外安全气囊系统的发展11.1.2 国内安全气囊系统的发展21.2 传统的安全气囊控制系统中存在的问题21.3 智能型安全气囊控制系统的研究现状31.3.1 国外智能型汽车安全气囊控制的研究31.3.2 国内智能型汽车安全气囊控制的研究31.4 本课题的研究意义和研究重点31.4.1 本课题的研究意义31.4.1 本课题的研究重点内容42 安全气囊系统的组成及其工作原理52.1 安全气囊的分类52.2 安全气囊系统的组成及作用52.2.1 传感器52.2.2 气囊控制器82.2.3 气囊组件102.3 安全气

2、囊的工作原理102.3.1 工作原理102.3.2 工作实序112.4 安全气囊控制系统的点火算法122.4.1 安全气囊的控制算法的理论依据122.4.2 安全气囊目标点火时刻的确定142.4.3 安全气囊系统常用的控制算法143 基于红外的人脸检测与跟踪系统163.1 气囊系统中人脸的检测方法163.2 红外人脸检测的研究173.2.1 红外检测的基本原理173.2.2 红外检测系统的组成及作用173.3 红外人脸跟踪系统的设计方案183.3.1 关于红外阵列的安置183.3.2 人脸定位的实现方法193.4 红外人脸跟踪系统的硬件设计203.4.1 图像处理的硬件设计203.4.2 方向

3、控制的硬件设计224 多级展开的安全气囊系统设计234.1 气囊系统原理结构234.1.1 系统的组成结构234.1.2 系统中各模块的功能234.2 多级触发的设计244.2.1 二级气囊的触发条件244.2.2 二级展开的气囊袋244.2.3 二级展开的具体实现255 自动刹车系统的设计265.1 系统的设计方案265.1.1 自动刹车系统的分类265.1.2 自动刹车原理265.1.3 系统的原理结构265.2 系统的硬件及原理275.2.1 传感器和探测器275.2.2 微处理器285.2.3 系统的硬件结构285.3 系统的软件算法286 设计总结及展望30参考文献3131摘 要随着

4、整个社会所拥有汽车总数的快速增长，公共交通安全问题日益严重。越来越多的人在交通事故中受伤甚至丧生，人们也开始更多地关注汽车碰撞安全问题。几十年来，寻求减少乘员在汽车碰撞中的损伤技术，一直是汽车被动安全性研究的重要课题。安全气囊系统是在实践中被证明是保护效果突出的被动防护系统。但是在现实中，由于安全气囊的误引爆等故障而导致的乘员损伤或死亡的事故也时有发生，给人们的生命和财产造成了严重的损失。为了进一步提高安全气囊的防护效能，多方位地保护乘员安全，本文总结了目前安全气囊技术领域所取得的经验、成果和不足。通过研究因交通事故所造成的乘员损伤原因和安全气囊技术在汽车碰撞中对乘员的防护效能，对目前安全气囊

5、系统技术探讨一些改进设计研究，并加入一些新的措施，综合提高汽车安全性能。本文包括以下内容：一、安全气囊的发展现状，传统安全气囊系统存在问题和不足，并对安全气囊的分类、组成、工作原理进行分析。二、针对气囊弹射方向的控制，设计红外人脸跟踪控制系统。具体研究了红外检测在追踪乘员脸部的具体实现，进而控制气囊追踪人脸。三、在气囊系统中加入多级展开的功能，对多级展开的硬件实施进行了初步设计。四、研究汽车自动紧急刹车的实现原理和方法，设计自动刹车系统。五、总结设计过程，并指出设计有待深入的后续研究。关键词：安全气囊；人脸跟踪；多级展开；自动紧急刹车AbstractWith the rapid growth

6、of the car number of our society, the problem of public traffic safety becomes more and more serious, more and more people are injured and died in the car accidents. More attentions are paid to the vehicle crash problem. For several years, reducing the injury in vehicle frontal crash has been being

7、an important question for discussion problem of the research of vehicle passive safety. It has been proved in practice that the air-bag system has excellent protective effect in vehicle crash. But while airbag prevents occupants from serious injury or death, the injury or death by non-expected launc

8、hing happen occasionally, which have caused plenty loss of life and property in the world. In order to improve the preventing result of airbag further and multi-directional protection of occupant safety, this paper has analyzed systematically present basic theory about safety airbag and the method b

9、y which the airbag can plays protecting role and summaries the experience, results and shortages. Through investigating the reasons which cause injury in auto accident and the protecting role for passengers in vehicle crash, this paper has carried on for more research on improving the result of safe

10、ty airbag, and has put out some new measures to improve vehicle integrated safety performance in addition. The paper includes the following contents:1. The current status of airbag development, traditional security problems and lack of air bag systems, and analyze the classification, component, work

11、ing principle of the air bag.2. Aiming at controlling the air bags launch direction, design the face tracking control system based on the infrared facility. Specific studied the realization of infrared detection to peoples face, then control the air bag trace the human face.3. Add the multi-stage la

12、unch function into the system, preliminary planed the hardware implementation of the multi-stage launch. 4. Studied the principles and methods to achieve cars automatic emergency braking, and design the automatic braking systems.5. Summarize the design process, and pointed out the in-depth follow-up

13、 study of the design.Key Words: Air Bag; Face Tracking; Multi-stage Launch; Automatic Emergency Braking1 绪论汽车碰撞安全性问题自汽车诞生以来就存在，只是由于早期车速较低，车辆相对较少而未引起人们足够的重视。随着交通条件的改善和汽车的大规模生产和使用，也由于汽车车速的不断提高，碰撞安全性问题变得越来越突出。汽车发生碰撞事故后，不仅给车辆本身造成损坏，更重要的是造成乘员受伤甚至死亡。汽车交通事故造成的大量人员伤亡自然带来一系列社会和经济问题，严重影响了人们的生活和生产以及社会的正常运转，不得不

14、引起人们的高度重视。加强对汽车安全的研究，减少我国道路交通伤害，是需要全社会共同关注和努力的重要问题。1.1 安全气囊系统的发展任何有助于防止汽车碰撞事故的发生和减轻因碰撞事故引起的生命、财产损失的事务都将增加汽车的安全性。汽车的安全技术分为主动安全技术和被动安全技术两种。汽车主动安全技术指帮助驾驶员避免汽车碰撞事故发生的所有技术措施，如关系到汽车的操纵稳定性能和制动安全性能，以及信息系统和按人机工程学的要求正确试验手段等。汽车被动安全技术主要是指汽车发生交通事故后，对车内乘员或车外行人进行保护的技术措施，以免发生伤害或使伤害减低到最低程度。安全气囊系统SRS(Supplemental Res

15、traint System)，是汽车上的被动安全性保护装置，当汽车发生意外碰撞事故时，尽最大可能减少汽车驾驶员、乘员与方向盘、仪表盘和挡风玻璃之间的二次碰撞所造成的伤害，所以SRS气囊系统属于汽车辅助防护系统。安全气囊系统与座椅安全带配合使用，能为驾驶员和乘员提供更有效的防撞保护。由于气囊在汽车碰撞事故中能够有效地保护乘员，减少伤亡，近20年来，在北美、欧洲、日本等工业发达国家得到迅速的发展和普及。美国法规规定在1997年9月1日后出厂的轿车中必须安装司机侧和前排乘员侧安全气囊，而在欧洲是标准装置和选件并存，现在新车型基本都安装有安全气囊。1.1.1 国外安全气囊系统的发展SRS气囊系统是美国

16、机械工程师约翰赫缀克(John W.Hertrick)于1953年发明的，并申请美国专利。汽车安全气囊发明以后的十年，经过众多科技工作者的努力，现代汽车安全气囊已具雏形。60年代末，美国高速公路交通安全委员会(NHTSA)开始建议制定一个可选择的安全气囊法则，鼓励汽车厂商去发展安全气囊。70年代，美国通用、福特，德国奔驰、日本丰田等汽车公司以及美国MORTON公司、TRW公司、德国TEMTC公司、ICT研究院、日本DAICEL公司、瑞典AUTOLIV公司等均开始投入大量资金和人力研究与发展安全气囊，其中1971年5月德国的一个研究小组成功地将火箭推进技术应用于汽车安全气囊。这些综合力量使安全气

17、囊的研究与发展进入了一个全新的发展阶段。1973年，美国通用汽车公司开始出售可供顾客选配的汽车安全气囊。1981年，德国奔驰公司销售了3000辆配有安全气囊的汽车。1984年，美高速公路交通安全委员会(NHTSA)在著名的“联邦汽车安全标准”中208条款乘员碰撞保护(Federal Motor Vehicle Safety Standard 208，简称FMVSS 208)中增加了安装气囊的要求，这为安全气囊的发展和使用提供了一个明确的法则及指导方向。FMVSS208条款是汽车安全气囊发展史上的一个重要的里程碑。此后，欧洲也颁布了ECER94法规，紧接着日本丰田、本田，美国福特、克莱斯勒，德国

18、宝马，瑞典富豪等汽车公司纷纷开始销售配有安全气囊的汽车。进入20世纪90年代后，美国、欧共体、日本已正式立法在汽车上配置安全气囊，双气囊己成为绝大多数主流轿车的标准件。现在世界上新生产的轿车多数都安装有多个气囊，而奔驰等高级轿车每辆配置了7-11个安全气囊。在这40多年的发展过程中，安全气囊也曾遭受过十分不利的局面。1974年，美国通用汽车公司曾因气囊设计不合理，而暂时停止在其汽车上配置安全气囊。在90年代，通用汽车公司亦曾对美国TRW公司的安全气囊产品退货10万套。2000年，因安全气囊误引爆问题，法国雪铁龙汽车公司召回其出售的4万辆汽车，2001年德国奔驰公司召回15万辆安全气囊存在问题的

19、汽车(1995-1996年生产的车型)。1.1.2 国内安全气囊系统的发展安全气囊装置正被越来越多的汽车制造商和用户所重视，我国在汽车被动全性方面的研究工作起步较晚，但发展很快。清华大学汽车研究所、中国汽车技术中心、一汽、二汽、上海交通装卸机械厂等单位先后建成或引进了汽车碰撞试验台，进行了整车碰撞试验及零部件模拟碰撞试验。在汽车安全措施上，我国于1993年7月1日对小型客车驾驶员和前排乘员强制使用安全带。国产轿车也开始研究配装安全气囊。我国已于2000年1月1日实施了关于正面碰撞乘员保护的法规(CMBDR294)。在十多年的研究与发展过程中，国内许多大学与汽车公司的研究与产品已初具基础，其中部

20、分研究与技术已接近国际水平。1.2 传统的安全气囊控制系统中存在的问题实践证明，安全气囊的使用明显提高了汽车的安全性，大大降低了由于汽车交通事故造成的人员伤亡。然而，安全气囊同时也有副作用，在使用中也表现出许多令人失望的缺欠，安全气囊引起乘员伤害的主要原因在以下几个方面：传统的安全气囊系统是依据前排成年乘员的通常乘坐位置和姿态，根据安全气囊的理想点火时刻设计的，这样设计完成的系统在情况多变的汽车碰撞事故中不能够很有效地起到保护作用。因为，在汽车发生碰撞时，不同的碰撞条件及乘客的位置和姿势的变化，都会导致乘客与气囊的接触时刻不恰当，这就降低了安全气囊的保护效果。此外，传统气囊的不足还表现为：(1

21、) 汽车在恶劣路面上行驶或发生低速碰撞事故时，乘员和驾驶员系上安全带即可，完全不需要安全气囊展开起保护作用。这时气囊的错误引爆反而会造成不必要的浪费，甚至还可能因安全气囊的展开加重碰撞伤害。(2) 由于安全气囊弹开充气的速度可高达320公里/小时，碰撞时十分有可能对乘员造成过度冲击，给人带来严重的伤害。(3) 由于身高、体型差异，传统设计的安全气囊不能给予妇女和儿童很好的保护。针对以上实际问题，人们希望在安全气囊展开之前，系统能够精确感应汽车发生的碰撞，并按照程序来判断碰撞事故的严重程度，指示气囊是否弹出，以什么程度弹出；更希望系统能精确识别人脑所在位置，控制发射器方向始终对准人脑方向，从而实

22、施安全有效的保护。因此，开发和应用智能型汽车安全气囊系统是安全气囊的必然发展趋势。1.3 智能型安全气囊控制系统的研究现状1.3.1 国外智能型汽车安全气囊控制的研究英国美洲豹公司于2000年，研制并在其XK系列名车型上安装了自适应约束技术系统，即Arts系统，这套系统利用超声波传感技术监测前排乘员的位置；美国的福特汽车公司也于2002年1月在北美汽车展上，推出了由计算机控制的智能化的“先进约束系统”，其功能与Arts系统相似。最近，福特汽车公司又研制出一种新型智能安全气囊系统，称为“个人安全系统”，这种新型安全气囊系统安装了座位距离感应器和重量感应器，能够依靠座椅距离和重量传感器识别前排座位

23、人员距离仪表板的远近、身材等信息。新气囊配备有可调节充气设备，依据从传感器得到的信息，调节气囊弹出时的大小和软硬程度。1.3.2 国内智能型汽车安全气囊控制的研究我国国内，对智能型汽车安全气囊控制的研究工作做得很少，只有清华大学就车内乘员的监测系统作了一些研究。尹武良教授等研究并提出了基于电容传感器的乘员感应装置。这个装置能够探测乘员是否存在，而且能够区分座椅上是人体还是物品。1.4 本课题的研究意义和研究重点1.4.1 本课题的研究意义如上文所述，虽然安全气囊的使用明显提高了汽车的安全性，降低了由于交通事故造成的人员伤亡，但安全气囊存在的缺点依然会造成一些伤亡事故和经济损失。为改善安全气囊的

24、保护作用，国外的大汽车公司投入大量的资金和技术力量，研究开发智能型的汽车安全气囊控制系统。但是到目前为止，国内对于智能型安全气囊的研究还处于探讨、起步阶段，完整可靠的控制系统尚未出现。本文就安全气囊的缺陷做针对性思考，提出了汽车安全气囊的检测与智能控制。经过设计改进的安全气囊系统可以有效地检测并跟踪到人的脑部，随时准确地保护任意体型，任意姿态，任意碰撞状态的乘客。设计还给气囊系统辅助了自动刹车功能、多级出发功能，很大程度上，全面而人性化地提高汽车的安全性能。1.4.1 本课题的研究重点内容为实现上述的设想，课题的重点是完成对乘员人脸的检测跟踪，保持气囊的弹出不受任何因素影响而始终对着人脑部。气

25、囊的多级展开是气囊不会击伤被保护者的关键和保证，展开依据就是汽车状态。由此，设计的主要内容就是运用各种检测传感技术改进传统安全气囊。本文着重进行了以下研究工作：(1)对安全气囊系统的控制进行了学习研究；(2)确定乘员状态的检测方案，确定红外检测人脸的跟踪方法和实现；(3)气囊多级展开方案的论证和确定，初步设计硬件结构；(4)自动刹车控制方案的论证和确定，初步设计硬件结构；2 安全气囊系统的组成及其工作原理2.1 安全气囊的分类(1)按安全气囊系统的控制形式划分汽车安全气囊按控制类型不同，可分为机械式安全气囊和电子控制式安全气囊两类。机械式SRS气囊系统没有电子电路和配线，也不需要电源，完全利用

26、机械装置的动作来完成安全气囊系统的功能，早期的安全气囊属于机械式的。电子控制式安全气囊是机械式SRS气囊系统与电子技术相结合产生的。按安全气囊系统采用的电子元件，电子控制式安全气囊又分为：分立元件型、集成电路型、电脑控制型；按其控制方式，电子控制式又分集中控制式(即一个电子控制器控制两个以上的气囊)，分散控制式(即一个电予控制器只控制一个气囊)。有的把传感器也放在气囊内，所以又有内部和外部传感器式安全气囊之分，有的也叫整体式安全气囊。现代汽车上安装的SRS气囊系统大都采用电子控制式电脑型安全气囊。(2)按SRS气囊系统中气囊的数量划分按SRS气囊系统中气囊的数量和是否安装安全带预紧带，可分为以

27、下四种气囊系统。单气囊系统一般供驾驶员使用，全车只有一只安全气囊。单气囊结合安全带预紧器系统除去单气囊外，为了更安全起见，还增加电控的安全带预紧器系统，它在车辆发生碰撞时气囊一样可以充气对人身进行保护。双气囊系统结合双安全带预紧器系统即两个气囊和两个安全带预紧系统。一般是驾驶员处固定放一对(即气囊和安全带)；另外一对有的放在前排，有的放在后排。多气囊系统加多安全带预紧器系统一般每个座位前放一对，也有的在某几个座位前装安全气囊系统。(3)按SRS气囊系统的功用划分安全气囊系统可分为正面SRS气囊系统、侧面SRS气囊系统。正面SRS气囊系统安全气囊以汽车前方碰撞保护为前提而设计的，叫前方电子控制式

28、安全气囊系统。侧面SRS气囊系统为了解决侧面碰撞的安全气囊，称为侧面安全气囊一般安装在车门上。2.2 安全气囊系统的组成及作用为了完成SRS安全气囊控制系统的功能，一个完整的安全气囊系统由以下四部分组成：碰撞传感器、SRS控制电脑(ECU)、SRS系统警告指示灯、SRS气囊组件。2.2.1 传感器在安全气囊控制系统中，是采用传感器作为检测手段。汽车安全气囊中传感器的作用是检测汽车本身和乘员在发生碰撞时的减速度或惯性力，并将信息传送到安全气囊的中央控制器，由控制器经过计算判断决定气囊的开启方式。如果碰撞强度达到或超过设计的阀值，中央控制器立刻发出点火信号使安全气囊点火。按功用不同，碰撞传感器分为

29、碰撞强度传感器和碰撞防护安全传感器两大类。碰撞强度传感器用来检测汽车碰撞的激烈程度，其信号用于电脑判断是否引爆点火剂，使安全气囊充气；碰撞防护安全传感器是起到保险作用，防止碰撞传感器短路造成气囊误引爆，其信号用于电脑确定是否发生了碰撞。传感器分为机械式传感器、机电结合式传感器、电子式传感器、水银式传感器四种。2.2.1.1 机械式传感器机械式碰撞传感器如图2.1所示，它相当于一个自动控制开关，其工作状态取决于汽车碰撞时减速度的大小。(a)结构图 (b)传感器未工作 (c)传感器工作即引爆1.机械撞针 2.强力弹簧 3.平衡杠杆 4.平衡块 5.乎衡弹簧 6.雷管 7.导管 8.钢球图2.l 机

30、械式传感器机械式传感器是一种单点式传感器，可以安装在转向盘中间的气体发生器的中央。机械式传感器的结构简单、体积小，能够直接安装在安全气囊的气体发生器中，安装和调整比较简单，并且在轿车紧急制动、不平路面行使受振动以及轻微碰撞时可靠性较高。但机械式传感器属于单点式传感器，对传感器的各个零部件的加工精度要求很高，对弹簧的热处理和性能要求也很高，增加了制造成本，也不利于实行电脑控制。这种传感器主要用于初始时期的汽车安全气囊的控制，目前已很少应用。2.2.1.2 机电式传感器机电式传感器由弹簧、质量块组成，当它们承受一定强度的加速度时，质量块由于惯性作用，触发机械开关，从而引爆气囊。机电式传感器的种类比

31、较多。(1)布雷德(Breed)式机电式传感器布雷德式机电式传感器如图2.2所示。正常情况下，钢球受磁铁吸引力和导向套摩擦力的作用，保持在导向套中不动。当轿车发生碰撞而且减速度达到或超过规定闽值时，钢球因惯性力作用，克服磁铁的吸引力和导向套摩擦力，冲出导向套与电源正、负触点接触，使之导通。这种传感器有磁性铁底座，它对加速度有一个阀值要求，所以抗干扰性能更好。(a)传感器触点分开 (b)传感器触点接1.外壳 2.磁铁 3.导向套 4.惯性钢球 5.正极触点 6.负极触点图2.2 布雷德式机电传感器 (2)特克勒(TechNet)式机械电子传感器特克勒式机械电子传感器如图2.3所示：(a)传感器触

32、点分开 (b)传感器触点接触1.支架 2.卷簧 3.惯性滚筒 4.活动触点 5.固定触点图2.3 特克勒(TechNet)式机械电子传感器正常情况下，卷簧卷曲，活动触点与固定触点分开。当汽车发生碰撞且其减速度达到或超过规定阀值时，滚筒克服卷簧的阻力，使卷簧展开，活动触点与固定触点闭合，产生一个电脉冲输送到中央电子控制器中。(3)惯性旋转式机电传感器惯性旋转式机电传感器如图2.4所示：(a)传感器结构图(b)传感器动作原理图1.传感器 2.电阻 3.旋转触点 4.转轴 5.外壳 6.固定触点 7.惯性重锤 8.控制弹簧图2.4 惯性旋转式机械电子传感器正常情况下，惯性重锤受到弹簧力的作用，保持与

33、外壳上的止动块相接触，旋转触点不动，电路处于断开状态。当汽车发生碰撞而且车的减速度达到或超过规定闽值时，惯性重锤困惯性作用产生一个惯性力，克服弹簧的弹力，驱动转子转动并带动旋转触点转动，当旋转触点与固定触点相接触时，立即产生一个电脉冲，输入到气囊的中央控制器中。2.2.1.3 电子式传感器电子式传感器主要有压电式、压阻式和电容式。压电式由质量块、弹簧及压电晶体组成，当晶体承受压力时，便输出电荷量。压阻式由在硅梁上制成的硅片电阻构成桥路。硅梁变形时，桥路中电阻变化而引起输出电压变化。电容式由硅栅组成的电容极板组成。硅栅变形时，引起电容变化。电子式传感器输出信号为连续的模拟量。集成式传感器多采用电

34、容式和压阻式。以Motorola公司的MMAS40G为例，它是电容式的集成传感器，其优点是集成度高，其内部集成有电容加速度传感器，低通滤波器，温度补偿等模块；接口简单，可靠性高；具有自测试能力，可及时发现异常现象。2.2.2 气囊控制器气囊控制器是气囊控制系统的核心部件，其控制原理是各生产厂家严格保密的核心技术。控制器要能够准确判断出正碰、偏碰、斜碰等各种复杂情况下的汽车碰撞强度，同时能够准确引爆气囊。控制器主要有机械式、模拟电子式、带微处理器的智能式几种。机械式控制器主要用于低成本的气囊系统，其应用已减少。目前应用最多的控制器是带有微处理器的智能控制器，常称为中央电子控制器(ECU)，对电子

35、式传感器测得的信号进行处理，输出点火信号，其原理框图如图2.5所示。图2.5 气囊控制器原理图中央电子控制器主要由电压调节电路、备用电源电路、引爆控制电路、安全传感器电路、自诊断报警电路组成，其结构如图2.6所示。图2.6 中央控制器(ECU)结构框图(1)电压调节电路主要用于维持各元器件工作电压平衡，使控制电路始终处于最佳状态。满足各个电器元器件的电压要求。(2)稳压备用电源电路由于电器负载的变化，线圈和开关断或通等，电源电压会产生波动，影响系统的正常工作。备用电源由大容量电容组成。防止碰撞后电路断路而不能引爆气囊。通过它的自放电功能，向气囊的引爆电路输出应急电流，确保气囊及时引爆。(3)点

36、火控制电路该电路负责收到安全传感器的触发信号后，向气体发生器的电热引爆管发出引爆大电流。(4)碰撞传感器电路该电路用来判断碰撞性质和碰撞程度的，从而决定是否发出引爆信号。判断依据是：一个真正的碰撞事故发生时，车辆的减速度极大，且超过系统的设计设定值，持续的时间较长，有两级冲击波形。如果这些条件同时满足，该电路就发出点火信号，否则，只能继续监控或引爆报警信号。(5)故障监测报警电路用于检测监测气囊系统的工作状态是否正常。通过系统的自检程序，如果发现系统出现故障，则点亮车辆仪表盘上的报警灯。2.2.3 气囊组件气囊组件包括气体发生器、气袋、衬垫和螺旋形电缆组成。(1) 气体发生器气体发生器包括电子

37、式雷管、增压剂、气体发生器，常分为压缩气体式(冷式)、燃烧式(热式)和混合式三种。压缩气体式主要与机械式传感器及控制器连用。由于其产生气体少、充气速度慢等缺点，应用较少。燃烧式是通过燃烧剂(推进剂)燃烧产生大量的气体，产气量大，充气速度快、且较容易控制，应用较多。燃烧剂一般为叠氮化钠(NaN3)，叠氮化钠燃烧产生无害的氮气，但同时产生大量热量和固体颗粒，所以要采取降温、过滤等相应措施。且叠氮化钠溶于水后有毒，对环保不利。新式的燃烧剂有可燃气体式，它将氢气和氧气按一定的比例混合加压储存在储气瓶中。它燃烧后形成水，没有固体颗粒，且燃烧前后产物都无毒，是一种理想的燃烧剂。混合式是用少量的物质产生足够

38、的热量，使得压缩气体迅速膨胀。其产气量大，而产生的热量少，是今后的发展方向。为防止火药产生的热量对乘员造成损伤，气袋内部常涂有隔热层。(2) 气囊袋气囊袋由尼龙丝材料构成，是SRS气囊系统的重要组件之一，安全气囊袋已经历了四个发展过程：第一代为缝制型的聚氯丁烯涂层织物；第二代为缝制型的硅酮橡胶涂层织物；第三代为缝制型的非涂层织物；第四代为非涂层全成型气囊袋，这种气囊袋在织机上直接加工成袋状，属非缝制型。第一、二代气囊袋主要通过涂层来控制织物的透气性，第三、四代则通过织物的经纬密度和织物自身的结构来控制织物的透气性。2.3 安全气囊的工作原理2.3.1 工作原理SRS安全气囊控制系统的设计思想是

39、：在汽车发生一次碰撞之后，二次碰撞前的短暂时间内(约120m)内，在驾驶员、乘员与车内构件之间迅速铺垫一个气垫，是使驾驶员、乘员头部与胸部压在充满气体的气垫(即气囊)上，利用气囊本身的阻尼作用或气囊背面排气孔排气节流的阻尼作用来吸收人体惯性力产生的动能，达到保护人体的目的。气囊工作原理图如图2.7所示。图2.7 SRS安全气囊系统的工作原理传感器感受汽车碰撞强度并将碰撞强度信号传递给中央控制器，中央控制器接受、处理传感器传来的信号并进行判断。若碰撞强度达到了安全气囊控制系统设计的展开安全气囊的条件，中央控制器立即通过点火控制电路向气体发生器传送点火信号，气体发生器点火后迅速产生大量的气体充入气

40、袋，在乘员和汽车内部结构之问展开一个充满气体的气袋，使得在发生碰撞事故时，乘员能够得到气袋的缓冲，而不至于和坚硬的汽车结构猛烈碰撞。气囊系统的工作过程示意图可以用图2.8表示。图2.8 安全气囊工作过程示意图现在美国、欧洲等发达国家除了在方向盘上、仪表板安装前碰撞气袋外，还在后排座椅配备前碰撞安全气囊；在座椅侧面配备侧碰撞气囊；汽车顶部配备翻滚气袋；在窗帘处配备窗帘式气袋，这样在汽车发生碰撞事故，如正碰，侧碰和翻滚等情况下，都能够良好的保护乘员。2.3.2 工作实序汽车从发生碰撞开始到危险解除的时间间隔大约为120ms，在这么短的时间内，安全气囊系统要实现检测、判断、触发、充气、排气整个过程，

41、所以说安全气囊的工作历程非常短，用我们的肉眼是无法确定的。实际上在设计安全气囊系统时，要考虑到碰撞开始和碰撞完全结束用的时间，安全气囊的工作时间更短。安全气囊系统工作的时序可参看图2.9：(a)10ms (b)40ms (c)60ms (d)110ms图2.9 SRS气囊系统的动作时序图可见整个安全气囊对乘员的保护过程大约为60-80毫秒。(1)碰撞约10ms后，SRS系统达到引爆极限，气囊组件中的电雷管引爆点火剂，并产生大量热量，使充气剂(叠氮化钠药片)受热分解，驾驶员尚未动作，如图2.9(a)所示。(2)碰撞约40ms气囊完全充满，体积最大，驾驶员向前移动，安全带斜系在驾驶员身上并收紧，部

42、分冲击能量已被吸收，如图2.9(b)所示。(3)碰撞约60ms后，驾驶员头部及身体上部压向气囊，气囊背面的排气孔在气体和人体压力作用下排气利用排气节流作用吸收人体与气囊之间弹性碰撞产生的能量，如图2.9(c)所示。(4)碰撞约110ms后，大部分气体已从气囊逸出，驾驶员身体上部回到座倚靠背上，汽车前方恢复视野，如图2.9(d)所示。(5)碰撞约120ms后，碰撞完全解除，车速降低至零。由此可见在SRS气囊系统动作过程中，气囊动作时间极短。从开始充气到完全充满的时间约为30ms，从汽车遭受碰撞开始，到SRS气囊收缩为止，所用时间仅为120ms左右。2.4 安全气囊控制系统的点火算法安全气囊控制系

43、统的任务是准确判断汽车发生碰撞的强度，然后发出点火指令，继而引爆气囊，在乘员和车内设施之间形成一个气垫，以缓和冲击并吸收碰撞能量，起到保护乘员的作用。根据传感器获得的车身减速度波形，选择合理、有效的碰撞算法是设计气囊控制系统的关键。2.4.1 安全气囊的控制算法的理论依据(1)安全气囊的点火条件气囊的点火条件是指在一定的碰撞条件下安全气囊必须点火，而在另一种条件下不得点火，也就是确定点火阀值。通常根据大量的碰撞事故统计数据，总结出不同车速下的碰撞事故对乘员造成的伤害程度，据此确定何种车速需要对乘员进行保护，即确定气囊的引爆车速，确定气囊的点火时刻。为了使安全气囊能够准确地点火，必须研究安全气囊

44、的点火控制策略，防止发生误点火、漏点火和迟点火等现象。研究内容主要涉及到点火条件和最佳点火时刻的确定等方面。(2)评价乘员伤害的人体伤害指标由于安全气囊控制算法中，用来确定是否引爆安全气囊的设计阀值，是根据汽车碰撞过程中，乘员所受的伤害程度来确定的，所以，要研究安全气囊目标点火控制算法问题，首先要解决的是如何评价碰撞对乘员造成的伤害。目前评价碰撞对乘员造成的伤害主要是以FMVSS208为标准进行评价。评价碰撞对乘员造成的伤害，要分别评价头部的HIC(Head Injury Criteria)值、胸部的加速度、腿部力，而且要评价气囊对乘员的面部、胸部、颈部等伤害情况。下面为主要部位的碰撞伤害指标

45、：A. 头部伤害指标安全气囊碰撞试验中，对乘员碰撞保护的定量分析主要取决于试验假人的伤害评价指标。根据FMVSS208中的标准，假人头部的合成加速度应使最大HIC值不过1000g(g为重力加速度)，头部的合成加速度的公式为： (2.1)式(2.1)中：HIC(Head injury Criteria)头部损伤指标；a(t)碰撞时头部合成加速度(其值为重力加速度g的倍数)；，碰撞发生期间头部的任意两个时刻(单位为秒)；B. 颈部对冲击的耐受性以不可忍受的颈部疼痛为限，颈部的运动范围和允许作用载荷如下：前屈：=61o77o，M=190Nm后伸：=60o76o，M=68Nm其中：头相对于躯干旋转的角

46、度；M作用于头颈关节的力矩；C. 胸损伤耐限当作用时间超过3ms时，假人胸部质心合成减速度应不大于60g。对于前部冲击，胸壁瞬时速度和相对压缩量之乘积，对遭受严重损伤50概率VC限为1.0m/s。胸部挤压变形76mm。D. 下肢骨耐限冲击力沿股骨长轴方向作用，压缩股骨而不产生股骨骨折的冲击力峰值如下：F=23.140.71KN，T20msF=8.90KN，T20ms大腿上所承受的安全带的压力不超过1000N，即FBLM1000N。2.4.2 安全气囊目标点火时刻的确定由于工作任务的特殊性，汽车安全气囊控制系统，必须具备点火判断、发出点火信号的功能，还应准确判断碰撞强度、引爆车速。汽车的碰撞形式

47、多种多样，其碰撞强度、减速度波形、车身变形等都不一样，安全气囊系统必须准确判断碰撞强度，并准确、可靠地控制气囊引爆。目前，确定安全气囊的目标点火时刻，普遍采用的是12.7cm30ms准则。这个准则的含义是：汽车碰撞过程中，乘员在未系安全带的情况下，乘员头部向前移动12.7cm时刻的前30ms时刻为目标点火时刻。由于人的头部离方向盘的距离约为30.5cm，气囊充满气体时的厚度约为17.8cm。因此人的头部移动12.7cm后即与气囊接触，此时气囊充满气体，而气囊充满气体的时间约为30ms，所以在汽车碰撞过程中，乘员头部向前移动12.7cm时的前30ms为气囊的最佳点火时刻。下图2.10为乘员位移一时间曲线。图2.10 乘员位移及减速度时间曲线汽车开始碰撞时刻为0，对应乘员位移为0。延迟时间后，乘员开始移动，时刻为乘员头部位移为12.7cm时刻