CN104228741A - 基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法及***,方法包括:a.检测汽车与障碍物发生碰撞的时间,并与预置的安全时间进行比较,若碰撞时间小于预置的安全时间,则启动磁控胶泥缓冲装置;b.预估汽车与障碍物发生碰撞时的碰撞参数;c.根据碰撞时间和碰撞参数,在碰撞前预置磁控胶泥缓冲装置中的阻尼调节器的初始电流,使阻尼调节器在碰撞时产生预期的理想的阻尼力,并在碰撞发生后,通过调节阻尼调节器的输出电流值,控制磁控胶泥缓冲装置产生的阻尼力。本发明实现了磁控缓冲***的预估控制,可以解决磁控缓冲***的响应滞后性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车安全防护领域,尤其涉及基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法及***。
背景技术
随着我国经济的迅猛发展,汽车数量逐年持续增加,各种交通事故大幅上升,在这样的背景下,汽车安全防护就显得尤为重要,为了使汽车在发生碰撞瞬间降低对驾乘人员的冲击,人们研究了大量的汽车安全技术以及不同类型的汽车碰撞防护装置,其中领用磁流变技术提高汽车在被撞过程中的吸能性具有极其广阔的应用前景。例如:公开号为CN10124982OA,的中国发明专利,公开了一种“基于磁流变技术的汽车碰撞缓冲装置及缓冲吸能方法”,但该专利是在碰撞以后才能调节电流输出,忽略了磁流变缓冲装置的响应滞后性对控制效果的影响;又如:公开号为CNIO2975679A,的的中国发明专利,公开了一种“基于磁流变技术的汽车碰撞缓冲方法及***”,提出在碰撞开始前开始调节磁流变缓冲***,但其通过判断安全距离的方法有一定的局限性,而且在碰撞后采用闭环控制策略也会对***的缓冲效果产生不利的影响。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法及***,充分考虑了磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置的响应滞后性,在碰撞开始前调节磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置,并对碰撞参数预估,在碰撞过程中采取开环控制和预估控制策略。
本发明提供的基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法包括如下步骤:
a.检测汽车与障碍物发生碰撞的时间,并与预置的安全时间进行比较,若碰撞时间小于预置的安全时间,则启动磁控胶泥缓冲装置;
b.预估汽车与障碍物发生碰撞时的碰撞参数;
c.根据碰撞时间和碰撞参数,在碰撞前预置磁控胶泥缓冲装置中的阻尼调节器的初始电流,使阻尼调节器在碰撞时产生预期的理想的阻尼力,并在碰撞发生后,通过调节阻尼调节器的输出电流值,控制磁控胶泥缓冲装置产生的阻尼力。
进一步,步骤c包括以下步骤:
c1.建立汽车在碰撞过程中磁控胶泥缓冲装置产生的理想阻尼力模型:
式中,Fopt为汽车在碰撞过程中所受的理想阻尼力,Ek为在发生碰撞时汽车相对障碍物的动能,seff为磁控胶泥缓冲装置的有效冲击行程;
其中Ek通过下式获得:
式中,m为汽车的质量,v初为汽车与障碍物碰撞时的初速度;
c2.根据步骤b预估的碰撞参数,构建汽车碰撞动力学模型;
c3.根据汽车碰撞动力学模型及理想阻尼力模型,预置磁控胶泥缓冲装置中的阻尼调节器的初始电流;
c4.根据磁控胶泥缓冲装置的滞后性,利用预测控制算法,改变磁控胶泥缓冲装置中的阻尼调节器的励磁电流。
进一步,步骤c4所述预测控制算法包括以下步骤:
c41.汽车与障碍物在t0时刻发生碰撞,提前时间t0对阻尼调节器预置初始电流I初,I初=β×I初opt,其中β=1.1~1.2,0~t0为磁控胶泥缓冲装置的响应滞后时间,I初opt为预估的碰撞时产生理想阻尼力Fopt时输出的励磁电流;
c42.在t0时刻汽车与障碍物发生碰撞,控制电源减小输出励磁电流,输出电流为I初opt,由于磁控胶泥缓冲装置的滞后性,在t1时刻电流达到I初opt,t0~t1时间为磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置的响应滞后时间;
c43.在t1时刻控制电源增大输出励磁电流,输出电流为:β×I末opt,其中β=1.1~1.2,I末opt为预估的碰撞末时刻的理想输出电流,由于磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置的响应滞后性,在t2时刻达到β×I末opt,t1~t2为磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置的响应滞后时间;
c44.在t2时刻减小输出励磁电流,控制电源输出电流为I末,直至碰撞结束。
进一步,所述碰撞参数至少包括汽车与障碍物碰撞时的初速度以及碰撞类型,所述碰撞类型分为正碰、偏置碰和斜碰。
进一步,步骤a包括以下步骤:
a1.检测汽车与障碍物之间的相对距离;
a2.根据步骤a1的测量结果,计算汽车与障碍物之间的碰撞时间;
a3.将碰撞时间与预置的安全时间进行比较,所述预置的安全时间为磁控胶泥缓冲装置的响应滞后时间与汽车与障碍物之间相对距离的检测周期之和。
a4.根据步骤a3比较的结果,若碰撞时间大于或等于安全时间,则返回步骤a1;若碰撞时间小于安全时间,则启动磁控胶泥缓冲装置。
进一步,步骤a2分为如下步骤:
a21.根据检测的汽车与障碍物的相对距离,按下式获取汽车与障碍物之间的相对速度:
式中,T是探测***的检测周期,sn是汽车与障碍物的相对距离,sn-1是上个检测周期的汽车与障碍物的相对距离;
a22.根据汽车与障碍物之间的相对速度,按下式获取汽车当前的加速度:
式中,vn-1上周期所测的相对速度;
a23.利用牛顿第二定律获取汽车与障碍物的碰撞时间Δt:
进一步,一种基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制***,包括:
探测***,用于检测汽车与障碍物之间的相对距离;
磁控胶泥缓冲装置,包括:可控电源和阻尼调节器,所述阻尼调节器通过可控电源与控制器连接;
控制器,分别与探测***和磁控胶泥缓冲装置连接;
其特征在于:所述控制器包括:参数预估单元,预估汽车与障碍物碰撞时的初速度、碰撞类型、理想阻尼力及阻尼调节器的初始电流。
进一步,所述探测***包括:距离探测装置和信号调理模块,所述距离探测装置通过信号调理模块与控制器连接;所述距离探测装置至少为2个,且按同一水平线固定安装在汽车保险杠和横梁之间,并与汽车保险杠和横梁保持平行。
进一步,所述控制器还包括:碰撞判断单元和电流控制单元,所述碰撞判断单元输入端与信号调理模块的输出端连接,碰撞判断单元的输出端与参数预估单元的输入端连接,碰撞判断单元判断碰撞时间是否小于预置的安全时间;所述电流控制单元的输入端与参数预估单元的输出端连接,电流控制单元的输出端与可控电源的输入端连接,电流控制单元控制可控电源改变输出电流给阻尼调节器。
进一步,所述信号调理模块至少包括信号放大器、滤波器及A/D转换器,所述放大器的输入端与距离探测装置的输出端连接,所述放大器的输出端与滤波器的输入端连接,所述滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接,所述A/D转换器的输出端与控制器的输入端连接。
本发明的有益效果:本发明在汽车与障碍物发生碰撞前对其碰撞时间进行预估,预估与磁控胶泥缓冲装置发生碰撞时的碰撞参数,根据碰撞参数预估在汽车碰撞时所受的理想阻尼力,预测施加给阻尼调节器的初始电流,并提前施加初始电流,这样可以在碰撞发生前对磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置进行调节。另外由于磁控胶泥缓冲装置的响应滞后性,本发明在碰撞过程中采用开环控制及预估控制策略,可有效调节励磁电流,进而在碰撞过程中有效调节阻尼调节器。由此方法可以实现在碰撞过程中对汽车碰撞加速度的理想控制。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述:
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的流程示意图。
图3是本发明的控制效果的电流示意图。
图4是本发明的对磁控胶泥缓冲装置施加的励磁电流示意图。
具体实施方式
如图1所示,是本发明的一种基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制***,包括:
探测***,包括:距离探测装置和信号调理模块4,用于检测汽车与障碍物之间的相对距离;
磁控胶泥缓冲装置,包括:可控电源2和阻尼调节器1,所述阻尼调节器通过可控电源与控制器连接;阻尼调节器通过改变输出的电流来改变阻尼调节器中的磁控胶泥产生的阻尼力,磁控胶泥是一种磁性软粒悬浮液,当液体被注入减振器活塞内的电磁线圈后,线圈的磁场将改变其流变特性(或产生流体阻力),从而在没有机电控制阀、且机械装置简单的情形下,产生反应迅速、可控性强的阻尼力。
控制器3,包括:参数预估单元、碰撞判断单元和电流控制单元。参数预估单元用于预估汽车与障碍物碰撞时的初速度、碰撞类型、理想阻尼力及阻尼调节器的初始电流;碰撞判断单元的输入端与信号调理模块的输出端连接,碰撞判断单元的输出端与参数预估单元的输入端连接,碰撞判断单元用于判断碰撞时间是否小于预置的安全时间;电流控制单元的输入端与参数预估单元的输出端连接,电流控制单元的输出端与可控电源的输入端连接,电流控制单元用于控制可控电源改变输出电流给阻尼调节器。
其中,距离探测装置可以为雷达或距离传感器等,距离探测装置至少为2个,本实施例中采用的是雷达,数量为4个,雷达按同一水平线固定安装在汽车保险杠和横梁之间,并与汽车保险杠和横梁保持平行。
信号调理模块至少包括信号放大器、滤波器及A/D转换器,所述放大器的输入端与距离探测装置的输出端连接,所述放大器的输出端与滤波器的输入端连接,所述滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接,所述A/D转换器的输出端与控制器的输入端连接。雷达***将采集到的信息传递到信号调理模块,经过放大,滤波处理后,再经过转换器进行转换,将模拟信号转化为数字信号,再将数字信号信息传递到控制器,使用信号调理模块可以提高雷达采集距离信号的准确性,有效去除噪声干扰。
如图2所示,一种基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法,包括如下步骤:
a.检测汽车与障碍物发生碰撞的时间,并与预置的安全时间进行比较,若碰撞时间小于预置的安全时间,则启动磁控胶泥缓冲装置;
b.预估汽车与障碍物发生碰撞时的碰撞参数;
c.根据碰撞时间和碰撞参数,在碰撞前预置磁控胶泥缓冲装置中的阻尼调节器的初始电流,使阻尼调节器在碰撞时产生预期的理想的阻尼力,并在碰撞发生后,通过调节阻尼调节器的输出电流值,控制磁控胶泥缓冲装置产生的阻尼力。
其中,步骤a又包括以下步骤:
a1.检测汽车与障碍物之间的相对距离;
a2.根据步骤a1的测量结果,计算汽车与障碍物之间的碰撞时间;
a3.将碰撞时间与预置的安全时间进行比较,所述预置的安全时间为磁控胶泥缓冲装置的响应滞后时间与汽车与障碍物之间相对距离的检测周期之和。
a4.根据步骤a3比较的结果,若碰撞时间大于或等于安全时间,则返回步骤a1;若碰撞时间小于安全时间,则启动磁控胶泥缓冲装置。
步骤a2又分为如下步骤:
a21.根据检测的汽车与障碍物的相对距离,按下式获取汽车与障碍物之间的相对速度:
式中,T是探测***的检测周期,sn是汽车与障碍物的相对距离,sn-1是上个检测周期的汽车与障碍物的相对距离;
a22.根据汽车与障碍物之间的相对速度,按下式获取汽车当前的加速度:
式中,vn-1上周期所测的相对速度;
a23.利用牛顿第二定律获取汽车与障碍物的碰撞时间Δt:
a24.根据汽车与障碍物当前的相对速度、加速度以及碰撞时间,按下式获取汽车与障碍物碰撞时刻的初始速度:
v初=vn+anΔt
式中,vn是汽车与障碍物间的相对速度,an是当前的加速度,Δt是汽车与障碍物间的碰撞时间;
在步骤a1中,比较4个雷达5L1、5L2、5R1、5R2所测量的相对距离sLn1、sLn2、sRn1、sRn2;
如果sLn1=sLn2=sRn1=sRn2,则碰撞类型为正碰;
如果sLn1=sLn2或sRn1=sRn2,则碰撞类型为偏置碰;
如果sLn1、sLn2、sRn1、sRn2互不相等,则碰撞类型为斜碰;
雷达测量汽车与障碍物之间的距离sn=min{sLn1,sLn2,sRn1,sRn2}。
其中,步骤c包括以下步骤:
c1.建立汽车在碰撞过程中磁控胶泥缓冲装置产生的理想阻尼力模型:
式中,Fopt为汽车在碰撞过程中所受的理想阻尼力,Ek为在发生碰撞时汽车相对障碍物的动能,seff为磁控胶泥缓冲装置的有效冲击行程;
其中Ek通过下式获得:
式中,m为汽车的质量,v初为汽车与障碍物碰撞时的初速度;
c2.根据步骤b预估的碰撞参数,按照汽车与障碍物发生碰撞的碰撞类型,构建汽车碰撞动力学模型;
c3.根据汽车碰撞动力学模型及理想阻尼力模型,预置磁控胶泥缓冲装置中的阻尼调节器的初始电流;
c4.根据磁控胶泥缓冲装置的滞后性,利用预测控制算法,改变磁控胶泥缓冲装置中的阻尼调节器的励磁电流。
其中,步骤c2所述动力学模型是以动力学为理论基础,结合具体的实际或者虚拟的课题而作的有形或者是无形的模型。本实施例中构建动力学模型是为了模拟汽车如何与障碍物发生碰撞。
步骤c4所述预测控制算法包括以下步骤:
c41.汽车与障碍物在t0时刻发生碰撞,提前时间t0对阻尼调节器预置初始电流I初,I初=β×I初opt,其中β=1.1~1.2,0~t0为磁控胶泥缓冲装置的响应滞后时间,I初opt为预估的碰撞时产生理想阻尼力Fopt时输出的励磁电流;
c42.在t0时刻汽车与障碍物发生碰撞,控制电源减小输出励磁电流,输出电流为I初opt,由于磁控胶泥缓冲装置的滞后性,在t1时刻电流达到I初opt,t0~t1时间为磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置的响应滞后时间;
c43.在t1时刻控制电源增大输出励磁电流,输出电流为:β×I末opt,其中β=1.1~1.2,I末opt为预估的碰撞末时刻的理想输出输出电流,由于磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置的响应滞后性,在t2时刻达到β×I末opt,t1~t2为磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置的响应滞后时间;
c44.在t2时刻减小输出励磁电流,控制电源输出电流为I末opt,直至碰撞结束。在碰撞前、碰撞中和碰撞后的完整的碰撞过程中,励磁电流的变化如图4中所示。
本实施例中,I末opt为预估的碰撞末时刻产生理想阻尼力的输出电流,I初opt为预估的初始时刻产生理想阻尼力的输出电流,由于汽车发生碰撞时,磁控胶泥缓冲装置产生的阻尼力包括两部分,即粘滞力和库伦阻尼力,而输出电流与库伦阻尼力具有正向关系,在碰撞发生时刻,粘滞力与库伦阻尼力共同作用,而在碰撞结束后,粘滞力变为0,产生的理想阻尼力为库伦阻尼力单独作用,因此如图4所示,I末opt>I初opt。所述粘滞力是由于流体的各流层的流速不同,相邻流层间有相对运动,便在接触面上产生一种相互作用的剪切力,这个力叫做流体的内摩擦力,也称为粘滞力,不同材料流体产生的粘滞力也不同。粘滞力、库伦阻尼力和输出电流的计算方式是现有技术,在这里不再赘述。
如图3所示:t0时刻发生碰撞,t0时刻后红色的线代表预测所得到的理想碰撞加速度,黑色的曲线代表实际碰撞加速度;根据汽车与障碍物之间碰撞时的初始相对速度以及汽车质量,对缓冲***施加有效的预估控制,实现汽车碰撞加速度曲线达到的理想控制。
在本实施例中,提前施加初始电流,这样可以在碰撞发生前对磁控胶泥缓冲装置进行调节。由于磁控胶泥缓冲装置的响应滞后性,在碰撞过程中采用开环控制及预估控制策略,可有效调节励磁电流,进而在碰撞过程中有效调节阻尼调节器。可以实现在碰撞过程中对汽车碰撞加速度的理想控制。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法,其特征在于:包括如下步骤:
a.检测汽车与障碍物发生碰撞的时间,并与预置的安全时间进行比较,若碰撞时间小于预置的安全时间,则启动磁控胶泥缓冲装置;
b.预估汽车与障碍物发生碰撞时的碰撞参数;
c.根据碰撞时间和碰撞参数,在碰撞前预置磁控胶泥缓冲装置中的阻尼调节器的初始电流,使阻尼调节器在碰撞时产生预期的理想的阻尼力,并在碰撞发生后,通过调节阻尼调节器的输出电流值,控制磁控胶泥缓冲装置产生的阻尼力。
2.根据权利要求1所述基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法,其特征在于:步骤c包括以下步骤:
c1.建立汽车在碰撞过程中磁控胶泥缓冲装置产生的理想阻尼力模型:
式中,Fopt为汽车在碰撞过程中所受的理想阻尼力,Ek为在发生碰撞时汽车相对障碍物的动能,seff为磁控胶泥缓冲装置的有效冲击行程;
其中Ek通过下式获得:
式中,m为汽车的质量,v初为汽车与障碍物碰撞时的初速度;
c2.根据步骤b预估的碰撞参数,构建汽车碰撞动力学模型;
c3.根据汽车碰撞动力学模型及理想阻尼力模型,预置磁控胶泥缓冲装置中的阻尼调节器的初始电流;
c4.根据磁控胶泥缓冲装置的滞后性,利用预测控制算法,改变磁控胶泥缓冲装置中的阻尼调节器的励磁电流。
3.根据权利要求2所述基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法,其特征在于:步骤c4所述预测控制算法包括以下步骤:
c41.汽车与障碍物在t0时刻发生碰撞,提前时间t0对阻尼调节器预置初始电流I初,I初=β×I初opt,其中β=1.1~1.2,0~t0为磁控胶泥缓冲装置的第一响应滞后时间,I初opt为预估的碰撞初始时刻产生理想阻尼力Fopt时输出的励磁电流;
c42.在t0时刻汽车与障碍物发生碰撞,控制电源减小输出励磁电流,输出电流为I初opt,由于磁控胶泥缓冲装置的滞后性,在t1时刻电流达到I初opt,t0~t1时间为磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置的第二响应滞后时间;
c43.在t1时刻控制电源增大输出励磁电流,输出电流为:β×I末opt,其中β=1.1~1.2,I末opt为预估的碰撞末时刻的理想输出电流,由于磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置的响应滞后性,在t2时刻达到β×I末opt,t1~t2为磁控缓冲磁控胶泥缓冲装置的第三响应滞后时间;
c44.在t2时刻减小输出励磁电流,控制电源输出电流为I末opt,直至碰撞结束。
4.根据权利要求1所述基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法,其特征在于:所述碰撞参数至少包括汽车与障碍物碰撞时的初速度以及碰撞类型,所述碰撞类型分为正碰、偏置碰和斜碰。
5.根据权利要求4所述基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法,其特征在于:步骤a包括以下步骤:
a1.检测汽车与障碍物之间的相对距离;
a2.根据步骤a1的测量结果,计算汽车与障碍物之间的碰撞时间;
a3.将碰撞时间与预置的安全时间进行比较,所述预置的安全时间为磁控胶泥缓冲装置的响应滞后时间与汽车与障碍物之间相对距离的检测周期之和。
a4.根据步骤a3比较的结果,若碰撞时间大于或等于安全时间,则返回步骤a1;若碰撞时间小于安全时间,则启动磁控胶泥缓冲装置。
6.根据权利要求5所述基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制方法,其特征在于:步骤a2分为如下步骤:
a21.根据检测的汽车与障碍物的相对距离,按下式获取汽车与障碍物之间的相对速度:
式中,T是探测***的检测周期,sn是汽车与障碍物的相对距离,sn-1是上个检测周期的汽车与障碍物的相对距离;
a22.根据汽车与障碍物之间的相对速度,按下式获取汽车当前的加速度:
式中,vn-1上周期所测的相对速度;
a23.利用牛顿第二定律获取汽车与障碍物的碰撞时间Δt:
。
7.一种基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制***,包括:
探测***,用于检测汽车与障碍物之间的相对距离;
磁控胶泥缓冲装置,包括:可控电源和阻尼调节器,所述阻尼调节器用于改变磁控胶泥缓冲装置产生的阻尼力,阻尼调节器通过可控电源与控制器连接;
控制器,分别与探测***和磁控胶泥缓冲装置连接;
其特征在于:所述控制器包括:参数预估单元,预估汽车与障碍物碰撞时的初速度、碰撞类型、理想阻尼力及阻尼调节器的初始电流。
8.根据权利要求7所述的基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制***,其特征在于:所述探测***包括:距离探测装置和信号调理模块,所述距离探测装置通过信号调理模块与控制器连接;所述距离探测装置至少为2个,且按同一水平线固定安装在汽车保险杠和横梁之间,并与汽车保险杠和横梁保持平行。
9.根据权利要求8所述的基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制***, 其特征在于:所述控制器还包括:碰撞判断单元和电流控制单元,所述碰撞判断单元输入端与信号调理模块的输出端连接,碰撞判断单元的输出端与参数预估单元的输入端连接,碰撞判断单元判断碰撞时间是否小于预置的安全时间;所述电流控制单元的输入端与参数预估单元的输出端连接,电流控制单元的输出端与可控电源的输入端连接,电流控制单元控制可控电源改变输出电流给阻尼调节器。
10.根据权利要求8所述的基于磁控胶泥缓冲装置的汽车碰撞预估控制***,其特征在于:所述信号调理模块至少包括信号放大器、滤波器及A/D转换器,所述放大器的输入端与距离探测装置的输出端连接,所述放大器的输出端与滤波器的输入端连接,所述滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接,所述A/D转换器的输出端与控制器的输入端连接。
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