CN110466470A - 一种安全气囊控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全气囊控制装置，包括：第一底座，其设置在所述控制装置一侧；第二底座，其设置在所述控制装置另一侧；主轨道总成，其两端分别转动连接在所述第一底座和所述第二底座上，并且所述主轨道总成具有内齿；安装座总成，其可移动的套设在所述主轨道上，并且所述安装座总成具有外齿；壳体，其设置在所述安装座总成的下部，内部具有容纳腔；两个第一齿轮，其可转动的设置在所述壳体顶部，并与所述内齿相啮合；第二齿轮，其可转动的设置在所述壳体的底部，并与所述外齿相啮合。本装置能够根据驾驶员的自身特点和驾驶姿态，调整安全气囊的位置，本发明还提供一种安全气囊控制方法。

Description

一种安全气囊控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种安全气囊及其控制方法，属于汽车安全领域。

背景技术

近年来，我国基础设施建设脚步加快，告诉公路数量越来越多，人们生活水平也在不断提高，同时，随着国内汽车工业地蓬勃发展，汽车已经进入千家万户，更多的人选择使用汽车代步，给人们带来方便的同时也带了更高频率的汽车事故，因此人们更加重视汽车的安全性能。

汽车安全可以分为两种，即被动安全和主动安全，顾名思义，被动安全就是在发生汽车事故时，汽车自身能够保护驾驶员安全的能力，安全气囊是被动安全的一种，由于其使用方便，成本较低，所以得到了普遍使用。

由于汽车使用量大，乘驾人种类不再单一，体态坐姿千差万别，但是现有的汽车安全气囊位置绝大部分只针对部分乘驾人，如部分成年人进行设计，不能根据乘驾人的实际情况进行调整，比如基本无视了成年与儿童乘驾人的区别，这大大降低了安全气囊对于乘驾人的保护效果。

随着汽车安全技术的发展，汽车安全气囊不仅仅只布置于转向盘立柱中，在汽车的其他部位也有布置，这为本发明提供了可以进行位置移动的空间。

发明内容

本发明设计开发了一种安全气囊控制装置，通过第一电机驱动第一齿轮使其与主轨道总成配合，改变安装座总成的位置，同时通过第二电机驱动第二齿轮使其与安装座总成配合，改变安装座总成的角度，克服现有安全气囊不能根据乘驾人姿态调整安全气囊的位置和旋转角度的问题。

本发明还设计开发了一种安全气囊的控制方法，通过乘驾人的驾驶姿态，调整安全气囊的位置，安全气囊调整精度高，提高汽车驾驶的安全性。

本发明的另一发明目的，通过合理设置连接杆的高度，保证安全气囊与乘驾人之间的保护距离。

本发明提供的技术方案为：

一种安全气囊控制装置，包括：

第一底座，其设置在所述控制装置一侧；

第二底座，其设置在所述控制装置另一侧；

主轨道总成，其两端分别转动连接在所述第一底座和所述第二底座上，并且所述主轨道总成具有内齿；

安装座总成，其可移动的套设在所述主轨道上，并且所述安装座总成具有外齿；

壳体，其设置在所述安装座总成的下部，内部具有容纳腔；

两个第一齿轮，其可转动的设置在所述壳体顶部，并与所述内齿相啮合；

第二齿轮，其可转动的设置在所述壳体的底部，并与所述外齿相啮合。

优选的是，所述壳体为长方体结构，并包括：

两个第一轴，其固定设置在所述壳体的顶部，所述第一轴上分别对应转动连接有所述第一齿轮；

两个第一电机，其设置在所述第一轴上，所述第一电机的动力输出端分别对应连接所述第一齿轮；

其中，所述两个第一轴之间相互平行设置；

第二轴，其固定设置在所述壳体底部，所述第二轴上转动连接第二齿轮；

第二电机，其设置在所述第二轴上，所述第二电机的动力输出端连接所述第二齿轮。

优选的是，所述第一轴的轴线与所述第二轴的轴线相互垂直。

优选的是，所述安装座总成还包括：

安装座，其为圆环形结构，外表面设置所述外齿；

连接杆，其一端固定设置在所述安装座的顶部；

连接板，其与所述连接杆的另一端固定连接，所述连接板上表面安装安全气囊；

其中，所述连接杆与所述安装座同轴设置。

优选的是，所述第二底座上设置有第三电机，其动力输出端连接所述主轨道总成。

优选的是，所述主轨道总成为弧形结构。

优选的是，还包括：

摄像头，其设置在驾驶室内前挡风玻璃的顶部；

压力传感器，其设置在所述汽车驾驶座椅下部；

控制单元，其设置在所述壳体的底部，并分别与所述第一电机、所述第二电机、所述摄像头以及所述压力传感器电联接。

一种安全气囊控制方法，使用上述的安全气囊控制装置，其特征在于包括：

步骤一、按照采样周期，采集汽车行驶时的加速度a、乘驾人额头与安全气囊的距离d₁、乘驾人颈部与安全气囊的距离d₂、乘驾人肩部与安全气囊的距离d₃、乘驾人对汽车座椅的压力G以及连接杆的高度h；

步骤二、对参数进行归一化，并建立三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆}，其中，x₁为加速度系数，x₂为额头与安全气囊的距离系数，x₃为颈部与安全气囊的距离系数，x₄为肩部与安全气囊的距离系数，x₅为乘驾人对汽车座椅的压力系数，x₆为连接杆高度系数；

步骤三、所述输入层映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,...,y_l}，l为中间层节点个数，所述中间层节点个数l满足：其中，m为输入层节点个数，l为中间层节点个数，n为输出层节点个数；

步骤四、得到输出层向量o＝{o₁,o₂,o₃}；o₁为安装座总成的移动距离系数，o₂为安装座总成的转动角度，o₃为紧急停车信号。

优选的是，所述连接杆高度h的经验公式为：

其中，h₀为基础连接杆长度，n_max第一电机的最大转速，n_min为第一电机的最小转速，n₀为标准转速，z为安装座外齿的齿距，r为安装座的半径，e为自然对数底数。

本发明所述的有益效果：本发明涉及的安全气囊控制装置能够在汽车行驶过程中，根据驾驶员的自身特点和驾驶姿态，对安全气囊的位置和角度进行调整，调整精度高，速度快，保证驾驶的安全性。

本发明通过BP神经网络在驾驶过程中对驾驶员的驾驶情况和安全气囊的位置进行监测，及时调整安全气囊的位置和角度，并在紧急情况下发出停车信号，进行预警，提高驾驶的安全性，通过合理设置连接杆的高度，保证安全气囊与乘驾人之间的保护距离

附图说明

图1为本发明所述的安全气囊控制装置的结构示意图。

图2为本发明所述的安全气囊控制装置的内部结构示意图。

图3为本发明所述的安全气囊控制装置的俯视图。

图4为本发明所述的安全气囊控制装置的左视图。

图5为本发明所述的安全气囊控制装置的右视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-5所示，本发明提供一种安全气囊控制装置，包括：第一底座140、第二底座150、主轨道总成120、安装座总成110以及壳体130。

第一底座140设置在安全气囊控制装置的一侧，第二底座150设置在安全气囊控制装置的另一侧，在主轨道总成120的两端分别与第一底座140和第二底座150转动连接，在第二底座150上，设置有第三驱动电机151，第三驱动电机的动力输出端连接主轨道总成120的一端，通过第三驱动电机151驱动主轨道总成转动。

主轨道总成120为弧形结构，在主轨道总成120的下表面设置有内齿121，主轨道总成的另一端穿过安装座总成110后与第一底座转动连接，使安装座总成110可移动的套设在主轨道总成129的外部，安装座总成110能够在主轨道总成120上滑动和转动。

安装座总成的顶部设置有连接板114，用于对安全气囊进行安装和固定，进而通过安装座总成在主轨道总成120上的运动来调整安全气囊的位置和角度。

安装座总成包括安装座111和固定设置在安装座111顶部的连接板114，安装座111外表面设置有外齿112，安装座111为圆环形结构，在安装座111顶部，设置有连接杆113，连接杆的一端与安装座111固定连接，另一端与连接板114垂直固定连接，连接杆113与安装座111同轴设置。

壳体130设置在安装座总成的下部，为长方体结构，内部具有容纳腔，安装座111的下部位于壳体130的内部，两个第一轴131设置在壳体130的顶部，并位于安装座111内部，在两个第一轴上分别设置有第一齿轮132，第一齿轮132由第一电机驱动，并与第一轴转动连接，主轨道总成120的另一端穿过安装座111的内环后转动连接在第一安装座140上，主轨道总成120位于两个第一齿轮132的上方，并且主轨道总成120的下表面设置有内齿121，能够与第一齿轮132相啮合，安装座总成能够沿着主轨道总成120移动，进而改变安全气囊的位置。

在壳体130的底部，设置有第二轴133，第二齿轮134转动设置在第二轴133上，并由第二电机驱动，第二轴位于安装座111的下方，使第二齿轮134能够与安装座111的外齿112相啮合，通过第二齿轮134带动安装座总成转动，使安装座总成能够在主轨道总成120上转动，进而调整安全气囊的角度。

其中，第一轴的轴线与第二轴的轴线相互垂直，使安装座总成110能够绕X轴转动，并在Xoy平面内移动。

本控制装置还包括设置在驾驶室内前挡风玻璃上的摄像头，用于测量乘驾员的驾驶姿态，包括乘驾员的额头与安全气囊的距离、乘驾员颈部与安全气囊的距离，乘驾员肩部与安全气囊的距离；设置在汽车驾驶座椅的底部，用于测量乘驾人员对座椅的压力；控制单元设置在壳体130的底部，并分别与第一电机、第二电机、摄像头以及压力传感器电联接。

工作时，通过摄像头采集驾驶员的乘驾姿态，通过压力传感器采集乘驾人的压力，控制单元根据采集到的乘驾姿态信息，压力信息，对安全气囊的位置进行调整，通过控制第一电机和第二电机的转速，调整安全气囊的位置和旋转角度。

本发明还提供一种安全气囊控制方法，通过乘驾人的驾驶姿态，调整安全气囊的位置，安全气囊调整精度高，提高汽车驾驶的安全性，具体包括：

步骤1、建立BP神经网络模型。

本发明采用的BP网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备工作状态的n个监测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出。第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共p个节点，由***实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入向量：x＝(x₁,x₂,...,x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,...,y_m)^T

输出向量：O＝(o₁,o₂,...,o_p)^T

本发明中，输入层节点数为n＝6，输出层节点数为p＝3。隐藏层节点数m由下式估算得出：

输入信号的6个参数分别表示为：x₁为加速度系数，x₂为额头与安全气囊的距离系数，x₃为颈部与安全气囊的距离系数，x₄为肩部与安全气囊的距离系数，x₅为乘驾人对汽车座椅的压力系数，x₆为连接杆高度系数。

由于传感器获取的数据属于不同的物理量，其量纲各不相同，因此，在数据输入人工神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。

将汽车行驶时的加速度a、乘驾人额头与安全气囊的距离d₁、乘驾人颈部与安全气囊的距离d₂、乘驾人肩部与安全气囊的距离d₃、乘驾人对汽车座椅的压力G以及连接杆的高度h进行归一化处理，公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数a、d₁、d₂、d₃和G，j＝1,2,3,4；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值，采用S型函数。

具体而言，对于汽车行驶时的加速度a，进行归一化后，得到加速度系数x₁：

其中，a_min和a_max分别为加速度最小值和最大值。

同样的，对于乘驾人额头与安全气囊的距离d₁，进行归一化后，得到额头与安全气囊的距离系数x₂：

其中，和分别为额头与安全气囊的距离的最小值和最大值。

同样的，对于乘驾人颈部与安全气囊的距离d₂，进行归一化后，得到颈部与安全气囊的距离系数x₃；

其中，和d_2min分别为额头与安全气囊的距离的最小值和最大值。

同样的，对于乘驾人肩部与安全气囊的距离d₃，进行归一化后，得到肩部与安全气囊的距离系数x₄；

其中，和d_3min分别为肩部与安全气囊的距离的最小值和最大值。

同样的，对于乘驾人的压力G，进行归一化后，得到压力系数x₅：

其中，G_min和G_max分别为乘驾人压力的最小值和最大值。

同样的，对于连接杆的高度h，进行归一化后，得到连接杆的高度系数x₆：

其中，h_min和h_max分别为加速度最小值和最大值。

输出层向量为：o＝{o₁,o₂,o₃}；其中，o₁为安装座总成的移动距离系数，o₂为安装座总成的转动角度，o₃为紧急停车信号，其输出值为0或1，当输出值为0时表示当前行驶状态为非正常状态，需要进行紧急停车，当输出值为1时，表示当前行驶状态正常。

步骤S220、进行BP神经网络训练。

根据历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值W_ij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值W_jk，隐层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值θ_k、W_ij、W_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正W_ij、W_jk的值，直至***误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

(1)训练方法

各子网采用单独训练的方法；训练时，首先要提供一组训练样本，其中的每一个样本由输入样本和理想输出对组成，当网络的所有实际输出与其理想输出一致时，表明训练结束；否则，通过修正权值，使网络的理想输出与实际输出一致；

(2)训练算法

BP网络采用误差反向传播(Backward Propagation)算法进行训练，其步骤可归纳如下：

第一步：选定一结构合理的网络，设置所有节点阈值和连接权值的初值。

第二步：对每个输入样本作如下计算：

(a)前向计算：对l层的j单元

式中，为第n次计算时l层的j单元信息加权和，为l层的j单元与前一层(即l-1层)的单元i之间的连接权值，为前一层(即l-1层，节点数为n_l-1)的单元i送来的工作信号；i＝0时，令 为l层的j单元的阈值。

若单元j的激活函数为sigmoid函数，则

且

若神经元j属于第一隐层(l＝1)，则有

若神经元j属于输出层(l＝L)，则有

且e_j(n)＝x_j(n)-o_j(n)；

(b)反向计算误差：

对于输出单元

对隐单元

(c)修正权值：

η为学习速率。

第三步：输入新的样本或新一周期样本，直到网络收敛，在训练时各周期中样本的输入顺序要重新随机排序。

BP算法采用梯度下降法求非线性函数极值，存在陷入局部极小以及收敛速度慢等问题。更为有效的一种算法是Levenberg-Marquardt优化算法，它使得网络学习时间更短，能有效地抑制网络陷于局部极小。其权值调整率选为

Δω＝(J^TJ+μI)^-1J^Te；

其中，J为误差对权值微分的雅可比(Jacobian)矩阵，I为输入向量，e为误差向量，变量μ是一个自适应调整的标量，用来确定学习是根据牛顿法还是梯度法来完成。

在***设计时，***模型是一个仅经过初始化了的网络，权值需要根据在使用过程中获得的数据样本进行学习调整，为此设计了***的自学习功能。在指定了学习样本及数量的情况下，***可以进行自学习，以不断完善网络性能。

步骤3、采集数据运行参数输入神经网络得到调控系数。

训练好的人工神经网络固化在芯片之中，使硬件电路具备预测和智能决策功能，从而形成智能硬件。智能硬件加电启动后，控制安全气囊的位置和旋转角度。

同时使用传感器采集到的参数，通过将上述参数规格化，得到BP神经网络的初始输入向量通过BP神经网络的运算得到初始输出向量

步骤4、得到输出层向量o＝{o₁,o₂,o₃}；其中，o₁为安装座总成的移动距离系数，o₂为安装座总成的转动角度，o₃为紧急停车信号，

在另一实施例中，连接杆高度h的经验公式为：

其中，h₀为基础连接杆长度，n_max第一电机的最大转速，n_min为第一电机的最小转速，n₀为标准转速，z为安装座外齿的齿距，r为安装座的半径，e为自然对数底数。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种安全气囊控制装置，其特征在于，包括：

第一底座，其设置在所述控制装置一侧；

第二底座，其设置在所述控制装置另一侧；

主轨道总成，其两端分别转动连接在所述第一底座和所述第二底座上，并且所述主轨道总成具有内齿；

安装座总成，其可移动的套设在所述主轨道上，并且所述安装座总成具有外齿；

壳体，其设置在所述安装座总成的下部，内部具有容纳腔；

两个第一齿轮，其可转动的设置在所述壳体顶部，并与所述内齿相啮合；

第二齿轮，其可转动的设置在所述壳体的底部，并与所述外齿相啮合。

2.根据权利要求1所述的安全气囊控制装置，其特征在于，所述壳体为长方体结构，并包括：

两个第一轴，其固定设置在所述壳体的顶部，所述第一轴上分别对应转动连接有所述第一齿轮；

两个第一电机，其设置在所述第一轴上，所述第一电机的动力输出端分别对应连接所述第一齿轮；

其中，所述两个第一轴之间相互平行设置；

第二轴，其固定设置在所述壳体底部，所述第二轴上转动连接第二齿轮；

第二电机，其设置在所述第二轴上，所述第二电机的动力输出端连接所述第二齿轮。

3.根据权利要求2所述的安全气囊控制装置，其特征在于，所述第一轴的轴线与所述第二轴的轴线相互垂直。

4.根据权利要求3所述的安全气囊控制装置，其特征在于，所述安装座总成还包括：

安装座，其为圆环形结构，外表面设置所述外齿；

连接杆，其一端固定设置在所述安装座的顶部；

连接板，其与所述连接杆的另一端固定连接，所述连接板上表面安装安全气囊；

其中，所述连接杆与所述安装座同轴设置。

5.根据权利要求4所述的安全气囊控制装置，其特征在于，所述第二底座上设置有第三电机，其动力输出端连接所述主轨道总成。

6.根据权利要求5所述的安全气囊控制装置，其特征在于，所述主轨道总成为弧形结构。

7.根据权利要求6所述的安全气囊控制装置，其特征在于，还包括：

摄像头，其设置在驾驶室内前挡风玻璃的顶部；

压力传感器，其设置在驾驶座椅下部；

加速度传感器，其设置在汽车车身上；

控制单元，其设置在所述壳体的底部，并分别与所述第一电机、所述第二电机、所述摄像头、所述压力传感器以及所述加速度传感器电联接。

8.一种安全气囊控制方法，使用权利要求1-7任意一项所述的安全气囊控制装置，其特征在于，包括：

步骤一、按照采样周期，采集汽车行驶时的加速度a、乘驾人额头与安全气囊的距离d₁、乘驾人颈部与安全气囊的距离d₂、乘驾人肩部与安全气囊的距离d₃、乘驾人对汽车座椅的压力G以及连接杆的高度h；

步骤二、对参数进行归一化，并建立三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆}，其中，x₁为加速度系数，x₂为额头与安全气囊的距离系数，x₃为颈部与安全气囊的距离系数，x₄为肩部与安全气囊的距离系数，x₅为乘驾人对汽车座椅的压力系数，x₆为连接杆高度系数；

步骤三、所述输入层映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,...,y_l}，l为中间层节点个数，所述中间层节点个数l满足：其中，m为输入层节点个数，l为中间层节点个数，n为输出层节点个数；

步骤四、得到输出层向量o＝{o₁,o₂,o₃}；o₁为安装座总成的移动距离系数，o₂为安装座总成的转动角度，o₃为紧急停车信号。

9.根据权利要求8所述的安全气囊控制方法，其特征在于，所述连接杆高度h的经验公式为：

其中，h₀为基础连接杆长度，n_max第一电机的最大转速，n_min为第一电机的最小转速，n₀为标准转速，z为安装座外齿的齿距，r为安装座的半径，e为自然对数底数。