IR-TRACC傳感器位移計算及標定方法

習波波，李月明，韓 剛，周大永，顧鵬云

（浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228）

WorldSID假人主要用于評估汽車乘員在側面碰撞試驗中產生傷害的程度。Euro NCAP及U.S.NCAP（2019年實施）中側面可變形碰撞或側撞中規定在前排駕駛員側放置WorldSID假人，以評估假人的傷害程度。在國內，隨著2018版C-NCAP法規的頒布，側面碰撞試驗中駕駛員位置ES-2假人被World SID假人替代，而ES-2假人位移與World SID假人位移傳感器使用的計算及標定方法差異較大，主要差異在于World SID假人使用IR-TRACC傳感器，位移計算不僅需考慮壓縮量，還需考慮壓縮偏轉角度[1-2]。

因此，應盡快針對World SID假人傳感器IRTRACC使用的計算及標定方法等方面進行研究。IR-TRACC傳感器主要用于采集假人肩部、胸部肋骨及腹部的壓縮量，而上述部位是評價乘員受傷害程度的重要評價指標。本文對IR-TRACC使用的計算及標定方法進行了研究。

1 IR-TRACC傳感器安裝及原理

如圖1所示，World SID假人內部6處裝有IR-TRACC傳感器分別用來測量肩部、胸部肋骨及腹部壓縮位移量[3]。IR-TRACC傳感器利用紅外激光的平方反比定律（一個關于光源照度與被照射物體之間距離關系的定律），傳感器利用該定律可以換算出假人在側面碰撞試驗過程中所測量部位位移的變化量，此外，利用該原理設計的傳感器，對橫向位移偏移量需限定在某值內，才能保證軸向位移測量的準確度。

圖1 World SID假人內部IR-TRACC傳感器布置

2 IR-TRACC傳感器計算方法

目前，部分工程師對World SID假人內部位移的使用還存在偏差，有的直接把假人采集到的位移量當成假人實際壓縮位移量，有的在假人的位移換算過程中對初始位置定義存在較大偏差。為明確World SID假人內部IR-TRACC傳感器的使用，對World SID假人位移換算進行了如下研究。

World SID假人內部IR-TRACC傳感器在側面碰撞過程中，沿y軸方向產生軸向壓縮位移，同時，繞z軸有一定的偏轉角度，這與側碰假人在實際側面碰撞過程中的運動是一致的[4]，傳感器采集的數據更接近于假人實際傷害，具體運動過程如圖2所示。

圖2 IR-TRACC傳感器位移計算示意圖

目前，在計算World SID假人內部位移時，大多數直接以y軸為起始軸，默認傳感器安裝軸向與x軸垂直（即θ角為90°），并使用采集的偏轉角度β(Ti)代入位移換算。但是，在實際安裝過程中，并不能保證安裝角度與x軸垂直，換算后的位移與實際位移存在一定偏差。為提高IR-TRACC傳感器的測量精度，考慮傳感器初始安裝位置的不一致性，以x軸為計算起始軸，即以φ(Ti)作為偏轉角度。

碰撞結束后，IR-TRACC傳感器由初始安裝位置偏轉至Ri位置，此時，World SID假人肩部、肋骨或腹部實際壓縮位移為Yi，傳感器壓縮過程幾何參數見表1。

IR-TRACC傳感器可采集到Ti時刻位移變化量dyi及Ti時刻偏轉角度φ(Ti)，通過圖2所示的IR-TRACC傳感器位移在側面碰撞過程中的相對運動幾何原理，利用三角形定理，可得出以下公式：

式（1）中的xi為Ti時刻橫向偏移量，式（2）中的yi為Ti時刻軸向實際偏移位移量。其中yi的值為評價World SID假人在碰撞過程中肩部、肋骨及腹部的實際位移壓縮量。由式（2）可知，yi的影響因子有L0、dyi及φ(Ti)，其中dyi、φ(Ti)因每一款車本身結構及約束系統不同而不同，而影響dyi值的變化與IR-TRACC傳感器的靈敏度相關。在多次側面碰撞試驗中，假人肩部、胸部及腹部肋骨在多次試驗的沖擊中，傳感器初始安裝角度θ及傳感器的靈敏度值發生變化，影響輸出結果精度，需對傳感器重新標定。

表1 IR-TRACC傳感器位移計算參數表

3 IR-TRACC傳感器標定方法研究

目前，國內針對IR-TRACC傳感器使用的標定設備只能實現在軸向方向的標定，但由于IRTRACC傳感器的特殊性，需要對傳感器橫向位移進行標定。只有橫向位移滿足要求，才能保證傳感器軸向方向上的采集精度。本研究設計了一種既能方便簡單地實現橫向位移標定，還能高精度地完成軸向位移標定的設備。

此外，對于傳感器靈敏度標定系數的計算方法也存在較多版本，本文運用指數函數、最小二乘法擬合以及單變量求解法，得到較高精度的傳感器靈敏度標定系數。

3.1 IR-TRACC傳感器軸向位移標定研究

3.1.1 傳感器軸向位移標定方法確定

World SID假人在側面碰撞過程中，假人有壓縮和回彈過程。因此，在標定傳感器軸向時，需要考慮傳感器壓縮過程及向外拉伸過程，在標定過程中分別對傳感器壓縮及拉伸兩個方向進行標定。

當前采集系統的激勵電壓為5 V，在IR-TRACC傳感器標定過程中，外部給予5 V激勵電壓，按一定壓縮量記錄各個標定點輸出的電壓，傳感器輸出電壓的一組數值可表示為Vn。

按同樣的方法，以相同間隔向外拉伸直至標定最大量程，可分別記錄各個標定點的位置，傳感器輸出電壓的一組數值可表示為Vn'。

3.1.2 傳感器軸向位移靈敏度標定系數確定

目前，對傳感器靈敏度標定系數的擬合有多種算法，有使用一般線性擬合，有使用多項式擬合等算法，但使用上述方法求得的靈敏度標定系數去擬合曲線，其曲線擬合度普遍不高。

為提高曲線擬合度，利用指數函數、最小二乘法擬合曲線以及單變量求解法，得到標定后的傳感器靈敏度系數，具體計算方法如下。

對傳感器壓縮及拉伸各個標定點的原始數據，求得一組平均值為an。

利用下列公式對各標定位置計算標定位移Dn，單位為mm。

式中：a為變量；m為標定系數，mm/V；b為截距，mm。

令Xn=，則式（4）可表示為：

根據最小二乘法來判定數據的最佳擬合，在Excel中可利用函數LINEST來獲得現有數據的最佳擬合直線，通過LINEST函數可以求解到截距b及標定系數m。數據的離散程度決定了 LINEST 函數計算直線的精確度，數據越接近線性，LINEST模型就越精確。 LINEST 函數使用最小二乘法來判定數據的最佳擬合。

為獲得數據的最佳擬合曲線，計算各個標定點參考位移值與計算后得到的位移值Dn的最大非線性誤差（即線性度δL）。利用Excel中單變量求解，以δL為目標變量，目標值為0，式（4）中a為變量，不斷迭代計算，尋找最優解（即求各標定點對應的非線性誤差δL的最小值），δL的最小值越接近于0，求解結果越優。

式中δ ：=為×1各0δ0個%=標 定n點× 參考值與計算得到的位移YYY=Y值 差的F? S絕 對；F?S為傳感器滿量程輸出，F?SYmax-Y0。

3.2 IR-TRACC傳感器橫向位移標定方法確定

IR-TRACC傳感器利用紅外激光的平方反比定律，利用該原理設計的傳感器，橫向位移偏移量需限定在某值范圍內才能保證軸向位移測量的準確度。考慮到IR-TRACC傳感器的伸縮式圓筒狀，在4個不同方向上標定橫向位移即可。

在軸向位置為0處，分別在4個方向上得到傳感器輸出電壓，利用上述傳感器標定系數，求得傳感器在橫向4個方向上軸向位移變化量，如小于傳感器軸向位移最大偏移量要求，則認定傳感器橫向位移標定滿足要求。

3.3 IR-TRACC傳感器標定裝置

根據上文的分析可知，IR-TRACC傳感器的靈敏度系數標定，不僅需考慮到軸向位移標定，還需對橫向位移進行標定，因此，標定裝置既要完成軸向位移標定，還要實現橫向位移標定，且要求標定精度較高。

為獲得精確的靈敏度標定系數，設計了一種專用于標定IR-TRACC傳感器的標定裝置，標定裝置主要用于標定World SID假人內部IR-TRACC傳感器靈敏度系數，可對傳感器的軸向位移或橫向位移進行標定。IR-TRACC傳感器標定裝置如圖3所示，包括：側向位移標定架、IR-TRACC傳感器、可移動安裝臺、固定安裝臺、刻度尺、數顯游標卡尺、滑軌、標定平臺、高精度電壓計（小數點后4位）及激勵電壓。

圖3 WorldSID假人IR-TRACC傳感器標定裝置

3.3.1 軸向位移標定過程

IR-TRACC傳感器屬于精密儀器，需要在特定溫度及濕度環境下進行標定。

在傳感器壓縮至軸向位置為0處（此時將游標卡尺置零），將最大量程分成若干等份并以每等份拉伸直至最大量程處，游標卡尺隨可移動安裝臺移動，記錄拉伸過程各個標定點的輸出電壓值。

同樣，按上述過程在傳感器最大量程處分別以相同等距離壓縮，記錄壓縮過程各個標定點的輸出電壓值。將上述兩組在各個標定點的電壓值求平均值，作為標定傳感器靈敏度系數的輸入。

3.3.2 橫向位移標定過程

本文設計了獨特的標定方式對傳感器進行橫向位移標定，利用4個定滑輪分別實現傳感器在橫向4個方向上的標定，具體標定過程如圖4 所示。

在軸向位移為0位置處，通過定滑輪分別在4個不同的方向上以0.45 kg的重物拉伸繞線，具體操作如圖4所示。記錄電壓計在軸向位移為0位置處，橫向位移在4個不同方向上采集到的傳感器輸出電壓值。

圖4 IR-TRACC傳感器4個方向上的橫向位移標定

4 結論

本文研究了World SID假人內IR-TRACC傳感器位移計算及標定方法，對IR-TRACC傳感器的工作原理、位移計算及標定方法進行了詳細分析和研究，得出以下結論：（1）WorldSID假人內部IRTRACC傳感器結構復雜，在評估假人傷害時，需要重新對傳感器進行位移換算，此外，傳感器標定計算方法復雜，利用最小二乘法及單變量求解算法得到最優靈敏度標定系數。（2）巧妙地設計了一種能同時滿足傳感器橫向位移及軸向位移的標定裝置，為獲得最優靈敏度標定系數提供了硬件支持。（3）傳感器標定過程中，原始標定數據樣本越多越容易得到最優解，即曲線擬合的最大非線性誤差越小。

[1] 顏燕，張龍，朱西產.汽車側面碰撞法規的研究與分析[J].上海汽車，2005(12)：36-40.YAN Yan，ZHANG Long，ZHU Xichan.Research and Analysis of Vehicle Side Collision Regulations [J].Shanghai Auto，2005(12)：36-40.(in Chinese)

[2] 李麗，朱西產，馬志雄. 基于Madymo的World SID與ES2假人性能比較[J].佳木斯大學學報(自然科學版)，2013，31(6)：822-828.LI Li，ZHU Xichan，MA Zhixiong. Comparison of World SID and ES2’s Performance Based on Madymo[J].Journal of Jiamusi University(Natural Science Edition)，2013，31(6)：822-828.(in Chinese)

[3] W50-9900，User Manual WorldSID 50th[Z].

[4] 吳時兵.汽車側碰假人力學性能分析及其標定系統開發[D].長沙：湖南大學，2007.WU Shibing. Mechanical Performance Analysis and Calibration System Development of Vehicle Side Impact Dummy[D]. Changsha：Hunan University，2007.(in Chinese)