車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在汽車碰撞試驗中的應用與分析

梁亞飛，邱起起

（河南凱瑞車輛檢測認證中心有限公司，河南焦作，454950）

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要性分析

汽車碰撞試驗的評價指標是多方面的，其中包括車身加速度信號、車身變形量、碰撞后車門開啟狀況和以及燃油量。除此之外，還要考慮假人體內(nèi)各部分的加速度沖擊值，所受力和力矩大小以及擠壓變形位移等指標。其中通過電測量數(shù)采系統(tǒng)的采集處理的假人體內(nèi)傳感器信號數(shù)據(jù)是占很大一部分，最終試驗人員將原始數(shù)據(jù)結果通過軟件進行數(shù)據(jù)處理并計算假人傷害值及其評價指標。在較為復雜的試驗中，需要測量的物理量較多，導致數(shù)采通道總數(shù)量達200多個，包括車身加速度、數(shù)字量開關、力和力矩、位移、電壓、電流等類型，由此可以看出，在汽車碰撞試驗中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)揮著無可替代的作用。

2 數(shù)據(jù)采集設備的特性

我們可以通過碰撞試驗數(shù)據(jù)對車輛被動安全性能進行評價，數(shù)采分析系統(tǒng)把從車身和假人內(nèi)部的傳感器得到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最終經(jīng)過軟件處理得到各種碰撞曲線和傷害值指標[1]。通過直觀、量化形式把試驗結果表示出來，更容易執(zhí)行相關的標準法規(guī)和對車輛被動安全性能進行更準確的評估。

目前在實際汽車碰撞試驗中使用最多的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有德國KT公司MINIDAU,美國的DTS,瑞士奇士樂的KIDAU。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構抗震耐沖擊性要求

在汽車碰撞試驗中，通常是我們用牽引系統(tǒng)軟件設置好一定的速度、牽引質(zhì)量等參數(shù)并通過電機控制牽引小車來拉動汽車或壁障車行駛。一般牽引小車的速度較高，而且容易產(chǎn)生巨大的沖擊力和破壞力。因此，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗震和耐沖擊性有著極高的要求，一般要求在X/Y/Z三個方向上能夠承受1000次強度為10ms的沖擊。這也是區(qū)別于其他數(shù)采設備的重要特征。另外，數(shù)據(jù)采集設備也要有強大的的內(nèi)部電池充放電功能，在斷電后要能保證至少30分鐘的操作時間。記憶存儲功能，一般來說，數(shù)據(jù)一經(jīng)采集只要不執(zhí)行“清除內(nèi)存功能”數(shù)據(jù)會一直保存。就像我們用照相機拍攝的照片，只要我們不刪除就會一直保存。

2.2 電氣性能

AD轉(zhuǎn)換器分辨率不低于16bit，能夠采集來自應變式和壓阻式傳感器，電流傳感器和電壓傳感器信號[2]。每個通道都有獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，要確保所有通道同時開始記錄，同時結束不能出現(xiàn)有延時的情況。現(xiàn)在用于汽車碰撞試驗的數(shù)采設備輸入的模擬量信號的主要是電壓信號，能夠進行adjust,offset調(diào)零和shunt檢查,支持DALLAS傳感器ID識別。此外，以KIDAU為例，除32個模擬量通道外，還有數(shù)字量開關16個通道。

2.3 記錄方式

現(xiàn)在廣泛使用的數(shù)采系統(tǒng)，首先要設置好采樣頻率，采樣頻率通常為10KHz或20KHz，記錄時間范圍觸發(fā)前5秒，觸發(fā)后95秒。符合試驗的需求。通常，采樣頻率最小為10KHz。有特殊要求的可以設置為20KHz。

2.4 通道量程設置（幅值等級CAC）

通道量程CAC值就是實際試驗中所選用的量程，量程的數(shù)值等于測量范圍的最大值，我們在選取時要結合實際情況并參考以往的經(jīng)驗來選擇。若選取CAC值太小，則會削去試驗數(shù)據(jù)的某些峰值而導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)“平峰”，進而影響后期分析[3]。例如，一般加速度傳感器CAC選用2000g,電壓傳感器CAC選用30V等。

2.5 通道數(shù)字濾波頻率等級

CFC值表示通道的數(shù)字濾波頻率等級，我們對原始數(shù)據(jù)進行分析處理時，需要進行相應的數(shù)字濾波。一般地，濾波等級為CFC60,CFC180,CFC600等。

2.6 傳感器插頭固定方式

傳感器插頭通常采用7芯LEMO自鎖式插頭，能夠采集來自應變傳感器、壓阻傳感器和電壓測量器的信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。在碰撞試驗過程中，由于碰撞瞬間會產(chǎn)生巨大的撞擊力，導致車身上各種傳感器和假人的線束會受到不同程度的損傷。如果固定不當，則會造成線束折斷、插頭受損甚至信號丟失。通常，為了滿足所需的通道數(shù)目的要求，可以將同一型號的多個數(shù)采串聯(lián)起來使用（如圖1所示）。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構圖

2.7 觸發(fā)方式

數(shù)據(jù)采集工作成功的關鍵就在于，要能產(chǎn)生正確的觸發(fā)信號“即有觸發(fā)信號才能有數(shù)據(jù)”。由于汽車碰撞試驗是對真實車輛的碰撞，成本較高，因此要求一次成功，不能出現(xiàn)任何差錯。觸發(fā)方式從形式上，可分為單、雙觸發(fā)模式。單觸發(fā)模式，指在車輛前方布置帶狀開關，當碰撞的一瞬間產(chǎn)生觸發(fā)信號，開始記錄數(shù)據(jù)。當汽車發(fā)生碰撞時粘貼在車身上的觸發(fā)開關會因受到擠壓變形而產(chǎn)生觸發(fā)信號，或者通過軟件設置一定的閾值如果某一通道的數(shù)值超過了所設定的值就會自動產(chǎn)生觸發(fā)信號，無需手動觸發(fā)。雙觸發(fā)模式也叫記錄模式，需要兩個觸發(fā)信號：第一個觸發(fā)信號數(shù)采設備開始記錄，SR燈會亮。第二個觸發(fā)信號用于顯示碰撞的t0時刻。現(xiàn)在數(shù)采記錄時間超過5分鐘，而車輛從起步加速到碰撞所用時間不超過50秒。雙觸發(fā)模式以記錄時間長，記憶儲存量大等優(yōu)點。被大多數(shù)汽車測試機構所采用。

2.8 波形的實時顯示

在試驗前要確保各個傳感器波形正常，需要進行Adjust，offset調(diào)零[4]。試驗人員可通過電腦端軟件在online中選擇實時查看波形，檢查是否出現(xiàn)“雜波”和信號異常的情況。可同時選擇一到三個，也可選中任意要觀看的通道。

2.9 試驗后數(shù)據(jù)的處理

EVAluation是為汽車安全測試的數(shù)據(jù)分析而開發(fā)的。用于評估的標準數(shù)據(jù)格式符合ISO 13499“碰撞測試的數(shù)據(jù)交換格式”[5]。此數(shù)據(jù)格式為也稱為ISO MME（多媒體交換）格式，并定義了統(tǒng)一的車輛碰撞測試中生成的整個測試數(shù)據(jù)的存儲描述。從KIDAU下載的數(shù)據(jù)可以直接導入數(shù)據(jù)分析軟件EVA，選擇MME文件，并輸入駕駛員位置、廠家等碰撞信息，進行數(shù)據(jù)分析。也可以將濾波后試驗數(shù)據(jù)以圖片的形式輸出，并生成傷害值分析報告，方便后期研究。

3 發(fā)展趨勢展望

3.1 數(shù)采和計算機無線通信技術

在不久的將來，隨著網(wǎng)絡無線通信技術在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面的廣泛使用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用將更加方便快捷智能。

3.2 數(shù)采—假人一體化（In-Dummy技術）

在復雜的試驗中，假人和各種傳感器的通道很多，占據(jù)了大量數(shù)采通道，給拔插帶來了一定困難，假人線束也增加了走線的麻煩程度。而最新的In-Dummy技術將改善這一狀況，其將多個數(shù)據(jù)采集設備集成于一體安裝在假人體內(nèi)，外端通過一根控制總線連接。數(shù)采設備通過與Hub連接，并由數(shù)字接口與計算機通信。如奇石樂生產(chǎn)的THOR假人（如圖2所示），是首套采用擬人測試裝置（ATD），它在Hybrid Ⅲ 50th假人的基礎上進行了優(yōu)化,采用了最先進的碰撞測試用假人（包括集成傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在內(nèi)的一套完整測量鏈）。為了提高測試過程的安全可靠性和準確性，在進行碰撞測試時，能夠盡可能流暢、方便、精確地進行采集測量數(shù)據(jù)。通過內(nèi)置于假人體內(nèi)的DTI技術，模擬數(shù)據(jù)可在傳感器內(nèi)部直接數(shù)字化，并通過總線連接起來，直接傳輸?shù)郊捎诩偃思怪械臄?shù)據(jù)采集儀內(nèi)。車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會記錄車輛上所有傳感器數(shù)據(jù)，并通過一根電纜與假人系統(tǒng)連接，所有已存儲的數(shù)據(jù)將傳輸至控制中心的主機中。這種方式可以確保測試結果可靠、測量數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)良和最大程度的靈活性。

圖2 Thor假人

4 結論

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是汽車碰撞試驗的重要組成環(huán)節(jié)，關乎試驗的成敗。本文主要對在汽車碰撞試驗中數(shù)據(jù)采集設備的特點以及數(shù)據(jù)處理的介紹，和對汽車車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展趨勢的展望。對解決今后在碰撞試驗中出現(xiàn)的具體問題具有重要的指導和借鑒意義。KIDAU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和雙觸發(fā)模式有著更廣泛的應用，當前已經(jīng)日趨成熟。