發(fā)動機艙蓋智能彈起的行人保護系統(tǒng)設(shè)計

王 博，黃國潮，胡林柯

發(fā)動機艙蓋智能彈起的行人保護系統(tǒng)設(shè)計

王 博，黃國潮，胡林柯

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車學(xué)院，浙江 杭州 311112）

交通事故中，行人頭部撞擊發(fā)動機艙蓋下方硬點造成很多傷亡。針對這種情況，本系統(tǒng)所設(shè)計的發(fā)動機艙蓋智能彈起裝置，由超聲波雷達、發(fā)動機艙蓋、艙蓋前旋轉(zhuǎn)軸、前軸開關(guān)鎖、艙蓋后旋轉(zhuǎn)軸、后軸開關(guān)鎖、空氣彈簧等部分組成。在發(fā)生行人碰撞時，控制系統(tǒng)控制后軸開關(guān)鎖打開，前軸開關(guān)鎖關(guān)閉，空氣彈簧彈起發(fā)動機艙蓋后端，對行人起到撞擊緩沖，避免行人頭部撞擊發(fā)動機下方硬點，減少傷亡。空氣彈簧釋放后可以再次加壓，使發(fā)動機艙蓋智能彈起裝置可以重復(fù)使用，維護成本低，通過超聲波雷達檢測行人距離，結(jié)合汽車車速進行碰撞分析，能提前預(yù)測碰撞，起到更加及時的保護效果。

超聲波雷達；行人檢測；空氣彈簧；預(yù)測碰撞；行人保護；發(fā)動機艙蓋；智能彈起

隨著汽車保有量的增加，交通事故頻發(fā)的現(xiàn)象日益突出。在交通事故死亡人數(shù)構(gòu)成中，行人占據(jù)了很高的比例，行人在道路交通事故中處于弱勢群體，在人-車碰撞的交通事故中，行人的頭部損傷占比很高，在行人的致死原因中，頭部損傷占到50%以上，因此，行人保護的重點是在人-車碰撞中避免或減輕行人的頭部損傷，而頭部撞擊部位主要集中在發(fā)動機艙蓋上[1]。在發(fā)生汽車撞擊行人的事故中，發(fā)動機艙蓋后端向上彈起形成一個傾斜面，起到碰撞緩沖作用，可以有效降低事故對行人造成的傷害。

現(xiàn)在將發(fā)動機艙蓋升起的裝置主要有兩種類型。一種是氣體發(fā)生器式，另一種是機械式[2]。氣體發(fā)生式是通過化學(xué)反應(yīng)，瞬間產(chǎn)生高壓氣體，把發(fā)動機艙蓋后端抬起，這種方式只能使用一次，彈起之后需要更換該裝置，不能重復(fù)使用。機械式的升起裝置也是起相同的作用，區(qū)別在于是通過釋放加壓的彈簧或氣體，使發(fā)動機艙蓋后端升起，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要預(yù)先對彈簧或氣體進行加壓，好處是可以重復(fù)使用，目前正處于研究階段[3]。在行人碰撞檢測方面，目前主要采用的技術(shù)是后發(fā)現(xiàn)式的碰撞傳感器，安裝在汽車前保險杠位置，在發(fā)生碰撞行人之后，觸發(fā)壓力傳感器產(chǎn)生碰撞信號，再由控制器控制艙蓋下的安全氣囊打開，彈起發(fā)動機艙蓋后端，這種方式存在一定的滯后性，對氣囊的響應(yīng)的實時性要求較高；另外一種技術(shù)方式是通過車前雷達檢測等手段，提前預(yù)判碰撞行人的危險，在汽車碰撞行人之前，提前彈開發(fā)動機艙蓋后端，彈起裝置有更加快速的響應(yīng)。因此，對響應(yīng)及時、可重復(fù)使用的用于保護行人安全的發(fā)動機艙蓋智能彈起系統(tǒng)的研究具有非常重要的意義。

1 系統(tǒng)裝置組成

發(fā)動機艙蓋智能彈起裝置包括行人碰撞信號傳感器模塊、單片機控制模塊、彈起裝置機構(gòu)模塊。

1.1 行人碰撞傳感器模塊

超聲波雷達是一種常用的檢測障礙物的傳感器，其工作原理是通過探頭發(fā)射超聲波并接收返回的超聲波，根據(jù)聲波往返傳輸?shù)臅r間測算距離。超聲波雷達靈敏度非常好，而且精度很高，非常適合進行障礙物的實時檢測。超聲波雷達傳感器如圖1所示。

圖1 超聲波雷達傳感器

行人碰撞傳感器模塊包括三個安裝在車頭位置的超聲波雷達裝置，檢測前方行人與汽車之間的距離。超聲波雷達的最大探測距離5 m，最小探測距離25 cm。在行車過程中，碰撞行人時，探測距離會出現(xiàn)在25 cm到5 m的區(qū)間范圍內(nèi)，可以在即將碰撞行人的情況下提前打開智能艙蓋彈起裝置，相比于安裝在車身上的接觸式行人碰撞傳感器，可以實現(xiàn)更快的反應(yīng)速度[4]。

1.2 單片機控制模塊

本次設(shè)計中，選用STC89C52單片機作為主控芯片，該芯片有4組可以進行編程的I/O口，每組8位，分別是P0、P1、P2、P3口，每個口有8個針腳，這些豐富的I/O口可以接收不同的數(shù)據(jù)信號，也可以進行輸出控制[5]。在發(fā)動機艙蓋智能彈起的行人保護系統(tǒng)中，需要STC89C52單片機接收的信號主要是安裝在汽車前面的5個超聲波雷達信號，需要STC89C52單片機進行輸出控制的包括發(fā)動機艙蓋、艙蓋前旋轉(zhuǎn)軸、前軸開關(guān)鎖、艙蓋后旋轉(zhuǎn)軸、后軸開關(guān)鎖、空氣彈簧等機構(gòu)。所采用的STC89C52單片機如圖2所示。

圖2 STC89C52單片機

由STC89C52單片機搭建的控制系統(tǒng)，接收超聲波雷達傳送過來的距離信號，通過汽車通信總線接收汽車的車速信號，經(jīng)控制模塊進行決策分析，控制執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)。控制策略根據(jù)車速和距離來確定，在汽車向前行駛的速度不高于5 km/h時，車速很低，撞擊行人后一般不會對行人造成很大的影響，可以不啟動彈起裝置；在車速高于 5 km/h時，檢測到前方行人距離小于50 cm時，立刻觸發(fā)彈起裝置進行碰撞行人保護。

1.3 彈起裝置機構(gòu)模塊

彈起裝置機構(gòu)模塊是執(zhí)行機構(gòu)，由發(fā)動機艙蓋、艙蓋前旋轉(zhuǎn)軸、前軸開關(guān)鎖、艙蓋后旋轉(zhuǎn)軸、后軸開關(guān)鎖、空氣彈簧等部件組成，由控制模塊控制彈起。在平時狀態(tài)下，空氣彈簧連接艙蓋后端和后旋轉(zhuǎn)軸，經(jīng)過加壓鎖定后，艙蓋后端被鎖在后軸，艙蓋前端沒有被鎖定在前軸，艙蓋可沿后軸旋轉(zhuǎn)打開，進行發(fā)動機維護保養(yǎng)；在碰撞行人時，艙蓋前端被開關(guān)鎖鎖定在前軸，后軸開關(guān)鎖打開，空氣彈簧彈開，艙蓋沿前軸旋轉(zhuǎn)，艙蓋后端抬起，進行行人保護[6]。后軸開關(guān)鎖處于常關(guān)狀態(tài)，前軸開關(guān)鎖處于常開狀態(tài)，在碰撞行人時，后軸開關(guān)鎖打開，前軸開關(guān)鎖關(guān)閉。并且空氣彈簧彈開后可以再次進行加壓鎖定，用于下一次行人保護。

圖3 艙蓋彈起裝置機構(gòu)示意圖

發(fā)動機艙蓋彈起裝置機構(gòu)如圖3所示。

2 控制原理和保護機制

2.1 超聲波傳感器采集距離信號

如圖3所示，5個超聲波雷達均勻安裝在車頭正前方的位置，這樣可以更加全面地檢測到前方的障礙物。在汽車向前運動時，實時檢測前方是否有行人出現(xiàn)，并檢測車頭與行人之間的距離[7]。超聲波雷達距離探測的區(qū)間是25 cm到5 m，在任何一個超聲波雷達檢測到前方障礙后，都將距離信息傳送給單片機控制器。超聲波采用單片機IO口進行觸發(fā)測距，單片機輸出10 μs以上的高電平信號，超聲波模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波并自動檢測是否有信號返回。當超聲波有信號返回時，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。從而根據(jù)超聲波傳輸速度和時間確定障礙物距離。

2.2 彈起裝置工作方式

發(fā)動機艙蓋、艙蓋前旋轉(zhuǎn)軸、前軸開關(guān)鎖、艙蓋后旋轉(zhuǎn)軸、后軸開關(guān)鎖、空氣彈簧等部分共同組成發(fā)動機艙蓋彈起裝置機構(gòu)。其中，空氣彈簧連接發(fā)動機艙蓋后端和后旋轉(zhuǎn)軸，空氣彈簧經(jīng)過加壓，由后軸開關(guān)鎖將發(fā)動機艙蓋后端與后旋轉(zhuǎn)軸鎖定在一起，艙蓋前端和前旋轉(zhuǎn)軸可通過前軸開關(guān)鎖鎖定在一起[8]。當前軸開關(guān)鎖打開，后軸開關(guān)鎖關(guān)閉，艙蓋可沿后軸轉(zhuǎn)動；前軸開關(guān)鎖關(guān)閉，后軸開關(guān)鎖打開，艙蓋可沿前軸轉(zhuǎn)動。前軸和后軸的開關(guān)鎖，由STC89C52單片機，根據(jù)系統(tǒng)判斷進行自動控制。

2.3 控制器信號接收與艙蓋彈起機制

圖4為系統(tǒng)工作原理框架圖，超聲波雷達采集行人距離信息并傳送給控制單片機，同時單片機也通過汽車信息總線提取汽車的車速信息[9]。下一步，根據(jù)距離分析和速度分析進行碰撞分析，當車速大于5 km/h，同時車頭與行人間的距離小于50 cm時，考慮汽車的制動減速度和駕駛員的反應(yīng)時間，汽車會撞到行人，艙蓋彈起保護裝置開始響應(yīng)，控制單片機將觸發(fā)信號傳遞給開關(guān)鎖，打開后軸開關(guān)鎖，關(guān)閉前軸開關(guān)鎖，加壓的空氣彈簧釋放彈開發(fā)動機艙蓋后端，起到行人保護作用。

圖4 系統(tǒng)工作原理框架圖

2.4 艙蓋前端打開與后端彈起

圖5為艙蓋打開模式，艙蓋打開模式是用于平時汽車的維修保養(yǎng)，大多數(shù)情況下發(fā)動機艙蓋的前軸鎖是常開的，后軸鎖是關(guān)閉的，抬起發(fā)動機艙蓋前端，艙蓋沿后軸旋轉(zhuǎn)，可以將艙蓋打開。

圖5 艙蓋打開模式示意圖

圖6為艙蓋彈起模式示意圖，艙蓋彈起模式是在汽車向前行駛過程中，碰撞到行人，艙蓋由平時的打開模式切換成彈起模式，前軸鎖和后軸鎖狀態(tài)切換，前軸鎖關(guān)，后軸鎖開，發(fā)動機艙蓋后端向上彈起。有行人撞擊到艙蓋上時，艙蓋后端通過釋放后的空氣彈簧可以對行人起到緩沖保護的作用。艙蓋釋放后，可以再次給空氣彈簧加壓，鎖定艙蓋后端和后旋轉(zhuǎn)軸，下一次繼續(xù)使用。采用這種重復(fù)使用的方式，艙蓋彈起裝置的維護成本很低。

圖6 艙蓋彈起模式示意圖

3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計

圖7為控制器最小系統(tǒng)電路原理圖，本系統(tǒng)裝置的控制器選用STC89C52單片機，可以在滿足功能設(shè)計的情況下節(jié)約開發(fā)成本，單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4引腳分別接收超聲波雷達1、超聲波雷達2、超聲波雷達3、超聲波雷達4、超聲波雷達5的信號，車速信號通過串行數(shù)據(jù)總線傳給P3.0引腳，控制單片機經(jīng)過計算分析，在滿足裝置觸發(fā)的情況下，通過P0.0、P0.1兩個引腳控制發(fā)動機艙蓋前軸鎖和后軸鎖，單片機系統(tǒng)5 V供電，由汽車蓄電池經(jīng)過分壓電路為其供電。

圖7 控制器最小系統(tǒng)電路原理圖

4 總結(jié)

本次設(shè)計的發(fā)動機艙蓋智能彈起的行人保護系統(tǒng)，采用超聲波雷達傳感器檢測行人碰撞，在人體接觸汽車之前就可以觸發(fā)艙蓋彈起，安全保護系統(tǒng)反應(yīng)速度快；采用空氣彈簧彈起發(fā)動機艙蓋后端，彈起后可再次加壓用于下一次彈起，裝置可以重復(fù)使用，維護成本低。

[1] 都雪靜,王藝群.復(fù)合材料發(fā)動機罩的行人頭部保護研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2017,27(12):43-48.

[2] 王宏雁,朱育民,吳丹,等.基于行人保護的主動式發(fā)動機罩抬升裝置[J].交通科學(xué)與工程,2010,26(4):55- 59.

[3] 束萍萍,李宏華,李功賦,等.基于行人保護的發(fā)動機罩總成優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程師,2013(8):23-25,29.

[4] 王明慶,茍黎剛,張德彬,等.基于模態(tài)瞬態(tài)法的發(fā)動機罩焊點疲勞優(yōu)化[J].計算機輔助工程,2020,29(4): 7-11.

[5] 侯林,史承婕,王鵬,等.氣彈簧助力式四連桿鉸鏈發(fā)動機罩的計算與優(yōu)化分析[J].汽車技術(shù),2021(7):52-57.

[6] 董俊紅,楊建森,何麗.引入不確定參數(shù)的汽車發(fā)動機罩抗凹性分析[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2020,34 (2):5-10.

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Design of Pedestrian Protection System with Intelligent Bouncing of the Engine Canopy

WANG Bo, HUANG Guochao, HU Linke

( Automotive Academy, Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112, China )

In traffic accidents, pedestrians' heads hit hard spots under the engine canopy, causing many casualties. In view of this situation, the intelligent ejection device of the engine canopy designed by the system is composed of ultrasonic radar, engine canopy, front cover front rotating shaft, front axle switch lock, rear axle rotating shaft, rear axle switch lock, air spring and other parts. In the event of a pedestrian collision, the control system controls the rear axle switch lock to open, the front axle switch lock to close, and the air spring to bounce up the rear end of the engine canopy, which cushions the pedestrians from impacting, avoiding the pedestrian's head from hitting the hard point under the engine and reducing casualties. After the release of the air spring, it can be pressurized again, so that the engine canopy intelligent bounce device can be reused, the maintenance cost is low, the pedestrian distance is detected by ultrasonic radar, and the collision analysis is carried out in combination with the speed of the car, which can predict the collision in advance and play a more timely protection effect.

Ultrasonic radar;Pedestrian detection;Air springs;Predictive collisions;Pedestrian protection;Engine canopy;Intelligent bouncing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.016

U464

A

1671-7988(2022)23-88-05

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王博（1992—），男，碩士，助教，研究方向為智能網(wǎng)聯(lián)，E-mail:wangbo@zjvtit.edu.cn。

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020—2021學(xué)年導(dǎo)師制項目：一種發(fā)動機艙蓋智能彈起裝置研究；2021年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院項目（2021R441008）。