Ein Beitrag zur Erhöhung des Insassenschutzes durch Körperschallmessung in der Crasherkennung

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Verfahren zur Leistungssteigerung der Frontalcrasherkennung von Fahrzeugsicherheitssystemen durch die Messung von Körperschall. Die Motivation ist durch gesellschaftliche und politische Zielstellungen gegeben, die für eine Verminderung der Zahl der Getöteten und Verletzten im Straßenverkehr neue Maßnahmen und Verfahren zur Steigerung der Fahrzeugsicherheit erfordern. Die heutige Frontalcrasherkennung basiert wesentlich auf der Messung der Starrkörperverzögerung. Für Märkte mit erhöhten Anforderungen und für Oberklassefahrzeuge werden vergleichsweise aufwendige und leistungsfähige Multi-Point-Sensing-Architekturen mit Early-Crash-Sensoren im Vorderwagen eingesetzt. Single-Point-Sensing-Systeme müssen dagegen mit Beschleunigungssensorik im Steuergerät auskommen. Sie zeigen in einigen Lastfällen Mehrdeutigkeiten, welche die optimale Aktivierung der Rückhaltemittel erschweren können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein erweitertes Verfahren zur Crashklassifikation mittels modellbasierter Verknüpfung von Verzögerungs- und Deformationsgrößen vorgestellt. Die Deformationsinformation kann dabei durch das Airbagsystem im Crashvorgang aus den gemessenen hochfrequenten mechanischen Wellen (Körperschall) ermittelt werden, die bei der Verformung von Strukturkomponenten des Fahrzeugvorderwagens entstehen. Nach einer Eingrenzung der relevanten Fahrzeugkomponenten werden als Ursachen der Körperschallemission verschiedene mikro- und makromechanische Effekte der Deformation identifiziert und charakterisiert. Die entstehenden hochfrequenten mechanischen Wellen werden durch einen Körperschallsensor erfasst. Ein darauf basierendes Kriterium geht in die Crashklassifikation ein und unterstützt das Airbagsystem bei der Auslösung der Rückhaltemittel. Es zeigt sich, dass die Leistungsfähigkeit des körperschallbasierten Verfahrens im Frontalcrash über der des verzögerungsbasierten Single-Point-Sensing liegt und mit dem Leistungsvermögen von Multi-Point-Sensing-Architekturen vergleichbar ist. Die Fahrzeugstruktur fungiert als mechanischer Wellenleiter zwischen Quellenzone und Messposition. Für die Absicherung des Systems wird daher ein neues Verfahren zur Untersuchung von Übertragungseigenschaften und Ermittlung von Schwachstellen betrachtet, das die Fahrzeugstruktur durch Kugelbeschuss breitbandig anregt. Der für aussagekräftige Analysen benötigte Anregungsverlauf ist messtechnisch nicht zugänglich und wird mit Hilfe einer inversen Methodik aus Referenz-Beschleunigungsantworten ermittelt. Hierbei zeigt sich die Nicht-Minimalphasigkeit des Körperschall-Übertragungsverhaltens. Die Schallemissionscharakteristik im Crash hängt entscheidend von der Vorderwagenkonstruktion ab. Um diese Abhängigkeit zu minimieren, wird zusätzlich ein weiteres Verfahren betrachtet, das ein mechanisches Generatorelement in der Fahrzeugfront einsetzt, um die Karosserie mit einer deterministischen Kraftsequenz anzuregen. Neben der konstruktiven Unabhängigkeit besteht der Mehrwert in der Gewinnung der Kollisionsgeschwindigkeit zwischen den Crashpartnern. Diese Nutzinformation wird der generierten Anregungssequenz aufgeprägt und nach der Übertragung durch die Fahrzeugkarosserie aus dem gemessenen Körperschallsignal zur Verwendung in der Crashklassifikation extrahiert.

This work deals with the development of new methods for an enhanced performance of frontal crash detection of vehicle safety systems by measuring structure-borne sound. The motivation for this work lays in social and political objectives that require a decisive reduction in the total number of road accidents through the implementation of new policies and procedures in order to increase vehicle safety. Today's frontal crash detection is essentially based on the measurement of rigid body deceleration. For markets with higher requirements and for luxury class vehicles, relatively expensive and powerful multi-point-sensing architectures with early-crash sensors are applied in the front. Single-point-sensing systems by comparison need to get along with acceleration sensors in the airbag control unit. In some load-cases, these systems show ambiguities which can impede the optimal activation of restraint means. In this work, an advanced method for classification using model-based linkage of crash deceleration and deformation is presented. The deformation information can be obtained by the airbag system from the captured high-frequency mechanical waves (structure-borne sound), which are caused by the deformation of structural components of the vehicle's front end. Following the identification of relevant vehicle components, several micro- and macro-mechanical effects of deformation are identified as sources of structure-borne sound emission and characterized. The resulting high-frequency mechanical waves are detected by a structure-borne sound sensor. A criterion based on the captured signals goes into the crash classification and supports the airbag system with the initiation of restraint means. It cleary shows that the performance of the structure-borne sound based procedure in frontal crash events exceeds that of the single-point-sensing and is comparable to the performance of multi-point-sensing architectures. The vehicle structure acts as a mechanical waveguide between the source zone and measuring position. For the validation of the system a new procedure for the investigation of transmission properties is considered, which generates a broadband excitation of the vehicle structure by an air pressure based ball shot. The time response of excitation is required for meaningful analysis but is not accessible during measurement. The non-minimum phase characteristic of structure-borne sound transmission impedes the direct calculation. Therefore, the excitation force is calculated from reference acceleration responses by using an inverse method. The structure-borne sound emission characteristics of the crash depends crucially on the front end design. To minimize this dependence, an additional method is considered, which uses a mechanical element in the front end to generate a deterministic excitation sequence. In addition to the structural independence, the collision velocity between the crash partners can be obtained. This useful information is impressed on the excitation sequence and can be extracted from the captured structure-borne sound signal for use in the crash classification.