王健嶺

案例 Case Study

防止小截面物體侵入傷害——汽車自動防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王健嶺

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建省漳州市 363105）

車輛高速行駛過程中，飛石、路邊欄桿等小截面物體有幾率撞破汽車前風(fēng)擋玻璃侵入乘客艙，對車內(nèi)人員造成傷害。針對這種侵入傷害特性，建立了汽車縱向穿刺防護(hù)系統(tǒng)。通過分析縱向穿刺傷害侵入物體的目標(biāo)特性，結(jié)合道路、車輛情況及交通事故數(shù)據(jù)，制定了穿刺保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制及控制方法，設(shè)計(jì)建立了檢測及防護(hù)系統(tǒng)，并對侵入物體在車內(nèi)的行進(jìn)路線進(jìn)行了模擬仿真。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建模中，分析了穿刺、擠壓信息的獲取及判別，設(shè)計(jì)了車前垂直方向位置傳感器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的坐標(biāo)系建立及威脅等級判定，制定了系統(tǒng)決策圖，并根據(jù)威脅等級制定了二階響應(yīng)機(jī)制，提高執(zhí)行速度。實(shí)現(xiàn)了一種防止小截面物體侵入傷害的安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少風(fēng)擋玻璃被穿刺帶來的人身傷害。

小截面；侵入；穿刺；威脅等級判定；二階響應(yīng)；建模

1 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)及基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，汽車在人們生活中的應(yīng)用已經(jīng)愈發(fā)廣泛，交通事故也日益頻發(fā)[1-3]，其中，高速公路交通事故死亡人數(shù)及其占道路交通事故總死亡人數(shù)的比例始終在高位波動，且致死率相對較高。因?yàn)楦咚俾愤\(yùn)行車速較快，在眾多事故中，有異物穿刺進(jìn)入乘客空間內(nèi)、生存空間受侵占的情況是致命率最高的情況，比如汽車傾翻側(cè)滑導(dǎo)致高速護(hù)欄穿刺車體、長條形貨物穿刺進(jìn)入司機(jī)室、飛石砸入等，如圖1、圖2所示。為了保證視野，汽車前風(fēng)擋玻璃面積較大，容易成為小截面物體穿刺侵入傷害的薄弱點(diǎn)。

圖1 高速公路交通事故

針對汽車碰撞研究，基本都是基于各認(rèn)證體系的碰撞測試，如肖龍等提出了基于IIHS的正面小重疊碰撞事故的改進(jìn)設(shè)計(jì)[4-6]，白中浩等提出的基于ANFIS的小重疊碰撞安全氣囊算法研究[7]等，而在當(dāng)前安全評估碰撞系統(tǒng)中，關(guān)于異物穿刺進(jìn)入乘客空間內(nèi)的測試還沒有。關(guān)于自動駕駛方面，對于截面積比較小的可能侵入物體也還沒有專門的研究[8]。因此，研究汽車碰撞事故中縱向異物穿刺傷害的防護(hù)系統(tǒng)（以下簡稱“防護(hù)系統(tǒng)”）具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文結(jié)合碰撞事故中車輛特性、道路特性和侵入異物特性，對防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行建模。該系統(tǒng)能夠根據(jù)位置傳感器信息計(jì)算侵入異物位置及速度，并進(jìn)行零點(diǎn)位置變換——坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，確定危險等級，進(jìn)行二階響應(yīng)機(jī)制。當(dāng)侵入物進(jìn)入一階響應(yīng)范圍時，防護(hù)裝置執(zhí)行小角度預(yù)備狀態(tài)；當(dāng)侵入物進(jìn)入二階響應(yīng)范圍時，防護(hù)裝置迅速展開，進(jìn)入完全防護(hù)狀態(tài)。經(jīng)過仿真實(shí)例的驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠在很大程度上減少縱向異物穿刺傷害。

2 系統(tǒng)各部分目標(biāo)特性

本文以高速路道路安全事故為研究目標(biāo)工況[4]，對車輛、道路和侵入物進(jìn)行目標(biāo)特性界定。

小型轎車是目前高速上允許行駛速度最快的車型，本文以普通家用轎車作為目標(biāo)車型，重量大于1 t，左舵駕駛，最高車速170 km/h左右——結(jié)合高速路限速，車速按120 km/h進(jìn)行計(jì)算；因?yàn)椴捎酶咚傩旭傇O(shè)計(jì)，所以高速路表面起伏比較小，有可能對車輛造成穿刺傷害的預(yù)鍍鋅公路護(hù)欄及其立柱，根據(jù)國家道路欄桿標(biāo)準(zhǔn)，波形梁板截面尺寸為310 mm×85 mm、鋼管立柱截面尺寸為114 mm×4.5 mm，材質(zhì)為Q354[9-10]。除道路基礎(chǔ)設(shè)施以外的其他侵入物來源主要有其他車輛掉落零件及貨物、護(hù)欄外部侵入雜物、落石等。斷面較小的物體更容易對透風(fēng)擋玻璃造成穿刺破壞，從而進(jìn)入車內(nèi)，所以綜合車輛特性、道路特性和侵入物特性，侵入物特性界定為：截面尺寸小于85 mm×85 mm，侵入速度120 km/h，材質(zhì)為Q354。

3 數(shù)據(jù)模型建立

3.1 建立位置坐標(biāo)系

在防護(hù)范圍內(nèi)建立位置坐標(biāo)系，可以有效地計(jì)算出侵入物運(yùn)行軌跡，為防護(hù)系統(tǒng)提供判定信息。因?yàn)檐囕v是一個運(yùn)動的平臺，所以這個坐標(biāo)系是以動態(tài)的車輛為坐標(biāo)基準(zhǔn)，而只有和車輛相對運(yùn)動速度較快的侵入物才有可能造成穿刺傷害，且車輛運(yùn)行正前方的侵入物造成的穿刺可能性較大，其他方向的侵入物相對車輛運(yùn)行速度而言，造成傷害幾率較小。所以侵入物位置坐標(biāo)系的指標(biāo)是相對車輛運(yùn)行的相對速度，相對車輛的高度位置，相對車輛寬度方向尺寸，距離前風(fēng)擋玻璃的距離，單位為mm。

在目標(biāo)車輛上建立傳感器監(jiān)測坐標(biāo)系，以前風(fēng)擋玻璃下沿中點(diǎn)作為定位原點(diǎn)，汽車前進(jìn)方向?yàn)檩S正向，副駕駛側(cè)為軸正向，車輛正上方為軸正向，前風(fēng)擋玻璃與平面夾角（依據(jù)不同車輛造型選取不同數(shù)值），以此界定坐標(biāo)系有效范圍。

如圖3所示，在該坐標(biāo)系中，侵入物在位置傳感器系統(tǒng)中被檢測到的位置信息為：距離原點(diǎn)直線距離，直線與平面夾角，直線在平面上投影與軸夾角，侵入物在坐標(biāo)系內(nèi)的靜態(tài)定位指標(biāo)界定完畢。

3.2 侵入物位置捕捉

侵入物運(yùn)動特性指標(biāo)，除了靜態(tài)定位指標(biāo)和相對速度以外，還有以運(yùn)行車輛為相對參考的水平相對速度方向和垂直相對速度方向。為了判斷侵入物在防護(hù)范圍內(nèi)的運(yùn)動趨勢，需要將侵入物運(yùn)行軌跡信息反映在以車輛為基準(zhǔn)的坐標(biāo)體系中，進(jìn)行運(yùn)動軌跡建模[11]。

圖3 位置傳感器監(jiān)測坐標(biāo)系

式中，L為時間內(nèi)侵入物運(yùn)行的相對距離；表示侵入物的相對運(yùn)行速度，單位選取mm/ms；表示速度方向的單位為rad；（m,n,h）為侵入物在t時的位置；（m+1,n+1,h+1）為侵入物在t+1時的位置，距離及位置尺寸單位都是mm。

位置傳感器選用毫米級雷達(dá)，對防護(hù)區(qū)域掃描，記錄頻率為1×103Hz，每次掃描中侵入物位置定位到坐標(biāo)系一個空間點(diǎn)，每個點(diǎn)都有對應(yīng)的坐標(biāo)值，多個空間掃描點(diǎn)連線形成侵入物的侵入軌跡，并計(jì)算出侵入速度矢量侵，如圖4所示。

圖4 侵入軌跡及速度矢量

3.3 侵入物軌跡模擬

實(shí)際道路運(yùn)行中，可被系統(tǒng)檢測到的物體主要有道路上行駛的車輛、路邊欄桿、燈桿、路面上方廣告牌和橋梁隧道等。將這些物體運(yùn)行特點(diǎn)代入系統(tǒng)中進(jìn)行軌跡模擬，路面平直，車速穩(wěn)定。

如圖5所示，和路面近似相對靜止的物體運(yùn)動軌跡見固，在監(jiān)測范圍內(nèi)呈現(xiàn)一條掃描點(diǎn)間距均勻的連續(xù)直線。而同向行駛的其他車輛，如果車速比仿真車輛速度低，那么則呈現(xiàn)出掃描點(diǎn)間距更密集的一條直線見同；對向行駛的車輛因?yàn)橄鄬λ俣容^快，在監(jiān)測范圍內(nèi)呈現(xiàn)一條比固掃描點(diǎn)更稀疏的直線對。

圖5 侵入軌跡仿真

4 威脅等級判定

4.1 判定指標(biāo)的確定

對捕捉到的侵入物侵入速度矢量進(jìn)行分解，并進(jìn)行階梯響應(yīng)區(qū)域劃分。

將侵入速度矢量分解為三個分速度變量，即車輛運(yùn)行方向的分速度矢量為縱、車輛橫向的分速度矢量為橫和車輛垂直方向分速度矢量為垂。

以前風(fēng)擋玻璃下沿中點(diǎn)為球心，劃分一階、二階響應(yīng)區(qū)域。一階響應(yīng)區(qū)域劃分直徑尺寸依據(jù)防護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行時間、侵入物最高運(yùn)行速度及車身尺寸（需防護(hù)區(qū)域尺寸）進(jìn)行劃分，即從侵入物進(jìn)入一階響應(yīng)區(qū)域到侵入車內(nèi)的時間內(nèi)，防護(hù)系統(tǒng)能夠完成防護(hù)動作。參考安全氣囊的設(shè)計(jì)[12]，預(yù)設(shè)防護(hù)裝置打開時間為30 ms，結(jié)合侵入物特性界定，最大侵入速度120 km/h（折合33.33 mm/ms），得出侵入物在防護(hù)裝置打開的預(yù)設(shè)時間范圍內(nèi)可以運(yùn)行999.99 mm，預(yù)設(shè)安全系數(shù)1.3，可得出一階響應(yīng)區(qū)域半徑為1 300 mm。二階響應(yīng)區(qū)域根據(jù)雷達(dá)準(zhǔn)確度范圍確定半徑大小，初選二階響應(yīng)區(qū)域半徑2 000 mm。

除了空中異物穿刺，車輛在發(fā)生傾翻和碰撞時也極容易發(fā)生異物穿刺進(jìn)入車內(nèi)的現(xiàn)象，因此，車身狀態(tài)也是穿刺防護(hù)系統(tǒng)的判定指標(biāo)。在車內(nèi)加裝傾角傳感器，感應(yīng)車身傾斜角度傾；從車身自帶被動安全系統(tǒng)中引出碰撞傳感器信號，檢測減速度信號；在車頂、車側(cè)的鈑金覆蓋件及前風(fēng)擋玻璃中增加應(yīng)力、應(yīng)變傳感器，檢測受力變形情況。

4.2 界定威脅等級標(biāo)準(zhǔn)

（1）根據(jù)異物侵入速度進(jìn)行威脅等級劃分

侵入速度中，縱向速度越大，穿刺可能性越高，系統(tǒng)判定中，縱向速度矢量縱為第一優(yōu)先級判定。

在進(jìn)入二階響應(yīng)區(qū)域的侵入物中進(jìn)行分析，在30~120 km/h速度范圍內(nèi)按比例標(biāo)度法進(jìn)行威脅等級劃分；選取威脅等級最高的目標(biāo)，分析該侵入物的橫向分速度矢量ν橫及垂直方向分速度矢量ν垂，判定有較高幾率進(jìn)入一階響應(yīng)區(qū)域的話，執(zhí)行二階響應(yīng)，防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備防護(hù)狀態(tài)。一旦該目標(biāo)侵入物進(jìn)入一階響應(yīng)區(qū)域，立即執(zhí)行防護(hù)動作。

其他縱向速度矢量ν縱＜30 km/h的侵入物，在二階響應(yīng)區(qū)域內(nèi)時，不做防護(hù)動作，進(jìn)入一階響應(yīng)區(qū)域內(nèi)，防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備防護(hù)狀態(tài)，執(zhí)行二階響應(yīng)。

（2）根據(jù)傳感器信號進(jìn)行威脅等級劃分

側(cè)傾角度達(dá)到設(shè)計(jì)車身穩(wěn)定角度80%時，執(zhí)行二階響應(yīng)，超過設(shè)計(jì)車身穩(wěn)定角度，執(zhí)行防護(hù)動作。

車身覆蓋件、風(fēng)擋玻璃上的應(yīng)力應(yīng)變片，當(dāng)檢測到應(yīng)力達(dá)到材料許用應(yīng)力的80%時，執(zhí)行二階響應(yīng)；當(dāng)超過許用應(yīng)力時，執(zhí)行防護(hù)動作。

4.3 生成決策框圖

結(jié)合威脅等級界定標(biāo)準(zhǔn)，繪制決策框圖如圖6所示。

圖6 防護(hù)系統(tǒng)決策框圖

在實(shí)際道路運(yùn)行中，導(dǎo)致穿刺事故發(fā)生的因素有很多，本方案中主要對各傳感器可檢測的部分狀態(tài)因素做出分析，還有很多因素需要?dú)w納統(tǒng)一。

5 防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

防護(hù)裝置設(shè)計(jì)要求：一階防護(hù)時，能夠遮擋住車內(nèi)人員上半身，且具備足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；二階防護(hù)時，開啟部分防護(hù)支撐，但不影響駕駛員視線；不做防護(hù)時，不能影響駕駛員視線。

結(jié)合人機(jī)工程學(xué)，設(shè)計(jì)防護(hù)裝置如圖7所示。

圖7 安裝布置圖

防護(hù)裝置各階段如圖8所示。

通過兩根氣缸支撐的防護(hù)裝置，當(dāng)兩個氣缸都處于收縮狀態(tài)時，防護(hù)裝置為收起狀態(tài)，此時完全貼服于儀表臺上，不影響駕乘人員視線。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入二階響應(yīng)狀態(tài)時，遠(yuǎn)離駕駛員的氣缸伸出，防護(hù)裝置一端支起，進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，但是此時也不影響駕乘人員的視線。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出信號進(jìn)入一階響應(yīng)狀態(tài)時，另外一根氣缸伸出（該氣缸方向固定），防護(hù)裝置進(jìn)入完全防護(hù)狀態(tài)。

圖8 位置示意圖

不同車型，可以根據(jù)儀表臺位置、前風(fēng)擋玻璃傾角和視線范圍進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，本文不再詳細(xì)表述。

6 車內(nèi)侵入軌跡仿真

侵入物進(jìn)入車內(nèi)后，與防護(hù)裝置碰撞后會改變路線，并有可能與車內(nèi)其他部位碰撞后折射到前排或后排乘客身上，造成二次傷害。所以防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要結(jié)合車內(nèi)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，侵入物與防護(hù)裝置碰撞后會與車內(nèi)其他物體接觸，從而改變運(yùn)行路線。但是車內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，很難用雷達(dá)等傳感器進(jìn)行監(jiān)測及防護(hù)，所以需要結(jié)合車內(nèi)布局對車內(nèi)防護(hù)裝置的布置位置、外形，綜合進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行侵入軌跡仿真。模擬出來侵入物運(yùn)行路線，通過座椅靠背、頭枕等部件吸收二次碰撞傷害，避免侵入物接觸人體或避開人體要害部位。根據(jù)運(yùn)行模擬路線優(yōu)化車內(nèi)座椅、頭枕等部件的布局及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免侵入物變更運(yùn)行軌跡后的二次傷害。

可以采用ADAMS對車內(nèi)環(huán)境及侵入工況進(jìn)行運(yùn)動仿真建模，提取侵入物運(yùn)行路線，從而優(yōu)化防護(hù)裝置外形及布置位置。各車型內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局不同，可以通過調(diào)整防護(hù)裝置外輪廓、座椅靠背外形、頭枕外形及內(nèi)飾材料等因素，優(yōu)化車內(nèi)侵入物運(yùn)行軌跡，盡量避免或減少對人體的侵害。本文以單排座椅車輛模型為例進(jìn)行車內(nèi)侵入軌跡仿真。

侵入物（圖9圖、圖10中試體）根據(jù)前文目標(biāo)特性界定：截面尺寸小于85×85 mm，侵入速度120 km/h，材質(zhì)為Q354。

圖9 侵入物初始位置

圖10 侵入軌跡仿真

經(jīng)過模擬運(yùn)算，仿真出了侵入物侵入軌跡：防護(hù)裝 置-車頂-后備箱隔板。采用這個方法，可以進(jìn)行多角度、多方位軌跡仿真，最終實(shí)現(xiàn)車內(nèi)布局的安全優(yōu)化設(shè)計(jì)。

7 結(jié)語

[1] World Health Organization． Global status report on roadsafety 2015[R/OL]．Geneva：United Nations，(2016-09-01)．http：//apps．who．int/iris/bitstream/10665/189242/ 1/9789241565066_eng．pdf?ua=1．

[2] 任英，彭紅星．中國交通事故傷亡人數(shù)影響因素的實(shí)證分析[J]．預(yù)測，2013，32(3)：1-7．

[3] 高巖，董憲元，田飛．高速公路交通安全現(xiàn)狀分析及管理對策[J]．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2015，11(10)：10-115．

[4] 肖龍，李莉，段大偉，等．基于正面25%重疊偏置碰撞測試的轎車改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]．汽車工程，2018，40(2)：84-191．

[5] IIHS-HLDI： Crash Testing & Highway Safety．Insurance Institutefor Highway Safety (IIHS)．Small overlap frontal crashworthiness evaluationcrash test protocol (Version V)，IIHS secretary，Nov，2016［EB/OL］．http：/ /www．iihs．org /iihs /ratings /technical-information/ technical-protocols．

[6] 白中浩，張林偉，白芳華，等．基于ANFIS的小重疊碰撞安全氣囊算法研究[J]．汽車工程，2017，39(5)：524-529，523．

[7] 全國交通工程設(shè)施(公路)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．鍍鋅公路護(hù)欄：GB/T 31447—2015[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015．

[8] 全國交通工程設(shè)施（公路）標(biāo)準(zhǔn)化委員會．波形梁鋼護(hù)欄第1部分兩波形梁鋼護(hù)欄：GB/T 31439.1—2015[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015．

[9] Gale D，Shapley L S． College admission and the stability of marriage [J]． American Mathematical Monthly (S0002-9890)，1962，69(1)：9-15．

[10] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部．公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JTG b01—2014[S]．北京：人民交通出版社股份有限公司，2014．