陳一凡，羊 玢

（南京工程學(xué)院 汽車(chē)與軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211167）

追尾事故由于前車(chē)無(wú)法感知后方危險(xiǎn)，一直是中國(guó)道路事故中占比最大，傷亡率較高的事故類(lèi)型，尤其是在高速狀態(tài)下發(fā)生追尾事故，由于車(chē)輛后部的防撞結(jié)構(gòu)薄弱，車(chē)身吸能條件有限，非常容易誘發(fā)連環(huán)追尾，導(dǎo)致更多的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。伴隨著汽車(chē)電子系統(tǒng)的發(fā)展，各個(gè)系統(tǒng)之間的集成為了可能[1]，BOSCH將主動(dòng)和被動(dòng)安全系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)計(jì)了在碰撞無(wú)法避免的預(yù)碰撞階段預(yù)緊安全帶，并點(diǎn)爆氣囊實(shí)現(xiàn)乘員的提前約束；采埃孚研發(fā)了預(yù)碰撞外置側(cè)面安全氣囊，在碰撞發(fā)生前在兩車(chē)之間人為制造了一個(gè)緩沖區(qū)[2]；吉林大學(xué)岳柄劍基于多源多目標(biāo)統(tǒng)計(jì)信息融合的智能網(wǎng)研究出高精度定位的網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)來(lái)避免交通事故[3]；長(zhǎng)安大學(xué)與利茲大學(xué)研發(fā)了基于專(zhuān)用短程通信（Dedicated Short Range Communication, DSRC）的追尾預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)前后兩車(chē)的短距離通信在兩車(chē)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，進(jìn)行安全距離算法的驗(yàn)證并在危險(xiǎn)階段實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能[4]；吉林大學(xué)研發(fā)的外置氣囊式車(chē)輛側(cè)翻安全系統(tǒng)，通過(guò)干預(yù)氣囊對(duì)側(cè)傾中心產(chǎn)生側(cè)翻干預(yù)力矩防止側(cè)翻的發(fā)生[5]。

國(guó)外的安全研究大都建立在汽車(chē)本有的被動(dòng)安全約束系的研究，強(qiáng)調(diào)與主動(dòng)安全傳感器的數(shù)據(jù)銜接，在預(yù)碰撞階段提前啟動(dòng)約束系，預(yù)警效果不夠明顯，國(guó)內(nèi)的研究大多以預(yù)警為主，對(duì)碰撞無(wú)法避免時(shí)的汽車(chē)安全系統(tǒng)的研究比較稀少。因此，本文設(shè)計(jì)了一套汽車(chē)防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)，不僅可以對(duì)即將發(fā)生的追尾事故做出預(yù)警，同時(shí)可以在預(yù)碰撞階段提前約束乘員，點(diǎn)爆后端外置安全氣囊，吸收高速追尾時(shí)的沖擊力。

1 防追尾最小行車(chē)車(chē)距算法數(shù)學(xué)模型

1.1 高速公路安全距離模型

高速公路封閉的特征使高速行駛的汽車(chē)不會(huì)受到橫向車(chē)輛或者行人對(duì)其行駛的干擾，交通路況相對(duì)理想，車(chē)禍風(fēng)險(xiǎn)絕大部分來(lái)自縱向車(chē)輛的制動(dòng)不及時(shí)亦或是跟車(chē)距離較小導(dǎo)致的追尾事故。故兩車(chē)直道行駛時(shí)，前車(chē)A制動(dòng)后車(chē)B立即制動(dòng)工況公式為

式中，SA為車(chē)輛A的制動(dòng)位移；SB為車(chē)輛B的制動(dòng)位移；ΔS為制動(dòng)停止時(shí)兩車(chē)間的距離；S” 為制動(dòng)前的跟車(chē)距離。

1.2 車(chē)輛制動(dòng)數(shù)學(xué)模型

由于車(chē)輛安全跟車(chē)距離的確定與A、B兩車(chē)的制動(dòng)距離有關(guān)，所以需要對(duì)車(chē)輛的制動(dòng)過(guò)程做分析。汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程主要分為4個(gè)時(shí)間段[6]：駕駛員反映時(shí)間t1、消除空行程時(shí)間t2、制動(dòng)器起作用時(shí)間t3和持續(xù)制動(dòng)時(shí)間t4。

在制動(dòng)過(guò)程中A車(chē)的位移為t3與t4時(shí)間段的位移之和SA的表達(dá)式為

式中，abmax為制動(dòng)產(chǎn)生的最大減速度；uA為A車(chē)車(chē)速。

B車(chē)在A車(chē)制動(dòng)器工作剎車(chē)燈亮起時(shí)才會(huì)采取制動(dòng)措施，故B車(chē)的位移為t1到t4四個(gè)時(shí)間段的位移之和，SB的表達(dá)式為

式中，uB為B車(chē)車(chē)速。

將式（2）和式（3）代入式（1）可得制動(dòng)停止時(shí)兩車(chē)間的距離ΔS的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，t1、t2、t3和abmax可提前設(shè)定，uA通過(guò)車(chē)速傳感器獲得，車(chē)載雷達(dá)測(cè)得兩車(chē)之間距離S” 以及相對(duì)速度uR，再由公式uB=uA-uR得到B車(chē)車(chē)速。

2 防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)由三個(gè)子系統(tǒng)組成，即追尾安全距離預(yù)警系統(tǒng)、外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)和安全帶預(yù)緊系統(tǒng)。將約束系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，用聲音以及安全帶預(yù)緊兩種方式相結(jié)合去提醒司乘人員后方的不可視的危險(xiǎn)，同時(shí)在安全帶與外置安全氣囊的配合之下使乘員無(wú)論在高速或低速追尾的情況下都可以收到應(yīng)有的保護(hù)，低速追尾以安全帶約束乘員，車(chē)身吸能，高速追尾時(shí)安全帶更強(qiáng)力約束乘客，外置安全氣囊點(diǎn)爆，氣囊先卸去一部分碰撞沖擊力，而后的沖擊力由車(chē)身承擔(dān)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 追尾安全距離預(yù)警系統(tǒng)

由于此預(yù)警系統(tǒng)有預(yù)警作用，因而此系統(tǒng)采用保守策略在有一定危險(xiǎn)概率的情況下就開(kāi)始發(fā)出微弱的預(yù)警信號(hào)，在高危情況下發(fā)出急促的高頻信號(hào)，強(qiáng)提醒駕駛員緊急規(guī)避。該預(yù)警系統(tǒng)的判斷參數(shù)定為兩車(chē)?yán)碚搫x停距離ΔS，考慮到各車(chē)的制動(dòng)效率，設(shè)定2 m＜ΔS＜3 m為弱危險(xiǎn)工況，即兩車(chē)?yán)碚搫x停距離在2～3 m時(shí)，對(duì)于后車(chē)剎車(chē)效能較低的情況下有追尾的可能性，在此情況下采取保守策略報(bào)警，在此階段車(chē)內(nèi)喇叭會(huì)給出低頻警報(bào)信號(hào)，提醒駕駛者注意后方來(lái)車(chē)。設(shè)定ΔS＜ 2 m為高危險(xiǎn)工況，即在這個(gè)距離區(qū)間中，即使后車(chē)有較強(qiáng)的制動(dòng)效能仍有被追尾的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)車(chē)內(nèi)喇叭會(huì)發(fā)出高頻信號(hào)提醒駕駛員立即采取加速或者變道的規(guī)避措施。當(dāng)ΔS＜0 m時(shí)即認(rèn)為碰撞無(wú)法避免，此時(shí)在車(chē)內(nèi)播放高頻警報(bào)音的同時(shí)會(huì)預(yù)緊安全帶以提醒司乘人員即將到來(lái)的碰撞。由于采用保守的報(bào)警策略，預(yù)警系統(tǒng)不引入其他量進(jìn)行輔助判斷。

2.2 外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)

本系統(tǒng)的主要目的是根據(jù)傳感器的信號(hào)判斷當(dāng)前工況是否會(huì)發(fā)生不可避免的追尾事故，并在高危情況下，在碰撞發(fā)生前提前點(diǎn)爆車(chē)尾的外置安全氣囊從而卸去大部分碰撞沖擊力，來(lái)保護(hù)車(chē)內(nèi)乘客以及減輕后車(chē)的損傷。本系統(tǒng)包含啟動(dòng)復(fù)位、氣囊點(diǎn)爆、點(diǎn)爆抑制三條閾值線來(lái)確保后置氣囊僅在高沖擊力追尾情況下才會(huì)引爆，最大程度在保證碰撞后的維修經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)保證氣囊點(diǎn)爆的可靠性。

2.2.1 點(diǎn)爆系統(tǒng)的啟動(dòng)

設(shè)定系統(tǒng)啟動(dòng)閾值是為了在高危情況下確保系統(tǒng)處于啟動(dòng)狀態(tài)，有足夠充足的時(shí)間或者距離讀取車(chē)輛的環(huán)境數(shù)據(jù)，氣囊點(diǎn)爆的可靠性和即時(shí)性，而設(shè)定復(fù)位閾值是為了在日常行駛時(shí)使點(diǎn)爆算法關(guān)閉，減少低速碰撞時(shí)的不必要的點(diǎn)爆，以及不必要的運(yùn)算空間，同時(shí)也減少了氣囊誤爆的風(fēng)險(xiǎn)。

算法啟動(dòng)的條件較為苛刻，閾值基于兩個(gè)變量，一個(gè)是基于數(shù)學(xué)公式算出的兩車(chē)?yán)碚搫x停距離ΔS，另一個(gè)是基于雷達(dá)輸出的兩車(chē)相對(duì)速度uR。只有當(dāng)理論剎停距離小于閾值2 m，表示有極高的追尾風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)兩車(chē)相對(duì)速度大于閾值30 km/h即兩車(chē)具有極高的相對(duì)速度，發(fā)生碰撞時(shí)的傷害也較高。只有同時(shí)滿足這兩個(gè)條件時(shí)外置安全氣囊的點(diǎn)爆系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)，進(jìn)而再去接受相應(yīng)的判斷信號(hào)。

2.2.2 點(diǎn)爆系統(tǒng)的抑制

在系統(tǒng)啟動(dòng)的同時(shí)如果雷達(dá)模塊給出的兩車(chē)相對(duì)速度小于30 km/h時(shí)抑制點(diǎn)爆算法，即使在最后車(chē)輛發(fā)生碰撞也不會(huì)點(diǎn)爆外置安全氣囊。相關(guān)數(shù)據(jù)表明[7]，在兩車(chē)在低速碰撞時(shí)前車(chē)的后保險(xiǎn)杠與車(chē)體結(jié)構(gòu)以及后車(chē)的前部保險(xiǎn)杠與車(chē)體結(jié)構(gòu)即可吸收車(chē)輛追尾所產(chǎn)生的能量，此時(shí)考慮到車(chē)輛的維修經(jīng)濟(jì)性，不點(diǎn)爆外置安全氣囊。

2.2.3 點(diǎn)爆系統(tǒng)的判斷

具體判斷方式為判斷兩車(chē)車(chē)距S” 與氣囊完全展開(kāi)時(shí)的厚度T之間進(jìn)行比較，當(dāng)兩車(chē)之間的距離等于氣囊厚度T時(shí)，如果此時(shí)兩車(chē)之間仍然存在相對(duì)速度，即說(shuō)明此時(shí)點(diǎn)爆氣囊可及時(shí)卸除部分追尾沖擊力，但考慮到存在后車(chē)極限剎車(chē)情況即兩車(chē)最終停止時(shí)的距離小于氣囊厚度，此時(shí)如果點(diǎn)爆安全氣囊有可能無(wú)法起到防護(hù)追尾的作用還很有可能造成比較大的維修成本，以及后車(chē)前部的一些不必要的部件損壞。同時(shí)以兩車(chē)相對(duì)速度uR作為輔助判斷量來(lái)避免誤作用。上節(jié)討論了算法的抑制閾值為30 km/h，而考慮到算法判斷氣囊點(diǎn)爆時(shí)的距離非常小，此時(shí)設(shè)定的安全閾值也應(yīng)該適當(dāng)降低，此處選擇15 km/h作為安全閾值。當(dāng)兩車(chē)距離小于氣囊厚度且兩車(chē)相對(duì)速度大于 15 km/h時(shí)，點(diǎn)爆氣囊以降低車(chē)身受到的沖擊。當(dāng)兩車(chē)距離小于氣囊厚度但兩車(chē)相對(duì)速度沒(méi)達(dá)到安全速度閾值時(shí)，氣囊是不點(diǎn)爆的，因?yàn)樵谶@樣的時(shí)速下即便發(fā)生追尾工況，兩車(chē)也不會(huì)造成太大的車(chē)體變形，人員幾乎不會(huì)受傷。

2.3 安全帶預(yù)緊系統(tǒng)

本系統(tǒng)與氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)相互獨(dú)立，目的有二，一是為了保證點(diǎn)爆氣囊前乘員已經(jīng)收到安全帶的提前約束；二是在發(fā)生碰撞但點(diǎn)爆算法不啟動(dòng)的情況下給予車(chē)內(nèi)乘員最基礎(chǔ)的保護(hù)，使受傷的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。由于安全帶在低速情況下也需要預(yù)緊，所以輸入量只需要滿足可以判斷兩車(chē)目前狀態(tài)是無(wú)法避免發(fā)生碰撞的狀態(tài)，安全帶預(yù)警系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，拉緊安全帶提前束縛乘員，保證其在撞擊時(shí)已經(jīng)被安全帶完全約束，從而降低乘員頸部揮鞭傷的風(fēng)險(xiǎn)。

安全帶預(yù)緊系統(tǒng)的判斷值為兩車(chē)?yán)碚搫x停距離ΔS，但為了防止高速路段因?yàn)槌?chē)而產(chǎn)生的兩車(chē)?yán)碚撓鄬?duì)剎停距離ΔS＜0的情況，進(jìn)而引入一個(gè)輔助判斷量即兩車(chē)相對(duì)距離S” 。即在兩車(chē)?yán)碚搫x停距離小于安全閾值0時(shí)，我們可以近似認(rèn)為兩車(chē)相撞無(wú)可避免并開(kāi)始預(yù)緊安全帶來(lái)約束乘員，在這種判斷條件下將安全帶預(yù)緊分為兩個(gè)等級(jí)， 當(dāng)兩車(chē)車(chē)距小于3 m大于氣囊厚度T時(shí)，啟動(dòng)一級(jí)預(yù)緊，即安全帶輕微拉緊，與車(chē)內(nèi)提示音一起對(duì)駕駛員起到一定的提示作用；當(dāng)兩車(chē)車(chē)距小于氣囊厚度T時(shí)啟動(dòng)二級(jí)預(yù)緊，即安全帶強(qiáng)力拉緊將乘員固定在座椅上。

3 CarSim與Simulink的聯(lián)合仿真

防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)邏輯判斷圖如圖3所示，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于Simulink控制系統(tǒng)模型，通過(guò)CarSim模擬的追尾工況，并將模擬數(shù)據(jù)輸出到Simulink模型中去實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件的聯(lián)合仿真來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性

3.1 Simulink建模

3.1.1 追尾安全距離預(yù)警系統(tǒng)建模

該系統(tǒng)的判斷參數(shù)定為兩車(chē)?yán)碚搫x停距離ΔS，兩條閾值線為2 m和3 m，涉及邏輯判斷，階躍信號(hào)輸出，以及選擇輸出的功能，故選用MATLAB Function的邏輯判斷腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ΔS數(shù)值范圍的判斷，Pulse Generator模塊改變period 和Pulse Wide實(shí)現(xiàn)對(duì)階躍信號(hào)頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間的編輯，Multiport Switch模塊實(shí)現(xiàn)判斷并輸出相應(yīng)信號(hào)的功能。追尾安全距離預(yù)警系統(tǒng) Simulink模型如圖2所示。

圖2 追尾安全距離預(yù)警系統(tǒng)Simulink模型

3.1.2 外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)建模

該系統(tǒng)的判斷參數(shù)定為兩車(chē)?yán)碚搫x停距離ΔS、兩車(chē)相對(duì)速度uR和兩車(chē)車(chē)距S”，所設(shè)計(jì)的外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)Simulink模型如圖3所示。

圖3 外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)Simulink模型

3.1.3 安全帶預(yù)緊系統(tǒng)建模

該系統(tǒng)與外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)邏輯判斷類(lèi)似，用自定義腳本來(lái)對(duì)輸入的兩車(chē)車(chē)距 進(jìn)行區(qū)間判斷，所設(shè)計(jì)的安全帶預(yù)緊系統(tǒng)Simulink模型如 圖4所示。

圖4 安全帶預(yù)緊系統(tǒng)Simulink模型

3.1.4 兩車(chē)?yán)碚搫x停距離建模

對(duì)式（4）進(jìn)行參數(shù)代入，整理得到兩車(chē)?yán)碚搫x停距離為

通過(guò)Simulink自帶的算法模塊可以搭建出兩車(chē)?yán)碚搫x停距離計(jì)算模塊如圖5所示。

圖5 兩車(chē)?yán)碚搫x停距離計(jì)算模塊

3.2 CarSim與Simulink的聯(lián)合模型

在CarSim中對(duì)車(chē)型、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System, ABS）、路況進(jìn)行設(shè)置，兩車(chē)距離設(shè)置為20 m，設(shè)置A車(chē)以90 km/h的時(shí)速行駛5 s，此時(shí)A車(chē)將以最大減速度10 m/s2緊急制動(dòng)，即在7.5 s時(shí)車(chē)輛速度降為0 km/h；B車(chē)也以90 km/h的時(shí)速在A車(chē)制動(dòng)1.62 s后以最大減速度10 m/s2制動(dòng)。

將設(shè)置好的CarSim導(dǎo)入Simulink中構(gòu)建CarSim與Simulink的聯(lián)合模型，其中CarSim輸出到Simulink的變量為兩車(chē)相對(duì)距離 、前車(chē)速度和兩車(chē)車(chē)距。

3.3 仿真結(jié)果與分析

在兩車(chē)相距20 m的工況下進(jìn)行仿真，聯(lián)合仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果

從結(jié)果中可以看出兩車(chē)在7.2 s時(shí)發(fā)生碰撞，兩次理論剎停距離ΔS在整個(gè)工況下小于0，故系統(tǒng)一直進(jìn)行高頻警報(bào)，外置安全氣囊也在兩車(chē)距離小于氣囊厚度的時(shí)候快速響應(yīng)，輸出相應(yīng)的點(diǎn)爆邏輯值，而兩車(chē)距離小于設(shè)定值3 m時(shí)安全帶 輸出了一級(jí)預(yù)緊信號(hào)，在小于安全氣囊厚度時(shí)，安全帶在安全氣囊點(diǎn)爆前0.025 s觸發(fā)了二級(jí)預(yù)緊，該系統(tǒng)輸出符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套汽車(chē)防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行了仿真，相較于其他防追尾安全系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于：1）采用汽車(chē)制動(dòng)數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)危險(xiǎn)狀況進(jìn)行判定分析，其分析更明確，精度更高；2）可根據(jù)不同危險(xiǎn)狀況對(duì)駕乘人員發(fā)出不同等級(jí)的預(yù)警以及產(chǎn)生對(duì)安全帶不同強(qiáng)度的約束力，實(shí)用性能更強(qiáng)；3）安全氣囊外置且可提前點(diǎn)爆，防護(hù)性能更高，可對(duì)車(chē)身進(jìn)行保護(hù)；4）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 CarSim與Simulink的聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)的真實(shí)可行性。