防止小截面物體侵入傷害——汽車自動防護系統設計

王健嶺

案例 Case Study

防止小截面物體侵入傷害——汽車自動防護系統設計

王健嶺

（廈門大學嘉庚學院機電工程學院，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擋玻璃侵入乘客艙，對車內人員造成傷害。針對這種侵入傷害特性，建立了汽車縱向穿刺防護系統。通過分析縱向穿刺傷害侵入物體的目標特性，結合道路、車輛情況及交通事故數據，制定了穿刺保護系統的響應機制及控制方法，設計建立了檢測及防護系統，并對侵入物體在車內的行進路線進行了模擬仿真。在該系統設計及建模中，分析了穿刺、擠壓信息的獲取及判別，設計了車前垂直方向位置傳感器監控數據的坐標系建立及威脅等級判定，制定了系統決策圖，并根據威脅等級制定了二階響應機制，提高執行速度。實現了一種防止小截面物體侵入傷害的安全防護系統設計，減少風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；建模

1 引言

隨著國家經濟及基礎建設的發展，汽車在人們生活中的應用已經愈發廣泛，交通事故也日益頻發[1-3]，其中，高速公路交通事故死亡人數及其占道路交通事故總死亡人數的比例始終在高位波動，且致死率相對較高。因為高速路運行車速較快，在眾多事故中，有異物穿刺進入乘客空間內、生存空間受侵占的情況是致命率最高的情況，比如汽車傾翻側滑導致高速護欄穿刺車體、長條形貨物穿刺進入司機室、飛石砸入等，如圖1、圖2所示。為了保證視野，汽車前風擋玻璃面積較大，容易成為小截面物體穿刺侵入傷害的薄弱點。

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設計[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，而在當前安全評估碰撞系統中，關于異物穿刺進入乘客空間內的測試還沒有。關于自動駕駛方面，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系統（以下簡稱“防護系統”）具有重要的現實意義。

本文結合碰撞事故中車輛特性、道路特性和侵入異物特性，對防護系統進行建模。該系統能夠根據位置傳感器信息計算侵入異物位置及速度，并進行零點位置變換——坐標轉換，確定危險等級，進行二階響應機制。當侵入物進入一階響應范圍時，防護裝置執行小角度預備狀態；當侵入物進入二階響應范圍時，防護裝置迅速展開，進入完全防護狀態。經過仿真實例的驗證，該系統能夠在很大程度上減少縱向異物穿刺傷害。

2 系統各部分目標特性

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

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車型，重量大于1 t，左舵駕駛，最高車速170 km/h左右——結合高速路限速，車速按120 km/h進行計算；因為采用高速行駛設計，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鍍鋅公路護欄及其立柱，根據國家道路欄桿標準，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，材質為Q354[9-10]。除道路基礎設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、護欄外部侵入雜物、落石等。斷面較小的物體更容易對透風擋玻璃造成穿刺破壞，從而進入車內，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，材質為Q354。

3 數據模型建立

3.1 建立位置坐標系

在防護范圍內建立位置坐標系，可以有效地計算出侵入物運行軌跡，為防護系統提供判定信息。因為車輛是一個運動的平臺，所以這個坐標系是以動態的車輛為坐標基準，而只有和車輛相對運動速度較快的侵入物才有可能造成穿刺傷害，且車輛運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行速度而言，造成傷害幾率較小。所以侵入物位置坐標系的指標是相對車輛運行的相對速度，相對車輛的高度位置，相對車輛寬度方向尺寸，距離前風擋玻璃的距離，單位為mm。

在目標車輛上建立傳感器監測坐標系，以前風擋玻璃下沿中點作為定位原點，汽車前進方向為軸正向，副駕駛側為軸正向，車輛正上方為軸正向，前風擋玻璃與平面夾角（依據不同車輛造型選取不同數值），以此界定坐標系有效范圍。

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

3.2 侵入物位置捕捉

侵入物運動特性指標，除了靜態定位指標和相對速度以外，還有以運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范圍內的運動趨勢，需要將侵入物運行軌跡信息反映在以車輛為基準的坐標體系中，進行運動軌跡建模[11]。

圖3 位置傳感器監測坐標系

式中，L為時間內侵入物運行的相對距離；表示侵入物的相對運行速度，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，對防護區域掃描，記錄頻率為1×103Hz，每次掃描中侵入物位置定位到坐標系一個空間點，每個點都有對應的坐標值，多個空間掃描點連線形成侵入物的侵入軌跡，并計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

實際道路運行中，可被系統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。將這些物體運行特點代入系統中進行軌跡模擬，路面平直，車速穩定。

如圖5所示，和路面近似相對靜止的物體運動軌跡見固，在監測范圍內呈現一條掃描點間距均勻的連續直線。而同向行駛的其他車輛，如果車速比仿真車輛速度低，那么則呈現出掃描點間距更密集的一條直線見同；對向行駛的車輛因為相對速度較快，在監測范圍內呈現一條比固掃描點更稀疏的直線對。

圖5 侵入軌跡仿真

4 威脅等級判定

4.1 判定指標的確定

對捕捉到的侵入物侵入速度矢量進行分解，并進行階梯響應區域劃分。

將侵入速度矢量分解為三個分速度變量，即車輛運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。

以前風擋玻璃下沿中點為球心，劃分一階、二階響應區域。一階響應區域劃分直徑尺寸依據防護系統執行時間、侵入物最高運行速度及車身尺寸（需防護區域尺寸）進行劃分，即從侵入物進入一階響應區域到侵入車內的時間內，防護系統能夠完成防護動作。參考安全氣囊的設計[12]，預設防護裝置打開時間為30 ms，結合侵入物特性界定，最大侵入速度120 km/h（折合33.33 mm/ms），得出侵入物在防護裝置打開的預設時間范圍內可以運行999.99 mm，預設安全系數1.3，可得出一階響應區域半徑為1 300 mm。二階響應區域根據雷達準確度范圍確定半徑大小，初選二階響應區域半徑2 000 mm。

除了空中異物穿刺，車輛在發生傾翻和碰撞時也極容易發生異物穿刺進入車內的現象，因此，車身狀態也是穿刺防護系統的判定指標。在車內加裝傾角傳感器，感應車身傾斜角度傾；從車身自帶被動安全系統中引出碰撞傳感器信號，檢測減速度信號；在車頂、車側的鈑金覆蓋件及前風擋玻璃中增加應力、應變傳感器，檢測受力變形情況。

4.2 界定威脅等級標準

（1）根據異物侵入速度進行威脅等級劃分

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

在進入二階響應區域的侵入物中進行分析，在30~120 km/h速度范圍內按比例標度法進行威脅等級劃分；選取威脅等級最高的目標，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，判定有較高幾率進入一階響應區域的話，執行二階響應，防護系統進入準備防護狀態。一旦該目標侵入物進入一階響應區域，立即執行防護動作。

其他縱向速度矢量ν縱＜30 km/h的侵入物，在二階響應區域內時，不做防護動作，進入一階響應區域內，防護系統進入準備防護狀態，執行二階響應。

（2）根據傳感器信號進行威脅等級劃分

側傾角度達到設計車身穩定角度80%時，執行二階響應，超過設計車身穩定角度，執行防護動作。

車身覆蓋件、風擋玻璃上的應力應變片，當檢測到應力達到材料許用應力的80%時，執行二階響應；當超過許用應力時，執行防護動作。

4.3 生成決策框圖

結合威脅等級界定標準，繪制決策框圖如圖6所示。

圖6 防護系統決策框圖

在實際道路運行中，導致穿刺事故發生的因素有很多，本方案中主要對各傳感器可檢測的部分狀態因素做出分析，還有很多因素需要歸納統一。

5 防護裝置設計

防護裝置設計要求：一階防護時，能夠遮擋住車內人員上半身，且具備足夠的結構強度；二階防護時，開啟部分防護支撐，但不影響駕駛員視線；不做防護時，不能影響駕駛員視線。

結合人機工程學，設計防護裝置如圖7所示。

圖7 安裝布置圖

防護裝置各階段如圖8所示。

通過兩根氣缸支撐的防護裝置，當兩個氣缸都處于收縮狀態時，防護裝置為收起狀態，此時完全貼服于儀表臺上，不影響駕乘人員視線。當系統進入二階響應狀態時，遠離駕駛員的氣缸伸出，防護裝置一端支起，進入準備狀態，但是此時也不影響駕乘人員的視線。當系統發出信號進入一階響應狀態時，另外一根氣缸伸出（該氣缸方向固定），防護裝置進入完全防護狀態。

圖8 位置示意圖

不同車型，可以根據儀表臺位置、前風擋玻璃傾角和視線范圍進行相關結構尺寸設計，本文不再詳細表述。

6 車內侵入軌跡仿真

侵入物進入車內后，與防護裝置碰撞后會改變路線，并有可能與車內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。所以防護系統的設計要結合車內布局進行設計，侵入物與防護裝置碰撞后會與車內其他物體接觸，從而改變運行路線。但是車內環境比較復雜，很難用雷達等傳感器進行監測及防護，所以需要結合車內布局對車內防護裝置的布置位置、外形，綜合進行設計并進行侵入軌跡仿真。模擬出來侵入物運行路線，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。根據運行模擬路線優化車內座椅、頭枕等部件的布局及結構強度，避免侵入物變更運行軌跡后的二次傷害。

可以采用ADAMS對車內環境及侵入工況進行運動仿真建模，提取侵入物運行路線，從而優化防護裝置外形及布置位置。各車型內部結構布局不同，可以通過調整防護裝置外輪廓、座椅靠背外形、頭枕外形及內飾材料等因素，優化車內侵入物運行軌跡，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行車內侵入軌跡仿真。

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

圖9 侵入物初始位置

圖10 侵入軌跡仿真

經過模擬運算，仿真出了侵入物侵入軌跡：防護裝 置-車頂-后備箱隔板。采用這個方法，可以進行多角度、多方位軌跡仿真，最終實現車內布局的安全優化設計。

7 結語

[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影響因素的實證分析[J]．預測，2013，32(3)：1-7．

[3] 高巖，董憲元，田飛．高速公路交通安全現狀分析及管理對策[J]．中國安全生產科學技術，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設計[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] 全國交通工程設施(公路)標準化技術委員會．鍍鋅公路護欄：GB/T 31447—2015[S]．北京：中國標準出版社，2015．

[8] 全國交通工程設施（公路）標準化委員會．波形梁鋼護欄第1部分兩波形梁鋼護欄：GB/T 31439.1—2015[S]．北京：中國標準出版社，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輸部．公路工程技術標準：JTG b01—2014[S]．北京：人民交通出版社股份有限公司，2014．