汽車側向碰撞控制策略研究

余汪梓　易貴園

摘 要：城市交通事故中，側向碰撞事故占比高達27%，僅次于縱向碰撞，是主要的事故類型之一，造成了極大的經濟損失和生命危害。本文分析了現有國內外側面碰撞防護措施及研究，考慮汽車行駛過程中側向目標對實際駕駛安全性的威脅，并提出了一種控制方向盤轉角的側面碰撞主動防護方法，從而制定合理的側向緊急避撞控制策略，提醒并糾正車輛行駛時側向危險，并在側向碰撞不可避免時控制方向盤轉角從而實現碰撞損失的最小化，保證行車的安全。

關鍵詞：行車安全 側向碰撞 控制策略

Research on the Control Strategy of Vehicle Side Impact

Yu Wangzi Yi Guiyuan

Abstract：In urban traffic accidents，lateral collisions account for up to 27%，second only to longitudinal collisions，and are one of the main types of accidents，causing great economic losses and life hazards. This article analyzes the existing domestic and foreign side collision protection measures and research，considers the threat of lateral targets to actual driving safety during the driving process of the car，and proposes an active side collision protection method that controls the steering wheel angle，so as to formulate a reasonable side collision protection method. The emergency collision avoidance control strategy reminds and corrects the side hazards when the vehicle is driving，and controls the steering wheel angle when a side collision is unavoidable，to minimize the collision loss and ensure the safety of driving.

Key words：driving safety，side collision，control strategy

1 引言

隨著中國經濟的不斷發展和城市化進程的不斷加快，道路上的汽車越來越多，越來越多的交通擁堵和交通安全問題也隨之而來。在城市交通事故中，側向碰撞多出現在道路交叉口附近，尤其是未設立交通信號燈的道路交叉口，經常出現因搶道行駛而發生車輛間或車輛與行人之間的碰撞，造成了極大的經濟損失和生命危害。從汽車發生第一起交通事故開始，人們就開始了汽車安全性能的研究。從最初的被動安全到傳統的主動安全，如防抱死系統（ABS）、驅動防滑系統（ASR）等，再到近年來發展較快的先進的駕駛員輔助系統（ADAS），由于可以提醒和糾正駕駛員的錯誤操作，交通安全事故大大降低。但國內外對于側向的汽車碰撞研究較少，尤其在主動防撞方面，還沒有一種完善的主動防撞系統大規模地運用在汽車上。

2 當前汽車側向碰撞防護措施

據最新的調研結果顯示，在交通事故中，側向碰撞事故導致的死亡率已經占到總體事故死亡率的44%。車身側面不像前側擁有足夠的長度空間吸收碰撞能量，側面撞擊對乘客的損傷遠遠超過正面碰撞。目前應用的側面碰撞防護措施主要分為主動防護與被動防護，相較于主動防護，被動防護的在汽車上的應用更早，技術更成熟。

被動碰撞防護最被人所熟知的便是安全氣囊。汽車碰撞時存在兩個階段，第一個階段為汽車與外部相撞，第二個階段為乘客與車內部的碰撞，安全氣囊就是在第二個階段開始前膨脹，保護乘客的安全裝置。安全氣囊分為前方安全氣囊、側面安全氣囊以及簾式安全氣囊等。針對側撞時乘車人的保護主要是簾式安全氣囊，也稱為頭部氣囊。簾式安全氣囊通常貫穿前后，發生側碰時，簾式安全氣囊保護乘車人的頭部，將其與車身隔開。由于車身的側面空間狹小，安全氣囊沒有很大的膨脹空間，無法很好地緩沖碰撞，所以還需要車門防撞梁，高剛度材料車門等防護措施。

車門防撞梁是在車門內部結構中加上橫梁，用以加強車輛側面的結構，其作用是提高側面撞擊時的防撞抵抗力。車門防撞梁分為管狀和帽形兩種，車門防撞梁的材料越厚，防碰撞能力越好，因此帽型一般好于管型。車門防撞梁的布置方式，還有它與車身的其他防撞部位的匹配程度，也影響著其防撞能力。除了選用高強度的材料，還可以通過在車門防撞梁中填充泡沫鋁材料提高防撞能力，文獻[1]通過模擬仿真分析入侵速度以及變形結果發現填充泡沫鋁的車門防撞梁速度變化曲線更平緩，峰值速度更小，且侵入量減小，吸能性優越。

目前汽車上主動碰撞防護的應用主要是對于汽車碰撞前的控制策略上。國內對于主動碰撞防護的研究較多。文獻[2]依據車輛制動過程及前車運行工況建立了縱向緊急避撞時的臨界安全距離模型，并通過模糊控制算法對車輛制動進行控制，設計側向轉向避撞的觸發機制，側向換道路徑通過等速偏移軌跡和正弦函數疊加來實現避障的軌跡規劃。文獻[3]提出了一種基于上層模糊控制和下層PID控制的分層控制的自動緊急制動系統行人避撞策略，建立了TTC（time to collision）算法風險評估模型。文獻[4]提出車輛的危險評估機制，設計了集成制動和轉向的汽車自動緊急避撞控制策略，提高了車輛的安全性，但僅考慮縱向避撞，未就側向避撞給出相應的辦法。

國外學者對于側向的汽車避撞研究也不少。Saito等針對行人橫穿馬路的潛在危險場景，設計了一種車輛減速度控制系統，實現行人避撞功能。Jeong-Ah Jang等人提出了一種協同路口碰撞預警系統模型CICWS（Cooperative Intersection Collision Warning System），應用固定的交通傳感器在無信號路口為駕駛員實時提供預警信息。Sarah Bonnin等人通過貝葉斯網絡對車輛行為進行識別，從而完成車輛間碰撞的預測。Vaishali Manwar等人基于車載自組織網絡對可能發生的交通事故進行預測，并加以避免。

目前這些研究都停留在試驗階段，完善成大規模應用系統的可行性還有待驗證。

3 基于方向盤轉角控制的側面碰撞主動防護策略

基于上述的研究成果及側面碰撞分析，在速度相同的情況下，兩車的碰撞角度以及碰撞部位影響著碰撞損傷情況。因此，同一速度下，車輛側面碰撞時存在使得碰撞損傷最小的最佳碰撞角度。進而本文提出一種側面碰撞最佳碰撞角度控制策略，并以PID控制對車輛的方向盤轉角進行修正，以保證車輛在碰撞時處于最佳碰撞角度。

通過實際事故中的側面碰撞數據統計分析，汽車的側面碰撞存在著多種碰撞角度，且碰撞發生時車輛的碰撞速度與碰撞部也同樣使汽車的損壞各不相同。因此有必要對這些因素進行深入分析，并建立相應理論模型。為了能準確表示側面碰撞場景下兩車碰撞情況，本文定義碰撞角度為兩車中軸線所成較小角的度數，最大為90度。

選用汽車碰撞部件的形變量衡量不同碰撞角度造成的碰撞損傷。根據文獻[6]，汽車碰撞部位的形變量一般被認為是該部件碰撞前后尺寸之差。本文從眾多事故數據中篩選所研究車型在不同碰撞角度下的碰撞部件綜合形變量，發現在同一碰撞速度以及碰撞部位下，碰撞角度對汽車碰撞部件的綜合形變量起著重要作用。并且當碰撞速度與部位相同時，碰撞角度與碰撞損傷的關系大致如下：在一定角度范圍內，碰撞角度越大，碰撞部件綜合形變量越小;當碰撞角度為90度時，碰撞部件綜合形變量最小，碰撞損傷最小。分析其原因可知，當碰撞角度為90度時，汽車撞擊面積最大，沖擊力更加散布，碰撞中參與的部件也多，綜合形變量當然也就最小。

由上述可知，如果對即將發生側面碰撞的車輛進行控制，使其盡可能處于較大的碰撞角度，才能使碰撞造成的損傷最小化。為使兩車能處于接近或等于90度的碰撞角度，決定采用控制方向盤轉角的方法。

該方法通過EPS常規助力模塊1根據實時采集到的方向盤轉角，轉向盤力矩和即將發生碰撞的角度等信息，確定常規助力電流，輸入到EPS助力修正模塊2;同時，EPS助力修正模塊2根據盡可能使車輛的碰撞角度接近90度的原則，確定車輛理想的碰撞角度，進而確定期望方向盤轉角的助力電流，對常規助力電流進行補償，輸出助力修正電流;該助力修正電流與經助力電機4輸出的電機實際電流一起實時反饋到電流控制模塊3中，由電流閉環控制模塊3對助力電機的輸出電流實時調控來調節車輛的方向盤轉角大小，進一步調控車輛的碰撞角度。其工作原理圖如下圖所示。

4 結論

（1）本文先分析了現有的側面碰撞防護措施及國內外研究成果，然后通過對某車型眾多交通事故的數據進行分析，研究了碰撞角度對碰撞損傷的影響，得出了碰撞角度與碰撞損傷的關系。基于碰撞時的最佳角度，初步設計了一種調控方向盤轉角的側面碰撞主動防護策略。

（2）本文中的主動防護策略只在初步設計階段，還需對此策略構造仿真模型，通過對仿真模型的分析和實例驗證，才能實現避撞防護的良好效果。

（3）該策略在設計中只考慮了通過調整碰撞角度來控制碰撞損傷的，還可通過控制車速與制動從而調整碰撞的發生部位，將碰撞部位集中在車身的B柱、車尾等非薄弱處進一步減輕碰撞產生的損失。

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目，項目批準號：202010299034。

參考文獻：

[1]徐平，王馨甜，宋海.泡沫鋁填充結構汽車車門防撞梁側碰安全性仿真研究.[D]遼寧：遼寧工程技術大學，2015.

[2]孫磊，劉俊，盧明明，王威.汽車主動避撞控制系統研究.[D]安徽：合肥工業大學，2019.

[3]楊為，趙胡屹，舒紅.自動緊急制動系統行人避撞策略及仿真驗證.[D]重慶：重慶大學，2019.

[4]項楚勇，魏民祥，張佳佳，邢德鑫，吳樹凡.基于危險評估的自動緊急避撞控制策略.[D]南京： 南京航空航天大學，2019.

[5]Sarah Bonnin， Thomas H. Weisswange， Franz Kummert， Jens SchmuedderichPedestrian. Crossing Prediction using Multiple Context-based Models. [D]2014 IEEE 17th International Conference on Intelligent Transportation Systems （ITSC） October 8-11， 2014.

[6]余松.基于車輛變形求解碰撞前速度的仿真分析. [D]重慶：重慶交通大學，2012.