轎車-電動兩輪車事故中AEB 仿真技術研究

摘要：道路弱勢群體的保護一直以來都是交通事故研究的重點，隨著汽車主動安全的發展，行人AEB 系統處于快速發展的巔峰時期。針對騎車人的AEB 系統的研究還處于起步階段，特別是基于中國本土交通特點的主動安全設備是目前的研究熱點。據此，基于采集真實的事故案例，對事故進行特征分析，以事故特征為基礎分析中國道路環境下的事故工況，同時選取事故重建所需的事故采集信息，并運用PC-Crash 對事故案例進行重建，將重建后的各運動參數輸出建立事故前危險工況數據庫作為AEB 仿真的數據基礎。接著建立車輛動力學模型作為AEB 仿真依托的對象，用于計算各參數設置下的運動響應。最后設計一種基于GUI 的AEB 仿真技術開發平臺，對AEB 系統參與下的事故過程及結果進行展示，并建立AEB 系統評價指標和評價方法，對系統效用進行評估，為探測目標為電動兩輪車騎車人的AEB 系統的測試場景及適應性設計的改進提供了相關的參考依據。

關鍵詞：轎車-電動兩輪車；AEB 系統；效用評估

中圖分類號：U467 收稿日期：2022-11-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.03.024

1 研究背景及內容

我國交通事故發生率遠超發達國家，事故死亡率相對較高，目前駕駛員二次用腦現象愈加嚴重，由此引發的交通事故量逐年攀升［1］。主動安全技術備受重視，人們對AEB 系統需求增大［2］。歐盟國家已經于2014 年全面要求新車必須配備AEB 系統，否則無法從ENCAP獲得五星安全認證。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）與通用、豐田等20 家車企（占美國市場99%以上）達成協議，2022 年之前，美國銷售的所有新車安裝防止碰撞的自動制動輔助系統（AEB）［3］。2022 年，美國40% 的汽車將提供前部碰撞預警系統或附加自動制動系統。未來，AEB 將在美國成為新車標配。

AEB 系統對提高車輛安全有很大的作用，根據美國公路安全保險協會的研究數據，AEB 可以減少27% 的交通事故。因此AEB 得到了各國政府、評價機構的高度重視。聯合國歐洲經濟委員會提出了AEB 的法規草案，對AEB 系統性能提出一些基本要求。美國NHTSA已經制定了AEB 系統的測評方法。E-NCAP 從2014年開始將AEB 納入其評分體系，并已制定明確的測評方法［4］。

目前國內并沒有AEB 的測評方法，鑒于國內路況和駕駛員習慣與國外相異，不能直接引用國外標準工況，需要對國內行駛的危險工況與事故工況進行統計分析，并據此提出符合國內道路交通的AEB 測試場景［5］。

2 轎車-電動兩輪車事故特征分析

AEB 系統采用探測器測出前車與障礙物的距離，然后通過數據分析來測出當前距離與安全距離差距，并在適當時機發出警報提示，在駕駛員未采取制動措施時發揮效用，降低與行人碰撞的可能性。

現有AEB 系統包括危險信息探測模塊、數據分析模塊和執行器模塊。

a. 危險信息探測模塊利用本車的行駛參數以及目標物移動軌跡進行探測。本車的行駛信息主要有車速、橫擺角速度、發動機轉速等信息。通過天氣因素、探測距離、成本和算法復雜性來選取傳感器。

b. 數據分析在探測到危險目標時選用安全距離進行決策，當自動緊急制動系統發揮其效用時，通過確定減速度的大小來開始制動。

c. 執行器模塊在緊急狀態下，若駕駛員未及時采取緊急制動，該系統會代替它。

3 事故前危險工況數據庫的建立

3.1 事故數據的采集

事故數據均是實際道路交通環境下發生的事故工況數據，主要分為對事故現場信息的采集和對碰撞參與方人和車的采集。采集的事故現場信息包括道路形態特征及尺寸、參與方的最終位置、碰撞產生的痕跡等。然后根據數據運用軟件對事故現場缺少的一些事故前車輛運動參數的信息進行事故再現，對事故過程做更詳細的還原。

3.2 基于PC-CRASH 的事故重現

首先根據事故參與方車輛類型選擇車型并調整轎車各項物理參數，然后依據事故中兩輪車的具體形態結構特征，從中選取合適的多剛體和騎車人模型。

車輛發生碰撞后，可以依據事故現場圖的道路痕跡、車輛位移等情況判斷碰撞時車輛碰撞的起始點，接著依據車輛損壞情況來判斷兩車的相對碰撞位置。碰撞點和相對碰撞位置的準確推斷可以減少仿真調試時間，提高仿真結果準確性。根據PC-CRASH 仿真事故重現，可得到事故雙方車輛的損壞位置和駕駛人員的碰撞部位和傷情。

3.3 事故前危險工況數據庫的建立

運用PC-CRASH 軟件再現事故過程，可以將碰撞前后車輛的初始速度、制動力以及各時刻的駕駛行為等參數輸出。事故發生前駕駛員的駕駛特性信息作為AEB 系統介入仿真時刻的影響因素。交通事故重建得到的參數對后期AEB 系統的仿真模擬有很重要的價值。

3.4 本章小結

本章通過對事故采集數據的選擇進行闡述，然后基于PC-Crash 軟件對樣本事故案例進行事故前后的重建仿真，結合事故采集信息、深度調查研究分析和重建仿真信息，建立車輛碰撞事故前危險工況數據庫，為下次在AEB 系統仿真平臺進行虛擬測試提供數據基礎。

4 車輛動力學仿真模型設計

4.1 整車動力學模型的建立

車輛動力學模型的建立要依托于Simulink 軟件強大的計算能力、方便的程序設計能力，可以為本文接下來的仿真計算服務。

該動力學模型可分為車身和車輪兩部分，以制動力、前輪轉角為輸入參數，車輪模塊根據輪胎滑移率和輪胎特性曲線計算車輛受到的橫向和縱向地力，并由此傳遞給車身模塊，車身模塊計算在力作用下的車身縱向速度、車身橫向速度和橫擺角速度，并繼續傳遞給車輪模塊重新計算輪胎滑移率，如此循環輸出各個時刻下車輛的運動狀態。

4.2 輪胎模型和防抱死制動系統的建模

本文選用的輪胎模型公式具體表達方程如下：

防抱死制動系統通過輪速傳感器傳來的數據不斷計算輪胎滑移率并與最佳滑移率比較，通過調節液壓閥來控制制動力，從而控制輪速以達到調節車輪實時滑移率，使其維持在最佳值，進而防止車輪抱死、側滑，以提高汽車的制動效能。

4.3 車輛位置換算模塊

車輛位置換算模塊內部結構運用車身模塊中計算出來的縱向車速、橫向車速、擺角速度的積分，加上數據庫讀取的始位置得出車輛在每步中的位置的橫縱坐標，此模塊用以顯示車輛路徑，其結構圖如圖1 所示。本文中車輛動力學模型的參數都是根據前期數據矩陣庫的案例數據設置的，最后在simulink 里面搭建的模型整體框架中包含了七自由度的整車動力學模型、防抱死控制系統模塊、車輛位置換算模塊以及路徑跟隨模塊。

4.4 本章小結

車輛動力學模型作為AEB 仿真測試中的被控制對象，是本課題的基礎。本章選取了七自由度動力學模型和基于輪胎魔術公式建立的輪胎模型，在此基礎上，本章還根據防抱死制動系統的工作原理進行了探索，建立了基于輪胎滑移率的防抱死制動系統模塊，為仿真中實現制動輔助的功能提供了必要的支持。

5 基于Matlab GUI 的AEB 仿真技術設計及實現

5.1 基于Matlab GUI 的AEB 仿真總體工作流程

總體工作流程主要包括以下四個步驟：

a. 由目標定草圖。確定功能，選擇合適的控件。

b. 設計界面。拖動控件按草圖布置相似界面。

c. 編寫回調函數。根據GUI 界面要實現的具體功能，編寫控件的回調函數，以實現其響應。

d. 測試改善。通過測試，完善界面功能。

5.2 AEB 系統仿真平臺的設計及實現

AEB 系統仿真平臺的設計及實現，其主要內容包括以下三個方面：

a. 事故前危險工況數據庫的讀取。

b.AEB 系統仿真作用設置。

c. 危險探測過程分析。

根據碰撞前兩車相對位置，設立兩車坐標、探測器坐標、轎車質心到前端距離等參數，計算制動后車輛運動響應時間，將車輛速度曲線和碰撞車速顯示出來。

5.3 AEB 系統在不同參數下的效用研究

5.3.1 騎車人傷亡風險與碰撞車速的關系

通過選取自行車事故案例，分析車速與傷亡人員的關系，建立車輛碰撞速度的傷亡風險回歸模型，不同區間的速度與騎車人傷亡關系。

5.3.2 基于騎車人傷亡風險的AEB 效用研究

基于騎車人傷亡風險的AEB 效用研究，主要針對探測角度、探測距離、制動減速度等參數展開，結果分別如圖2～圖4 所示。

由此得出當探測角度為50°，探測距離為60 m，制動減速度為4.5～6.0 m/s2時AEB 發揮最大效益，傷亡人數可能達到最小。

5.4 本章小結

通過研究AEB 工作系統的原理，選取不同但關鍵的AEB 參數，運用Matlab GUI 分析在不同的AEB 參數下對兩輪車和騎車人的保護效果。

6 結語

道路弱勢群體的保護一直都是交通事故研究的重點，本文基于轎車——電動兩輪車的真實事故，采集事故信息，對事故案例進行重建，將重建后的參數進行AEB 仿真，對AEB 系統下的事故過程及結果進行展示。選取AEB 系統的評價指標和對AEB 系統所能實現最大效用的指標參數，來優化AEB 系統，減少事故發生率。

參考文獻：

［1］鄧湘洪先進駕駛輔助系統技術發展與標準法規研究［J］科技創新與應用，2013，18（19）：40-41.

［2］馬鈞，曹靜基于中國市場特定需求的汽車先進駕駛輔助系統發展趨勢研究［J］農業裝備與車輛工程，2012，50（4）：36-40.

［3］代超行人避撞安全系統的關鍵參數及效用評價研究［D］上海：同濟大學，2015.

［4］李威基于EDR 的轎車-電動兩輪車事故車速重建研究［D］上海：上海工程技術大學，2017.

［5］褚超美，陳家琪，張振東基于Matlab/Simulink 的車輛防抱死制動仿真系統［J］農業機械學報，2006（12）：216-219.

作者簡介：

董真昊，男，2001 年生，本科在讀，研究方向為智能交通工程。

湯蘇敏（通訊作者），女，1994 年生，講師，研究方向為汽車安全。