行人碰撞保護(hù)裝置設(shè)計(jì)綜述

以往汽車安全設(shè)計(jì)中，主要考慮了對(duì)汽車乘員尤其是駕駛員的保護(hù)。通過分析道路交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可知在汽車碰撞事故傷亡人數(shù)中，行人占很大比重。相關(guān)汽車制造商和研究機(jī)構(gòu)對(duì)行人碰撞保護(hù)裝置和系統(tǒng)進(jìn)行研究刻不容緩。下面的文獻(xiàn)介紹了一些行人保護(hù)裝置和系統(tǒng)，可以在汽車行人碰撞事故中，保護(hù)行人安全。

文獻(xiàn)[1]考慮了輪轂電機(jī)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，會(huì)釋放汽車前部空間，基于此進(jìn)行了輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行人保護(hù)裝置設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[2]指出汽車設(shè)計(jì)中保護(hù)行人安全的重要性，采用數(shù)值分析方法，對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以更好地保護(hù)行人安全；文獻(xiàn)[3]對(duì)可保護(hù)行人的汽車前部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，提出了一些設(shè)計(jì)原則；文獻(xiàn)[4]采用數(shù)學(xué)動(dòng)態(tài)模型代替價(jià)格昂貴的全尺寸行人物理模型，對(duì)汽車行人碰撞過程，行人的損傷等情況，進(jìn)行了分析研究；文獻(xiàn)[5]對(duì)一種汽車碰撞行人保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究，該系統(tǒng)可以同時(shí)給予汽車駕駛員和行人警報(bào)提醒，最大程度上避免碰撞事故發(fā)生；文獻(xiàn)[6]介紹了一種行人保護(hù)汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)其算法進(jìn)行介紹，該系統(tǒng)基于歐盟旨在到2020年將道路死亡人數(shù)減少一半的道路安全方案，可以在碰撞事故即將發(fā)生時(shí)，緊急制動(dòng)汽車，保護(hù)行人安全。

1 輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行人保護(hù)裝置設(shè)計(jì)[1]

近二十年來，提高行人安全已成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)因素。當(dāng)發(fā)生汽車與行人碰撞事故時(shí)，行人受傷的程度由多種因素決定，如汽車的外形、尺寸、碰撞時(shí)的速度、與行人接觸的面積、汽車能量吸收能力，以及行人的位置、大小和年齡等。

目前市場(chǎng)上的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的常規(guī)布局中，汽車引擎蓋下放置了大量動(dòng)力系統(tǒng)組成部件。對(duì)于電動(dòng)汽車，由于輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，使得汽車前部獲得大量剩余空間成為可能，這樣前部空間內(nèi)沒有動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)部件，剛度降低，從而可以減少行人在沖擊過程中，受到的傷害。同時(shí)，這也允許吸能結(jié)構(gòu)有更大的變形空間，從而可以吸收更多沖擊能量。

當(dāng)前，行人保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮汽車因輪轂電機(jī)技術(shù)發(fā)生的變化。文獻(xiàn)[1]中考慮了輪轂電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出了一種輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車前部行人保護(hù)裝置。通過選擇不同結(jié)構(gòu)和材料對(duì)行人保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬分析，對(duì)多種保護(hù)裝置方案在不同沖擊條件下的響應(yīng)進(jìn)行分析。

最終選出一種最合適的方案，該方案中吸能結(jié)構(gòu)可在176毫米范圍內(nèi)發(fā)生變形，而輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車前部有足夠空間安裝該裝置，從而可以更好地保護(hù)行人安全。

2 基于數(shù)值分析的汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)對(duì)行人保護(hù)的研究[2]

與汽車乘員相比，行人受傷的人數(shù)更多、死亡率更高。在亞洲，汽車事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，雖然所有道路交通事故中僅有8.4%涉及到行人，但行人占道路事故傷亡總數(shù)的12%-35%。且已有研究表明，涉及行人的汽車碰撞事故中，有80%的行人膝關(guān)節(jié)受損；轎車和輕型乘用車易造成行人的腿部的損害。

由于成本的限制，在B級(jí)汽車等價(jià)格較低的汽車中，通常對(duì)行人安全的關(guān)注不足。盡管行人受傷且傷亡情況嚴(yán)重，但目前汽車安全方面的大部分研究都集中在乘客安全方面。采用有限元方法對(duì)汽車碰撞過程進(jìn)行仿真表明，在汽車和行人發(fā)生碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠會(huì)先碰到行人的膝下部和小腿，這是行人較脆弱的部位。

由于提升汽車設(shè)計(jì)可以顯著減少行人受到的傷害，已有一些研究將重點(diǎn)放在汽車保險(xiǎn)杠上，結(jié)果表明對(duì)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以有效地保護(hù)行人的下肢受到的傷害。文中建立了一個(gè)詳細(xì)的腿部模型，用來仿真碰撞事故中，行人的腿部受損情況。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)不同部件的材料、厚度和位置等重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)果表明，優(yōu)化后的汽車保險(xiǎn)杠可在碰撞事故中，減少對(duì)行人的傷害，更大程度上保障行人安全，且當(dāng)保險(xiǎn)杠梁由剛性較低的GMT材料（一種玻璃纖維材料）制成時(shí)，具有最佳碰撞安全性。

3 可保護(hù)行人的汽車前部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]

據(jù)世衛(wèi)組織估計(jì)，印度每年有近25萬人在汽車碰撞事故中喪生，其中一半的死亡人數(shù)是摩托車手、行人和騎自行車者。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋為汽車內(nèi)部部件提供安全封閉的空間，不同汽車有著各自的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋設(shè)計(jì)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋占汽車前端外表面比例較大，所以既要考慮其美觀，也要考慮其碰撞安全性。

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋在汽車和行人碰撞事故中，有助于吸收行人與汽車碰撞時(shí)的沖擊能量。如果發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)總成部件）之間的間隙較小，則機(jī)蓋起主要吸能作用。所以為了更好地保護(hù)行人安全，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高其碰撞緩沖作用。

文中介紹了馬魯?shù)兮從居《扔邢薰緸閷?shí)現(xiàn)行人保護(hù)需求，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋及其鉸鏈、汽車前部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究?？紤]了相關(guān)法規(guī)需求，進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出了汽車前部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有用結(jié)論。

結(jié)論主要包括：為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)蓋可以充分沖擊能量，其應(yīng)與下方部件留有足夠的空間；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和下部部件之間不能留有足夠的間隙時(shí)，應(yīng)通過機(jī)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證可以充分吸收能量；機(jī)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括增加加強(qiáng)件等；發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的鉸鏈應(yīng)該足夠堅(jiān)固，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋關(guān)閉期間承受沖擊作用，從而保證其碰撞緩沖功能。

4 汽車與行人碰撞過程中行人損傷的研究[4]

為了保證汽車乘員安全，汽車制造商和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已投入了大量的人力、物力和財(cái)力來開發(fā)和改進(jìn)汽車車身結(jié)構(gòu)和安全裝置，如安全氣囊、吸能轉(zhuǎn)向柱等。這些結(jié)構(gòu)及裝置的目的是為了減少碰撞時(shí)乘員受到的傷害。交通事故統(tǒng)計(jì)顯示，這些安全結(jié)構(gòu)和裝備對(duì)乘員起到了明顯的保護(hù)作用，使汽車碰撞事故中乘員的傷亡率大大降低。但是，受汽車撞擊的行人安全性不能得到保證，傷亡率十分嚴(yán)重。

如何保護(hù)行人，減少行人碰撞損傷已經(jīng)逐漸成為汽車安全研究的新領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，行人傷害集中在頭部、胸部、上肢及下肢等部位。分析傷亡事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：各個(gè)身體區(qū)域的受損程度不同。為了有效地減少行人傷亡，需要開發(fā)和改進(jìn)相關(guān)汽車結(jié)構(gòu)和裝置。自20世紀(jì)70年代以來，歐洲、日本和美國(guó)的許多科研人員開始研究行人保護(hù)的研究，現(xiàn)在已有許多關(guān)于行人保護(hù)方面的研究。

進(jìn)行行人碰撞研究中，使用沖擊模型和全尺寸行人物理模型進(jìn)行沖擊測(cè)試，成本較高。文中利用MADYMO（數(shù)學(xué)動(dòng)態(tài)模型）構(gòu)建了汽車-行人碰撞模型。將實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)和車輛-行人碰撞模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

該模型可得到行人的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，用于分析碰撞過程行人受到的損傷。模擬的結(jié)果可以幫助評(píng)估汽車行人友好性，并協(xié)助將來的行人友好型汽車技術(shù)的發(fā)展。

5 一種汽車碰撞行人保護(hù)系統(tǒng)[5]

行人在汽車碰撞事故中，最容易受到傷害，傷亡率最高。根據(jù)CARE（歐盟道路交通事故數(shù)據(jù)庫），2014年歐盟共有25,900位行人因交通事故遇難，另據(jù)統(tǒng)計(jì)全球所有因交通事故死亡人數(shù)的22%是行人。

文中作者開發(fā)了一種系統(tǒng)，可以保障行人安全，該系統(tǒng)安裝在汽車上。所開發(fā)的弱勢(shì)道路使用者（VRU）保護(hù)系統(tǒng)主要基于相機(jī)、雷達(dá)、紅外系統(tǒng)、微波傳感器或其組合。這些傳感器主要被安置在汽車中，實(shí)時(shí)對(duì)行人進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)行人位置和行進(jìn)速度，可以提前預(yù)判危險(xiǎn)情況，向駕駛員發(fā)送警報(bào)，避免碰撞事故發(fā)生。

該系統(tǒng)除了獲得行人信息，還需獲得其他信息（如汽車位置、方向和行駛速度等）。同時(shí)還可以利用更多的行人信息，如行人與路邊的距離、甚至是個(gè)人信息（包括年齡等）。同時(shí)系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有通訊技術(shù)（如WLAN、蜂窩通信技術(shù)等），與行人手機(jī)進(jìn)行通信，使用行人手機(jī)提供的信息，向行人發(fā)送警報(bào)，使行人注意可能發(fā)生的情況，避免事故發(fā)生。

系統(tǒng)基于車載傳感器及手機(jī)，易于實(shí)施，可以檢測(cè)和評(píng)估汽車周圍的環(huán)境，對(duì)行人位置及運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)對(duì)汽車駕駛員和行人給予警報(bào)提示，可以減少碰撞事故的發(fā)生，降低傷亡人數(shù)。

6 行人保護(hù)汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)及算法設(shè)計(jì)[6]

世界上每年約有120多萬人死于交通事故，其中22%是行人。交通事故消耗巨大的社會(huì)成本，約一半的死亡人數(shù)為弱勢(shì)的道路使用者，其中22%是行人，7%是騎自行車者，20%是摩托車和摩托車乘客。為了減少交通事故死亡人數(shù)，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)啟動(dòng)了一項(xiàng)新的歐盟道路安全方案，旨在到2020年將道路死亡人數(shù)減少一半。自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）是一個(gè)非常有效的主動(dòng)安全系統(tǒng)，可以減少死亡人數(shù)。

文中依據(jù)Euro NCAP協(xié)議規(guī)定，分析各種可能的碰撞場(chǎng)景（見文中圖9），設(shè)計(jì)了用于AEB的多傳感器數(shù)據(jù)融合策略和決策算法（決策過程見文中圖5）。該算法可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的軌跡預(yù)測(cè)，對(duì)多種類型的目標(biāo)進(jìn)行高效可靠的跟蹤。采用該算法的AEB系統(tǒng)，可以使汽車實(shí)現(xiàn)自主制動(dòng)，從而保護(hù)行人安全。

文中通過汽車制動(dòng)模型，對(duì)AEB系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證實(shí)了采用該算法的AEB系統(tǒng)的可靠性。目前該系統(tǒng)仍存在不足，一是系統(tǒng)目前只能檢測(cè)行人，將來會(huì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)可以檢測(cè)騎行者，因?yàn)轵T行者移動(dòng)速度比行人高得多，后期可通過增加一個(gè)寬視角傳感器來解決，并對(duì)傳感器融合算法進(jìn)行修改；且系統(tǒng)主要依靠相機(jī)進(jìn)行行人檢測(cè)，在夜間相機(jī)檢測(cè)行人的能力很差，后期可以部署FIR攝像頭來提高夜間的檢測(cè)能力。

Figure5.Decision-making architectrure.

Figure 9.Collision situation involving a car and a pedestrian.

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