汽車側(cè)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(cè)向碰撞事故占比高達(dá)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(jīng)濟(jì)損失和生命危害。本文分析了現(xiàn)有國內(nèi)外側(cè)面碰撞防護(hù)措施及研究，考慮汽車行駛過程中側(cè)向目標(biāo)對實(shí)際駕駛安全性的威脅，并提出了一種控制方向盤轉(zhuǎn)角的側(cè)面碰撞主動(dòng)防護(hù)方法，從而制定合理的側(cè)向緊急避撞控制策略，提醒并糾正車輛行駛時(shí)側(cè)向危險(xiǎn)，并在側(cè)向碰撞不可避免時(shí)控制方向盤轉(zhuǎn)角從而實(shí)現(xiàn)碰撞損失的最小化，保證行車的安全。

關(guān)鍵詞：行車安全 側(cè)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(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)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(cè)向碰撞多出現(xiàn)在道路交叉口附近，尤其是未設(shè)立交通信號(hào)燈的道路交叉口，經(jīng)常出現(xiàn)因搶道行駛而發(fā)生車輛間或車輛與行人之間的碰撞，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失和生命危害。從汽車發(fā)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(dòng)安全到傳統(tǒng)的主動(dòng)安全，如防抱死系統(tǒng)（ABS）、驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)（ASR）等，再到近年來發(fā)展較快的先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），由于可以提醒和糾正駕駛員的錯(cuò)誤操作，交通安全事故大大降低。但國內(nèi)外對于側(cè)向的汽車碰撞研究較少，尤其在主動(dòng)防撞方面，還沒有一種完善的主動(dòng)防撞系統(tǒng)大規(guī)模地運(yùn)用在汽車上。

2 當(dāng)前汽車側(cè)向碰撞防護(hù)措施

據(jù)最新的調(diào)研結(jié)果顯示，在交通事故中，側(cè)向碰撞事故導(dǎo)致的死亡率已經(jīng)占到總體事故死亡率的44%。車身側(cè)面不像前側(cè)擁有足夠的長度空間吸收碰撞能量，側(cè)面撞擊對乘客的損傷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正面碰撞。目前應(yīng)用的側(cè)面碰撞防護(hù)措施主要分為主動(dòng)防護(hù)與被動(dòng)防護(hù)，相較于主動(dòng)防護(hù)，被動(dòng)防護(hù)的在汽車上的應(yīng)用更早，技術(shù)更成熟。

被動(dòng)碰撞防護(hù)最被人所熟知的便是安全氣囊。汽車碰撞時(shí)存在兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為汽車與外部相撞，第二個(gè)階段為乘客與車內(nèi)部的碰撞，安全氣囊就是在第二個(gè)階段開始前膨脹，保護(hù)乘客的安全裝置。安全氣囊分為前方安全氣囊、側(cè)面安全氣囊以及簾式安全氣囊等。針對側(cè)撞時(shí)乘車人的保護(hù)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(fā)生側(cè)碰時(shí)，簾式安全氣囊保護(hù)乘車人的頭部，將其與車身隔開。由于車身的側(cè)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(hù)措施。

車門防撞梁是在車門內(nèi)部結(jié)構(gòu)中加上橫梁，用以加強(qiáng)車輛側(cè)面的結(jié)構(gòu)，其作用是提高側(cè)面撞擊時(shí)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(qiáng)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(xiàn)[1]通過模擬仿真分析入侵速度以及變形結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(yōu)越。

目前汽車上主動(dòng)碰撞防護(hù)的應(yīng)用主要是對于汽車碰撞前的控制策略上。國內(nèi)對于主動(dòng)碰撞防護(hù)的研究較多。文獻(xiàn)[2]依據(jù)車輛制動(dòng)過程及前車運(yùn)行工況建立了縱向緊急避撞時(shí)的臨界安全距離模型，并通過模糊控制算法對車輛制動(dòng)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)側(cè)向轉(zhuǎn)向避撞的觸發(fā)機(jī)制，側(cè)向換道路徑通過等速偏移軌跡和正弦函數(shù)疊加來實(shí)現(xiàn)避障的軌跡規(guī)劃。文獻(xiàn)[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(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)行人避撞策略，建立了TTC（time to collision）算法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。文獻(xiàn)[4]提出車輛的危險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制，設(shè)計(jì)了集成制動(dòng)和轉(zhuǎn)向的汽車自動(dòng)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(cè)向避撞給出相應(yīng)的辦法。

國外學(xué)者對于側(cè)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(xiǎn)場景，設(shè)計(jì)了一種車輛減速度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)行人避撞功能。Jeong-Ah Jang等人提出了一種協(xié)同路口碰撞預(yù)警系統(tǒng)模型CICWS（Cooperative Intersection Collision Warning System），應(yīng)用固定的交通傳感器在無信號(hào)路口為駕駛員實(shí)時(shí)提供預(yù)警信息。Sarah Bonnin等人通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對車輛行為進(jìn)行識(shí)別，從而完成車輛間碰撞的預(yù)測。Vaishali Manwar等人基于車載自組織網(wǎng)絡(luò)對可能發(fā)生的交通事故進(jìn)行預(yù)測，并加以避免。

目前這些研究都停留在試驗(yàn)階段，完善成大規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)的可行性還有待驗(yàn)證。

3 基于方向盤轉(zhuǎn)角控制的側(cè)面碰撞主動(dòng)防護(hù)策略

基于上述的研究成果及側(cè)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(cè)面碰撞時(shí)存在使得碰撞損傷最小的最佳碰撞角度。進(jìn)而本文提出一種側(cè)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(zhuǎn)角進(jìn)行修正，以保證車輛在碰撞時(shí)處于最佳碰撞角度。

通過實(shí)際事故中的側(cè)面碰撞數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，汽車的側(cè)面碰撞存在著多種碰撞角度，且碰撞發(fā)生時(shí)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(jìn)行深入分析，并建立相應(yīng)理論模型。為了能準(zhǔn)確表示側(cè)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(shù)，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(jù)文獻(xiàn)[6]，汽車碰撞部位的形變量一般被認(rèn)為是該部件碰撞前后尺寸之差。本文從眾多事故數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)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(dāng)碰撞速度與部位相同時(shí)，碰撞角度與碰撞損傷的關(guān)系大致如下：在一定角度范圍內(nèi)，碰撞角度越大，碰撞部件綜合形變量越小;當(dāng)碰撞角度為90度時(shí)，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(dāng)碰撞角度為90度時(shí)，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(dāng)然也就最小。

由上述可知，如果對即將發(fā)生側(cè)面碰撞的車輛進(jìn)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(zhuǎn)角的方法。

該方法通過EPS常規(guī)助力模塊1根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的方向盤轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)向盤力矩和即將發(fā)生碰撞的角度等信息，確定常規(guī)助力電流，輸入到EPS助力修正模塊2;同時(shí)，EPS助力修正模塊2根據(jù)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(jìn)而確定期望方向盤轉(zhuǎn)角的助力電流，對常規(guī)助力電流進(jìn)行補(bǔ)償，輸出助力修正電流;該助力修正電流與經(jīng)助力電機(jī)4輸出的電機(jī)實(shí)際電流一起實(shí)時(shí)反饋到電流控制模塊3中，由電流閉環(huán)控制模塊3對助力電機(jī)的輸出電流實(shí)時(shí)調(diào)控來調(diào)節(jié)車輛的方向盤轉(zhuǎn)角大小，進(jìn)一步調(diào)控車輛的碰撞角度。其工作原理圖如下圖所示。

4 結(jié)論

（1）本文先分析了現(xiàn)有的側(cè)面碰撞防護(hù)措施及國內(nèi)外研究成果，然后通過對某車型眾多交通事故的數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系?；谂鲎矔r(shí)的最佳角度，初步設(shè)計(jì)了一種調(diào)控方向盤轉(zhuǎn)角的側(cè)面碰撞主動(dòng)防護(hù)策略。

（2）本文中的主動(dòng)防護(hù)策略只在初步設(shè)計(jì)階段，還需對此策略構(gòu)造仿真模型，通過對仿真模型的分析和實(shí)例驗(yàn)證，才能實(shí)現(xiàn)避撞防護(hù)的良好效果。

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

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：202010299034。

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