汽車防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

陳一凡，羊 玢

（南京工程學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211167）

追尾事故由于前車無法感知后方危險(xiǎn)，一直是中國道路事故中占比最大，傷亡率較高的事故類型，尤其是在高速狀態(tài)下發(fā)生追尾事故，由于車輛后部的防撞結(jié)構(gòu)薄弱，車身吸能條件有限，非常容易誘發(fā)連環(huán)追尾，導(dǎo)致更多的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。伴隨著汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展，各個(gè)系統(tǒng)之間的集成為了可能[1]，BOSCH將主動(dòng)和被動(dòng)安全系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)計(jì)了在碰撞無法避免的預(yù)碰撞階段預(yù)緊安全帶，并點(diǎn)爆氣囊實(shí)現(xiàn)乘員的提前約束；采埃孚研發(fā)了預(yù)碰撞外置側(cè)面安全氣囊，在碰撞發(fā)生前在兩車之間人為制造了一個(gè)緩沖區(qū)[2]；吉林大學(xué)岳柄劍基于多源多目標(biāo)統(tǒng)計(jì)信息融合的智能網(wǎng)研究出高精度定位的網(wǎng)聯(lián)汽車來避免交通事故[3]；長安大學(xué)與利茲大學(xué)研發(fā)了基于專用短程通信（Dedicated Short Range Communication, DSRC）的追尾預(yù)警系統(tǒng)，通過前后兩車的短距離通信在兩車之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，進(jìn)行安全距離算法的驗(yàn)證并在危險(xiǎn)階段實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能[4]；吉林大學(xué)研發(fā)的外置氣囊式車輛側(cè)翻安全系統(tǒng)，通過干預(yù)氣囊對側(cè)傾中心產(chǎn)生側(cè)翻干預(yù)力矩防止側(cè)翻的發(fā)生[5]。

國外的安全研究大都建立在汽車本有的被動(dòng)安全約束系的研究，強(qiáng)調(diào)與主動(dòng)安全傳感器的數(shù)據(jù)銜接，在預(yù)碰撞階段提前啟動(dòng)約束系，預(yù)警效果不夠明顯，國內(nèi)的研究大多以預(yù)警為主，對碰撞無法避免時(shí)的汽車安全系統(tǒng)的研究比較稀少。因此，本文設(shè)計(jì)了一套汽車防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)，不僅可以對即將發(fā)生的追尾事故做出預(yù)警，同時(shí)可以在預(yù)碰撞階段提前約束乘員，點(diǎn)爆后端外置安全氣囊，吸收高速追尾時(shí)的沖擊力。

1 防追尾最小行車車距算法數(shù)學(xué)模型

1.1 高速公路安全距離模型

高速公路封閉的特征使高速行駛的汽車不會(huì)受到橫向車輛或者行人對其行駛的干擾，交通路況相對理想，車禍風(fēng)險(xiǎn)絕大部分來自縱向車輛的制動(dòng)不及時(shí)亦或是跟車距離較小導(dǎo)致的追尾事故。故兩車直道行駛時(shí)，前車A制動(dòng)后車B立即制動(dòng)工況公式為

式中，SA為車輛A的制動(dòng)位移；SB為車輛B的制動(dòng)位移；ΔS為制動(dòng)停止時(shí)兩車間的距離；S” 為制動(dòng)前的跟車距離。

1.2 車輛制動(dòng)數(shù)學(xué)模型

由于車輛安全跟車距離的確定與A、B兩車的制動(dòng)距離有關(guān)，所以需要對車輛的制動(dòng)過程做分析。汽車制動(dòng)過程主要分為4個(gè)時(shí)間段[6]：駕駛員反映時(shí)間t1、消除空行程時(shí)間t2、制動(dòng)器起作用時(shí)間t3和持續(xù)制動(dòng)時(shí)間t4。

在制動(dòng)過程中A車的位移為t3與t4時(shí)間段的位移之和SA的表達(dá)式為

式中，abmax為制動(dòng)產(chǎn)生的最大減速度；uA為A車車速。

B車在A車制動(dòng)器工作剎車燈亮起時(shí)才會(huì)采取制動(dòng)措施，故B車的位移為t1到t4四個(gè)時(shí)間段的位移之和，SB的表達(dá)式為

式中，uB為B車車速。

將式（2）和式（3）代入式（1）可得制動(dòng)停止時(shí)兩車間的距離ΔS的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，t1、t2、t3和abmax可提前設(shè)定，uA通過車速傳感器獲得，車載雷達(dá)測得兩車之間距離S” 以及相對速度uR，再由公式uB=uA-uR得到B車車速。

2 防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)由三個(gè)子系統(tǒng)組成，即追尾安全距離預(yù)警系統(tǒng)、外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)和安全帶預(yù)緊系統(tǒng)。將約束系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)結(jié)合起來，用聲音以及安全帶預(yù)緊兩種方式相結(jié)合去提醒司乘人員后方的不可視的危險(xiǎn)，同時(shí)在安全帶與外置安全氣囊的配合之下使乘員無論在高速或低速追尾的情況下都可以收到應(yīng)有的保護(hù)，低速追尾以安全帶約束乘員，車身吸能，高速追尾時(shí)安全帶更強(qiáng)力約束乘客，外置安全氣囊點(diǎn)爆，氣囊先卸去一部分碰撞沖擊力，而后的沖擊力由車身承擔(dān)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 追尾安全距離預(yù)警系統(tǒng)

由于此預(yù)警系統(tǒng)有預(yù)警作用，因而此系統(tǒng)采用保守策略在有一定危險(xiǎn)概率的情況下就開始發(fā)出微弱的預(yù)警信號(hào)，在高危情況下發(fā)出急促的高頻信號(hào)，強(qiáng)提醒駕駛員緊急規(guī)避。該預(yù)警系統(tǒng)的判斷參數(shù)定為兩車?yán)碚搫x停距離ΔS，考慮到各車的制動(dòng)效率，設(shè)定2 m＜ΔS＜3 m為弱危險(xiǎn)工況，即兩車?yán)碚搫x停距離在2～3 m時(shí)，對于后車剎車效能較低的情況下有追尾的可能性，在此情況下采取保守策略報(bào)警，在此階段車內(nèi)喇叭會(huì)給出低頻警報(bào)信號(hào)，提醒駕駛者注意后方來車。設(shè)定ΔS＜ 2 m為高危險(xiǎn)工況，即在這個(gè)距離區(qū)間中，即使后車有較強(qiáng)的制動(dòng)效能仍有被追尾的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)車內(nèi)喇叭會(huì)發(fā)出高頻信號(hào)提醒駕駛員立即采取加速或者變道的規(guī)避措施。當(dāng)ΔS＜0 m時(shí)即認(rèn)為碰撞無法避免，此時(shí)在車內(nèi)播放高頻警報(bào)音的同時(shí)會(huì)預(yù)緊安全帶以提醒司乘人員即將到來的碰撞。由于采用保守的報(bào)警策略，預(yù)警系統(tǒng)不引入其他量進(jìn)行輔助判斷。

2.2 外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)

本系統(tǒng)的主要目的是根據(jù)傳感器的信號(hào)判斷當(dāng)前工況是否會(huì)發(fā)生不可避免的追尾事故，并在高危情況下，在碰撞發(fā)生前提前點(diǎn)爆車尾的外置安全氣囊從而卸去大部分碰撞沖擊力，來保護(hù)車內(nèi)乘客以及減輕后車的損傷。本系統(tǒng)包含啟動(dòng)復(fù)位、氣囊點(diǎn)爆、點(diǎn)爆抑制三條閾值線來確保后置氣囊僅在高沖擊力追尾情況下才會(huì)引爆，最大程度在保證碰撞后的維修經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)保證氣囊點(diǎn)爆的可靠性。

2.2.1 點(diǎn)爆系統(tǒng)的啟動(dòng)

設(shè)定系統(tǒng)啟動(dòng)閾值是為了在高危情況下確保系統(tǒng)處于啟動(dòng)狀態(tài)，有足夠充足的時(shí)間或者距離讀取車輛的環(huán)境數(shù)據(jù)，氣囊點(diǎn)爆的可靠性和即時(shí)性，而設(shè)定復(fù)位閾值是為了在日常行駛時(shí)使點(diǎn)爆算法關(guān)閉，減少低速碰撞時(shí)的不必要的點(diǎn)爆，以及不必要的運(yùn)算空間，同時(shí)也減少了氣囊誤爆的風(fēng)險(xiǎn)。

算法啟動(dòng)的條件較為苛刻，閾值基于兩個(gè)變量，一個(gè)是基于數(shù)學(xué)公式算出的兩車?yán)碚搫x停距離ΔS，另一個(gè)是基于雷達(dá)輸出的兩車相對速度uR。只有當(dāng)理論剎停距離小于閾值2 m，表示有極高的追尾風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)兩車相對速度大于閾值30 km/h即兩車具有極高的相對速度，發(fā)生碰撞時(shí)的傷害也較高。只有同時(shí)滿足這兩個(gè)條件時(shí)外置安全氣囊的點(diǎn)爆系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)，進(jìn)而再去接受相應(yīng)的判斷信號(hào)。

2.2.2 點(diǎn)爆系統(tǒng)的抑制

在系統(tǒng)啟動(dòng)的同時(shí)如果雷達(dá)模塊給出的兩車相對速度小于30 km/h時(shí)抑制點(diǎn)爆算法，即使在最后車輛發(fā)生碰撞也不會(huì)點(diǎn)爆外置安全氣囊。相關(guān)數(shù)據(jù)表明[7]，在兩車在低速碰撞時(shí)前車的后保險(xiǎn)杠與車體結(jié)構(gòu)以及后車的前部保險(xiǎn)杠與車體結(jié)構(gòu)即可吸收車輛追尾所產(chǎn)生的能量，此時(shí)考慮到車輛的維修經(jīng)濟(jì)性，不點(diǎn)爆外置安全氣囊。

2.2.3 點(diǎn)爆系統(tǒng)的判斷

具體判斷方式為判斷兩車車距S” 與氣囊完全展開時(shí)的厚度T之間進(jìn)行比較，當(dāng)兩車之間的距離等于氣囊厚度T時(shí)，如果此時(shí)兩車之間仍然存在相對速度，即說明此時(shí)點(diǎn)爆氣囊可及時(shí)卸除部分追尾沖擊力，但考慮到存在后車極限剎車情況即兩車最終停止時(shí)的距離小于氣囊厚度，此時(shí)如果點(diǎn)爆安全氣囊有可能無法起到防護(hù)追尾的作用還很有可能造成比較大的維修成本，以及后車前部的一些不必要的部件損壞。同時(shí)以兩車相對速度uR作為輔助判斷量來避免誤作用。上節(jié)討論了算法的抑制閾值為30 km/h，而考慮到算法判斷氣囊點(diǎn)爆時(shí)的距離非常小，此時(shí)設(shè)定的安全閾值也應(yīng)該適當(dāng)降低，此處選擇15 km/h作為安全閾值。當(dāng)兩車距離小于氣囊厚度且兩車相對速度大于 15 km/h時(shí)，點(diǎn)爆氣囊以降低車身受到的沖擊。當(dāng)兩車距離小于氣囊厚度但兩車相對速度沒達(dá)到安全速度閾值時(shí)，氣囊是不點(diǎn)爆的，因?yàn)樵谶@樣的時(shí)速下即便發(fā)生追尾工況，兩車也不會(huì)造成太大的車體變形，人員幾乎不會(huì)受傷。

2.3 安全帶預(yù)緊系統(tǒng)

本系統(tǒng)與氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)相互獨(dú)立，目的有二，一是為了保證點(diǎn)爆氣囊前乘員已經(jīng)收到安全帶的提前約束；二是在發(fā)生碰撞但點(diǎn)爆算法不啟動(dòng)的情況下給予車內(nèi)乘員最基礎(chǔ)的保護(hù)，使受傷的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。由于安全帶在低速情況下也需要預(yù)緊，所以輸入量只需要滿足可以判斷兩車目前狀態(tài)是無法避免發(fā)生碰撞的狀態(tài)，安全帶預(yù)警系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，拉緊安全帶提前束縛乘員，保證其在撞擊時(shí)已經(jīng)被安全帶完全約束，從而降低乘員頸部揮鞭傷的風(fēng)險(xiǎn)。

安全帶預(yù)緊系統(tǒng)的判斷值為兩車?yán)碚搫x停距離ΔS，但為了防止高速路段因?yàn)槌嚩a(chǎn)生的兩車?yán)碚撓鄬x停距離ΔS＜0的情況，進(jìn)而引入一個(gè)輔助判斷量即兩車相對距離S” 。即在兩車?yán)碚搫x停距離小于安全閾值0時(shí)，我們可以近似認(rèn)為兩車相撞無可避免并開始預(yù)緊安全帶來約束乘員，在這種判斷條件下將安全帶預(yù)緊分為兩個(gè)等級(jí)， 當(dāng)兩車車距小于3 m大于氣囊厚度T時(shí)，啟動(dòng)一級(jí)預(yù)緊，即安全帶輕微拉緊，與車內(nèi)提示音一起對駕駛員起到一定的提示作用；當(dāng)兩車車距小于氣囊厚度T時(shí)啟動(dòng)二級(jí)預(yù)緊，即安全帶強(qiáng)力拉緊將乘員固定在座椅上。

3 CarSim與Simulink的聯(lián)合仿真

防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)邏輯判斷圖如圖3所示，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于Simulink控制系統(tǒng)模型，通過CarSim模擬的追尾工況，并將模擬數(shù)據(jù)輸出到Simulink模型中去實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件的聯(lián)合仿真來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性

3.1 Simulink建模

3.1.1 追尾安全距離預(yù)警系統(tǒng)建模

該系統(tǒng)的判斷參數(shù)定為兩車?yán)碚搫x停距離ΔS，兩條閾值線為2 m和3 m，涉及邏輯判斷，階躍信號(hào)輸出，以及選擇輸出的功能，故選用MATLAB Function的邏輯判斷腳本來實(shí)現(xiàn)對ΔS數(shù)值范圍的判斷，Pulse Generator模塊改變period 和Pulse Wide實(shí)現(xiàn)對階躍信號(hào)頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間的編輯，Multiport Switch模塊實(shí)現(xiàn)判斷并輸出相應(yīng)信號(hào)的功能。追尾安全距離預(yù)警系統(tǒng) Simulink模型如圖2所示。

圖2 追尾安全距離預(yù)警系統(tǒng)Simulink模型

3.1.2 外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)建模

該系統(tǒng)的判斷參數(shù)定為兩車?yán)碚搫x停距離ΔS、兩車相對速度uR和兩車車距S”，所設(shè)計(jì)的外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)Simulink模型如圖3所示。

圖3 外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)Simulink模型

3.1.3 安全帶預(yù)緊系統(tǒng)建模

該系統(tǒng)與外置安全氣囊點(diǎn)爆系統(tǒng)邏輯判斷類似，用自定義腳本來對輸入的兩車車距 進(jìn)行區(qū)間判斷，所設(shè)計(jì)的安全帶預(yù)緊系統(tǒng)Simulink模型如 圖4所示。

圖4 安全帶預(yù)緊系統(tǒng)Simulink模型

3.1.4 兩車?yán)碚搫x停距離建模

對式（4）進(jìn)行參數(shù)代入，整理得到兩車?yán)碚搫x停距離為

通過Simulink自帶的算法模塊可以搭建出兩車?yán)碚搫x停距離計(jì)算模塊如圖5所示。

圖5 兩車?yán)碚搫x停距離計(jì)算模塊

3.2 CarSim與Simulink的聯(lián)合模型

在CarSim中對車型、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System, ABS）、路況進(jìn)行設(shè)置，兩車距離設(shè)置為20 m，設(shè)置A車以90 km/h的時(shí)速行駛5 s，此時(shí)A車將以最大減速度10 m/s2緊急制動(dòng)，即在7.5 s時(shí)車輛速度降為0 km/h；B車也以90 km/h的時(shí)速在A車制動(dòng)1.62 s后以最大減速度10 m/s2制動(dòng)。

將設(shè)置好的CarSim導(dǎo)入Simulink中構(gòu)建CarSim與Simulink的聯(lián)合模型，其中CarSim輸出到Simulink的變量為兩車相對距離 、前車速度和兩車車距。

3.3 仿真結(jié)果與分析

在兩車相距20 m的工況下進(jìn)行仿真，聯(lián)合仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果

從結(jié)果中可以看出兩車在7.2 s時(shí)發(fā)生碰撞，兩次理論剎停距離ΔS在整個(gè)工況下小于0，故系統(tǒng)一直進(jìn)行高頻警報(bào)，外置安全氣囊也在兩車距離小于氣囊厚度的時(shí)候快速響應(yīng)，輸出相應(yīng)的點(diǎn)爆邏輯值，而兩車距離小于設(shè)定值3 m時(shí)安全帶 輸出了一級(jí)預(yù)緊信號(hào)，在小于安全氣囊厚度時(shí)，安全帶在安全氣囊點(diǎn)爆前0.025 s觸發(fā)了二級(jí)預(yù)緊，該系統(tǒng)輸出符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套汽車防追尾外置安全氣囊預(yù)警系統(tǒng)并對其進(jìn)行了仿真，相較于其他防追尾安全系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于：1）采用汽車制動(dòng)數(shù)學(xué)模型來對危險(xiǎn)狀況進(jìn)行判定分析，其分析更明確，精度更高；2）可根據(jù)不同危險(xiǎn)狀況對駕乘人員發(fā)出不同等級(jí)的預(yù)警以及產(chǎn)生對安全帶不同強(qiáng)度的約束力，實(shí)用性能更強(qiáng)；3）安全氣囊外置且可提前點(diǎn)爆，防護(hù)性能更高，可對車身進(jìn)行保護(hù)；4）對系統(tǒng)進(jìn)行 CarSim與Simulink的聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)的真實(shí)可行性。