自動緊急轉(zhuǎn)向工況下駕駛員離位響應的一體化仿真研究

摘要：為了探究自動緊急轉(zhuǎn)向過程中駕駛員的動態(tài)響應，采用主動安全技術和被動安全防護策略相結(jié)合的方式，進行特定自動緊急轉(zhuǎn)向場景下駕駛員離位響應的一體化仿真研究.基于模型預測控制算法建立自動緊急轉(zhuǎn)向控制模型，使用PreScan、CarSim和Simulink等軟件進行聯(lián)合仿真，獲取車輛在轉(zhuǎn)向過程中的動態(tài)響應；結(jié)合主動人體模型和駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型，分析車輛及駕駛員的運動特征以及主動卷收器安全帶對駕駛員離位的改善效果. 結(jié)果表明，在72 km/h的行駛速度下，車輛和駕駛員在縱向換道距離分別為40 m、50 m和60 m的左側(cè)自動緊急轉(zhuǎn)向過程中運動響應分為右傾和左傾兩個階段；右傾階段車輛橫向加速度、側(cè)傾角以及主動人體模型的最大離位量明顯高于左傾階段；隨著縱向換道距離的增加，駕駛員頭部的最大橫向離位量由89.56 mm降低到70.22 mm和53.05 mm；主動卷收器安全帶的應用有效改善了駕駛員的離位程度，駕駛員頭部最大橫向離位量分別降低18.90%、49.56% 和67.62%，胸部最大橫向離位量分別降低12.70%、41.63%和53.69%，提高了駕駛員在自動緊急轉(zhuǎn)向階段的安全性.

關鍵詞：汽車工程；汽車安全；一體化仿真；自動緊急轉(zhuǎn)向；駕駛員離位

中圖分類號：U461.91 文獻標志碼：A

道路交通事故是有著巨大社會影響的公共安全問題之一. 世界衛(wèi)生組織報告指出，全球道路交通事故中，每年2 000 萬～5 000 萬人受傷，119 萬人死亡［1］. 為減少或避免汽車發(fā)生碰撞事故從而造成駕乘人員傷亡，以降低駕駛風險為目的的高級駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistant System，ADAS）得到了廣泛應用. 多家汽車測評機構也將ADAS相關功能納入汽車主動安全測試法規(guī)［2］，例如歐盟和中國新車評價體系等.美國公路安全保險協(xié)會在美國機動車碰撞因果關系報告中指出，配備ADAS車輛的交通事故風險和相應的人員傷亡率得到大幅度降低. ADAS技術可以減少50%的追尾碰撞事故以及56%的人員損傷［3］. 值得注意的是，盡管主動安全技術在緩解或者避免交通事故方面發(fā)揮著重要作用，但在不可避免碰撞事故中，主動安全系統(tǒng)控制車輛運動導致車內(nèi)人員狀態(tài)改變，給駕乘人員的事故風險帶來不確定性. 此時，如何降低主動安全系統(tǒng)帶來的負面影響、提高駕乘人員的安全性尤為重要.

將汽車主動安全和被動安全集成設計的主被動安全一體化已成為汽車安全領域一大研究熱點課題［4］.集成式汽車安全能夠有效降低人體在汽車安全事故中的損傷風險，提高應對嚴重交通事故的能力［5-6］. ADAS 包含自動緊急制動（Autonomous Emer?gency Brake，AEB）系統(tǒng)、自動緊急轉(zhuǎn)向（AutonomousEmergency Steering，AES）系統(tǒng)等多個主動安全系統(tǒng).目前AEB作用下不可避免碰撞工況的主被動安全一體化研究已較為成熟［7-12］，而作為正在發(fā)展中的下一代主動安全技術AES系統(tǒng)，其主被動安全一體化研究也逐漸得到行業(yè)的重視.

AES系統(tǒng)通過控制車輛自動轉(zhuǎn)向規(guī)避前方障礙物，駕駛員因車輛運動而表現(xiàn)出相應的運動趨勢.AES工況中，乘員會產(chǎn)生明顯的橫向離位［13］，乘員和約束系統(tǒng)的最佳匹配關系被改變［14］；左傾或右傾狀態(tài)下的乘員發(fā)生碰撞時，頭部和氣囊的接觸可能出現(xiàn)錯位現(xiàn)象，甚至與儀表盤發(fā)生撞擊，增加二次碰撞的風險［15］.為了提高乘員在自動緊急轉(zhuǎn)向階段的安全性，相關學者探究了AES和乘員約束系統(tǒng)的協(xié)同作用［16］. 主動卷收器（Active Control Retractor，ACR）安全帶作為約束系統(tǒng)中有效的乘員保護設施，Ghaf?fari等［17］通過志愿者試驗發(fā)現(xiàn)，在變道和制動變道過程中，ACR安全帶作用下，乘員正向和橫向離位響應程度相較于標準安全帶（Standard Belt，SB）更低；Mishra等［18］基于仿真分析了在碰撞中標準安全帶和ACR安全帶對乘員的保護能力，后者因其碰撞前的主動預緊功能而具有更好的效果. 同時，車輛在AES工況中發(fā)生碰撞的一體化仿真研究結(jié)果表明，ACR安全帶較大程度上改善了乘員肩帶脫落的情況，乘員的整體損傷風險呈現(xiàn)出降低趨勢［19-20］.

上述研究著重考量了一體化仿真中AES系統(tǒng)和ACR安全帶對車內(nèi)人員碰撞損傷的影響，而較少關注AES工況中駕駛員姿態(tài)變化特征. 因此，本文基于自動緊急轉(zhuǎn)向控制模型和駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型，建立聯(lián)合仿真平臺，對駕駛員在不同縱向換道距離下的動態(tài)響應進行一體化仿真分析，探究自動緊急轉(zhuǎn)向工況下駕駛員運動狀態(tài)及主動式安全帶對駕駛員姿態(tài)的改善效果，為后續(xù)主被動一體化研究方法提供重要參考.