防止小截面物体侵入伤害——汽车自动防护系统设计

王健岭

案例 Case Study

防止小截面物体侵入伤害——汽车自动防护系统设计

王健岭

（厦门大学嘉庚学院机电工程学院，福建省漳州市 363105）

车辆高速行驶过程中，飞石、路边栏杆等小截面物体有几率撞破汽车前风挡玻璃侵入乘客舱，对车内人员造成伤害。针对这种侵入伤害特性，建立了汽车纵向穿刺防护系统。通过分析纵向穿刺伤害侵入物体的目标特性，结合道路、车辆情况及交通事故数据，制定了穿刺保护系统的响应机制及控制方法，设计建立了检测及防护系统，并对侵入物体在车内的行进路线进行了模拟仿真。在该系统设计及建模中，分析了穿刺、挤压信息的获取及判别，设计了车前垂直方向位置传感器监控数据的坐标系建立及威胁等级判定，制定了系统决策图，并根据威胁等级制定了二阶响应机制，提高执行速度。实现了一种防止小截面物体侵入伤害的安全防护系统设计，减少风挡玻璃被穿刺带来的人身伤害。

小截面；侵入；穿刺；威胁等级判定；二阶响应；建模

1 引言

随着国家经济及基础建设的发展，汽车在人们生活中的应用已经愈发广泛，交通事故也日益频发[1-3]，其中，高速公路交通事故死亡人数及其占道路交通事故总死亡人数的比例始终在高位波动，且致死率相对较高。因为高速路运行车速较快，在众多事故中，有异物穿刺进入乘客空间内、生存空间受侵占的情况是致命率最高的情况，比如汽车倾翻侧滑导致高速护栏穿刺车体、长条形货物穿刺进入司机室、飞石砸入等，如图1、图2所示。为了保证视野，汽车前风挡玻璃面积较大，容易成为小截面物体穿刺侵入伤害的薄弱点。

图1 高速公路交通事故

针对汽车碰撞研究，基本都是基于各认证体系的碰撞测试，如肖龙等提出了基于IIHS的正面小重叠碰撞事故的改进设计[4-6]，白中浩等提出的基于ANFIS的小重叠碰撞安全气囊算法研究[7]等，而在当前安全评估碰撞系统中，关于异物穿刺进入乘客空间内的测试还没有。关于自动驾驶方面，对于截面积比较小的可能侵入物体也还没有专门的研究[8]。因此，研究汽车碰撞事故中纵向异物穿刺伤害的防护系统（以下简称“防护系统”）具有重要的现实意义。

本文结合碰撞事故中车辆特性、道路特性和侵入异物特性，对防护系统进行建模。该系统能够根据位置传感器信息计算侵入异物位置及速度，并进行零点位置变换——坐标转换，确定危险等级，进行二阶响应机制。当侵入物进入一阶响应范围时，防护装置执行小角度预备状态；当侵入物进入二阶响应范围时，防护装置迅速展开，进入完全防护状态。经过仿真实例的验证，该系统能够在很大程度上减少纵向异物穿刺伤害。

2 系统各部分目标特性

本文以高速路道路安全事故为研究目标工况[4]，对车辆、道路和侵入物进行目标特性界定。

小型轿车是目前高速上允许行驶速度最快的车型，本文以普通家用轿车作为目标车型，重量大于1 t，左舵驾驶，最高车速170 km/h左右——结合高速路限速，车速按120 km/h进行计算；因为采用高速行驶设计，所以高速路表面起伏比较小，有可能对车辆造成穿刺伤害的预镀锌公路护栏及其立柱，根据国家道路栏杆标准，波形梁板截面尺寸为310 mm×85 mm、钢管立柱截面尺寸为114 mm×4.5 mm，材质为Q354[9-10]。除道路基础设施以外的其他侵入物来源主要有其他车辆掉落零件及货物、护栏外部侵入杂物、落石等。断面较小的物体更容易对透风挡玻璃造成穿刺破坏，从而进入车内，所以综合车辆特性、道路特性和侵入物特性，侵入物特性界定为：截面尺寸小于85 mm×85 mm，侵入速度120 km/h，材质为Q354。

3 数据模型建立

3.1 建立位置坐标系

在防护范围内建立位置坐标系，可以有效地计算出侵入物运行轨迹，为防护系统提供判定信息。因为车辆是一个运动的平台，所以这个坐标系是以动态的车辆为坐标基准，而只有和车辆相对运动速度较快的侵入物才有可能造成穿刺伤害，且车辆运行正前方的侵入物造成的穿刺可能性较大，其他方向的侵入物相对车辆运行速度而言，造成伤害几率较小。所以侵入物位置坐标系的指标是相对车辆运行的相对速度，相对车辆的高度位置，相对车辆宽度方向尺寸，距离前风挡玻璃的距离，单位为mm。

在目标车辆上建立传感器监测坐标系，以前风挡玻璃下沿中点作为定位原点，汽车前进方向为轴正向，副驾驶侧为轴正向，车辆正上方为轴正向，前风挡玻璃与平面夹角（依据不同车辆造型选取不同数值），以此界定坐标系有效范围。

如图3所示，在该坐标系中，侵入物在位置传感器系统中被检测到的位置信息为：距离原点直线距离，直线与平面夹角，直线在平面上投影与轴夹角，侵入物在坐标系内的静态定位指标界定完毕。

3.2 侵入物位置捕捉

侵入物运动特性指标，除了静态定位指标和相对速度以外，还有以运行车辆为相对参考的水平相对速度方向和垂直相对速度方向。为了判断侵入物在防护范围内的运动趋势，需要将侵入物运行轨迹信息反映在以车辆为基准的坐标体系中，进行运动轨迹建模[11]。

图3 位置传感器监测坐标系

式中，L为时间内侵入物运行的相对距离；表示侵入物的相对运行速度，单位选取mm/ms；表示速度方向的单位为rad；（m,n,h）为侵入物在t时的位置；（m+1,n+1,h+1）为侵入物在t+1时的位置，距离及位置尺寸单位都是mm。

位置传感器选用毫米级雷达，对防护区域扫描，记录频率为1×103Hz，每次扫描中侵入物位置定位到坐标系一个空间点，每个点都有对应的坐标值，多个空间扫描点连线形成侵入物的侵入轨迹，并计算出侵入速度矢量侵，如图4所示。

图4 侵入轨迹及速度矢量

3.3 侵入物轨迹模拟

实际道路运行中，可被系统检测到的物体主要有道路上行驶的车辆、路边栏杆、灯杆、路面上方广告牌和桥梁隧道等。将这些物体运行特点代入系统中进行轨迹模拟，路面平直，车速稳定。

如图5所示，和路面近似相对静止的物体运动轨迹见固，在监测范围内呈现一条扫描点间距均匀的连续直线。而同向行驶的其他车辆，如果车速比仿真车辆速度低，那么则呈现出扫描点间距更密集的一条直线见同；对向行驶的车辆因为相对速度较快，在监测范围内呈现一条比固扫描点更稀疏的直线对。

图5 侵入轨迹仿真

4 威胁等级判定

4.1 判定指标的确定

对捕捉到的侵入物侵入速度矢量进行分解，并进行阶梯响应区域划分。

将侵入速度矢量分解为三个分速度变量，即车辆运行方向的分速度矢量为纵、车辆横向的分速度矢量为横和车辆垂直方向分速度矢量为垂。

以前风挡玻璃下沿中点为球心，划分一阶、二阶响应区域。一阶响应区域划分直径尺寸依据防护系统执行时间、侵入物最高运行速度及车身尺寸（需防护区域尺寸）进行划分，即从侵入物进入一阶响应区域到侵入车内的时间内，防护系统能够完成防护动作。参考安全气囊的设计[12]，预设防护装置打开时间为30 ms，结合侵入物特性界定，最大侵入速度120 km/h（折合33.33 mm/ms），得出侵入物在防护装置打开的预设时间范围内可以运行999.99 mm，预设安全系数1.3，可得出一阶响应区域半径为1 300 mm。二阶响应区域根据雷达准确度范围确定半径大小，初选二阶响应区域半径2 000 mm。

除了空中异物穿刺，车辆在发生倾翻和碰撞时也极容易发生异物穿刺进入车内的现象，因此，车身状态也是穿刺防护系统的判定指标。在车内加装倾角传感器，感应车身倾斜角度倾；从车身自带被动安全系统中引出碰撞传感器信号，检测减速度信号；在车顶、车侧的钣金覆盖件及前风挡玻璃中增加应力、应变传感器，检测受力变形情况。

4.2 界定威胁等级标准

（1）根据异物侵入速度进行威胁等级划分

侵入速度中，纵向速度越大，穿刺可能性越高，系统判定中，纵向速度矢量纵为第一优先级判定。

在进入二阶响应区域的侵入物中进行分析，在30~120 km/h速度范围内按比例标度法进行威胁等级划分；选取威胁等级最高的目标，分析该侵入物的横向分速度矢量ν横及垂直方向分速度矢量ν垂，判定有较高几率进入一阶响应区域的话，执行二阶响应，防护系统进入准备防护状态。一旦该目标侵入物进入一阶响应区域，立即执行防护动作。

其他纵向速度矢量ν纵＜30 km/h的侵入物，在二阶响应区域内时，不做防护动作，进入一阶响应区域内，防护系统进入准备防护状态，执行二阶响应。

（2）根据传感器信号进行威胁等级划分

侧倾角度达到设计车身稳定角度80%时，执行二阶响应，超过设计车身稳定角度，执行防护动作。

车身覆盖件、风挡玻璃上的应力应变片，当检测到应力达到材料许用应力的80%时，执行二阶响应；当超过许用应力时，执行防护动作。

4.3 生成决策框图

结合威胁等级界定标准，绘制决策框图如图6所示。

图6 防护系统决策框图

在实际道路运行中，导致穿刺事故发生的因素有很多，本方案中主要对各传感器可检测的部分状态因素做出分析，还有很多因素需要归纳统一。

5 防护装置设计

防护装置设计要求：一阶防护时，能够遮挡住车内人员上半身，且具备足够的结构强度；二阶防护时，开启部分防护支撑，但不影响驾驶员视线；不做防护时，不能影响驾驶员视线。

结合人机工程学，设计防护装置如图7所示。

图7 安装布置图

防护装置各阶段如图8所示。

通过两根气缸支撑的防护装置，当两个气缸都处于收缩状态时，防护装置为收起状态，此时完全贴服于仪表台上，不影响驾乘人员视线。当系统进入二阶响应状态时，远离驾驶员的气缸伸出，防护装置一端支起，进入准备状态，但是此时也不影响驾乘人员的视线。当系统发出信号进入一阶响应状态时，另外一根气缸伸出（该气缸方向固定），防护装置进入完全防护状态。

图8 位置示意图

不同车型，可以根据仪表台位置、前风挡玻璃倾角和视线范围进行相关结构尺寸设计，本文不再详细表述。

6 车内侵入轨迹仿真

侵入物进入车内后，与防护装置碰撞后会改变路线，并有可能与车内其他部位碰撞后折射到前排或后排乘客身上，造成二次伤害。所以防护系统的设计要结合车内布局进行设计，侵入物与防护装置碰撞后会与车内其他物体接触，从而改变运行路线。但是车内环境比较复杂，很难用雷达等传感器进行监测及防护，所以需要结合车内布局对车内防护装置的布置位置、外形，综合进行设计并进行侵入轨迹仿真。模拟出来侵入物运行路线，通过座椅靠背、头枕等部件吸收二次碰撞伤害，避免侵入物接触人体或避开人体要害部位。根据运行模拟路线优化车内座椅、头枕等部件的布局及结构强度，避免侵入物变更运行轨迹后的二次伤害。

可以采用ADAMS对车内环境及侵入工况进行运动仿真建模，提取侵入物运行路线，从而优化防护装置外形及布置位置。各车型内部结构布局不同，可以通过调整防护装置外轮廓、座椅靠背外形、头枕外形及内饰材料等因素，优化车内侵入物运行轨迹，尽量避免或减少对人体的侵害。本文以单排座椅车辆模型为例进行车内侵入轨迹仿真。

侵入物（图9图、图10中试体）根据前文目标特性界定：截面尺寸小于85×85 mm，侵入速度120 km/h，材质为Q354。

图9 侵入物初始位置

图10 侵入轨迹仿真

经过模拟运算，仿真出了侵入物侵入轨迹：防护装 置-车顶-后备箱隔板。采用这个方法，可以进行多角度、多方位轨迹仿真，最终实现车内布局的安全优化设计。

7 结语

[1] World Health Organization． Global status report on roadsafety 2015[R/OL]．Geneva：United Nations，(2016-09-01)．http：//apps．who．int/iris/bitstream/10665/189242/ 1/9789241565066_eng．pdf?ua=1．

[2] 任英，彭红星．中国交通事故伤亡人数影响因素的实证分析[J]．预测，2013，32(3)：1-7．

[3] 高岩，董宪元，田飞．高速公路交通安全现状分析及管理对策[J]．中国安全生产科学技术，2015，11(10)：10-115．

[4] 肖龙，李莉，段大伟，等．基于正面25%重叠偏置碰撞测试的轿车改进设计[J]．汽车工程，2018，40(2)：84-191．

[5] IIHS-HLDI： Crash Testing & Highway Safety．Insurance Institutefor Highway Safety (IIHS)．Small overlap frontal crashworthiness evaluationcrash test protocol (Version V)，IIHS secretary，Nov，2016［EB/OL］．http：/ /www．iihs．org /iihs /ratings /technical-information/ technical-protocols．

[6] 白中浩，张林伟，白芳华，等．基于ANFIS的小重叠碰撞安全气囊算法研究[J]．汽车工程，2017，39(5)：524-529，523．

[7] 全国交通工程设施(公路)标准化技术委员会．镀锌公路护栏：GB/T 31447—2015[S]．北京：中国标准出版社，2015．

[8] 全国交通工程设施（公路）标准化委员会．波形梁钢护栏第1部分两波形梁钢护栏：GB/T 31439.1—2015[S]．北京：中国标准出版社，2015．

[9] Gale D，Shapley L S． College admission and the stability of marriage [J]． American Mathematical Monthly (S0002-9890)，1962，69(1)：9-15．

[10] 中华人民共和国交通运输部．公路工程技术标准：JTG b01—2014[S]．北京：人民交通出版社股份有限公司，2014．