汽車防追尾外置安全氣囊預警系統設計與仿真

陳一凡，羊 玢

（南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167）

追尾事故由于前車無法感知后方危險，一直是中國道路事故中占比最大，傷亡率較高的事故類型，尤其是在高速狀態下發生追尾事故，由于車輛后部的防撞結構薄弱，車身吸能條件有限，非常容易誘發連環追尾，導致更多的人員傷亡和財產損失。伴隨著汽車電子系統的發展，各個系統之間的集成為了可能[1]，BOSCH將主動和被動安全系統結合，設計了在碰撞無法避免的預碰撞階段預緊安全帶，并點爆氣囊實現乘員的提前約束；采埃孚研發了預碰撞外置側面安全氣囊，在碰撞發生前在兩車之間人為制造了一個緩沖區[2]；吉林大學岳柄劍基于多源多目標統計信息融合的智能網研究出高精度定位的網聯汽車來避免交通事故[3]；長安大學與利茲大學研發了基于專用短程通信（Dedicated Short Range Communication, DSRC）的追尾預警系統，通過前后兩車的短距離通信在兩車之間實現數據收集，進行安全距離算法的驗證并在危險階段實現預警功能[4]；吉林大學研發的外置氣囊式車輛側翻安全系統，通過干預氣囊對側傾中心產生側翻干預力矩防止側翻的發生[5]。

國外的安全研究大都建立在汽車本有的被動安全約束系的研究，強調與主動安全傳感器的數據銜接，在預碰撞階段提前啟動約束系，預警效果不夠明顯，國內的研究大多以預警為主，對碰撞無法避免時的汽車安全系統的研究比較稀少。因此，本文設計了一套汽車防追尾外置安全氣囊預警系統，不僅可以對即將發生的追尾事故做出預警，同時可以在預碰撞階段提前約束乘員，點爆后端外置安全氣囊，吸收高速追尾時的沖擊力。

1 防追尾最小行車車距算法數學模型

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，車禍風險絕大部分來自縱向車輛的制動不及時亦或是跟車距離較小導致的追尾事故。故兩車直道行駛時，前車A制動后車B立即制動工況公式為

式中，SA為車輛A的制動位移；SB為車輛B的制動位移；ΔS為制動停止時兩車間的距離；S” 為制動前的跟車距離。

1.2 車輛制動數學模型

由于車輛安全跟車距離的確定與A、B兩車的制動距離有關，所以需要對車輛的制動過程做分析。汽車制動過程主要分為4個時間段[6]：駕駛員反映時間t1、消除空行程時間t2、制動器起作用時間t3和持續制動時間t4。

在制動過程中A車的位移為t3與t4時間段的位移之和SA的表達式為

式中，abmax為制動產生的最大減速度；uA為A車車速。

B車在A車制動器工作剎車燈亮起時才會采取制動措施，故B車的位移為t1到t4四個時間段的位移之和，SB的表達式為

式中，uB為B車車速。

將式（2）和式（3）代入式（1）可得制動停止時兩車間的距離ΔS的數學表達式為

式中，t1、t2、t3和abmax可提前設定，uA通過車速傳感器獲得，車載雷達測得兩車之間距離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警系統設計

防追尾外置安全氣囊預警系統設計由三個子系統組成，即追尾安全距離預警系統、外置安全氣囊點爆系統和安全帶預緊系統。將約束系統，報警系統和主動安全系統結合起來，用聲音以及安全帶預緊兩種方式相結合去提醒司乘人員后方的不可視的危險，同時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有的保護，低速追尾以安全帶約束乘員，車身吸能，高速追尾時安全帶更強力約束乘客，外置安全氣囊點爆，氣囊先卸去一部分碰撞沖擊力，而后的沖擊力由車身承擔。系統架構如圖1所示。

圖1 防追尾外置安全氣囊預警系統架構

2.1 追尾安全距離預警系統

由于此預警系統有預警作用，因而此系統采用保守策略在有一定危險概率的情況下就開始發出微弱的預警信號，在高危情況下發出急促的高頻信號，強提醒駕駛員緊急規避。該預警系統的判斷參數定為兩車理論剎停距離ΔS，考慮到各車的制動效率，設定2 m＜ΔS＜3 m為弱危險工況，即兩車理論剎停距離在2～3 m時，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警，在此階段車內喇叭會給出低頻警報信號，提醒駕駛者注意后方來車。設定ΔS＜ 2 m為高危險工況，即在這個距離區間中，即使后車有較強的制動效能仍有被追尾的風險，此時車內喇叭會發出高頻信號提醒駕駛員立即采取加速或者變道的規避措施。當ΔS＜0 m時即認為碰撞無法避免，此時在車內播放高頻警報音的同時會預緊安全帶以提醒司乘人員即將到來的碰撞。由于采用保守的報警策略，預警系統不引入其他量進行輔助判斷。

2.2 外置安全氣囊點爆系統

本系統的主要目的是根據傳感器的信號判斷當前工況是否會發生不可避免的追尾事故，并在高危情況下，在碰撞發生前提前點爆車尾的外置安全氣囊從而卸去大部分碰撞沖擊力，來保護車內乘客以及減輕后車的損傷。本系統包含啟動復位、氣囊點爆、點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引爆，最大程度在保證碰撞后的維修經濟性的同時保證氣囊點爆的可靠性。

2.2.1 點爆系統的啟動

設定系統啟動閾值是為了在高危情況下確保系統處于啟動狀態，有足夠充足的時間或者距離讀取車輛的環境數據，氣囊點爆的可靠性和即時性，而設定復位閾值是為了在日常行駛時使點爆算法關閉，減少低速碰撞時的不必要的點爆，以及不必要的運算空間，同時也減少了氣囊誤爆的風險。

算法啟動的條件較為苛刻，閾值基于兩個變量，一個是基于數學公式算出的兩車理論剎停距離ΔS，另一個是基于雷達輸出的兩車相對速度uR。只有當理論剎停距離小于閾值2 m，表示有極高的追尾風險，當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，發生碰撞時的傷害也較高。只有同時滿足這兩個條件時外置安全氣囊的點爆系統才會啟動，進而再去接受相應的判斷信號。

2.2.2 點爆系統的抑制

在系統啟動的同時如果雷達模塊給出的兩車相對速度小于30 km/h時抑制點爆算法，即使在最后車輛發生碰撞也不會點爆外置安全氣囊。相關數據表明[7]，在兩車在低速碰撞時前車的后保險杠與車體結構以及后車的前部保險杠與車體結構即可吸收車輛追尾所產生的能量，此時考慮到車輛的維修經濟性，不點爆外置安全氣囊。

2.2.3 點爆系統的判斷

具體判斷方式為判斷兩車車距S” 與氣囊完全展開時的厚度T之間進行比較，當兩車之間的距離等于氣囊厚度T時，如果此時兩車之間仍然存在相對速度，即說明此時點爆氣囊可及時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的距離小于氣囊厚度，此時如果點爆安全氣囊有可能無法起到防護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。同時以兩車相對速度uR作為輔助判斷量來避免誤作用。上節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爆時的距離非常小，此時設定的安全閾值也應該適當降低，此處選擇15 km/h作為安全閾值。當兩車距離小于氣囊厚度且兩車相對速度大于 15 km/h時，點爆氣囊以降低車身受到的沖擊。當兩車距離小于氣囊厚度但兩車相對速度沒達到安全速度閾值時，氣囊是不點爆的，因為在這樣的時速下即便發生追尾工況，兩車也不會造成太大的車體變形，人員幾乎不會受傷。

2.3 安全帶預緊系統

本系統與氣囊點爆系統相互獨立，目的有二，一是為了保證點爆氣囊前乘員已經收到安全帶的提前約束；二是在發生碰撞但點爆算法不啟動的情況下給予車內乘員最基礎的保護，使受傷的風險降到最低。由于安全帶在低速情況下也需要預緊，所以輸入量只需要滿足可以判斷兩車目前狀態是無法避免發生碰撞的狀態，安全帶預警系統就會啟動，拉緊安全帶提前束縛乘員，保證其在撞擊時已經被安全帶完全約束，從而降低乘員頸部揮鞭傷的風險。

安全帶預緊系統的判斷值為兩車理論剎停距離ΔS，但為了防止高速路段因為超車而產生的兩車理論相對剎停距離ΔS＜0的情況，進而引入一個輔助判斷量即兩車相對距離S” 。即在兩車理論剎停距離小于安全閾值0時，我們可以近似認為兩車相撞無可避免并開始預緊安全帶來約束乘員，在這種判斷條件下將安全帶預緊分為兩個等級， 當兩車車距小于3 m大于氣囊厚度T時，啟動一級預緊，即安全帶輕微拉緊，與車內提示音一起對駕駛員起到一定的提示作用；當兩車車距小于氣囊厚度T時啟動二級預緊，即安全帶強力拉緊將乘員固定在座椅上。

3 CarSim與Simulink的聯合仿真

防追尾外置安全氣囊預警系統邏輯判斷圖如圖3所示，在此基礎上構建基于Simulink控制系統模型，通過CarSim模擬的追尾工況，并將模擬數據輸出到Simulink模型中去實現兩個軟件的聯合仿真來驗證所設計系統的可行性

3.1 Simulink建模

3.1.1 追尾安全距離預警系統建模

該系統的判斷參數定為兩車理論剎停距離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現對ΔS數值范圍的判斷，Pulse Generator模塊改變period 和Pulse Wide實現對階躍信號頻率和信號持續時間的編輯，Multiport Switch模塊實現判斷并輸出相應信號的功能。追尾安全距離預警系統 Simulink模型如圖2所示。

圖2 追尾安全距離預警系統Simulink模型

3.1.2 外置安全氣囊點爆系統建模

該系統的判斷參數定為兩車理論剎停距離ΔS、兩車相對速度uR和兩車車距S”，所設計的外置安全氣囊點爆系統Simulink模型如圖3所示。

圖3 外置安全氣囊點爆系統Simulink模型

3.1.3 安全帶預緊系統建模

該系統與外置安全氣囊點爆系統邏輯判斷類似，用自定義腳本來對輸入的兩車車距 進行區間判斷，所設計的安全帶預緊系統Simulink模型如 圖4所示。

圖4 安全帶預緊系統Simulink模型

3.1.4 兩車理論剎停距離建模

對式（4）進行參數代入，整理得到兩車理論剎停距離為

通過Simulink自帶的算法模塊可以搭建出兩車理論剎停距離計算模塊如圖5所示。

圖5 兩車理論剎停距離計算模塊

3.2 CarSim與Simulink的聯合模型

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

將設置好的CarSim導入Simulink中構建CarSim與Simulink的聯合模型，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 仿真結果與分析

在兩車相距20 m的工況下進行仿真，聯合仿真結果如圖6所示。

圖6 仿真結果

從結果中可以看出兩車在7.2 s時發生碰撞，兩次理論剎停距離ΔS在整個工況下小于0，故系統一直進行高頻警報，外置安全氣囊也在兩車距離小于氣囊厚度的時候快速響應，輸出相應的點爆邏輯值，而兩車距離小于設定值3 m時安全帶 輸出了一級預緊信號，在小于安全氣囊厚度時，安全帶在安全氣囊點爆前0.025 s觸發了二級預緊，該系統輸出符合系統設計的初衷。

4 結語

本文設計了一套汽車防追尾外置安全氣囊預警系統并對其進行了仿真，相較于其他防追尾安全系統，其優勢在于：1）采用汽車制動數學模型來對危險狀況進行判定分析，其分析更明確，精度更高；2）可根據不同危險狀況對駕乘人員發出不同等級的預警以及產生對安全帶不同強度的約束力，實用性能更強；3）安全氣囊外置且可提前點爆，防護性能更高，可對車身進行保護；4）對系統進行 CarSim與Simulink的聯合仿真，驗證了系統的真實可行性。