汽车安全预碰撞系统测评方法研究
2020-08-25张志国刘东春张长江
张志国,刘东春,王 凯,张长江
(1.中汽研汽车检验中心(广州)有限公司,广东 广州 511300;2.东南大学,江苏 南京 211189)
0 引言
近年来,汽车安全预碰撞技术成为汽车安全领域的研究热点,其融合了汽车主动安全和被动安全双方的技术优势,在乘员保护方面的效果更佳。预碰撞系统是运用主动安全技术的雷达、摄像头等传感器对行车环境进行监控,并将监控信息实时传递给控制器。当传感器探知到碰撞危险信息时,控制器将通过决策算法对即将发生碰撞的可能性、碰撞时刻和碰撞强度做出预判,在预判的基础上,于碰撞发生前快速启用被动安全执行系统,使得约束系统以最优的方式保护乘员和行人,以此来减少或减轻人员的伤亡。
预碰撞系统给汽车安全带来了新生机,也非常适合汽车当前的发展阶段,因此许多车企纷纷布局安全预碰撞系统,但是各厂家的预碰撞系统性能指标不尽相同,国内外也没有统一的测试标准与方法,测评体系亟待解决。本文从调研主流汽车厂商的预碰撞系统现状出发,考察国内外汽车主机厂和检测机构对预碰撞系统的测评方法,然后结合作者多年来在汽车测试方面的经验,针对预碰撞系统的测评方案提出一些建议,希望能为我国建立测评预碰撞系统的测试规范与标准提供一定参考。
1 汽车安全预碰撞系统概述
1.1 汽车安全预碰撞系统组成
汽车安全预碰撞系统主要包含3个模块:环境感知模块、预警预判控制器和执行装置[1]。环境感知模块主要是采用毫米波雷达、摄像头等传感器设备监控行车环境的状况。毫米波雷达可以比较准确地探知到障碍物与自身车辆的距离,摄像头可以对障碍物的形状有较好的识别和判断,因此这两种传感器相结合的方式成为预碰撞系统环境感知能力的主流配置。
预警预判控制器是预碰撞系统的核心模块,其决策的精准性是衡量预碰撞系统优劣的重要技术指标。因为很多执行装置是不可逆的,一旦触发,将会造成不必要的人身伤害和经济损失。比如气囊,如果控制器预判错误,气囊将会在车辆未发生碰撞时迅速弹出,导致乘员受到意外惊吓甚至死亡。因此,预警预判控制器的算法非常重要,要求其容错率非常低。
预碰撞系统的执行装置有很多种类型,比如紧急自动刹车(AEB)、可逆预紧式安全带(ACR)、主动座椅、自适应约束气囊、主动引擎发动机罩和车外气囊等。在当前预碰撞系统执行装置的具体配置中,AEB和可逆预紧式安全带技术相结合较为成熟,是应用最多的。
1.2 汽车预碰撞技术发展现状
奔驰公司于2003年左右推出Pre-Safe预碰撞系统,其主要应用于高端车型。该预碰撞系统采用雷达和摄像头相结合的方式进行环境感知,当预判危险发生后,可以实现紧急制动刹车和可逆式安全带预收紧、主动座椅姿态调整以及天窗自动关闭等功能[2]。Pre-Safe系统在车辆后保险杠中增加了雷达传感器,当后方车辆靠近时,预碰撞系统会发出警告,避免后车追尾碰撞。同时,该Pre-Safe系统增加了车辆在紧急制动时固定车辆的功能,可以在急刹时减少车辆的前倾反冲,进而降低乘员颈部伤害风险。
丰田公司也于2003年推出了Pre-Collision系统,采用毫米波雷达感知车辆和障碍物,使用单目摄像头传感器检测行人,此外在转向柱上安装了摄像头用来监控驾驶员的精神状况[3]。该系统早期的执行装置主要是预紧式安全带和座椅,后又陆续增加了辅助紧急制动和主动控制悬架等装置。
沃尔沃公司推出了City Safety城市安全系统[4],第一代产品于2009年开始在商业应用,现在已是第三代产品。该系统采用毫米波雷达和单目摄像头相结合的方式探测车辆、行人、骑行者以及麋鹿等大型动物,预判危险并提前警示,进而采取相应措施,帮助避免碰撞或者减少碰撞程度。
博世公司于2000年左右采用毫米波雷达研制出预碰撞系统,在后续发展过程中又提出了集成式碰撞检测、个性化乘员安全与调整、被动安全预触发、事故引导与校准等多个阶段目标,并进行持续性研究改进汽车整体式安全[5]。
2019年,德国ZF(采埃孚)公司宣布研发出世界上第一款预碰撞外置侧面安全气囊,并在封闭场地进行了撞击演示,如图1所示。整个外置侧面安全气囊的容量相当于驾驶座安全气囊容量的5倍~8倍,事故发生前其从侧面向上展开,在车门侧面区域形成防撞缓冲区,以减轻事故伤亡。此外,该系统还可以在碰撞事故发生之前向乘员发出警告,并触发主动安全带控制卷收器,将乘员固定在安全位置,缓解受伤状况。
图1 采埃孚推出的预碰撞外置侧面安全气囊系统
此外在学术界,国内外许多科研人员对汽车安全预碰撞系统的研发和测试也进行了大量的研究工作。国外Mark M等研究了可逆预紧式安全带和AEB的联合作用,分析对乘员离位姿态的改善情况[6]。Daisuke I等使用台车模拟碰撞试验,研究可逆预紧式主动安全带和传统安全带对乘员伤害的影响[7]。Meijer R等运用MADYMO模型库里面的主动假人模型,在预碰撞工况下展开对乘员伤害的研究[8]。Bálint A等提出了一种基于试验对预碰撞系统进行评估的方法,在追尾碰撞工况下通过减少的伤亡数量和事故降低的程度来验证该评估方法的有效性[9]。在国内学术界,清华大学张金换教授团队研制出预警预判控制系统[10],周青教授团队对自适应约束系统展开相关研究[11]。湖南大学曹立波教授团队对预碰撞可逆式安全带和自适应约束系统等方面也进行了大量的研究工作[12]。吉林大学陈鑫教授团队对形状记忆合金预碰撞智能防护方面进行了研究[13]。此外,重庆理工大学[14]等其他高校也对预碰撞进行了相关研究。
2 汽车安全预碰撞系统测评方法
目前,汽车安全预碰撞系统的测评方法在行业内还没有形成统一的标准和测试规范,尚处于研究阶段。本文梳理出国内外权威测试机构和主流汽车制造商对于预碰撞系统的测试思路和研究方法,为本领域从业人员提供借鉴。
2.1 欧盟ASSESS项目测评方法
ASSESS(Assessment of Integrated Vehicle Safety Systems for Improved Vehicle Safety)项目是由多家欧洲汽车制造商、汽车零部件供应商联合发起的,其目的是制订出一套针对汽车整体安全系统性能测试规程[15]。该项目将预碰撞技术纳入到汽车整体安全系统内,并研究制订出可执行的标准规程和相关工具对商用的预碰撞系统进行测评。
为了比较全面客观地测评汽车集成安全系统性能,ASSESS项目组划分4个方面进行标准规程的制定和研究,分别是驾驶员行为评价、预碰撞系统感知性能评价、碰撞性能评价和社会经济评价。
驾驶员行为研究是通过采用模拟驾驶仿真器和实际场地测试两种方式进行,考核指标采用刹车反应时间BRT(Brake Reaction Time)和碰撞时间TTC(Time to Collision)两个关键指标作为人机交互的评价指标。试验用的模拟驾驶仿真器和仿真试验路线如图2所示,试验采用的虚拟行驶路线是乡村环城高速公路。
图2 丰田模拟驾驶仿真器和仿真试验路线
预碰撞系统感知性能测试是在3D真车全尺寸的软车体上面进行的,测试场景如图3所示。软车体的内侧使用了雷达反射材料,通过雷达传感器因此可以获得逼真高清的图像。ASSESS项目组成员荷兰国家应用科学院TNO(Netherlands Organisation for Applied Scientific Research)对雷达传感器的能见度规格进行了详细定义,并对目标车辆和参考车辆的雷达传感器进行了测量对比。
图3 预碰撞系统感知性能测试场景
碰撞性能研究是考虑预碰撞系统介入之后对乘员的伤害分析。在研究过程中,分别运用CAE仿真、滑台试验和实车试验3种技术手段进行验证。在ASSESS评价项目中,预碰撞系统执行装置主要是将自动紧急刹车和可逆预张紧安全带纳入考察范围内。
2.2 美国高速公路安全管理局NHSTA的AARS项目测评方法
美国高速公路安全管理局NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)尚未有针对预碰撞系统完整的测试方法,AARS(Advanced Adaptive Restraints Systems)项目是对安全自适应约束系统进行评价研究,自适应约束系统也是汽车预碰撞系统的一部分,因此本文也将这个项目的研究方法进行梳理。
AARS项目的主要研究内容是车辆在紧急自动刹车之后,自适应约束系统能否根据不同的乘员身材、坐姿、碰撞类型条件而产生自适应变化的功能,并确认是否能够减少对乘员的伤害。项目研究分为3个阶段:①通过CAE仿真构建自适应约束系统的模型并验证其有效性;②开发自适应约束系统和感知系统实物;③采用滑台模拟碰撞来验证自适应约束系统的有效性。AARS研究的自适应约束系统主要是气囊的自适应变化,根据乘员身材、坐姿、碰撞类型等条件改变气囊形状和排气速度等参数。
为评估自适应约束系统的有效性,项目组分别使用HIII 5 F、THOR 50M、HIII 95M假人在正常与离位两种状态下开展试验研究。假人整体评价指标包含头部伤害指标HIC15、脑部伤害指标BrIC、颈部伤害指标Nij、胸部压缩量ChD、大腿轴向力Femur五部分。其中,假人伤害评价指标脑部损伤BrIC为新增加项[16]。
为直观整体评价乘员伤害,基于损伤定级标准AIS3+的伤害风险概率p将乘员各伤害指标转为损伤风险概率,最后归一化处理为整体乘员损伤风险概率指标OIM,以此OIM值作为最终评价指标。OIM的计算公式为:
2.3 戴姆勒奔驰公司对预碰撞系统测评方法
戴姆勒奔驰公司在2003年开始进行预碰撞系统的研究,并开发出Pre-Safe系统。为测评预碰撞Pre-Safe系统的性能,戴姆勒奔驰公司也进行了大量的试验研究。其研究目标主要是考察紧急自动刹车和可逆预紧安全带联合作用下发生碰撞后对乘员的影响,并开发出对预碰撞系统性能的测试方法[17]。
研究的具体思路是:首先考虑紧急自动刹车对乘员前倾位移量的影响,如图4所示;其次对比志愿者和HIII 50M假人在相同刹车状况下身体部位前倾位移量的区别,并研究出一种泡沫材料板放置在假人腹部位置来缓解与志愿者前倾位移量的差别;然后通过场景试验明确Pre-Safe系统刹车降速性能;最后通过实车矩阵试验对比研究pre-safe系统在碰撞中对车辆和HIII 50M假人伤害指标的影响。
图4 急刹状况下志愿者和HIII 50M假人前倾位移变化
3 对于我国汽车安全预碰撞系统测评方法建议
欧美权威汽车测评机构和主流汽车制造商在评估汽车安全预碰撞系统中还均处于研究改善阶段,并未形成完整的测试体系,因此我国在该领域还将大有可为,通过未来的努力,完全有机会引领该行业的发展。结合作者多年的测试经验,对我国建立汽车安全预碰撞系统测评体系提出以下几点建议:
(1) 我国不同省份道路差异较大,整体道路工况比较复杂,在行车过程中人车交互频繁,交通事故类型多样,因此,我国应进一步完善中国交通事故深入研究数据库CIDAS,并详细记录交通事故前、碰撞过程和事故后3个阶段的人、车、路、环境等方面信息。并依据CIDAS数据库开发出真实的碰撞测试场景,为研究开发适合我国国情的预碰撞系统奠定基础。
(2) 目前现行的碰撞测试假人HIII 50M和THOR 50M都还存在刚度大的问题,不能很好地反映人体在紧急自动刹车状况下的运动姿态,也不能体现人体肌肉变化等应激反应。更加先进符合人体生物力学性能和运动姿态的碰撞测试假人亟待解决,假人伤害指标也需要进一步的研究与改进。因此,应加快开发具有中国特征的碰撞测试假人,以便更好地促进我国预碰撞技术的发展。
(3) 在开展安全预碰撞系统测评体系中,应从部件级和集成系统级两个层面来进行评价,如此不仅仅考察集成系统的性能,还要关注部件级的性能,也提高预碰撞系统部件的安全性。部件级测评是指分别单独测评预碰撞系统的环境感知能力、碰撞预警预判能力和执行装置响应能力;集成系统级测评是在所有预碰撞系统单元参与作用下,最终对碰撞避免或碰撞减轻程度的效果评价。