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基于主動(dòng)安全的汽車行人保護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

2019-09-14 20:11:27·  來源：汽車行人保護(hù)研究  
　
本文內(nèi)容摘自于2018年8月出版的《中國(guó)汽車安全發(fā)展報(bào)告（2018）》。摘要我國(guó)汽車行人保護(hù)研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠仍然采用被動(dòng)式行人保護(hù)策略，尚未開發(fā)
本文內(nèi)容摘自于2018年8月出版的《中國(guó)汽車安全發(fā)展報(bào)告（2018）》。
摘要

我國(guó)汽車行人保護(hù)研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠仍然采用被動(dòng)式行人保護(hù)策略，尚未開發(fā)主動(dòng)式行人保護(hù)系統(tǒng)， 如行人保護(hù)氣囊，而在歐洲市場(chǎng)，已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。主動(dòng)式行人保護(hù)系統(tǒng)包括兩個(gè)主要模塊，一是行人/兩輪車感知機(jī)構(gòu)（包括各種傳感器），二是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著行人保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)的提升，AEB技術(shù)與被動(dòng)行人保護(hù)的結(jié)合會(huì)越來越緊密。AEB是單目/雙目攝像頭不僅可幫助行人保護(hù)系統(tǒng)識(shí)別行人，使行人保護(hù)裝置PHL/PPA更有效地起爆，當(dāng)AEB與PPA結(jié)合到一起時(shí)，還可以有效提高行人保護(hù)裝置的有效性。
 
關(guān)鍵詞：行人保護(hù)技術(shù) 行人保護(hù)氣囊 AEB 行人探測(cè)感知
 
一　概述
自1959年起瑞典人發(fā)明了三點(diǎn)式“V”字安全帶開始，車內(nèi)乘員保護(hù)漸漸成為全球主機(jī)廠以及第三方的評(píng)測(cè)機(jī)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注的研究領(lǐng)域。安全技術(shù)產(chǎn)品日趨完善，評(píng)測(cè)方法也愈加嚴(yán)格。尤其自1970年以來，全球汽車保有量每隔15年都會(huì)增長(zhǎng)一倍。但是乘員的死亡率并沒有隨著汽車保有量的增加而增加，就是因?yàn)槌藛T被動(dòng)安全產(chǎn)品的快速發(fā)展以及整車技術(shù)的日趨完善。行人保護(hù)方面的研究就沒有像乘員保護(hù)一樣受到全球如此高的關(guān)注，尤其是在90年代之前。根據(jù)世界健康組織WHO在2013年發(fā)布的一份道路交通狀況報(bào)告中提到，2010年至少有125萬人在交通事故中死亡，其中行人/兩輪車駕駛員占62萬人，比例高達(dá)49%。下圖1所示為各個(gè)類型的人在道路交通事故中死亡所占的比例。圖1中可以看出，隨著汽車內(nèi)乘員安全保護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，在交通事故中死亡所占的比例已經(jīng)低于車外行人/兩輪車駕駛員。這一健康報(bào)告足以引起大家對(duì)于道路交通弱勢(shì)使用者的關(guān)注。
圖1　各類人在道路交通事故中死亡所占比例
實(shí)際上，從1987年開始，歐洲EEVC組織就已經(jīng)成立了行人保護(hù)工作組。重點(diǎn)研究道路交通弱勢(shì)使用者在交通事故中的傷害形成機(jī)理，量化評(píng)價(jià)方法，提供用于測(cè)試的工具以及完善測(cè)試方法。從1997年開始，歐洲Euro NCAP評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)基于EEVC的一些測(cè)試規(guī)則和評(píng)價(jià)方法推出了Euro NCAP版本的行人保護(hù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并且開始行人保護(hù)試驗(yàn)測(cè)試（只做數(shù)據(jù)收集記錄，不影響最終星級(jí)評(píng)價(jià)）。2009年開始Euro NCAP組織正式將行人保護(hù)試驗(yàn)引入星級(jí)評(píng)價(jià)體系，行人保護(hù)性能正式進(jìn)入了可以量化評(píng)價(jià)階段。我國(guó)汽車工業(yè)起步相對(duì)較晚，行人保護(hù)研究也起步較晚。伴隨中汽中心在2018年將行人保護(hù)測(cè)試評(píng)價(jià)正式引入C-NCAP評(píng)價(jià)體系，汽車生產(chǎn)廠家也相繼著手研究行人與機(jī)動(dòng)車發(fā)生碰撞時(shí)如何降低行人受傷的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前行人保護(hù)主要有兩種策略：一種是直接優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各部件的布局以及鉸鏈結(jié)構(gòu)等的被動(dòng)式行人保護(hù)策略；另一種是通過火藥或彈簧等部件將發(fā)動(dòng)機(jī)罩頂起，以此獲得更多頭部沖擊緩沖空間的主動(dòng)式行人保護(hù)策略。

二　基于主動(dòng)安全的汽車行人保護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
當(dāng)前考慮到實(shí)際的開發(fā)成本以及C-NCAP的評(píng)價(jià)體系規(guī)則，國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠仍然采用以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各部件的整體布局以及潰縮式鉸鏈結(jié)構(gòu)為主的被動(dòng)式行人保護(hù)策略。只有少數(shù)廠商正在嘗試引入主動(dòng)頂起式機(jī)罩來提供更好的行人保護(hù)性能。而對(duì)于保護(hù)效果更好的行人保護(hù)氣囊，由于其開發(fā)難度更大，開發(fā)成本更高，目前國(guó)內(nèi)尚未了解到有主機(jī)廠有開發(fā)此類產(chǎn)品的計(jì)劃。但在歐洲市場(chǎng)，行人保護(hù)氣囊已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，并且在真實(shí)事故調(diào)查中已經(jīng)得到了驗(yàn)證。下圖2是發(fā)生在國(guó)外的真實(shí)案例，一個(gè)騎自行車的人在橫過馬路的時(shí)候被一輛汽車撞倒，行人保護(hù)氣囊彈出，很好的保護(hù)了行人。
              
 圖2　國(guó)外行人保護(hù)氣囊在人車碰撞中的作用
 
三　基于主動(dòng)安全的汽車行人保護(hù)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)解析
主動(dòng)式行人保護(hù)系統(tǒng)包括兩個(gè)主要模塊，一是行人/兩輪車感知機(jī)構(gòu)，一是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。感知機(jī)構(gòu)是依靠各種力學(xué)，光學(xué)傳感器，結(jié)合具體算法來判斷發(fā)生碰撞的是行人還是其它東西。如果不是行人，就不會(huì)觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以節(jié)約維修成本。如果算法判斷撞擊物與行人類似，那么執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)被觸發(fā)，以達(dá)到保護(hù)行人的目的。
 
行人保護(hù)的感知機(jī)構(gòu)目前屬于難點(diǎn)。因?yàn)閷?duì)于感知系統(tǒng)來說，它不僅要判斷在什么樣的條件下起爆，同時(shí)還需要判斷什么樣的條件下關(guān)閉起爆系統(tǒng)。對(duì)于保護(hù)車外行人的安全產(chǎn)品，產(chǎn)品的誤爆更容易獲得車輛使用者的投訴，使得實(shí)際產(chǎn)品使用體驗(yàn)變差，所以整車廠家對(duì)避免行人保護(hù)產(chǎn)品的誤爆要求更高。圖3是判斷行人保護(hù)裝置是否起爆的一個(gè)常規(guī)示意圖。圖3中由三塊深灰色不點(diǎn)火區(qū)域及一塊黃色點(diǎn)火區(qū)域組成。從圖3中可以清晰的看到有一些小質(zhì)量物品撞擊的情況，比如說小動(dòng)物，小鳥，路邊突然出現(xiàn)的各種球以及剮蹭到垃圾桶等都是需要避免行人保護(hù)機(jī)構(gòu)觸發(fā)的情況。而對(duì)于一些大質(zhì)量高速運(yùn)動(dòng)撞擊的情況，比如說車子的對(duì)撞，通常消費(fèi)者也會(huì)不希望行人保護(hù)機(jī)構(gòu)觸發(fā)。所以在感知機(jī)構(gòu)標(biāo)定時(shí)，需要用更多的可能會(huì)發(fā)生碰撞的物品與感知機(jī)構(gòu)進(jìn)行碰撞，識(shí)別出其撞擊特性，將其與行人撞擊的信號(hào)區(qū)分出來，避免誤爆。圖４是以壓力傳感器為例采到的不同物品撞擊產(chǎn)生的信號(hào)。從信號(hào)圖中可以看出，小動(dòng)物SA（small animal）在15~20ms之間的信號(hào)明顯小于PDI信號(hào)（PDI用來表征行人），PDI信號(hào)標(biāo)定為起爆信號(hào)，SA標(biāo)定為不起爆信號(hào)。所以當(dāng)小動(dòng)物與車輛發(fā)生撞擊時(shí)，行人保護(hù)裝置不會(huì)被觸發(fā)。
       
        
圖3　行人保護(hù)裝置起爆條件示意圖
圖4　壓力傳感器采集的不同物品撞擊產(chǎn)生的信號(hào)
通常在對(duì)感知機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定的時(shí)候，無法窮盡所有可能與車輛發(fā)生碰撞的物品，并且有很多物品與車輛撞擊時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)又十分接近，所以一般會(huì)選取一些典型物品，如圖5中的幾種物品，用于模擬真實(shí)生活中出現(xiàn)的一些撞擊工況。這些工況中包含避免起爆的工況和一定要起爆的工況以及部分處于模糊狀態(tài)的工況。而在圖3中也可以看到，即便是在可以點(diǎn)火的黃色區(qū)域，仍然包含著一些不希望觸發(fā)點(diǎn)火裝置的物品，例如道路隔離護(hù)欄。但他們的信號(hào)強(qiáng)度又與行人的信號(hào)強(qiáng)度及其類似，所以這類信號(hào)有時(shí)候不得不被標(biāo)記成點(diǎn)火信號(hào)。
圖5　模擬真實(shí)生活中出現(xiàn)的撞擊工況
當(dāng)前行人保護(hù)傳感器以壓力傳感器和加速度傳感器為主，可以單獨(dú)使用加速度傳感器（成本低廉），如圖6所示。根據(jù)實(shí)際汽車前保險(xiǎn)杠位置寬度和成本控制，可以選擇3加速度傳感器或者5加速度傳感器進(jìn)行布置。也可以以壓力傳感器為主（成本稍高），輔以加速度傳感器。如圖7所示，壓力管需要埋在前保險(xiǎn)杠蒙皮和前保險(xiǎn)杠橫梁之間的發(fā)泡內(nèi)。發(fā)泡的密度需要控制在一定的范圍內(nèi)，不可過硬也不可以過軟。過硬會(huì)導(dǎo)致傳感器接收不到有效的力學(xué)信號(hào)，過軟會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳遞的時(shí)間過晚，致使執(zhí)行結(jié)構(gòu)不能及時(shí)到位。這兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)成本會(huì)低一些，當(dāng)前技術(shù)較為成熟，目前已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用的例證。其缺點(diǎn)是探知范圍較窄，誤判概率相對(duì)較高。尤其是在我國(guó)，道路交通狀況更為復(fù)雜，其誤爆的風(fēng)險(xiǎn)更高。針對(duì)這一狀況，國(guó)內(nèi)的一些OEM和零部件供應(yīng)商已經(jīng)開始研究將行人保護(hù)機(jī)構(gòu)與AEB系統(tǒng)相結(jié)合，引入AEB的單目/雙目攝像技術(shù)來提高對(duì)行人的判斷能力。隨著AEB技術(shù)的快速發(fā)展以及成本降低，輔助判斷行人的功能將會(huì)成為主流。如圖8a和圖8b所示，當(dāng)引入攝像頭輔助判斷后，可以修改算法，調(diào)整原來的起爆門檻。也就是說，如果攝像頭判斷前方區(qū)域是行人，那就降低起爆門限值，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)易于觸發(fā)。如果攝像頭判斷前方區(qū)域不是行人時(shí)，就提高起爆門限值，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)在某一區(qū)域內(nèi)不會(huì)被觸發(fā)。
 
 圖6　單獨(dú)使用加速度傳感器的行人保護(hù)傳感器
圖7　埋在前保險(xiǎn)杠蒙皮和前保險(xiǎn)杠橫梁之間發(fā)泡內(nèi)的壓力管
圖8a　攝像頭判斷前方區(qū)域是行人就降低起爆門限值
圖8b　攝像頭判斷前方區(qū)域是行人就提高起爆門限值
 
執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)式鉸鏈和頂起執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主動(dòng)式鉸鏈在行人保護(hù)機(jī)構(gòu)釋放過程中起到導(dǎo)向和限位的作用。從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)罩能夠在固定的運(yùn)動(dòng)軌跡內(nèi)運(yùn)行，到達(dá)指定高度后被鎖止。其對(duì)鉸鏈的強(qiáng)度和釋放力的控制精度要求較高，目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)鉸鏈供應(yīng)商有設(shè)計(jì)開發(fā)能力。下圖9a和圖9b的鉸鏈?zhǔn)菄?guó)外一款量產(chǎn)的早期主動(dòng)式鉸鏈，由于引入了火藥系統(tǒng)，所以其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)準(zhǔn)確，釋放力控制精度高。受高低溫工況影響較小。缺點(diǎn)也很明顯，需要多引入兩個(gè)點(diǎn)火回路以及火藥執(zhí)行單元，開發(fā)成本偏高。目前被動(dòng)式釋放功能的鉸鏈將成為主流產(chǎn)品。如圖10為另一款主動(dòng)式鉸鏈結(jié)構(gòu)，紅色圈內(nèi)標(biāo)記的是剪切銷。發(fā)動(dòng)機(jī)罩頂起執(zhí)行機(jī)構(gòu)為該類鉸鏈提供釋放力，通過剪切銷釘來控制釋放力的大小。優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)流程相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要額外的點(diǎn)火單元，成本低。通?？梢栽诙唐趦?nèi)開發(fā)完成。缺點(diǎn)是釋放力受剪切銷釘材料以及鉚接工藝影響較大，釋放力精度會(huì)有所下降。響應(yīng)會(huì)有遲滯效應(yīng)，甚至出現(xiàn)左右側(cè)鉸鏈釋放時(shí)間不一致，尤其是在低溫工況中會(huì)更為明顯（3~8ms釋放時(shí)間差）。
圖9a　國(guó)外早期主動(dòng)式鉸鏈
圖9b　國(guó)外早期主動(dòng)式鉸鏈
圖10　國(guó)外近期主動(dòng)式鉸鏈結(jié)構(gòu)
頂起執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要引入動(dòng)力單元來完成發(fā)動(dòng)機(jī)罩頂起動(dòng)作。其中有以彈簧作為動(dòng)力單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是可反復(fù)使用，在觸發(fā)后可以手工復(fù)位，所以使用成本和維護(hù)成本都較低。因?yàn)榭芍貜?fù)使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)更容易被市場(chǎng)接受，在主動(dòng)式行人保護(hù)發(fā)展初期比較受歡迎。在歐洲某款汽車上曾經(jīng)使用過該類產(chǎn)品（該車型的鉸鏈釋放是通過電磁閥來完成，屬于另一種電控釋放單元，這里不再展開介紹）。缺點(diǎn)是響應(yīng)較慢，結(jié)構(gòu)重量較高，體積大。目前行人保護(hù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反應(yīng)速度要求日益提高，使彈簧式頂起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)更加明顯。另一種是以火藥為動(dòng)力輸出單元的不可重復(fù)性執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其特點(diǎn)是響應(yīng)較快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量低。
 
基于GIDAS事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際發(fā)生死亡或者重傷的事故中，行人頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的撞擊概率較低。更多的是行人頭部與風(fēng)窗玻璃下沿或汽車A柱發(fā)生撞擊。如圖11所示，AIS3+級(jí)以上傷害中，頭部傷害中只有9% /6%來自發(fā)動(dòng)機(jī)罩，而67%/58%則來自風(fēng)窗玻璃下沿和A柱。結(jié)合CIDAS關(guān)于行人傷害部位和傷害等級(jí)的事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（表1）可以看出，AIS3+級(jí)以上傷害主要發(fā)生在頭部。也就是說在AIS3+級(jí)以上傷害主要發(fā)生在風(fēng)窗玻璃下沿和汽車A柱區(qū)域。
圖11　AIS3+級(jí)以上傷害造成頭部傷害的位置比例
表1　CIDAS對(duì)行人傷害部位和傷害等級(jí)的事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各零部件布局的優(yōu)化以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化并不影響風(fēng)窗玻璃下沿和A柱區(qū)域。所以針對(duì)現(xiàn)實(shí)工況的行人保護(hù)，對(duì)風(fēng)窗玻璃下沿以及A柱區(qū)域的行人保護(hù)開發(fā)顯得尤為重要。行人保護(hù)氣囊（PPA，pedestrian protection airbag）就是在這種工況中開發(fā)出來的。它的優(yōu)點(diǎn)是既可以起到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的頂起作用，為發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域撞擊提供充足的緩沖空間。又可以覆蓋風(fēng)窗玻璃下沿以及A柱，從而更好的保護(hù)車外行人。如下圖所示，在氣囊充氣階段（圖12），行人保護(hù)氣囊因?yàn)槌錃舛蛎洠?dāng)膨脹力達(dá)到主動(dòng)鉸鏈的釋放條件時(shí)，主動(dòng)鉸鏈就會(huì)釋放（圖13），發(fā)動(dòng)機(jī)罩隨之被頂起。發(fā)動(dòng)機(jī)罩頂起后行人保護(hù)氣囊繼續(xù)釋放，會(huì)覆蓋風(fēng)窗玻璃下沿以及A柱區(qū)域（圖14），以達(dá)到保護(hù)效果。
圖12　行人保護(hù)氣囊因?yàn)槌錃舛蛎?/div>
圖13　當(dāng)膨脹力達(dá)到釋放條件時(shí)主動(dòng)鉸鏈釋放
圖14　發(fā)動(dòng)機(jī)罩頂起后行人保護(hù)氣囊繼續(xù)釋放
四　基于主動(dòng)安全的汽車行人保護(hù)技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)
 
現(xiàn)以某車型A柱的一個(gè)測(cè)點(diǎn)和風(fēng)窗下沿中心測(cè)點(diǎn)為例，如圖15a所示，箭頭所指位置為研究目標(biāo)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)使用成人頭型以不同速度沖擊測(cè)點(diǎn)時(shí)，得到了沖擊速度與頭部HIC值之間的關(guān)系曲線。如圖15b和圖15c所示，AP Ref為A柱沒有行人保護(hù)氣囊的情況，AP Bag是A柱測(cè)點(diǎn)有行人保護(hù)氣囊的情況。CL是風(fēng)玻璃下沿位置測(cè)點(diǎn)。從圖15b中可以看出，當(dāng)速度超過40km/h時(shí)，即便有行人保護(hù)氣囊，頭部HIC值都會(huì)急速上升。所以在行人保護(hù)中如何降低碰撞速度是關(guān)鍵因素。隨著AEB-Pedestrian技術(shù)的提升，AEB-行人技術(shù)與被動(dòng)行人保護(hù)的結(jié)合會(huì)越來越緊密。AEB的單目/雙目攝像頭不僅可以幫助行人保護(hù)系統(tǒng)識(shí)別行人。使行人保護(hù)裝置PHL/PPA更有效的起爆。也可以幫助降低行人撞擊速度，尤其是當(dāng)碰撞速度超過40km/h后，這些被動(dòng)的行人保護(hù)裝置PHL/PPA的作用大為降低，AEB的減速就更為重要。
              
圖15a　箭頭所指位置為研究目標(biāo)測(cè)點(diǎn)
圖15b　A柱位置測(cè)點(diǎn)
圖15c　風(fēng)玻璃下沿位置測(cè)點(diǎn)
如圖16所示，當(dāng)AEB與PPA結(jié)合到一起，可以有效提高行人保護(hù)裝置的有效性，更有效的降低頭部受到AIS3+傷害的風(fēng)險(xiǎn)（詳細(xì)可參見文獻(xiàn)1）。從圖17可以看出，當(dāng)與不同效率的AEB結(jié)合后，可以讓PPA的有效性提高7%~34%。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，雖然AEB致力于避免車輛與行人/兩輪車發(fā)生撞擊，但限于當(dāng)前技術(shù)限制，AEB無法避免所有工況條件下的撞擊，例如光線較弱的夜晚，大雨天等自然條件。以及行人/兩輪車橫向快速進(jìn)入車道后，車輛或行人速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，撞擊是不可以避免的。所以AEB對(duì)行人保護(hù)的效能也不能夠達(dá)到百分之百。AEB與主動(dòng)式行人保護(hù)氣囊融合會(huì)是今后的發(fā)展方向。
圖16　AEB與PPA結(jié)合可提高行人保護(hù)裝置的有效性
 
參考文獻(xiàn)
Fredriksson, R., A. Ranjbar, et al. (2015).Integrated bicyclist protection systems - potential of head injury reductioncombining passive and active protection systems. 24th International TechnicalConference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV). Gothenburg, Sweden. 
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