汽车侧向碰撞控制策略研究

余汪梓　易贵园

摘 要：城市交通事故中，侧向碰撞事故占比高达27%，仅次于纵向碰撞，是主要的事故类型之一，造成了极大的经济损失和生命危害。本文分析了现有国内外侧面碰撞防护措施及研究，考虑汽车行驶过程中侧向目标对实际驾驶安全性的威胁，并提出了一种控制方向盘转角的侧面碰撞主动防护方法，从而制定合理的侧向紧急避撞控制策略，提醒并纠正车辆行驶时侧向危险，并在侧向碰撞不可避免时控制方向盘转角从而实现碰撞损失的最小化，保证行车的安全。

关键词：行车安全 侧向碰撞 控制策略

Research on the Control Strategy of Vehicle Side Impact

Yu Wangzi Yi Guiyuan

Abstract：In urban traffic accidents，lateral collisions account for up to 27%，second only to longitudinal collisions，and are one of the main types of accidents，causing great economic losses and life hazards. This article analyzes the existing domestic and foreign side collision protection measures and research，considers the threat of lateral targets to actual driving safety during the driving process of the car，and proposes an active side collision protection method that controls the steering wheel angle，so as to formulate a reasonable side collision protection method. The emergency collision avoidance control strategy reminds and corrects the side hazards when the vehicle is driving，and controls the steering wheel angle when a side collision is unavoidable，to minimize the collision loss and ensure the safety of driving.

Key words：driving safety，side collision，control strategy

1 引言

随着中国经济的不断发展和城市化进程的不断加快，道路上的汽车越来越多，越来越多的交通拥堵和交通安全问题也随之而来。在城市交通事故中，侧向碰撞多出现在道路交叉口附近，尤其是未设立交通信号灯的道路交叉口，经常出现因抢道行驶而发生车辆间或车辆与行人之间的碰撞，造成了极大的经济损失和生命危害。从汽车发生第一起交通事故开始，人们就开始了汽车安全性能的研究。从最初的被动安全到传统的主动安全，如防抱死系统（ABS）、驱动防滑系统（ASR）等，再到近年来发展较快的先进的駕驶员辅助系统（ADAS），由于可以提醒和纠正驾驶员的错误操作，交通安全事故大大降低。但国内外对于侧向的汽车碰撞研究较少，尤其在主动防撞方面，还没有一种完善的主动防撞系统大规模地运用在汽车上。

2 当前汽车侧向碰撞防护措施

据最新的调研结果显示，在交通事故中，侧向碰撞事故导致的死亡率已经占到总体事故死亡率的44%。车身侧面不像前侧拥有足够的长度空间吸收碰撞能量，侧面撞击对乘客的损伤远远超过正面碰撞。目前应用的侧面碰撞防护措施主要分为主动防护与被动防护，相较于主动防护，被动防护的在汽车上的应用更早，技术更成熟。

被动碰撞防护最被人所熟知的便是安全气囊。汽车碰撞时存在两个阶段，第一个阶段为汽车与外部相撞，第二个阶段为乘客与车内部的碰撞，安全气囊就是在第二个阶段开始前膨胀，保护乘客的安全装置。安全气囊分为前方安全气囊、侧面安全气囊以及帘式安全气囊等。针对侧撞时乘车人的保护主要是帘式安全气囊，也称为头部气囊。帘式安全气囊通常贯穿前后，发生侧碰时，帘式安全气囊保护乘车人的头部，将其与车身隔开。由于车身的侧面空间狭小，安全气囊没有很大的膨胀空间，无法很好地缓冲碰撞，所以还需要车门防撞梁，高刚度材料车门等防护措施。

车门防撞梁是在车门内部结构中加上横梁，用以加强车辆侧面的结构，其作用是提高侧面撞击时的防撞抵抗力。车门防撞梁分为管状和帽形两种，车门防撞梁的材料越厚，防碰撞能力越好，因此帽型一般好于管型。车门防撞梁的布置方式，还有它与车身的其他防撞部位的匹配程度，也影响着其防撞能力。除了选用高强度的材料，还可以通过在车门防撞梁中填充泡沫铝材料提高防撞能力，文献[1]通过模拟仿真分析入侵速度以及变形结果发现填充泡沫铝的车门防撞梁速度变化曲线更平缓，峰值速度更小，且侵入量减小，吸能性优越。

目前汽车上主动碰撞防护的应用主要是对于汽车碰撞前的控制策略上。国内对于主动碰撞防护的研究较多。文献[2]依据车辆制动过程及前车运行工况建立了纵向紧急避撞时的临界安全距离模型，并通过模糊控制算法对车辆制动进行控制，设计侧向转向避撞的触发机制，侧向换道路径通过等速偏移轨迹和正弦函数叠加来实现避障的轨迹规划。文献[3]提出了一种基于上层模糊控制和下层PID控制的分层控制的自动紧急制动系统行人避撞策略，建立了TTC（time to collision）算法风险评估模型。文献[4]提出车辆的危险评估机制，设计了集成制动和转向的汽车自动紧急避撞控制策略，提高了车辆的安全性，但仅考虑纵向避撞，未就侧向避撞给出相应的办法。

国外学者对于侧向的汽车避撞研究也不少。Saito等针对行人横穿马路的潜在危险场景，设计了一种车辆减速度控制系统，实现行人避撞功能。Jeong-Ah Jang等人提出了一种协同路口碰撞预警系统模型CICWS（Cooperative Intersection Collision Warning System），应用固定的交通传感器在无信号路口为驾驶员实时提供预警信息。Sarah Bonnin等人通过贝叶斯网络对车辆行为进行识别，从而完成车辆间碰撞的预测。Vaishali Manwar等人基于车载自组织网络对可能发生的交通事故进行预测，并加以避免。

目前这些研究都停留在试验阶段，完善成大规模应用系统的可行性还有待验证。

3 基于方向盘转角控制的侧面碰撞主动防护策略

基于上述的研究成果及侧面碰撞分析，在速度相同的情况下，两车的碰撞角度以及碰撞部位影响着碰撞损伤情况。因此，同一速度下，车辆侧面碰撞时存在使得碰撞损伤最小的最佳碰撞角度。进而本文提出一种侧面碰撞最佳碰撞角度控制策略，并以PID控制对车辆的方向盘转角进行修正，以保证车辆在碰撞时处于最佳碰撞角度。

通过实际事故中的侧面碰撞数据统计分析，汽车的侧面碰撞存在着多种碰撞角度，且碰撞发生时车辆的碰撞速度与碰撞部也同样使汽车的损坏各不相同。因此有必要对这些因素进行深入分析，并建立相应理论模型。为了能准确表示侧面碰撞场景下两车碰撞情况，本文定义碰撞角度为两车中轴线所成较小角的度数，最大为90度。

选用汽车碰撞部件的形变量衡量不同碰撞角度造成的碰撞损伤。根据文献[6]，汽车碰撞部位的形变量一般被认为是该部件碰撞前后尺寸之差。本文从众多事故数据中筛选所研究车型在不同碰撞角度下的碰撞部件综合形变量，发现在同一碰撞速度以及碰撞部位下，碰撞角度对汽车碰撞部件的综合形变量起着重要作用。并且当碰撞速度与部位相同时，碰撞角度与碰撞损伤的关系大致如下：在一定角度范围内，碰撞角度越大，碰撞部件综合形变量越小;当碰撞角度为90度时，碰撞部件综合形变量最小，碰撞损伤最小。分析其原因可知，当碰撞角度为90度时，汽车撞击面积最大，冲击力更加散布，碰撞中参与的部件也多，综合形变量当然也就最小。

由上述可知，如果对即将发生侧面碰撞的车辆进行控制，使其尽可能处于较大的碰撞角度，才能使碰撞造成的损伤最小化。为使两车能处于接近或等于90度的碰撞角度，决定采用控制方向盘转角的方法。

该方法通过EPS常规助力模块1根据实时采集到的方向盘转角，转向盘力矩和即将发生碰撞的角度等信息，确定常规助力电流，输入到EPS助力修正模块2;同时，EPS助力修正模块2根据尽可能使车辆的碰撞角度接近90度的原则，确定车辆理想的碰撞角度，进而确定期望方向盘转角的助力电流，对常规助力电流进行补偿，输出助力修正电流;该助力修正电流与经助力电机4输出的电机实际电流一起实时反馈到电流控制模块3中，由电流闭环控制模块3对助力电机的输出电流实时调控来调节车辆的方向盘转角大小，进一步調控车辆的碰撞角度。其工作原理图如下图所示。

4 结论

（1）本文先分析了现有的侧面碰撞防护措施及国内外研究成果，然后通过对某车型众多交通事故的数据进行分析，研究了碰撞角度对碰撞损伤的影响，得出了碰撞角度与碰撞损伤的关系。基于碰撞时的最佳角度，初步设计了一种调控方向盘转角的侧面碰撞主动防护策略。

（2）本文中的主动防护策略只在初步设计阶段，还需对此策略构造仿真模型，通过对仿真模型的分析和实例验证，才能实现避撞防护的良好效果。

（3）该策略在设计中只考虑了通过调整碰撞角度来控制碰撞损伤的，还可通过控制车速与制动从而调整碰撞的发生部位，将碰撞部位集中在车身的B柱、车尾等非薄弱处进一步减轻碰撞产生的损失。

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目，项目批准号：202010299034。

参考文献：

[1]徐平，王馨甜，宋海.泡沫铝填充结构汽车车门防撞梁侧碰安全性仿真研究.[D]辽宁：辽宁工程技术大学，2015.

[2]孙磊，刘俊，卢明明，王威.汽车主动避撞控制系统研究.[D]安徽：合肥工业大学，2019.

[3]杨为，赵胡屹，舒红.自动紧急制动系统行人避撞策略及仿真验证.[D]重庆：重庆大学，2019.

[4]项楚勇，魏民祥，张佳佳，邢德鑫，吴树凡.基于危险评估的自动紧急避撞控制策略.[D]南京： 南京航空航天大学，2019.

[5]Sarah Bonnin， Thomas H. Weisswange， Franz Kummert， Jens SchmuedderichPedestrian. Crossing Prediction using Multiple Context-based Models. [D]2014 IEEE 17th International Conference on Intelligent Transportation Systems （ITSC） October 8-11， 2014.

[6]余松.基于车辆变形求解碰撞前速度的仿真分析. [D]重庆：重庆交通大学，2012.