摘  要

為使車輛追尾碰撞時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損傷最小，本文以某一具體車型為例，對(duì)其發(fā)生的追尾交通事故進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選和統(tǒng)計(jì)，分析車輛碰撞時(shí)的速度、偏置度等因素對(duì)碰撞損傷的具體影響，結(jié)果表明其碰撞時(shí)的速度，偏置度等都會(huì)影響碰撞時(shí)碰撞部件的形狀變化和能量吸收，進(jìn)而影響碰撞時(shí)車輛的損傷情況，本文以碰撞時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損失作為衡量碰撞損傷大小的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，建立其與速度及偏置度的模型并繪制碰撞損失特性曲線。基于特性曲線分析可知，車輛不同的碰撞初速度對(duì)應(yīng)著最佳偏置度使得碰撞損傷最小，進(jìn)而提出了不同速度下的車輛追尾碰撞最佳偏置度控制策略，并以PID控制對(duì)車輛的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和橫擺角速度進(jìn)行修正來(lái)改變汽車碰撞前的偏置度，保證車輛在碰撞時(shí)處于最佳偏置度附近。仿真及計(jì)算結(jié)果表明，該控制策略能準(zhǔn)確調(diào)整車輛的偏置度從而減少汽車追尾碰撞時(shí)的經(jīng)濟(jì)損傷，可以為車輛追尾碰撞中的損傷優(yōu)化策略提供借鑒和參考。

關(guān)鍵字：交通工程; 追尾碰撞; 偏置度; 碰撞損失; 控制策略

作者：姚明* ，柴紅杰，李建軍

單位： 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院

引  言

追尾碰撞事故一直是公路上的多發(fā)事故類型，由于碰撞速度和車身變形較大，往往帶給駕駛員較為嚴(yán)重的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損傷。追尾碰撞時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)及追尾場(chǎng)景的不同對(duì)汽車碰撞損傷的影響尤為重要，在對(duì)汽車碰撞損傷的分析中，主要是對(duì)碰撞發(fā)生后車輛的形變量進(jìn)行考慮和分析，并基于形變量來(lái)建立以動(dòng)量法和能量法為基礎(chǔ)的碰撞模型，然后通過(guò)交通事故勘測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)分析和判斷碰撞所造成的經(jīng)濟(jì)損傷。

近年來(lái)，針對(duì)汽車碰撞的研究也在日益增加，文獻(xiàn)［1］對(duì)整車正面碰撞進(jìn)行了有限元仿真分析，建立了汽車正面剛性壁碰撞仿真模型，通過(guò)對(duì)碰撞中質(zhì)量及能量曲線的判斷來(lái)分析仿真的可靠性，對(duì)碰撞部件的變形及吸能情況等進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以減輕重量為目的，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改善了汽車碰撞的安全性。文獻(xiàn)［2］建立了汽車小偏置碰撞的仿真模型，對(duì)整車變形過(guò)程、碰撞速度、加速度、侵入量和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件變形進(jìn)行分析，將混合元胞自動(dòng)機(jī)方法應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中，使車身結(jié)構(gòu)有了更好的性能。文獻(xiàn)［3］選取某款SUV 車型來(lái)研究不同重疊率，不同撞擊角度下追尾碰撞對(duì)機(jī)動(dòng)車安全性能的影響，對(duì)比不同工況下的整個(gè)碰撞系統(tǒng)的吸能情況及主要部件的變形情況對(duì)車內(nèi)乘員安全性能做出分析。文獻(xiàn)［4］利用飛機(jī)和汽車的相似性理論，選取某款車型對(duì)特定速度下的汽車碰撞損傷進(jìn)行了研究，并給出了碰撞速度和碰撞損傷之間的關(guān)系特性，為碰撞損傷的研究提供了新的思路。文獻(xiàn)［5］對(duì)高速公路上二百多起交通事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，建立了高速公路追尾危險(xiǎn)度的計(jì)算方法，并對(duì)追尾工況的影響因素進(jìn)行了篩選，在此基礎(chǔ)上提出了高速公路追尾事故預(yù)防對(duì)策，提高了汽車在高速公路追尾場(chǎng)景下行駛的安全性。文獻(xiàn)［6］為實(shí)現(xiàn)車輛的自主避撞，提出一種基于線性路徑跟蹤控制的換道避撞控制策略，根據(jù)車輛期望橫向加速度和期望橫向位移的變化特性，采用五次多項(xiàng)式法來(lái)規(guī)劃符合駕駛?cè)颂匦缘谋茏猜窂?，有效減少了追尾沖突下碰撞事故的發(fā)生。

但是，以上對(duì)汽車追尾碰撞的研究中對(duì)汽車在碰撞時(shí)的車輛行為軌跡調(diào)控和不同碰撞場(chǎng)景下所造成的車輛損傷方面考慮較少［7－9］，沒(méi)有深入研究碰撞部件在不同交通場(chǎng)景下發(fā)生碰撞的概率和碰撞后對(duì)本車造成的經(jīng)濟(jì)損傷，且未考慮到不同偏置度對(duì)汽車碰撞損傷的影響以及相應(yīng)的控制策略。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文選取某一具體車型的模擬碰撞數(shù)據(jù)，分析不同偏置度碰撞場(chǎng)景下影響汽車碰撞損傷的因素，并根據(jù)影響因素建立速度和碰撞損傷模型，以碰撞后經(jīng)濟(jì)損失最小為優(yōu)化目標(biāo)來(lái)對(duì)碰撞場(chǎng)景下的車輛行為進(jìn)行提前干預(yù)和調(diào)控，以保護(hù)碰撞場(chǎng)景下駕駛?cè)说呢?cái)產(chǎn)安全。

偏置追尾碰撞場(chǎng)景的建立

在實(shí)際事故中，汽車的追尾碰撞大多為偏置追尾碰撞，且在碰撞過(guò)程中，由于碰撞發(fā)生時(shí)車輛的碰撞速度，碰撞位置和初始條件的千差萬(wàn)別，會(huì)造成汽車不同程度的損壞。一般情況下，汽車碰撞部件為吸收動(dòng)能而產(chǎn)生的形變量也會(huì)隨著碰撞強(qiáng)度的增大而增加。而要想精確評(píng)估在此碰撞過(guò)程中的車輛損傷，就需要結(jié)合實(shí)際情況分析。根據(jù)汽車碰撞領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者的研究，汽車由于其自身設(shè)計(jì)、材料、結(jié)構(gòu)布局的不同在不同偏置度、速度發(fā)生碰撞時(shí)，其造成的碰撞損傷與碰撞速度、碰撞的綜合形變量等是存在一定規(guī)律性的，這種規(guī)律性實(shí)際上就是汽車的碰撞損傷特性。

理論上任何一輛汽車都有其相應(yīng)的碰撞損傷特性，都可以借助事故發(fā)生后的交通事故數(shù)據(jù)及保險(xiǎn)理賠數(shù)據(jù)［10］以及相關(guān)碰撞試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)輔助分析汽車的損傷特性。而在對(duì)碰撞損傷進(jìn)行量化和評(píng)判時(shí)，在汽車碰撞領(lǐng)域一般用碰撞時(shí)對(duì)部件變形量所造成的經(jīng)濟(jì)損失作為標(biāo)準(zhǔn)。本文在對(duì)某一具體車型碰撞數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，汽車的追尾碰撞損失主要受偏置度、碰撞部件的價(jià)值、部件碰撞的概率、速度及部件的損傷程度等影響，因此有必要對(duì)這些因素進(jìn)行深入分析，并建立相應(yīng)理論模型。

要想準(zhǔn)確評(píng)估碰撞場(chǎng)景下汽車的損傷特性，對(duì)追尾場(chǎng)景下汽車的碰撞部件和碰撞面積的大小進(jìn)行預(yù)估分析顯得尤為重要。因此，為了能準(zhǔn)確表示追尾場(chǎng)景下兩車碰撞重疊面積，本文引入了偏置度的概念，汽車偏置度的定義如圖1 所示。


圖1 偏置度示意圖

由此得到偏置度的表達(dá)式:



式中: w2 為本車身寬度，d 為車輛發(fā)生追尾時(shí)，前車相對(duì)于后車的偏置距離，φ 為偏置度。

汽車碰撞損傷的影響因素

對(duì)某車型收集到的追尾碰撞數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析可以得到影響汽車碰撞損傷的因素有: 碰撞部件及碰撞面積及碰撞部件的碰撞概率及碰撞部件的價(jià)值及損傷程度等。在本文中，用各主要碰撞部件的經(jīng)濟(jì)損失總和來(lái)代替整車的碰撞損傷。

對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理分析發(fā)現(xiàn)，在追尾碰撞過(guò)程中，一般車身前部的前圍板，保險(xiǎn)杠，引擎罩等都會(huì)出現(xiàn)一定程度的塑性變形。而且，汽車的碰撞部件會(huì)隨偏置度的變化而有所不同，當(dāng)偏置度大于50%時(shí)，汽車主要碰撞部件為發(fā)動(dòng)機(jī)艙，保險(xiǎn)杠和前縱梁等;當(dāng)偏置度在0～50%范圍內(nèi)時(shí)，主要碰撞部件有發(fā)動(dòng)機(jī)艙，保險(xiǎn)杠，前縱梁和車門(mén)，車立柱等。而在不同偏置度下，碰撞部件的綜合形變量及損傷程度也會(huì)有很大差異。因此，要計(jì)算車輛的碰撞損失，就要對(duì)車輛在不同偏置度下的碰撞部件，碰撞面積，損傷程度等進(jìn)行深入的分析。

一般來(lái)說(shuō)，汽車碰撞部位的變形量就等于該部件碰撞前后尺寸之差［11］。而在汽車碰撞這一領(lǐng)域，為了給碰撞部件的形變量一個(gè)確切的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通常采用CRASH 準(zhǔn)則來(lái)評(píng)估車輛各個(gè)碰撞部位的形變量。即將碰撞區(qū)域劃分為六個(gè)均勻的標(biāo)定點(diǎn)，用該碰撞部件的5 個(gè)變形區(qū)域來(lái)近似表達(dá)車輛碰撞后的變形輪廓。為了更好地進(jìn)行說(shuō)明，以碰撞部件為車輛前端引擎蓋為例，如圖2 所示，對(duì)車輛前端引擎蓋碰撞區(qū)域進(jìn)行劃分，在其剖面的變形輪廓上均勻測(cè)量6 個(gè)點(diǎn)，即C1，C2，C3，C4，C5，C6，則六點(diǎn)測(cè)量法計(jì)算的引擎蓋綜合形變量可由式( 2) 表示為:



式中: c 為碰撞部件綜合變形量( mm) ，C1、C2、C3、C4、C5、C6 為標(biāo)定點(diǎn)變形量( mm) 。


圖2 形變量測(cè)量圖

在碰撞發(fā)生時(shí)，兩車的速度會(huì)在車輛碰撞形變量最大時(shí)達(dá)到相同，設(shè)質(zhì)量為mA，速度為vA0的A 車與質(zhì)量為mB 速度為vB0的B 車發(fā)生追尾碰撞，B 車為追尾車，A 車為被追尾車，在碰撞的過(guò)程中，直到兩車具有相同的速度時(shí)，碰撞形變量達(dá)到最大值。設(shè)相同的速度為vf，碰撞過(guò)程根據(jù)動(dòng)量定理，有:



而在碰撞過(guò)程中，常用汽車碰撞前后的速度變化值來(lái)計(jì)算碰撞過(guò)程中的能量變化［7］，在碰撞過(guò)程中，B 車的動(dòng)能能量損失即為



Campbell 根據(jù)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到汽車前端完全碰撞固定剛性墻壁時(shí)的速度和碰撞后的殘余變形成線性關(guān)系，公式表示為［8］:



式中: vB0為碰撞前速度，K 為汽車的剛度系數(shù)，c 為變形量。

以式( 5) 為基礎(chǔ)，進(jìn)一步推導(dǎo)出單位寬度上的碰撞力與汽車的變形量成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示［9］:



式中: P 為單位汽車寬度所承受的碰撞力( N/m) ; c為變形量( m) ; A 為沒(méi)有塑性變形時(shí)單位寬度的碰撞力( N/m) ; B 為線性關(guān)系的斜率( N/m2 ) 。

設(shè)碰撞寬度為w0，在汽車碰撞寬度上做積分，則在碰撞寬度上所受的碰撞力為:



假設(shè)汽車的變形在同一寬度上表現(xiàn)一致，對(duì)式( 7) 在損傷寬度和深度上作兩次積分，得到形變勢(shì)能的損失能量E2 的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:



由式( 1) 可知，汽車的碰撞寬度:



因?yàn)樵谂鲎策^(guò)程中，損失的動(dòng)能不會(huì)全部轉(zhuǎn)化為汽車的變形能，本文中假設(shè)發(fā)生碰撞損傷時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化率為80%，則有EB = E2 ×0.8。在計(jì)算時(shí)通常選用A = 435.6 N/m，B = 2.96 N/m2，本文采用常用數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明: 在碰撞發(fā)生時(shí)，在同一偏置度下，不同碰撞速度對(duì)碰撞部件的綜合變形量的影響很大，碰撞部件綜合變形量隨碰撞速度的增大而增加。

在同一碰撞速度下，偏置度對(duì)汽車碰撞部件的綜合形變量起著重要作用，本文從某一同車型500個(gè)模擬事故數(shù)據(jù)中篩選所研究車型在不同碰撞速度下的碰撞部件綜合形變量，并根據(jù)數(shù)據(jù)擬合［13］得到偏置度與碰撞部件綜合形變量之間的變化趨勢(shì)如圖3 所示。

在95%的置信區(qū)間內(nèi)求得在不同速度下碰撞部件形變量與偏置度的關(guān)系如式( 10) 所示。




圖3 綜合形變量偏置度變化趨勢(shì)圖

由圖3 可以知道: 在碰撞速度一定的情況下，車輛碰撞部件的綜合形變量并不是隨偏置度的增大而線性降低，其原因在于，當(dāng)偏置度增加時(shí)，汽車碰撞面積也增加，會(huì)分擔(dān)一部分沖擊力，對(duì)應(yīng)的碰撞部件也會(huì)增多，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)綜合形變量變小的情況。

因此，在進(jìn)行碰撞損失評(píng)估時(shí)，除了要考慮碰撞瞬間車輛的相對(duì)速度外，還要考慮碰撞部件的損傷程度，以及碰撞面積、碰撞部件的碰撞概率等參數(shù)。碰撞面積是指汽車發(fā)生碰撞時(shí)碰撞部件由變形造成的損傷面積( 碰撞寬度與碰撞部件綜合形變量的乘積) ，碰撞概率是指在碰撞場(chǎng)景下部件發(fā)生碰撞的概率［4］。

在碰撞發(fā)生前碰撞部件的面積用Ap 來(lái)表示，其可以從汽車設(shè)計(jì)圖紙及出廠說(shuō)明中獲得; 發(fā)生碰撞時(shí)造成部件損傷的面積用Av 來(lái)表示，其表示碰撞部件的綜合形變量與碰撞部件參與碰撞的寬度的乘積，即Av = c×li，li 為碰撞部件參與碰撞的寬度，當(dāng)汽車碰撞時(shí)的偏置度確定時(shí)，則碰撞部件、碰撞部件參與碰撞的寬度也可大致確定。在追尾碰撞場(chǎng)景中，部件的碰撞概率用pi 表示，它可以通過(guò)交通事故采樣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到。計(jì)算方法為:



式中: n 為樣本數(shù)據(jù)中該部件損壞的次數(shù)，N 為樣本數(shù)據(jù)總數(shù)。

在追尾碰撞場(chǎng)景下碰撞部件的損傷程度不僅與部件自身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值有關(guān)，也與部件在各個(gè)方向的碰撞概率有關(guān)。損傷程度的期望值可由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出。根據(jù)收集到的交通數(shù)據(jù)，對(duì)其不同偏置度下各主要部件的碰撞概率、損傷程度整理如表1 所示。

則汽車在給定條件下的碰撞總損失表示為:



即



式中: Ap 為碰撞部件碰撞前面積; ci 為碰撞時(shí)汽車碰撞部件的綜合形變量; li 為碰撞部件參與碰撞的寬度; si 為損傷程度; pi 為部件的碰撞概率。

表1


由式( 12) 和式( 13) 可以看出，當(dāng)車寬、損傷程度、碰撞概率等參數(shù)確定時(shí)，碰撞總損傷是關(guān)于速度和偏置度的函數(shù)，因此，以碰撞損傷為縱坐標(biāo)，碰撞速度為橫坐標(biāo)，可以分析同一偏置度下的碰撞損傷與速度的關(guān)系。圖4 為偏置度為100%時(shí)的速度與碰撞損失關(guān)系圖。


圖4 100%偏置度碰撞損失曲線圖

由圖4 分析可知，當(dāng)正面碰撞時(shí)，隨著碰撞速度的增加碰撞損傷存在陡增區(qū)間。因此在高速碰撞時(shí)要及時(shí)介入控制策略對(duì)碰撞速度進(jìn)行調(diào)控，使碰撞速度盡可能地降到突增速度點(diǎn)附近或以下，以減少碰撞損傷。

同理，根據(jù)該車型在不同偏置度時(shí)的碰撞交通數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，計(jì)算其在不同偏置度下碰撞損傷的起始速度，損傷突增速度和全損速度來(lái)繪制不同偏置度時(shí)的碰撞曲線趨勢(shì)。

由圖5 分析可知，不同偏置度下的碰撞損傷突增速度區(qū)間不同，在同一偏置度下，碰撞損傷隨車速的增加而增大，而在小于43 km/h( A 點(diǎn)之前) 的碰撞速度下，偏置度越小則相應(yīng)的碰撞損傷也越小，在碰撞速度為43 km/h ～ 63 km/h( A 點(diǎn)到C 點(diǎn)) 區(qū)間時(shí)，并不是碰撞時(shí)的偏置度越小碰撞損傷就對(duì)應(yīng)減少，在這一范圍內(nèi)，偏置度60%時(shí)的碰撞損傷超過(guò)了偏置度為100%時(shí)的碰撞損傷，這是因?yàn)殡S著偏置度的增加，碰撞力的作用面積增大，碰撞部件變多，但碰撞中汽車的關(guān)鍵部件損傷減少。因此，在這一碰撞速度范圍內(nèi)，需要對(duì)車輛的偏置度進(jìn)行干預(yù)調(diào)控，而在碰撞速度為60 km/h ～ 76km/h( B 點(diǎn)到D點(diǎn)) 區(qū)間內(nèi)，偏置度為20%時(shí)的碰撞損傷超過(guò)了偏置度為40%時(shí)的碰撞損傷，此時(shí)也需要對(duì)車輛碰撞前的偏置度進(jìn)行調(diào)控，使碰撞損傷減少到最低。


圖5 不同偏置度下碰撞損傷特性曲線圖

偏置度控制策略及實(shí)現(xiàn)

由上述分析可得，當(dāng)車速在小于43 km/h 時(shí)或大于76 km/h 時(shí)( A 點(diǎn)之前及D 點(diǎn)之后) ，對(duì)車輛在即將追尾碰撞時(shí)，應(yīng)對(duì)偏置度進(jìn)行調(diào)控，使其盡可能處于取值較小的偏置度，而在B 點(diǎn)到D 點(diǎn)之間即60km/h～ 76 km/h 時(shí)要使車輛偏置度調(diào)控在40%左右，能夠保證追尾碰撞的損傷最小。由于汽車在跟駛過(guò)程中，偏置度基本都接近100%，因此，要在碰撞發(fā)生前對(duì)車輛的偏置度即橫向運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行干預(yù)。本文主要研究在A 點(diǎn)之前，B 點(diǎn)和D 點(diǎn)區(qū)間內(nèi)即小于43 m/h 和60 km/h ～ 76 km/h 時(shí)，對(duì)車輛的橫向位移進(jìn)行控制。

對(duì)碰撞前的車輛速度進(jìn)行區(qū)間劃分，制定干預(yù)控制條件如圖6 所示。


圖6 速度檢測(cè)邏輯框圖

由圖6 知: 當(dāng)車速在不同的速度區(qū)間且即將發(fā)生碰撞時(shí)，需要對(duì)車輛的橫向運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行干預(yù)，使其偏置度取合適值，從而保證碰撞損傷最小。在對(duì)車輛橫向運(yùn)動(dòng)軌跡分析時(shí)，以大地坐標(biāo)系XOY 為參考系建立車輛模型，如圖7 所示。


圖7 車輛模型圖

設(shè)車輛后軸中心點(diǎn)的坐標(biāo)為( X1，Y1 ) ，中心點(diǎn)速度為V1，車輛的航向角為ψ，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為δFB，橫擺角速度為ω，假設(shè)輪胎存在線性側(cè)偏特性，因此在對(duì)前后軸車輪進(jìn)行等效分析時(shí)［14］，建立如下車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型:



式中: Y1，Y2 為汽車質(zhì)心在大地坐標(biāo)系XOY 下的橫向位置; ψ，δFB為車輛航向角與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，ω 為車輛的橫擺角速度，m 為車輛的質(zhì)量，V1 為車輛質(zhì)心處的速度，Cf，Cr 為車輛前后軸的側(cè)偏剛度，lf，lr 為車輛前后軸的軸距; Iz 為車輛繞垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由文獻(xiàn)［15］知，橫擺角速度可以控制車輛穩(wěn)定性，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角可以控制車輛軌跡，要對(duì)車輛在碰撞前的橫向運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)控，就要對(duì)車輛的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和橫擺角速度進(jìn)行干預(yù)，其控制原理如圖8所示。


圖8 車輛軌跡調(diào)控原理圖

根據(jù)文獻(xiàn)［6］，車輛的期望方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為:



式中: γ 為車輛的橫擺角，V1 為車輛的車速，tf 為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，Y 為橫向位移，X 為縱向位移;對(duì)期望方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和橫擺角速度進(jìn)行PID 控制修正，則有:





在Simulink 中搭建如圖9 所示仿真模型，以本車橫向位移和速度為輸入，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角及橫擺角速度為輸出，分析其隨時(shí)間變化的曲線如圖10、圖11所示。


圖9 仿真模型圖

由圖10 分析可知: 引入PID 控制的汽車橫擺角速度在碰撞開(kāi)始前能自動(dòng)調(diào)節(jié)，使車輛處于不同的偏置度，且碰撞時(shí)的橫擺角速度較無(wú)控制時(shí)的橫擺角速度有了明顯的降低，在碰撞結(jié)束后，其橫擺角速度比無(wú)控制時(shí)更快趨于穩(wěn)定狀態(tài)，降低了二次碰撞的可能性，減少了碰撞損傷。


圖10 橫擺角速度與時(shí)間關(guān)系圖

由圖11 知: 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角在碰撞開(kāi)始前有輕微的調(diào)整，引入PID 控制策略后碰撞時(shí)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角減小，碰撞前方向盤(pán)轉(zhuǎn)角調(diào)整使車輛處于碰撞損傷較小的偏置度下，且碰撞時(shí)間延后，在碰撞發(fā)生后，能更快的趨于穩(wěn)定狀態(tài)，減少碰撞損傷。


圖11 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與時(shí)間關(guān)系圖

仿真模型的驗(yàn)證

本文選取車速在60 km/h，偏置度在40%情況下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。該車型的基本參數(shù)如表2 所示。

表2 某車型基本參數(shù)


對(duì)該車型采用上述PID 控制策略干預(yù)其橫向運(yùn)動(dòng)，仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 控制前后參數(shù)對(duì)比表


根據(jù)前文分析，選取此時(shí)汽車位置記為大地坐標(biāo)系下XOY 坐標(biāo)系下的( X1，Y1 ) ，Y1 為0.75 m，則利用PID 控制策略對(duì)車輛的橫擺角速度和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)整，其偏置度隨時(shí)間變化情況如圖12 所示，則碰撞損傷最小時(shí)偏置度為20%左右，即Y2 為0.38 m，設(shè)碰撞前調(diào)整時(shí)間為2 s，則求得碰撞前的橫向位移為0.74 m，接近偏置度為40%，碰撞損傷下降了5.4%，驗(yàn)證了上述模型的有效性。


圖12 偏置度隨時(shí)間變化圖

結(jié)論及展望

( 1) 本文通過(guò)對(duì)某車型500 例交通事故數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析，分析了速度和偏置度對(duì)碰撞損傷的影響，建立了不同偏置度下的該車型碰撞損傷特性模型，該模型表明，在不同的速度區(qū)間，有著碰撞損傷最小的最佳偏置度。

( 2) 基于碰撞前不同速度區(qū)間的碰撞損傷最佳偏置度，設(shè)計(jì)了調(diào)控車輛橫擺角和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的PID 控制策略并搭建了仿真模型，通過(guò)對(duì)比和實(shí)例驗(yàn)證，驗(yàn)證了該策略的有效性。

( 3) 本文在調(diào)控偏置度過(guò)程中調(diào)控方向盤(pán)轉(zhuǎn)角來(lái)改變對(duì)橫向位移是基于本車和前方目標(biāo)車輛都勻速運(yùn)動(dòng)的理想工況下討論的，并沒(méi)有考慮車輛實(shí)際行駛過(guò)程中縱向的行駛工況; 同時(shí)，對(duì)改變偏置度過(guò)程中對(duì)橫向車道的影響也未考慮。在后續(xù)的研究中還要對(duì)此做進(jìn)一步的探討。



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