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基于主动安全的汽车行人保护技术发展现状与趋势
2019-09-14 20:11:27· 来源：汽车行人保护研究
本文内容摘自于2018年8月出版的《中国汽车安全发展报告（2018）》。摘要我国汽车行人保护研究起步较晚，目前国内各主机厂仍然采用被动式行人保护策略，尚未开发
本文内容摘自于2018年8月出版的《中国汽车安全发展报告（2018）》。
摘要
我国汽车行人保护研究起步较晚，目前国内各主机厂仍然采用被动式行人保护策略，尚未开发主动式行人保护系统， 如行人保护气囊，而在欧洲市场，已经得到了实际应用。主动式行人保护系统包括两个主要模块，一是行人/两轮车感知机构（包括各种传感器），二是执行机构。随着行人保护系统技术的提升，AEB技术与被动行人保护的结合会越来越紧密。AEB是单目/双目摄像头不仅可帮助行人保护系统识别行人，使行人保护装置PHL/PPA更有效地起爆，当AEB与PPA结合到一起时，还可以有效提高行人保护装置的有效性。
我国汽车行人保护研究起步较晚，目前国内各主机厂仍然采用被动式行人保护策略，尚未开发主动式行人保护系统， 如行人保护气囊，而在欧洲市场，已经得到了实际应用。主动式行人保护系统包括两个主要模块，一是行人/两轮车感知机构（包括各种传感器），二是执行机构。随着行人保护系统技术的提升，AEB技术与被动行人保护的结合会越来越紧密。AEB是单目/双目摄像头不仅可帮助行人保护系统识别行人，使行人保护装置PHL/PPA更有效地起爆，当AEB与PPA结合到一起时，还可以有效提高行人保护装置的有效性。
关键词：行人保护技术 行人保护气囊 AEB 行人探测感知
一 概述
自1959年起瑞典人发明了三点式“V”字安全带开始，车内乘员保护渐渐成为全球主机厂以及第三方的评测机构重点关注的研究领域。安全技术产品日趋完善，评测方法也愈加严格。尤其自1970年以来，全球汽车保有量每隔15年都会增长一倍。但是乘员的死亡率并没有随着汽车保有量的增加而增加，就是因为乘员被动安全产品的快速发展以及整车技术的日趋完善。行人保护方面的研究就没有像乘员保护一样受到全球如此高的关注，尤其是在90年代之前。根据世界健康组织WHO在2013年发布的一份道路交通状况报告中提到，2010年至少有125万人在交通事故中死亡，其中行人/两轮车驾驶员占62万人，比例高达49%。下图1所示为各个类型的人在道路交通事故中死亡所占的比例。图1中可以看出，随着汽车内乘员安全保护技术的进步，在交通事故中死亡所占的比例已经低于车外行人/两轮车驾驶员。这一健康报告足以引起大家对于道路交通弱势使用者的关注。
图1 各类人在道路交通事故中死亡所占比例
实际上，从1987年开始，欧洲EEVC组织就已经成立了行人保护工作组。重点研究道路交通弱势使用者在交通事故中的伤害形成机理，量化评价方法，提供用于测试的工具以及完善测试方法。从1997年开始，欧洲Euro NCAP评价机构基于EEVC的一些测试规则和评价方法推出了Euro NCAP版本的行人保护评价标准，并且开始行人保护试验测试（只做数据收集记录，不影响最终星级评价）。2009年开始Euro NCAP组织正式将行人保护试验引入星级评价体系，行人保护性能正式进入了可以量化评价阶段。我国汽车工业起步相对较晚，行人保护研究也起步较晚。伴随中汽中心在2018年将行人保护测试评价正式引入C-NCAP评价体系，汽车生产厂家也相继着手研究行人与机动车发生碰撞时如何降低行人受伤的风险。当前行人保护主要有两种策略：一种是直接优化发动机罩结构，优化发动机舱内各部件的布局以及铰链结构等的被动式行人保护策略；另一种是通过火药或弹簧等部件将发动机罩顶起，以此获得更多头部冲击缓冲空间的主动式行人保护策略。
二 基于主动安全的汽车行人保护技术发展现状
当前考虑到实际的开发成本以及C-NCAP的评价体系规则，国内各主机厂仍然采用以优化发动机罩结构，优化发动机舱内各部件的整体布局以及溃缩式铰链结构为主的被动式行人保护策略。只有少数厂商正在尝试引入主动顶起式机罩来提供更好的行人保护性能。而对于保护效果更好的行人保护气囊，由于其开发难度更大，开发成本更高，目前国内尚未了解到有主机厂有开发此类产品的计划。但在欧洲市场，行人保护气囊已经得到了实际应用，并且在真实事故调查中已经得到了验证。下图2是发生在国外的真实案例，一个骑自行车的人在横过马路的时候被一辆汽车撞倒，行人保护气囊弹出，很好的保护了行人。
图2 国外行人保护气囊在人车碰撞中的作用
三 基于主动安全的汽车行人保护技术关键技术解析
主动式行人保护系统包括两个主要模块，一是行人/两轮车感知机构，一是执行机构。感知机构是依靠各种力学，光学传感器，结合具体算法来判断发生碰撞的是行人还是其它东西。如果不是行人，就不会触发执行机构，以节约维修成本。如果算法判断撞击物与行人类似，那么执行机构就会被触发，以达到保护行人的目的。
行人保护的感知机构目前属于难点。因为对于感知系统来说，它不仅要判断在什么样的条件下起爆，同时还需要判断什么样的条件下关闭起爆系统。对于保护车外行人的安全产品，产品的误爆更容易获得车辆使用者的投诉，使得实际产品使用体验变差，所以整车厂家对避免行人保护产品的误爆要求更高。图3是判断行人保护装置是否起爆的一个常规示意图。图3中由三块深灰色不点火区域及一块黄色点火区域组成。从图3中可以清晰的看到有一些小质量物品撞击的情况，比如说小动物，小鸟，路边突然出现的各种球以及剐蹭到垃圾桶等都是需要避免行人保护机构触发的情况。而对于一些大质量高速运动撞击的情况，比如说车子的对撞，通常消费者也会不希望行人保护机构触发。所以在感知机构标定时，需要用更多的可能会发生碰撞的物品与感知机构进行碰撞，识别出其撞击特性，将其与行人撞击的信号区分出来，避免误爆。图４是以压力传感器为例采到的不同物品撞击产生的信号。从信号图中可以看出，小动物SA（small animal）在15~20ms之间的信号明显小于PDI信号（PDI用来表征行人），PDI信号标定为起爆信号，SA标定为不起爆信号。所以当小动物与车辆发生撞击时，行人保护装置不会被触发。
图3 行人保护装置起爆条件示意图
图4 压力传感器采集的不同物品撞击产生的信号
通常在对感知机构进行标定的时候，无法穷尽所有可能与车辆发生碰撞的物品，并且有很多物品与车辆撞击时产生的信号又十分接近，所以一般会选取一些典型物品，如图5中的几种物品，用于模拟真实生活中出现的一些撞击工况。这些工况中包含避免起爆的工况和一定要起爆的工况以及部分处于模糊状态的工况。而在图3中也可以看到，即便是在可以点火的黄色区域，仍然包含着一些不希望触发点火装置的物品，例如道路隔离护栏。但他们的信号强度又与行人的信号强度及其类似，所以这类信号有时候不得不被标记成点火信号。
图5 模拟真实生活中出现的撞击工况
当前行人保护传感器以压力传感器和加速度传感器为主，可以单独使用加速度传感器（成本低廉），如图6所示。根据实际汽车前保险杠位置宽度和成本控制，可以选择3加速度传感器或者5加速度传感器进行布置。也可以以压力传感器为主（成本稍高），辅以加速度传感器。如图7所示，压力管需要埋在前保险杠蒙皮和前保险杠横梁之间的发泡内。发泡的密度需要控制在一定的范围内，不可过硬也不可以过软。过硬会导致传感器接收不到有效的力学信号，过软会导致信号传递的时间过晚，致使执行结构不能及时到位。这两种传感器的优点是相对成本会低一些，当前技术较为成熟，目前已经有实际应用的例证。其缺点是探知范围较窄，误判概率相对较高。尤其是在我国，道路交通状况更为复杂，其误爆的风险更高。针对这一状况，国内的一些OEM和零部件供应商已经开始研究将行人保护机构与AEB系统相结合，引入AEB的单目/双目摄像技术来提高对行人的判断能力。随着AEB技术的快速发展以及成本降低，辅助判断行人的功能将会成为主流。如图8a和图8b所示，当引入摄像头辅助判断后，可以修改算法，调整原来的起爆门槛。也就是说，如果摄像头判断前方区域是行人，那就降低起爆门限值，使得执行机构易于触发。如果摄像头判断前方区域不是行人时，就提高起爆门限值，使得执行机构在某一区域内不会被触发。
图6 单独使用加速度传感器的行人保护传感器
图7 埋在前保险杠蒙皮和前保险杠横梁之间发泡内的压力管
图8a 摄像头判断前方区域是行人就降低起爆门限值
图8b 摄像头判断前方区域是行人就提高起爆门限值
执行机构包括主动式铰链和顶起执行机构。主动式铰链在行人保护机构释放过程中起到导向和限位的作用。从而保证发动机罩能够在固定的运动轨迹内运行，到达指定高度后被锁止。其对铰链的强度和释放力的控制精度要求较高，目前国内只有少数铰链供应商有设计开发能力。下图9a和图9b的铰链是国外一款量产的早期主动式铰链，由于引入了火药系统，所以其优点是响应准确，释放力控制精度高。受高低温工况影响较小。缺点也很明显，需要多引入两个点火回路以及火药执行单元，开发成本偏高。目前被动式释放功能的铰链将成为主流产品。如图10为另一款主动式铰链结构，红色圈内标记的是剪切销。发动机罩顶起执行机构为该类铰链提供释放力，通过剪切销钉来控制释放力的大小。优点是开发流程相对简单，结构简单，不需要额外的点火单元，成本低。通常可以在短期内开发完成。缺点是释放力受剪切销钉材料以及铆接工艺影响较大，释放力精度会有所下降。响应会有迟滞效应，甚至出现左右侧铰链释放时间不一致，尤其是在低温工况中会更为明显（3~8ms释放时间差）。
图9a 国外早期主动式铰链
图9b 国外早期主动式铰链
图10 国外近期主动式铰链结构
顶起执行机构需要引入动力单元来完成发动机罩顶起动作。其中有以弹簧作为动力单元的执行机构，其特点是可反复使用，在触发后可以手工复位，所以使用成本和维护成本都较低。因为可重复使用的执行机构更容易被市场接受，在主动式行人保护发展初期比较受欢迎。在欧洲某款汽车上曾经使用过该类产品（该车型的铰链释放是通过电磁阀来完成，属于另一种电控释放单元，这里不再展开介绍）。缺点是响应较慢，结构重量较高，体积大。目前行人保护对执行机构的反应速度要求日益提高，使弹簧式顶起执行机构的缺点更加明显。另一种是以火药为动力输出单元的不可重复性执行机构。其特点是响应较快，结构简单，体积小，重量低。
基于GIDAS事故统计数据的调查研究发现，实际发生死亡或者重伤的事故中，行人头部与发动机罩的撞击概率较低。更多的是行人头部与风窗玻璃下沿或汽车A柱发生撞击。如图11所示，AIS3+级以上伤害中，头部伤害中只有9% /6%来自发动机罩，而67%/58%则来自风窗玻璃下沿和A柱。结合CIDAS关于行人伤害部位和伤害等级的事故统计数据（表1）可以看出，AIS3+级以上伤害主要发生在头部。也就是说在AIS3+级以上伤害主要发生在风窗玻璃下沿和汽车A柱区域。
图11 AIS3+级以上伤害造成头部伤害的位置比例
表1 CIDAS对行人伤害部位和伤害等级的事故统计数据
而对于发动机舱内各零部件布局的优化以及发动机罩结构强度的优化并不影响风窗玻璃下沿和A柱区域。所以针对现实工况的行人保护，对风窗玻璃下沿以及A柱区域的行人保护开发显得尤为重要。行人保护气囊（PPA，pedestrian protection airbag）就是在这种工况中开发出来的。它的优点是既可以起到对发动机罩的顶起作用，为发动机罩区域撞击提供充足的缓冲空间。又可以覆盖风窗玻璃下沿以及A柱，从而更好的保护车外行人。如下图所示，在气囊充气阶段（图12），行人保护气囊因为充气而膨胀，当膨胀力达到主动铰链的释放条件时，主动铰链就会释放（图13），发动机罩随之被顶起。发动机罩顶起后行人保护气囊继续释放，会覆盖风窗玻璃下沿以及A柱区域（图14），以达到保护效果。
图12 行人保护气囊因为充气而膨胀
图13 当膨胀力达到释放条件时主动铰链释放
图14 发动机罩顶起后行人保护气囊继续释放
四 基于主动安全的汽车行人保护技术未来发展趋势
现以某车型A柱的一个测点和风窗下沿中心测点为例，如图15a所示，箭头所指位置为研究目标测点。当使用成人头型以不同速度冲击测点时，得到了冲击速度与头部HIC值之间的关系曲线。如图15b和图15c所示，AP Ref为A柱没有行人保护气囊的情况，AP Bag是A柱测点有行人保护气囊的情况。CL是风玻璃下沿位置测点。从图15b中可以看出，当速度超过40km/h时，即便有行人保护气囊，头部HIC值都会急速上升。所以在行人保护中如何降低碰撞速度是关键因素。随着AEB-Pedestrian技术的提升，AEB-行人技术与被动行人保护的结合会越来越紧密。AEB的单目/双目摄像头不仅可以帮助行人保护系统识别行人。使行人保护装置PHL/PPA更有效的起爆。也可以帮助降低行人撞击速度，尤其是当碰撞速度超过40km/h后，这些被动的行人保护装置PHL/PPA的作用大为降低，AEB的减速就更为重要。
图15a 箭头所指位置为研究目标测点
图15b A柱位置测点
图15c 风玻璃下沿位置测点
如图16所示，当AEB与PPA结合到一起，可以有效提高行人保护装置的有效性，更有效的降低头部受到AIS3+伤害的风险（详细可参见文献1）。从图17可以看出，当与不同效率的AEB结合后，可以让PPA的有效性提高7%~34%。同时也可以发现，虽然AEB致力于避免车辆与行人/两轮车发生撞击，但限于当前技术限制，AEB无法避免所有工况条件下的撞击，例如光线较弱的夜晚，大雨天等自然条件。以及行人/两轮车横向快速进入车道后，车辆或行人速度达到一定数值时，撞击是不可以避免的。所以AEB对行人保护的效能也不能够达到百分之百。AEB与主动式行人保护气囊融合会是今后的发展方向。
图16 AEB与PPA结合可提高行人保护装置的有效性
参考文献
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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