自动紧急转向工况下驾驶员离位响应的一体化仿真研究

任立海 1，谭政 1，陈浩 1，李星月 1，蒋成约 1，徐海澜 2?; REN Lihai1，TAN Zheng1，CHEN Hao1，LI Xingyue1，JIANG Chengyue1，XU Hailan2?

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陈浩 ¹
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李星月 ¹
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蒋成约 ¹
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徐海澜 ²
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1. 重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054； 2. 招商局检测车辆技术研究院有限公司，重庆 401329

中图分类号： U461.91

最近更新：2024-10-28

DOI： 10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2024197

摘要

为了探究自动紧急转向过程中驾驶员的动态响应，采用主动安全技术和被动安全防护策略相结合的方式，进行特定自动紧急转向场景下驾驶员离位响应的一体化仿真研究. 基于模型预测控制算法建立自动紧急转向控制模型，使用PreScan、CarSim和Simulink等软件进行联合仿真，获取车辆在转向过程中的动态响应；结合主动人体模型和驾驶员侧约束系统模型，分析车辆及驾驶员的运动特征以及主动卷收器安全带对驾驶员离位的改善效果. 结果表明，在72 km/h的行驶速度下，车辆和驾驶员在纵向换道距离分别为40 m、50 m和60 m的左侧自动紧急转向过程中运动响应分为右倾和左倾两个阶段；右倾阶段车辆横向加速度、侧倾角以及主动人体模型的最大离位量明显高于左倾阶段；随着纵向换道距离的增加，驾驶员头部的最大横向离位量由89.56 mm降低到70.22 mm和53.05 mm；主动卷收器安全带的应用有效改善了驾驶员的离位程度，驾驶员头部最大横向离位量分别降低18.90%、49.56%和67.62%，胸部最大横向离位量分别降低12.70%、41.63%和53.69%，提高了驾驶员在自动紧急转向阶段的安全性.

关键词

汽车工程; 汽车安全; 一体化仿真; 自动紧急转向; 驾驶员离位

道路交通事故是有着巨大社会影响的公共安全问题之一. 世界卫生组织报告指出，全球道路交通事故中，每年2 000万~5 000 万人受伤，119 万人死亡^［

1］. 为减少或避免汽车发生碰撞事故从而造成驾乘人员伤亡，以降低驾驶风险为目的的高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistant System，ADAS）得到了广泛应用. 多家汽车测评机构也将ADAS相关功能纳入汽车主动安全测试法规^{［参考文献 2

百度学术}2］，例如欧盟和中国新车评价体系等.美国公路安全保险协会在美国机动车碰撞因果关系报告中指出，配备ADAS车辆的交通事故风险和相应的人员伤亡率得到大幅度降低. ADAS技术可以减少50%的追尾碰撞事故以及56%的人员损伤^{［参考文献 3

百度学术}3］. 值得注意的是，尽管主动安全技术在缓解或者避免交通事故方面发挥着重要作用，但在不可避免碰撞事故中，主动安全系统控制车辆运动导致车内人员状态改变，给驾乘人员的事故风险带来不确定性. 此时，如何降低主动安全系统带来的负面影响、提高驾乘人员的安全性尤为重要.

将汽车主动安全和被动安全集成设计的主被动安全一体化已成为汽车安全领域一大研究热点课题^［

4］.集成式汽车安全能够有效降低人体在汽车安全事故中的损伤风险，提高应对严重交通事故的能力^{［参考文献 5-6}5-6］. ADAS包含自动紧急制动（Autonomous Emergency Brake，AEB）系统、自动紧急转向（Autonomous Emergency Steering，AES）系统等多个主动安全系统. 目前AEB作用下不可避免碰撞工况的主被动安全一体化研究已较为成熟^{［参考文献 7-12}7-12］，而作为正在发展中的下一代主动安全技术AES系统，其主被动安全一体化研究也逐渐得到行业的重视.

AES系统通过控制车辆自动转向规避前方障碍物，驾驶员因车辆运动而表现出相应的运动趋势. AES工况中，乘员会产生明显的横向离位^［

13］，乘员和约束系统的最佳匹配关系被改变^{［参考文献 14

百度学术}14］；左倾或右倾状态下的乘员发生碰撞时，头部和气囊的接触可能出现错位现象，甚至与仪表盘发生撞击，增加二次碰撞的风险^{［参考文献 15

百度学术}15］.为了提高乘员在自动紧急转向阶段的安全性，相关学者探究了AES和乘员约束系统的协同作用^{［参考文献 16

百度学术}16］.主动卷收器（Active Control Retractor，ACR）安全带作为约束系统中有效的乘员保护设施，Ghaffari等^{［参考文献 17

百度学术}17］通过志愿者试验发现，在变道和制动变道过程中，ACR安全带作用下，乘员正向和横向离位响应程度相较于标准安全带（Standard Belt，SB）更低；Mishra等^{［参考文献 18

百度学术}18］基于仿真分析了在碰撞中标准安全带和ACR安全带对乘员的保护能力，后者因其碰撞前的主动预紧功能而具有更好的效果. 同时，车辆在AES工况中发生碰撞的一体化仿真研究结果表明，ACR安全带较大程度上改善了乘员肩带脱落的情况，乘员的整体损伤风险呈现出降低趋势^{［参考文献 19-20}19-20］.

上述研究着重考量了一体化仿真中AES系统和ACR安全带对车内人员碰撞损伤的影响，而较少关注AES工况中驾驶员姿态变化特征. 因此，本文基于自动紧急转向控制模型和驾驶员侧约束系统模型，建立联合仿真平台，对驾驶员在不同纵向换道距离下的动态响应进行一体化仿真分析，探究自动紧急转向工况下驾驶员运动状态及主动式安全带对驾驶员姿态的改善效果，为后续主被动一体化研究方法提供重要参考.

1 研究方法

1.1 自动紧急转向仿真场景

汽车追尾碰撞在车-车碰撞安全事故中占有较大比例^［

21］. 美国国家公路交通安全管理局碰撞数据库指出，相较于低速行驶，速度为56~72 km/h的直行车辆发生追尾事故概率和追尾事故中乘员死亡率更高^{［参考文献 22

百度学术}22］.

本文基于PreScan搭建追尾碰撞前AES系统进行紧急避让的简化仿真场景. 如图1所示，假设白色主车以72 km/h的车速在单向两车道的良好路面上正常行驶，地面附着系数为0.8，道路宽度为3.5 m，前方有静止的黑色障碍车. 此时由于两车间距小于最小制动距离25.5 m，主车已无法通过AEB系统实现避撞，故主车激活AES系统来避免与障碍车发生碰撞.

图1 AES仿真场景

Fig.1 AES simulation scenario

1.2 自动紧急转向控制模型

在AES工况中，车辆会受到动力学、运动学以及自身物理机构的约束. 本文采用具有处理多目标约束、滚动优化和预测未来能力^［

23］的模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）算法构建控制模型，其控制原理如图2所示.

图2 模型预测控制原理

Fig.2 Model predictive control principle

车辆模型本身是一个非线性系统，但线性模型相比于非线性模型，有着计算简单、实时性好的特点，所以将车辆模型线性化，线性方程如式（1）所示.

ξ_{d} = A_{d} (t) ξ (t) + B_{d} (t) U_{d} (t)

（1）

式中： $ξ (t)$ 为状态量矩阵； $A_{d} (t)$ 为状态量系数矩阵； $U_{d} (t)$ 为控制量矩阵； $B_{d} (t)$ 为控制量系数矩阵.

目标函数的设计是为了使车辆更好地跟踪参考路径，本文在模型预测控制设计中的目标函数如式（2）所示.

\begin{matrix} J (ζ (k), Δ u (k)) \end{matrix} = \sum_{i = 1}^{N_{c}} {||Δ u (k + i)||}_{R}^{2} +

\sum_{i = 1}^{N_{P}} {||η (k + 1 | k) - η_{r e f} (k + i | k)||}_{Q}^{2}

（2）

式中： $ζ (k)$ 为当前状态量； $Δ u (k)$ 为控制增量； $η$ 为输出量； $η_{r e f}$ 为输出参考量； $N_{P}$ 为预测时域； $N_{c}$ 为控制时域； $Q 、 R$ 为权重系数.

MPC算法中最重要的参数为预测时域、控制时域和权重系数，综合影响MPC算法的计算时间、控制精度和算法输出的平顺性和稳定性等^［

24］. 本文在Simulink中建立了联合仿真平台，由CarSim提供车辆动力学模块，然后应用S_Fuction模块编写控制器函数. 参考文献［23］，结合本文仿真需求，控制器的关键参数如表1所示.

表1 控制器的关键参数

Tab.1 Key parameters of the controller

参数	设定值
预测时域	$N_{P} = 25$
控制时域	$N_{c} = 5$
仿真步长	$T = 0.01$
权重系数	$ρ = 1 000$
	$R = 5 \times 10^{5}$
	$Q = [\begin{matrix} 2 000 & 0 \\ 0 & 10 000 \end{matrix}]$

1.3 自动紧急转向行驶轨迹

多项式曲线计算简单，适应性强，并且多阶倒数的曲率光滑且连续，满足车辆转向动态特性的要求. 本文参考能顺利完成避障操作的5次多项式规划行驶轨迹^［

25］，如式（3）所示.

\{\begin{array}{l} x (t) = a_{0} + a_{1} t + a_{2} t^{2} + a_{3} t^{3} + a_{4} t^{4} + a_{5} t^{5} \\ y (t) = b_{0} + b_{1} t + b_{2} t^{2} + b_{3} t^{3} + b_{4} t^{4} + b_{5} t^{5} \end{array}

（3）

式中： $a_{0} 、 a_{1} 、 a_{2} 、 a_{3} 、 a_{4} 、 a_{5}$ 为纵向轨迹的多项式系数； $b_{0} 、 b_{1} 、 b_{2} 、 b_{3} 、 b_{4} 、 b_{5}$ 为横向轨迹的多项式系数； $x (t)$ 为纵向换道距离； $y (t)$ 为横向换道距离.

假设主车在AES工况中纵向速度保持不变，通过式（3）即可求得车身横向加速度和转向时间之间的关系^［

26］，如式（4）所示.

a_{y m a x} = \frac{5.77 h}{t_{f}^{2}}

（4）

式中： $a_{y m a x}$ 为车身最大横向加速度； $h$ 道路宽度； $t_{f}$ 为对应的转向时间.

同时，车身横向加速度处于“限制级”时，如式（5）所示，车辆转向已处于紧急状况^［

27］.

(0.22 - 0.002 μ) g ≪ a_{y} < 0.67 μ g

（5）

式中： $g$ 为重力加速度； $a_{y}$ 为车身横向加速度； $μ$ 为地面附着系数.

本文面向AES工况，假设车身横向加速度为“限制级”内最大值. 故在72 km/h纵向行驶速度时的理论转向时间约为2 s，对应理论紧急纵向换道距离约为40 m.

车辆在左转向避撞过程中，主车右前端和障碍车左后端不发生碰撞，认为车辆完成转向避障行为^［

28］. 如图3所示，车辆完成转向避障行为时的纵向行驶距离小于紧急制动距离^{［参考文献 26

百度学术}26］，符合上述AES仿真场景.

图3 AES避障示意图

Fig.3 AES obstacle avoidance schematic

同时增设50 m、60 m的纵向换道距离进行横向对比.图4为不同纵向换道距离下车辆AES仿真轨迹和期望轨迹.由图4可知，最大横向偏差仅为0.34 m，表明该联合仿真模型可以对期望轨迹进行有效跟踪，可用于下一步仿真研究.

图4 不同纵向换道距离下车辆的行驶轨迹

Fig.4 Driving trajectory of vehicles at different longitudinal lane change distances

1.4 驾驶员侧约束系统模型

本文在已经过验证的驾驶员侧约束系统模型^［

19］基础上，将Hybrid Ⅲ 50th假人替换成能够较好表征驾驶员在预碰撞阶段反应的主动人体模型（Active Human Model，AHM），建立驾驶员侧约束系统基础模型，如图5所示.

图5 驾驶员侧约束系统基础模型

Fig.5 Basic model of driver side restraint system

文中AHM模型参数参考AHM模型在以志愿者动态响应为验证目标时的肌肉激活参数进行设置^［

29］，对AES工况中离位响应明显的上躯干部位赋予相应的肌肉激活参数.颈部和脊柱肌肉激活程度和强度因子参数均设置为1，表示AHM模型具有良好的肌肉激活状态.同时，控制器延迟启用时间设置为0.

ACR安全带可以通过拉紧卷收器织带来消除安全带与驾驶员之间的松弛间隙，给驾驶员提供更有效的约束作用. ACR安全带预紧时间多在车辆进行避障操作前50~200 ms，预紧力分布为100~500 N^［

10，15，30-31］. 由于过早的预警时间会影响驾乘人员的舒适性，故本文预紧时间设定为50 ms.采用前期建立的主动控制卷收器模型^{［参考文献 10

百度学术}10］，其卷收特性参考文献［32］，如图6所示.

图6 ACR安全带预紧力-回收量曲线

Fig.6 ACR seatbelt preload-recovery curve

1.5 一体化仿真

本文结合自动紧急转向控制模型和驾驶员侧约束系统模型，以车辆动态响应作为关键参数，进行SB安全带和ACR安全带作用下不同纵向换道距离的自动紧急转向一体化仿真.基于6组仿真结果，获取车辆动态响应和驾驶员离位响应，完成AES工况下驾驶员离位响应分析.本文所采用的一体化仿真流程如图7所示.

图7 一体化仿真流程图

Fig.7 Integrated simulation flow chart

2 结果分析

在车辆动力学软件中，计算不同纵向换道距离下车辆路径跟踪时的动态响应，将车辆横向加速度、横摆角和侧倾角作为分析车辆转向动态响应的主要参数. 同时，以人体头部质心、第7节颈椎（C7）、左侧肩部、右侧肩部、胸部、骨盆等人体部位的离位程度表征驾驶员离位响应特征.

2.1 车辆在AES工况中的动态响应

车辆在左转向过程中的运动分为两个阶段：车辆左转向避开前方障碍车辆，车身因离心力作用向右侧倾斜，此时车辆处于右倾阶段；避障完成后，车辆驶入相邻车道，车辆回正，车身出现左倾现象，此时车辆处于左倾阶段.

车辆在左转向过程中，右倾阶段的纵向行驶距离更短，右倾阶段受到的离心力等外界载荷更大，车体的运动响应更显著.伴随纵向换道距离的缩短，这种趋势更加明显.图8~图10分别为不同纵向换道距离下车辆横向加速度、横摆角和侧倾角的变化曲线. 在相同纵向换道距离下，右倾阶段横向加速度峰值和侧倾角峰值均大于左倾阶段；在不同纵向换道距离中，随着纵向换道距离的缩短，车辆横向加速度、横摆角和侧倾角均表现出增大趋势. 其中，纵向换道距离为60 m时，车辆的最大横向加速度仅为0.19g、最大横摆角为6.09°、最大侧倾角为0.77°；当纵向换道距离缩短为40 m时，对应的最大横向加速度、最大横摆角、最大侧倾角分别为0.42g、8.91°和1.57°，明显增大.

图8 不同纵向换道距离下车辆横向加速度变化曲线

Fig.8 Vehicle lateral acceleration curve at different longitudinal lane change distances

图9 不同纵向换道距离下车辆横摆角变化曲线

Fig.9 Vehicle yaw angle curve at different longitudinal lane change distances

图10 不同纵向换道距离下车辆侧倾角变化曲线

Fig.10 Vehicle roll angle curve at different longitudinal lane change distances

相较于左倾阶段，车辆处于右倾阶段的持续时间更短，这种趋势在较短纵向换道距离的AES工况中更加明显. 纵向换道距离分别为40 m、50 m和60 m时，车辆右倾阶段的持续时间分别为1 329 ms、1 617 ms和1 899 ms，而左倾阶段均持续到仿真结束.

2.2 标准安全带约束下驾驶员的离位响应

在左转向过程中，AHM的运动响应和车辆的运动特征类似：伴随着车辆向左变道，车辆和人体因惯性作用向右倾斜；车辆在回正阶段向左倾斜，驾驶员同样向左离位运动. 但值得注意的是，车辆和驾驶员的右倾和左倾运动响应没有表现出时间上的同步性.在纵向换道距离分别为40 m、50 m和60 m时，车辆开始左倾时刻分别为1 297 ms、1 616 ms和 1 900 ms，而标准安全带作用下驾驶员左倾时刻分别为1 325 ms、1 699 ms和1 902 ms. 可以看出，随着纵向换道距离的增加，车辆和驾驶员开始左倾时刻均向后推迟，且驾驶员开始处于左倾阶段的时刻略滞后于车辆.

图11为不同纵向换道距离下AHM的头部和胸部的横向离位轨迹. 不难看出，40 m纵向换道距离下，驾驶员头部和胸部的横向离位程度明显大于其他换道距离下驾驶员的横向离位响应，60 m纵向换道距离下驾驶员的横向离位程度最小. 为了进一步量化不同纵向换道距离下驾驶员的横向离位响应差异，设定车辆开始避障操作时为0时刻，图12~图14分别为AHM达到左侧和右侧最大离位程度时对应时刻与原始位置的差异程度.

图11 不同纵向换道距离下AHM的头部和胸部的横向离位轨迹

Fig.11 AHM head and chest out-of-position trajectory at different longitudinal lane change distances

图12 40 m纵向换道距离下AHM姿态变化

Fig.12 AHM attitude change at 40 m longitudinal lane change distance

图13 50 m纵向换道距离下AHM姿态变化

Fig.13 AHM attitude change at 50 m longitudinal lane change distance

图14 60 m纵向换道距离下AHM姿态变化

Fig.14 AHM attitude change at 60 m longitudinal lane change distance

在相同纵向换道距离下，车辆右倾阶段中的驾驶员上躯干横向离位程度大于左倾阶段. 纵向换道距离为40 m的仿真结果中，驾驶员右侧横向离位达到最大程度的时刻为477 ms，对应的头部质心和胸部的横向离位量分别为89.56 mm和72.27 mm；驾驶员从右倾阶段到左倾阶段最大横向离位量所需时间为1 626 ms，头部质心和胸部横向离位量分别为80.42 mm和38.56 mm. 相较于驾驶员左倾阶段，右倾阶段的驾驶员头部和胸部横向离位峰值更大，峰值差分别为9.14 mm和33.71 mm，降幅分别为10.21%和45.64%. 相较于纵向换道距离为40 m，在纵向换道距离为50 m和60 m的转向过程中驾驶员离位响应具有类似的运动趋势. 头部横向差异离位分别为30.75%和11.88%，胸部横向离位差异分别为52.76%和32.67%.

不同纵向换道距离下，人体横向位移和纵向换道距离呈反比. 表2为不同纵向换道距离下AHM各部位最大横向离位量，由表2可知，当纵向换道距离分别为40 m、50 m和60 m时，AHM头部质心的最大横向离位量为89.56 mm、70.22 mm和53.05 mm；C7的最大横向离位量为75.79 mm、58.15 mm和45.86 mm；胸部的最大横向离位量为72.27 mm、54.21 mm和42.82 mm. 结果表明，伴随着纵向换道距离的增加，驾驶员的最大离位程度呈现出降低的趋势.

表2 不同纵向换道距离下AHM各部位最大横向离位量

Tab.2 Maximum lateral displacement of each part of AHM at different longitudinal lane change distances

身体部位	右倾阶段横向离位量/mm			右倾阶段40~60 m降幅/%	左倾阶段横向离位量/mm			右倾阶段40~60 m降幅/%
身体部位	40 m	50 m	60 m	右倾阶段40~60 m降幅/%	40 m	50 m	60 m	右倾阶段40~60 m降幅/%
头部质心	89.56	70.22	53.05	40.77	80.42	48.63	46.75	41.87
C7	75.79	58.15	45.86	39.49	49.28	31.58	33.91	31.19
左侧肩部	70.14	52.19	40.33	42.50	43.25	29.39	30.64	29.16
右侧肩部	64.38	48.46	37.23	42.17	47.59	29.97	30.24	36.46
胸部	72.27	54.21	42.82	40.75	38.56	25.61	28.83	25.23
骨盆	32.26	16.25	5.34	83.45	21.04	7.99	6.56	68.82

在较长纵向换道距离下，AHM各部位的位移降幅明显，其中右倾阶段驾驶员的横向离位降低幅度大于左倾阶段. 由表2可知，当纵向换道距离由40 m增加至60 m时，右倾阶段的AHM头部质心、C7、左侧肩部、右侧肩部及胸部的横向离位分别降低了40.77%、39.49%、42.50%、42.17%及40.75%；左倾阶段上述各个部位横向离位分别降低了41.87%、31.19%、29.16%、36.46%及25.23%，整体上略低于右倾阶段.

2.3 主动卷收器安全带对驾驶员离位的改善

ACR安全带对AHM的横向离位具有良好的改善效果，在较长纵向换道距离中的改善程度更明显；同时，相对于其他身体部位，头颈部的离位改善效果更显著.图15~图17表示不同纵向换道距离中，佩戴标准安全带和ACR安全带下AHM头部质心和胸部的横向离位程度. 由于驾驶员在右倾阶段的横向离位程度更大，因此主要对该阶段驾驶员横向离位响应展开分析.表3为不同纵向换道距离和不同安全带下AHM各部位的最大横向离位量.

图15 40 m纵向换道距离下AHM离位轨迹

Fig.15 AHM out-of-position trajectory at 40 m longitudinal lane change distance

图16 50 m纵向换道距离下AHM离位轨迹

Fig.16 AHM out-of-position trajectory at 50 m longitudinal lane change distance

图17 60 m纵向换道距离下AHM离位轨迹

Fig.17 AHM out-of-position trajectory at 60 m longitudinal lane change distance

表3 不同纵向换道距离和不同安全带下AHM各部位的最大横向离位量

Tab.3 Maximum lateral displacement of each part of AHM at different longitudinal lane change distances and seatbelts

身体部位	40 m		降幅/%	50 m		降幅/%	60 m		降幅/%
身体部位	D_SB/mm	D_ACR/mm	降幅/%	D_SB/mm	D_ACR/mm	降幅/%	D_SB/mm	D_ACR/mm	降幅/%
头部质心	89.56	72.63	18.90	70.22	35.42	49.56	53.05	17.18	67.62
C7	75.79	64.81	14.49	58.15	31.07	46.57	45.86	16.73	63.52
左侧肩部	64.38	65.18	-1.24	48.46	34.78	28.23	37.23	23.24	37.58
右侧肩部	70.14	66.68	4.93	52.19	33.65	35.52	40.33	20.58	48.97
胸部	72.27	63.09	12.70	54.21	31.64	41.63	42.82	19.83	53.69
骨盆	32.26	29.84	7.50	16.25	8.02	50.65	5.34	3.05	42.88

注： D_SB和D_ACR分别表示标准安全带和ACR安全带作用下驾驶员最大横向离位量.

在同一AES工况中，ACR安全带明显降低了驾驶员各个身体部位（左侧肩部除外）的横向离位程度.当纵向换道距离为60 m时，驾驶员头部质心、C7、右侧肩部、左侧肩部和胸部的最大横向离位量分别降低67.62%、63.52%、48.97%、37.58%和53.69%. 其他AES工况中具有同样的趋势，如表3所示.

ACR安全带对于较长纵向换道距离中驾驶员有着更好的姿态改善效果. 随着纵向换道距离的延长，ACR安全带对驾驶员的横向离位改善效果表现出增加的趋势. 当纵向换道距离分别为40 m、50 m和 60 m时，ACR安全带使AHM头部质心横向离位量分别平均降低18.90%、49.56%和67.62%，C7离位量分别平均降低14.49%、46.57%和63.52%，以及胸部离位量分别平均降低12.70%、41.63%和53.69%. 同时也可以看出，驾驶员头部质心的横向离位改善效果最好，其次是C7.

综上所述，相较于标准安全带，ACR安全带的可逆预紧功能更大程度上约束了驾驶员离位运动，ACR安全带对驾驶员横向离位有较好的改善效果，提高了AES工况中驾驶员的安全性. 同时，随着纵向换道距离的延长，ACR安全带对驾驶员的离位改善效果更加显著.

2.4 讨论

本文首先建立了自动紧急转向控制模型，结合驾驶员侧约束系统模型，对驾驶员在不同AES工况下的驾驶员横向离位进行了一体化仿真研究.

在左转向过程中，车辆动态响应分为开始转向的右倾阶段和回正时的左倾阶段，驾驶员横向离位趋势与之相同. 这与Ghaffari等^［

17，33］在实车实验过程中对于变道工况下车体响应和志愿者动力学的描述一致.

基于本文仿真结果，驾驶员的横向离位程度随着纵向换道距离的缩短而变大，纵向换道距离由 60 m减小到40 m时，AHM模型头部和胸部最大横向离位量分别增加36.51 mm和29.45 mm. 考虑为人体和车辆原本是处于相对静止的状态，在车体转向偏转时，人体因惯性作用表现出类似的运动趋势，而这种趋势和车体的自动转向响应强度呈正相关.

驾驶员在AES工况中的左、右侧倾斜强度不一致，在3个工况下均表现出右侧离位程度大于左侧. 例如，在纵向换道距离为40 m时，右倾阶段驾驶员胸部的横向离位比左倾阶段大33.71 mm. 这是由于在AES工况中，相较于车辆回正阶段，开始转向时的车辆动态响应更剧烈，车辆的侧向加速度更大，导致驾驶员和车辆的相对离位更明显. 同时，标准安全带中肩带对驾驶员左上至右下的匹配方式，不能有效约束驾驶员在左侧转向过程中的右侧离位，而在左侧离位中能提供较好的约束作用. 且右倾阶段更大的横向离位量会导致驾驶员和约束系统的匹配关系更差，碰撞损伤风险性更高^［

34］.

ACR安全带能够有效改善驾驶员侧向离位程度^［

14］，但随着纵向换道距离的缩短，ACR对驾驶员的离位改善效果有所减弱. 这主要与当前ACR的预紧力和预紧时刻等关键参数是定值有关. 纵向换道距离和驾驶员的离位强度呈反比，在相同ACR预紧参数下，更短的纵向换道距离导致驾驶员的横向离位量更大.

不同纵向换道距离下志愿者的肌肉应对状态及激活程度不同，同一AES工况中人体左、右侧肌肉激活程度也存在较大差异^［

33］. 本文在设定AHM模型的肌肉状态参数时，采用的AHM模型肌肉状态参数为定值，在表征人体真实反应上存在一定局限性.

3 结语

本研究表明，在一体化AES仿真过程中，不同纵向换道距离下车体和驾驶员的姿态变化存在差异性；不同安全带约束下驾驶员横向离位响应也不同，ACR安全带对驾驶员的离位改善有积极作用，并得出以下结论：

1）车辆和驾驶员在左转向过程的运动响应具有一致性：转向阶段的车体响应和驾驶员姿态变化程度相较于回正阶段更显著. 更大的驾驶员横向离位严重破坏了驾驶员与约束系统的最佳匹配关系，降低了约束系统的保护作用. 因此，为了达到更好的车内人员防护效果，对约束系统在右倾阶段提出了更高的要求.

2）在AES工况中，车体响应和驾驶员离位程度会随纵向换道距离的缩短而表现出增大的趋势. 这种趋势在佩戴标准安全带和ACR安全带的情况下均存在.

3）ACR安全带可以大幅度改善驾驶员离位程度，由于ACR安全带的等效力相同，当纵向换道距离较短时，ACR安全带对驾驶员的保护效果降低，但是总体上提高了驾驶员的安全性.

本文重点探究了驾驶员在AES工况中的离位响应情况，缺乏进一步对ACR安全带的参数进行优化分析. 因此，后期可以依据相关算法优化安全带相关参数，使驾驶员获得最优的保护效果. 同时，有研究指出，转向和制动协同作用可以在更短距离下避开前方障碍物，提高车辆和车内人员应对高危工况能力^［

27］. 但车辆制动时会导致车内人员坐姿前倾，当车辆转向和制动共同作用时，驾驶员的姿态变化情况会变得更为复杂. 因此，结合本文一体化研究方法，探究转向和制动协同作用时车内人员坐姿及相应的损伤风险变化具有重要的研究意义.

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自动紧急转向工况下驾驶员离位响应的一体化仿真研究 PDF

摘要

关键词

1 研究方法

1.1 自动紧急转向仿真场景

1.2 自动紧急转向控制模型

1.3 自动紧急转向行驶轨迹

1.4 驾驶员侧约束系统模型

1.5 一体化仿真

2 结果分析

2.1 车辆在AES工况中的动态响应

2.2 标准安全带约束下驾驶员的离位响应

2.3 主动卷收器安全带对驾驶员离位的改善

2.4 讨论

3 结语

参考文献

自动紧急转向工况下驾驶员离位响应的一体化仿真研究 PDF

摘要

关键词

1 研究方法

1.1 自动紧急转向仿真场景

1.2 自动紧急转向控制模型

1.3 自动紧急转向行驶轨迹

1.4 驾驶员侧约束系统模型

1.5 一体化仿真

2 结果分析

2.1 车辆在AES工况中的动态响应

2.2 标准安全带约束下驾驶员的离位响应

2.3 主动卷收器安全带对驾驶员离位的改善

2.4 讨 论

3 结 语

参考文献

2.4 讨论

3 结语