行人碰撞保护装置设计综述

以往汽车安全设计中，主要考虑了对汽车乘员尤其是驾驶员的保护。通过分析道路交通事故统计数据，可知在汽车碰撞事故伤亡人数中，行人占很大比重。相关汽车制造商和研究机构对行人碰撞保护装置和系统进行研究刻不容缓。下面的文献介绍了一些行人保护装置和系统，可以在汽车行人碰撞事故中，保护行人安全。

文献[1]考虑了轮毂电机在电动汽车上的应用，会释放汽车前部空间，基于此进行了轮毂驱动电动汽车行人保护装置设计；文献[2]指出汽车设计中保护行人安全的重要性，采用数值分析方法，对保险杠进行优化设计，可以更好地保护行人安全；文献[3]对可保护行人的汽车前部结构设计方法进行研究，提出了一些设计原则；文献[4]采用数学动态模型代替价格昂贵的全尺寸行人物理模型，对汽车行人碰撞过程，行人的损伤等情况，进行了分析研究；文献[5]对一种汽车碰撞行人保护系统进行研究，该系统可以同时给予汽车驾驶员和行人警报提醒，最大程度上避免碰撞事故发生；文献[6]介绍了一种行人保护汽车紧急制动系统，并对其算法进行介绍，该系统基于欧盟旨在到2020年将道路死亡人数减少一半的道路安全方案，可以在碰撞事故即将发生时，紧急制动汽车，保护行人安全。

1 轮毂驱动电动汽车行人保护装置设计[1]

近二十年来，提高行人安全已成为现代汽车工业的一个重要设计因素。当发生汽车与行人碰撞事故时，行人受伤的程度由多种因素决定，如汽车的外形、尺寸、碰撞时的速度、与行人接触的面积、汽车能量吸收能力，以及行人的位置、大小和年龄等。

目前市场上的传统内燃机驱动、电动驱动和混合动力汽车的常规布局中，汽车引擎盖下放置了大量动力系统组成部件。对于电动汽车，由于轮毂电机结构的出现，使得汽车前部获得大量剩余空间成为可能，这样前部空间内没有动力系统相关部件，刚度降低，从而可以减少行人在冲击过程中，受到的伤害。同时，这也允许吸能结构有更大的变形空间，从而可以吸收更多冲击能量。

当前，行人保护装置的设计应该考虑汽车因轮毂电机技术发生的变化。文献[1]中考虑了轮毂电机技术的应用，设计出了一种轮毂电机电动汽车前部行人保护装置。通过选择不同结构和材料对行人保护装置进行设计，通过试验测试和数值模拟分析，对多种保护装置方案在不同冲击条件下的响应进行分析。

最终选出一种最合适的方案，该方案中吸能结构可在176毫米范围内发生变形，而轮毂电机驱动汽车前部有足够空间安装该装置，从而可以更好地保护行人安全。

2 基于数值分析的汽车保险杠结构对行人保护的研究[2]

与汽车乘员相比，行人受伤的人数更多、死亡率更高。在亚洲，汽车事故统计数据显示，虽然所有道路交通事故中仅有8.4%涉及到行人，但行人占道路事故伤亡总数的12%-35%。且已有研究表明，涉及行人的汽车碰撞事故中，有80%的行人膝关节受损；轿车和轻型乘用车易造成行人的腿部的损害。

由于成本的限制，在B级汽车等价格较低的汽车中，通常对行人安全的关注不足。尽管行人受伤且伤亡情况严重，但目前汽车安全方面的大部分研究都集中在乘客安全方面。采用有限元方法对汽车碰撞过程进行仿真表明，在汽车和行人发生碰撞时，保险杠会先碰到行人的膝下部和小腿，这是行人较脆弱的部位。

由于提升汽车设计可以显著减少行人受到的伤害，已有一些研究将重点放在汽车保险杠上，结果表明对保险杠结构进行优化，可以有效地保护行人的下肢受到的伤害。文中建立了一个详细的腿部模型，用来仿真碰撞事故中，行人的腿部受损情况。根据仿真结果，对汽车保险杠结构进行优化，对不同部件的材料、厚度和位置等重要设计参数进行优化。

结果表明，优化后的汽车保险杠可在碰撞事故中，减少对行人的伤害，更大程度上保障行人安全，且当保险杠梁由刚性较低的GMT材料（一种玻璃纤维材料）制成时，具有最佳碰撞安全性。

3 可保护行人的汽车前部结构设计[3]

据世卫组织估计，印度每年有近25万人在汽车碰撞事故中丧生，其中一半的死亡人数是摩托车手、行人和骑自行车者。发动机盖为汽车内部部件提供安全封闭的空间，不同汽车有着各自的发动机盖设计。由于发动机盖占汽车前端外表面比例较大，所以既要考虑其美观，也要考虑其碰撞安全性。

发动机盖在汽车和行人碰撞事故中，有助于吸收行人与汽车碰撞时的冲击能量。如果发动机盖与发动机机舱内部件（如发动机总成部件）之间的间隙较小，则机盖起主要吸能作用。所以为了更好地保护行人安全，需要对发动机盖结构进行设计，提高其碰撞缓冲作用。

文中介绍了马鲁蒂铃木印度有限公司为实现行人保护需求，对汽车发动机盖及其铰链、汽车前部结构进行优化设计的研究。考虑了相关法规需求，进行了大量试验验证，最终得出了汽车前部结构设计的有用结论。

结论主要包括：为了保证发动机盖可以充分冲击能量，其应与下方部件留有足够的空间；当发动机盖和下部部件之间不能留有足够的间隙时，应通过机盖结构设计，保证可以充分吸收能量；机盖结构设计包括增加加强件等；发动机盖的铰链应该足够坚固，以便在发动机盖关闭期间承受冲击作用，从而保证其碰撞缓冲功能。

4 汽车与行人碰撞过程中行人损伤的研究[4]

为了保证汽车乘员安全，汽车制造商和相关研究机构已投入了大量的人力、物力和财力来开发和改进汽车车身结构和安全装置，如安全气囊、吸能转向柱等。这些结构及装置的目的是为了减少碰撞时乘员受到的伤害。交通事故统计显示，这些安全结构和装备对乘员起到了明显的保护作用，使汽车碰撞事故中乘员的伤亡率大大降低。但是，受汽车撞击的行人安全性不能得到保证，伤亡率十分严重。

如何保护行人，减少行人碰撞损伤已经逐渐成为汽车安全研究的新领域。据统计，行人伤害集中在头部、胸部、上肢及下肢等部位。分析伤亡事故统计数据表明：各个身体区域的受损程度不同。为了有效地减少行人伤亡，需要开发和改进相关汽车结构和装置。自20世纪70年代以来，欧洲、日本和美国的许多科研人员开始研究行人保护的研究，现在已有许多关于行人保护方面的研究。

进行行人碰撞研究中，使用冲击模型和全尺寸行人物理模型进行冲击测试，成本较高。文中利用MADYMO（数学动态模型）构建了汽车-行人碰撞模型。将实际试验数据和车辆-行人碰撞模型仿真结果进行对比，验证了模型的准确性。

该模型可得到行人的运动学及动力学响应，用于分析碰撞过程行人受到的损伤。模拟的结果可以帮助评估汽车行人友好性，并协助将来的行人友好型汽车技术的发展。

5 一种汽车碰撞行人保护系统[5]

行人在汽车碰撞事故中，最容易受到伤害，伤亡率最高。根据CARE（欧盟道路交通事故数据库），2014年欧盟共有25,900位行人因交通事故遇难，另据统计全球所有因交通事故死亡人数的22%是行人。

文中作者开发了一种系统，可以保障行人安全，该系统安装在汽车上。所开发的弱势道路使用者（VRU）保护系统主要基于相机、雷达、红外系统、微波传感器或其组合。这些传感器主要被安置在汽车中，实时对行人进行检测，检测行人位置和行进速度，可以提前预判危险情况，向驾驶员发送警报，避免碰撞事故发生。

该系统除了获得行人信息，还需获得其他信息（如汽车位置、方向和行驶速度等）。同时还可以利用更多的行人信息，如行人与路边的距离、甚至是个人信息（包括年龄等）。同时系统可以利用现有通讯技术（如WLAN、蜂窝通信技术等），与行人手机进行通信，使用行人手机提供的信息，向行人发送警报，使行人注意可能发生的情况，避免事故发生。

系统基于车载传感器及手机，易于实施，可以检测和评估汽车周围的环境，对行人位置及运动状况进行检测，及时对汽车驾驶员和行人给予警报提示，可以减少碰撞事故的发生，降低伤亡人数。

6 行人保护汽车紧急制动系统及算法设计[6]

世界上每年约有120多万人死于交通事故，其中22%是行人。交通事故消耗巨大的社会成本，约一半的死亡人数为弱势的道路使用者，其中22%是行人，7%是骑自行车者，20%是摩托车和摩托车乘客。为了减少交通事故死亡人数，联合国欧洲经济委员会启动了一项新的欧盟道路安全方案，旨在到2020年将道路死亡人数减少一半。自动紧急制动（AEB）是一个非常有效的主动安全系统，可以减少死亡人数。

文中依据Euro NCAP协议规定，分析各种可能的碰撞场景（见文中图9），设计了用于AEB的多传感器数据融合策略和决策算法（决策过程见文中图5）。该算法可以实现简单的轨迹预测，对多种类型的目标进行高效可靠的跟踪。采用该算法的AEB系统，可以使汽车实现自主制动，从而保护行人安全。

文中通过汽车制动模型，对AEB系统进行仿真，仿真结果证实了采用该算法的AEB系统的可靠性。目前该系统仍存在不足，一是系统目前只能检测行人，将来会进一步设计可以检测骑行者，因为骑行者移动速度比行人高得多，后期可通过增加一个宽视角传感器来解决，并对传感器融合算法进行修改；且系统主要依靠相机进行行人检测，在夜间相机检测行人的能力很差，后期可以部署FIR摄像头来提高夜间的检测能力。

Figure5.Decision-making architectrure.

Figure 9.Collision situation involving a car and a pedestrian.

[1]Valladares D,Alba JJ,Altubo I.Energy absorbing composite structure for frontal pedestrian protection in electric light vehicles[J].9,2(2017-2-01),2017,9(2)：168781401668796.

[2]Shojaeifard MH,Khalkhali A,Rafsanjani EN,et al.Numerical investigation on automotive bumper structure improvements for pedestrian protection[J].International Journal of Crashworthiness,2017：1-19.

[3]Yadav K,Sinha A,Khurana R S.Design of Front Structure of Vehicle for Pedestrian Headform Protection[C]//WCX™17：SAEWorld Congress Experience.2017.

[4]Teng T L,Liang C C,Hsu C Y,et al.Kinematic responses and injuries of pedestrian in car-pedestrian collisions[J].2017,248(1)：012029.

[5]David K,Berndt H.Safety Belt for Pedestrians[J].2018.

[6]Lee H K,Shin SG,Kwon D S.Design of emergency braking algorithm for pedestrian protection based on multi-sensor fusion[J].International Journal of Automotive Technology,2017,18(6)：1067-1076.