使用LS-DYNA/CarMaker/ModelCenter聯(lián)合仿真方法進(jìn)行ADAS事件前后的汽車(chē)乘員保護(hù)本文主要探討汽車(chē)乘員安全和ADAS事件前后的汽車(chē)乘員保護(hù)，介紹A
本文主要探討汽車(chē)乘員安全和ADAS事件前后的汽車(chē)乘員保護(hù)，介紹ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）在汽車(chē)安全中的重要作用，并將詳細(xì)介紹如何運(yùn)用ModelCenter Integrate軟件，針對(duì)ADAS各種應(yīng)用場(chǎng)景，與LS-DYNA進(jìn)行聯(lián)合仿真。此外，還將研究仿真過(guò)程中剛體與柔體車(chē)體轉(zhuǎn)換流程以及時(shí)間步長(zhǎng)的匹配，以及假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及傷害值；通過(guò)Python腳本或者M(jìn)ATLAB，以及傳感器的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的聯(lián)合仿真工作流程。
背景介紹
先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System）簡(jiǎn)稱ADAS，是利用安裝于車(chē)上的各式各樣的傳感器，在第一時(shí)間收集車(chē)內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)物體的辨識(shí)、偵測(cè)與追蹤等技術(shù)上的處理，從而能夠讓駕駛者在最快的時(shí)間察覺(jué)可能發(fā)生的危險(xiǎn)，以引起注意和提高安全性的主動(dòng)安全技術(shù)。從乘員安全的角度看，ADAS包括未來(lái)汽車(chē)上搭載的各種主動(dòng)安全和被動(dòng)安全系統(tǒng)。為什么需要ADAS呢？原因之一是通常各類傷害和事故大多數(shù)與人為失誤有關(guān)，而有時(shí)某些車(chē)載系統(tǒng)的故障可能會(huì)造成人身傷害和碰撞事故。為了評(píng)估這類場(chǎng)景，可以使用IPG CarMaker等虛擬化工具，這是一種非常完善的虛擬化環(huán)境，能幫助用戶有效仿真各種不同類型的場(chǎng)景，如夜間駕駛，雨中駕駛等情況。在所有這些不同的場(chǎng)景中，可以在車(chē)輛內(nèi)部設(shè)置一位乘員，并觀察駕駛員的響應(yīng)。
【資料圖】
那么該場(chǎng)景中LS-DYNA能夠發(fā)揮怎樣的作用呢？使用LS-DYNA的目的是觀察駕駛員的運(yùn)動(dòng)是否被這些場(chǎng)景所影響，例如如果在夜間行駛過(guò)程中由于光線問(wèn)題車(chē)前突然出現(xiàn)一堵墻，當(dāng)突然踩下剎車(chē)時(shí)駕駛員的反應(yīng)與在光照充足的環(huán)境下完全不同。在光照充足的環(huán)境下駕駛員能在較遠(yuǎn)距離就看到墻壁并踩下剎車(chē)，而如果駕駛員沒(méi)有看到墻壁，駕駛輔助系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，它可能會(huì)發(fā)現(xiàn)前方有物體并自動(dòng)剎車(chē)，這就是我們?nèi)缃窨吹皆S多車(chē)輛所搭載的主動(dòng)安全系統(tǒng)。
那能否將這兩個(gè)系統(tǒng)連接在一起？在LS-DYNA的整車(chē)模型中施加乘員和車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)，然后觀察它們會(huì)產(chǎn)生怎樣的相互作用，以及我們?nèi)绾文軌蛟谶@個(gè)事件里減少引起的傷害類型，是這項(xiàng)研究的目的。
在相關(guān)研究中，研究人員試圖在LS-DYNA和VRXSimulator或IPG CarMaker等虛擬環(huán)境之間建立協(xié)同仿真，從該虛擬環(huán)境獲取輸入信息，如車(chē)輛加速度、車(chē)輛速度等，再將該數(shù)據(jù)與乘員的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，加載在整車(chē)模型或SLED滑車(chē)模型上，從而觀察潛在的影響。如上圖所示，該ADAS場(chǎng)景案例中，首先創(chuàng)建虛擬環(huán)境，然后添加主動(dòng)安全帶，接著在ADAS事件發(fā)生之前施加安全帶預(yù)載荷，具體大小取決于車(chē)速，一旦檢測(cè)到碰撞，LS-DYNA將接管計(jì)算。然后根據(jù)乘員的運(yùn)動(dòng)方式控制安全帶，啟動(dòng)主動(dòng)安全系統(tǒng)。
當(dāng)使用和不使用主動(dòng)安全帶時(shí)，胸部與頭部位置的加速度是不同的，但為了設(shè)置這種場(chǎng)景需要大量手動(dòng)操作。比如如何設(shè)置ADAS環(huán)境，當(dāng)分析完成后如何提取數(shù)據(jù)，不管是時(shí)域的數(shù)據(jù)或是靜態(tài)的數(shù)據(jù)，并在軟件之間建立連接？可能還需要仿真不同場(chǎng)景的結(jié)果，此時(shí)如何來(lái)選擇運(yùn)行場(chǎng)景？是否有任何標(biāo)準(zhǔn)？比如系統(tǒng)的光照條件不同，或天氣狀況不同，比如下雨或下雪，根據(jù)這些條件可以設(shè)置不同場(chǎng)景。在某個(gè)場(chǎng)景下，需要加快車(chē)輛行駛速度，并設(shè)置場(chǎng)景中的制動(dòng)變得有效或無(wú)效，然后將這些設(shè)置導(dǎo)入到模型中。以上的一些操作都需要用戶手動(dòng)輸入，那么是否有一種能夠自動(dòng)運(yùn)行整個(gè)流程的方式呢？如此便可以加快仿真速度，選擇該方法后能在很短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行數(shù)百個(gè)場(chǎng)景，并且在這個(gè)具體情況下，無(wú)需運(yùn)行單個(gè)LS-DYNA案例，而是可以同時(shí)研究數(shù)百甚至上千個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，依據(jù)特定標(biāo)準(zhǔn)從其中進(jìn)行選擇。
這就是Model Center Integrate的作用，它有助于設(shè)置這樣的自動(dòng)化場(chǎng)景。具體步驟可分為兩個(gè)階段，第一階段使用Model Center Integrate連接LS-DYNA剛體SLED模型，然后連接IPG CarMaker。從IPG CarMaker獲取速度數(shù)據(jù)并輸入到SLED模型，然后運(yùn)行場(chǎng)景仿真。第二階段開(kāi)展聯(lián)合仿真，LS-DYNA可以與MATLAB或者python耦合，控制主動(dòng)安全帶，部分OEM廠商已經(jīng)在實(shí)際使用。
該案例也可以使用PY-FMI來(lái)控制主動(dòng)安全帶（屬于另外一種流程），但是否能方便地在ModelCenter Integrate中進(jìn)行連接呢？完成場(chǎng)景設(shè)置后，可以在CarMaker里結(jié)束這個(gè)場(chǎng)景，然后自動(dòng)切換到LS-DYNA環(huán)境，在運(yùn)行案例時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行該流程。那么我們到底需要研究什么類型的信息呢？尋找頭部傷害標(biāo)準(zhǔn)的輸入是什么呢？無(wú)論是氣囊還是泄氣孔，都要找到尺度參數(shù)或時(shí)間尺度參數(shù)，并輸入到滑車(chē)環(huán)境中。由于乘員安全需要大量不同類型的場(chǎng)景，不同類型的仿真，這就需要開(kāi)展DOE和優(yōu)化工作，用戶關(guān)注的不僅僅是單一種類的乘員，還會(huì)關(guān)注50百分位或者5百分位的乘員。需要在同樣的環(huán)境下為大量不同的場(chǎng)景大量不同的乘員設(shè)計(jì)相同的安全帶，此時(shí)這樣的自動(dòng)化方法能發(fā)揮作用，幫助完成設(shè)置。
Model Center Integrate的作用是，可以方便地把CarMaker連接到LS-DYNA，從CarMaker獲取加速度輸出數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成文本格式，并插入到輸入文件，然后自行運(yùn)行輸入文件。
該過(guò)程需要處理兩個(gè)場(chǎng)景的不同輸出和輸入，可以創(chuàng)建如圖所示的設(shè)置并對(duì)整個(gè)設(shè)置進(jìn)行參數(shù)化，如果有參數(shù)化的LS-DYNA模型，Model Center Integrate能輕易識(shí)別所有參數(shù)，并根據(jù)不同的載荷工況將這些參數(shù)作為輸入或輸出。
視頻顯示的是車(chē)輛剛體模型，輸入基本來(lái)自IPG CarMaker，然后將剛體模型的速度數(shù)據(jù)作為初始速度施加給可變形的整車(chē)模型中，然后將車(chē)輛的變形輸入滑車(chē)SLED模型中，利用SLED模型可以進(jìn)行不同場(chǎng)景的研究。這些不同的載荷工況可以并行運(yùn)行或順序運(yùn)行，或是和其它工具進(jìn)行協(xié)同仿真。
首先運(yùn)行剛體模型，然后獲取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入到可變形模型中，再運(yùn)行滑車(chē)模型。
在IPG CarMaker中設(shè)置類似的場(chǎng)景，某車(chē)以特定速度行駛，然后車(chē)輛檢測(cè)到正前方有障礙物（可能是汽車(chē)也可以是墻壁）后啟動(dòng)剎車(chē)。根據(jù)事件時(shí)間可以看到，其持續(xù)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，顯然不適合在LS-DYNA中運(yùn)行該長(zhǎng)時(shí)間的完整事件，因?yàn)橛?jì)算量巨大。如果整車(chē)進(jìn)行剛體化后再運(yùn)行則可行，可將整車(chē)進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)換，并以較大的時(shí)間步長(zhǎng)運(yùn)行，若駕駛員或車(chē)輛預(yù)見(jiàn)即將發(fā)生碰撞事件，可以方便地將整車(chē)再切換回可變形模型，并繼續(xù)運(yùn)行。若IPG CarMaker判斷不會(huì)發(fā)生碰撞事件，則無(wú)需運(yùn)行碰撞場(chǎng)景。
利用IPG CarMaker獲取數(shù)據(jù)后，運(yùn)行Python腳本將數(shù)據(jù)導(dǎo)入NEON_RIG模型（剛體車(chē)輛模型）。當(dāng)然整個(gè)場(chǎng)景都能導(dǎo)入到DOE工具中，IPG CarMaker可設(shè)置多個(gè)場(chǎng)景并行運(yùn)行，用戶可以只關(guān)注SLED模型上的DOE，利用不同的方法設(shè)置DOE，并同時(shí)研究所有不同的場(chǎng)景。
在獲取數(shù)據(jù)之后，若CarMaker判斷會(huì)發(fā)生碰撞事件，則需要進(jìn)行下一步操作。在這里需要設(shè)置if條件，自動(dòng)完成上述流程。
視頻展示了該流程的工作方式，它會(huì)自動(dòng)觸發(fā)CarMaker運(yùn)行特定場(chǎng)景，從IPG CarMaker獲取數(shù)據(jù)并輸入到NEON_RIG模型然后運(yùn)行，順序或并行運(yùn)行皆可。
下一步操作是添加標(biāo)記，以及是否需要運(yùn)行特定載荷工況的if條件。在“colflg”處設(shè)置標(biāo)記值，該數(shù)值來(lái)源于CarMaker，CarMaker可生成大量數(shù)據(jù)以供使用。我們用該場(chǎng)景來(lái)設(shè)置一個(gè)安全條件，如果存在運(yùn)行特定案例的循環(huán)操作，也可以在ModelCenter Integrate中運(yùn)行。運(yùn)行if條件后，如果“colflg”值為1意味著檢測(cè)到碰撞事件即將發(fā)生，然后繼續(xù)操作運(yùn)行特定順序的場(chǎng)景。
獲取數(shù)據(jù)運(yùn)行碰撞檢測(cè)，然后按特定情況繼續(xù)操作。
第二階段，設(shè)置協(xié)同仿真工具。協(xié)同仿真可以同時(shí)仿真乘員的運(yùn)動(dòng)，以及如何使用主動(dòng)安全帶?？梢允褂肞ython，也可以把數(shù)據(jù)傳遞給MATLAB，在MATLAB環(huán)境中設(shè)置施加安全帶力的算法策略，然后根據(jù)碰撞事件前的拉伸數(shù)據(jù)幫助降低對(duì)乘員的傷害，在這里可以連接Python或MATLAB然后完成設(shè)置。
創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試模型來(lái)檢查設(shè)置是否有效。LS-DYNA中有*COSIM的協(xié)同仿真接口，該接口的應(yīng)用基于傳感器*SENSOR，可以根據(jù)傳感器或用戶指令啟動(dòng)。這項(xiàng)設(shè)置需要管理用戶使用的兩種或三種不同工具間的時(shí)間步長(zhǎng)，當(dāng)使用協(xié)同仿真工具數(shù)據(jù)從一個(gè)系統(tǒng)傳輸至另一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)必須匹配，如果時(shí)間步長(zhǎng)不匹配就不能獲得正確的響應(yīng)。在ModelCenter Integrate中開(kāi)啟這項(xiàng)功能，確保二者的時(shí)間步長(zhǎng)匹配。CarMaker中使用的時(shí)間步長(zhǎng)較大，因?yàn)樾枰M很長(zhǎng)的一段時(shí)間，而在這個(gè)特定的LS-DYNA事件中，事件運(yùn)行時(shí)間以毫秒計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)非常小，因此必須用ModelCenter Integrate轉(zhuǎn)換，按比例縮小，然后在不同的場(chǎng)景中運(yùn)行。
完成以上操作后會(huì)生成不同類型的圖形和圖表，包括正在發(fā)生的碰撞事件等場(chǎng)景都可以列出，或是在ModelCenter Integrate將某個(gè)場(chǎng)景突出顯示，查看數(shù)據(jù)以便后續(xù)研究。
小結(jié)
ModelCenter Integrate是一個(gè)整合多學(xué)科、多領(lǐng)域模型的強(qiáng)大工具，通過(guò)系統(tǒng)級(jí)仿真進(jìn)行工程設(shè)計(jì)評(píng)估。利用ModelCenter Integrate可以將CarMaker, PYFMI以及LS-DYNA無(wú)縫的連接到一個(gè)自動(dòng)的工作流中，用來(lái)研究主動(dòng)安全系統(tǒng)作用下的乘員傷害。不僅如此，類似的流程可以應(yīng)用在各類行業(yè)中。
關(guān)鍵詞：
