使用LS-DYNA/CarMaker/ModelCenter聯(lián)合仿真方法進行ADAS事件前后的汽車乘員保護本文主要探討汽車乘員安全和ADAS事件前后的汽車乘員保護，介紹A
本文主要探討汽車乘員安全和ADAS事件前后的汽車乘員保護，介紹ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）在汽車安全中的重要作用，并將詳細介紹如何運用ModelCenter Integrate軟件，針對ADAS各種應用場景，與LS-DYNA進行聯(lián)合仿真。此外，還將研究仿真過程中剛體與柔體車體轉(zhuǎn)換流程以及時間步長的匹配，以及假人的運動姿態(tài)以及傷害值；通過Python腳本或者MATLAB，以及傳感器的設置，實現(xiàn)自動化的聯(lián)合仿真工作流程。
背景介紹
先進駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System）簡稱ADAS，是利用安裝于車上的各式各樣的傳感器，在第一時間收集車內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)，進行靜、動態(tài)物體的辨識、偵測與追蹤等技術(shù)上的處理，從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發(fā)生的危險，以引起注意和提高安全性的主動安全技術(shù)。從乘員安全的角度看，ADAS包括未來汽車上搭載的各種主動安全和被動安全系統(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)，而有時某些車載系統(tǒng)的故障可能會造成人身傷害和碰撞事故。為了評估這類場景，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景，如夜間駕駛，雨中駕駛等情況。在所有這些不同的場景中，可以在車輛內(nèi)部設置一位乘員，并觀察駕駛員的響應。
【資料圖】
那么該場景中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動是否被這些場景所影響，例如如果在夜間行駛過程中由于光線問題車前突然出現(xiàn)一堵墻，當突然踩下剎車時駕駛員的反應與在光照充足的環(huán)境下完全不同。在光照充足的環(huán)境下駕駛員能在較遠距離就看到墻壁并踩下剎車，而如果駕駛員沒有看到墻壁，駕駛輔助系統(tǒng)就會啟動，它可能會發(fā)現(xiàn)前方有物體并自動剎車，這就是我們?nèi)缃窨吹皆S多車輛所搭載的主動安全系統(tǒng)。
那能否將這兩個系統(tǒng)連接在一起？在LS-DYNA的整車模型中施加乘員和車輛的運動，然后觀察它們會產(chǎn)生怎樣的相互作用，以及我們?nèi)绾文軌蛟谶@個事件里減少引起的傷害類型，是這項研究的目的。
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，如車輛加速度、車輛速度等，再將該數(shù)據(jù)與乘員的運動相結(jié)合，加載在整車模型或SLED滑車模型上，從而觀察潛在的影響。如上圖所示，該ADAS場景案例中，首先創(chuàng)建虛擬環(huán)境，然后添加主動安全帶，接著在ADAS事件發(fā)生之前施加安全帶預載荷，具體大小取決于車速，一旦檢測到碰撞，LS-DYNA將接管計算。然后根據(jù)乘員的運動方式控制安全帶，啟動主動安全系統(tǒng)。
當使用和不使用主動安全帶時，胸部與頭部位置的加速度是不同的，但為了設置這種場景需要大量手動操作。比如如何設置ADAS環(huán)境，當分析完成后如何提取數(shù)據(jù)，不管是時域的數(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景的結(jié)果，此時如何來選擇運行場景？是否有任何標準？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)這些條件可以設置不同場景。在某個場景下，需要加快車輛行駛速度，并設置場景中的制動變得有效或無效，然后將這些設置導入到模型中。以上的一些操作都需要用戶手動輸入，那么是否有一種能夠自動運行整個流程的方式呢？如此便可以加快仿真速度，選擇該方法后能在很短時間內(nèi)運行數(shù)百個場景，并且在這個具體情況下，無需運行單個LS-DYNA案例，而是可以同時研究數(shù)百甚至上千個應用場景，依據(jù)特定標準從其中進行選擇。
這就是Model Center Integrate的作用，它有助于設置這樣的自動化場景。具體步驟可分為兩個階段，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，然后運行場景仿真。第二階段開展聯(lián)合仿真，LS-DYNA可以與MATLAB或者python耦合，控制主動安全帶，部分OEM廠商已經(jīng)在實際使用。
該案例也可以使用PY-FMI來控制主動安全帶（屬于另外一種流程），但是否能方便地在ModelCenter Integrate中進行連接呢？完成場景設置后，可以在CarMaker里結(jié)束這個場景，然后自動切換到LS-DYNA環(huán)境，在運行案例時可自動進行該流程。那么我們到底需要研究什么類型的信息呢？尋找頭部傷害標準的輸入是什么呢？無論是氣囊還是泄氣孔，都要找到尺度參數(shù)或時間尺度參數(shù)，并輸入到滑車環(huán)境中。由于乘員安全需要大量不同類型的場景，不同類型的仿真，這就需要開展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景大量不同的乘員設計相同的安全帶，此時這樣的自動化方法能發(fā)揮作用，幫助完成設置。
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，然后自行運行輸入文件。
該過程需要處理兩個場景的不同輸出和輸入，可以創(chuàng)建如圖所示的設置并對整個設置進行參數(shù)化，如果有參數(shù)化的LS-DYNA模型，Model Center Integrate能輕易識別所有參數(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。
視頻顯示的是車輛剛體模型，輸入基本來自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模型中，然后將車輛的變形輸入滑車SLED模型中，利用SLED模型可以進行不同場景的研究。這些不同的載荷工況可以并行運行或順序運行，或是和其它工具進行協(xié)同仿真。
首先運行剛體模型，然后獲取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入到可變形模型中，再運行滑車模型。
在IPG CarMaker中設置類似的場景，某車以特定速度行駛，然后車輛檢測到正前方有障礙物（可能是汽車也可以是墻壁）后啟動剎車。根據(jù)事件時間可以看到，其持續(xù)時間相當長，顯然不適合在LS-DYNA中運行該長時間的完整事件，因為計算量巨大。如果整車進行剛體化后再運行則可行，可將整車進行剛體轉(zhuǎn)換，并以較大的時間步長運行，若駕駛員或車輛預見即將發(fā)生碰撞事件，可以方便地將整車再切換回可變形模型，并繼續(xù)運行。若IPG CarMaker判斷不會發(fā)生碰撞事件，則無需運行碰撞場景。
利用IPG CarMaker獲取數(shù)據(jù)后，運行Python腳本將數(shù)據(jù)導入NEON_RIG模型（剛體車輛模型）。當然整個場景都能導入到DOE工具中，IPG CarMaker可設置多個場景并行運行，用戶可以只關(guān)注SLED模型上的DOE，利用不同的方法設置DOE，并同時研究所有不同的場景。
在獲取數(shù)據(jù)之后，若CarMaker判斷會發(fā)生碰撞事件，則需要進行下一步操作。在這里需要設置if條件，自動完成上述流程。
視頻展示了該流程的工作方式，它會自動觸發(fā)CarMaker運行特定場景，從IPG CarMaker獲取數(shù)據(jù)并輸入到NEON_RIG模型然后運行，順序或并行運行皆可。
下一步操作是添加標記，以及是否需要運行特定載荷工況的if條件。在“colflg”處設置標記值，該數(shù)值來源于CarMaker，CarMaker可生成大量數(shù)據(jù)以供使用。我們用該場景來設置一個安全條件，如果存在運行特定案例的循環(huán)操作，也可以在ModelCenter Integrate中運行。運行if條件后，如果“colflg”值為1意味著檢測到碰撞事件即將發(fā)生，然后繼續(xù)操作運行特定順序的場景。
獲取數(shù)據(jù)運行碰撞檢測，然后按特定情況繼續(xù)操作。
第二階段，設置協(xié)同仿真工具。協(xié)同仿真可以同時仿真乘員的運動，以及如何使用主動安全帶?？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)幫助降低對乘員的傷害，在這里可以連接Python或MATLAB然后完成設置。
創(chuàng)建一個簡單的測試模型來檢查設置是否有效。LS-DYNA中有*COSIM的協(xié)同仿真接口，該接口的應用基于傳感器*SENSOR，可以根據(jù)傳感器或用戶指令啟動。這項設置需要管理用戶使用的兩種或三種不同工具間的時間步長，當使用協(xié)同仿真工具數(shù)據(jù)從一個系統(tǒng)傳輸至另一個系統(tǒng)時，時間步長必須匹配，如果時間步長不匹配就不能獲得正確的響應。在ModelCenter Integrate中開啟這項功能，確保二者的時間步長匹配。CarMaker中使用的時間步長較大，因為需要模擬很長的一段時間，而在這個特定的LS-DYNA事件中，事件運行時間以毫秒計算，時間步長非常小，因此必須用ModelCenter Integrate轉(zhuǎn)換，按比例縮小，然后在不同的場景中運行。
完成以上操作后會生成不同類型的圖形和圖表，包括正在發(fā)生的碰撞事件等場景都可以列出，或是在ModelCenter Integrate將某個場景突出顯示，查看數(shù)據(jù)以便后續(xù)研究。
小結(jié)
ModelCenter Integrate是一個整合多學科、多領域模型的強大工具，通過系統(tǒng)級仿真進行工程設計評估。利用ModelCenter Integrate可以將CarMaker, PYFMI以及LS-DYNA無縫的連接到一個自動的工作流中，用來研究主動安全系統(tǒng)作用下的乘員傷害。不僅如此，類似的流程可以應用在各類行業(yè)中。
關(guān)鍵詞：
