使用LS-DYNA/CarMaker/ModelCenter聯合仿真方法進行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）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進行聯合仿真。此外，還將研究仿真過程中剛體與柔體車體轉換流程以及時間步長的匹配，以及假人的運動姿態以及傷害值；通過Python腳本或者MATLAB，以及傳感器的設置，實現自動化的聯合仿真工作流程。
背景介紹
先進駕駛輔助系統（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外的環境數據，進行靜、動態物體的辨識、偵測與追蹤等技術上的處理，從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發生的危險，以引起注意和提高安全性的主動安全技術。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。為什么需要ADAS呢？原因之一是通常各類傷害和事故大多數與人為失誤有關，而有時某些車載系統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境下完全不同。在光照充足的環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，駕駛輔助系統就會啟動，它可能會發現前方有物體并自動剎車，這就是我們如今看到許多車輛所搭載的主動安全系統。
那能否將這兩個系統連接在一起？在LS-DYNA的整車模型中施加乘員和車輛的運動，然后觀察它們會產生怎樣的相互作用，以及我們如何能夠在這個事件里減少引起的傷害類型，是這項研究的目的。
在相關研究中，研究人員試圖在LS-DYNA和VRXSimulator或IPG CarMaker等虛擬環境之間建立協同仿真，從該虛擬環境獲取輸入信息，如車輛加速度、車輛速度等，再將該數據與乘員的運動相結合，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，首先創建虛擬環境，然后添加主動安全帶，接著在ADAS事件發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。然后根據乘員的運動方式控制安全帶，啟動主動安全系統。
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環境，當分析完成后如何提取數據，不管是時域的數據或是靜態的數據，并在軟件之間建立連接？可能還需要仿真不同場景的結果，此時如何來選擇運行場景？是否有任何標準？比如系統的光照條件不同，或天氣狀況不同，比如下雨或下雪，根據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運行數百個場景，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百甚至上千個應用場景，依據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獲取速度數據并輸入到SLED模型，然后運行場景仿真。第二階段開展聯合仿真，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里結束這個場景，然后自動切換到LS-DYNA環境，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，都要找到尺度參數或時間尺度參數，并輸入到滑車環境中。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和優化工作，用戶關注的不僅僅是單一種類的乘員，還會關注50百分位或者5百分位的乘員。需要在同樣的環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獲取加速度輸出數據，將該數據轉換成文本格式，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，可以創建如圖所示的設置并對整個設置進行參數化，如果有參數化的LS-DYNA模型，Model Center Integrate能輕易識別所有參數，并根據不同的載荷工況將這些參數作為輸入或輸出。
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據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同仿真。
首先運行剛體模型，然后獲取數據，將數據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。根據事件時間可以看到，其持續時間相當長，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換，并以較大的時間步長運行，若駕駛員或車輛預見即將發生碰撞事件，可以方便地將整車再切換回可變形模型，并繼續運行。若IPG CarMaker判斷不會發生碰撞事件，則無需運行碰撞場景。
利用IPG CarMaker獲取數據后，運行Python腳本將數據導入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。
在獲取數據之后，若CarMaker判斷會發生碰撞事件，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CarMaker運行特定場景，從IPG CarMaker獲取數據并輸入到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，該數值來源于CarMaker，CarMaker可生成大量數據以供使用。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生，然后繼續操作運行特定順序的場景。
獲取數據運行碰撞檢測，然后按特定情況繼續操作。
第二階段，設置協同仿真工具。協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。可以使用Python，也可以把數據傳遞給MATLAB，在MATLAB環境中設置施加安全帶力的算法策略，然后根據碰撞事件前的拉伸數據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的協同仿真接口，該接口的應用基于傳感器*SENSOR，可以根據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，當使用協同仿真工具數據從一個系統傳輸至另一個系統時，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，查看數據以便后續研究。
小結
ModelCenter Integrate是一個整合多學科、多領域模型的強大工具，通過系統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中。
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