儿童安全座椅碰撞检测偏差影响因素仿真与试验研究*

张学荣，殷文倩

（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013）

前言

根据2015年《中国儿童道路交通伤害状况研究报告》，道路交通伤害已成为我国0-17岁儿童伤害致死的第2位原因［1］。我国机动车儿童乘员用约束系统国家标准GB27887已于2011年制定，并指定国内11家权威测试机构开展认证工作［2］。根据2014年发布的《实验室间机动车儿童乘员用约束系统实验比对总结报告》，由于各实验室在测试过程中环境条件、检测设备、检测设备的校准和标准理解等差异，不同的实验室的测试数据结果之间存在很大的偏差［3］。现阶段对儿童约束系统仿真研究较多，对检测结果一致性影响因素的系统研究较少［4-6］。本文中针对如图1所示的儿童约束系统，其使用成人三点式安全带将儿童安全座椅绑定到台车上，并使用五点式安全带约束P3儿童假人。根据儿童约束系统碰撞测试过程，利用仿真计算和试验验证相结合的方式，分析可能对测试结果一致性产生影响的因素，包括安全带初始张力、五点式安全带位置差异、儿童安全座椅整体位置差异影响以及头部位移图像识别方法4个方面。

图1 试验用儿童安全座椅

对于汽车座椅三点式安全带初始张力与五点式安全带初始张力分析和儿童安全座椅居中位置差异影响分析，本文中使用文献［7］中进行过有效性验证的仿真模型，用于仿真分析，该文中基于GB27887《机动车儿童乘员约束系统》，定量研究了儿童约束系统在动态测试时产生偏差的原因，发现实验室间碰撞波形差异、台车坐垫泡沫刚度衰减系数、支撑腿初始安装角度、安全带导向件摩擦因数对动态测试数据离散性影响较大［8］。本文中基于其结论，丰富其研究因素后进行深度探索。所有仿真模型均经过试验验证后，再开展后续的研究，但限于文章篇幅，验证方法和过程从略。

儿童安全座椅整体前后位置差异是实际试验时人员操作手法不同导致的，头部位移的测试结果差异是不同实验室采取的图像识别方法不同导致的，因此，本文中对于这两种影响直接采取试验的方法进行分析。

1 安全带初始张力影响分析

1.1 三点式安全带初始张力影响分析

汽车座椅三点式安全带在固定儿童座椅的过程中，须使用力传感器（图1），监测三点式腰、肩连续安全带各部位的张力，控制腰带张力、肩带张力为50±5 N，安全带卷收器段的织带张力（即卷收器回卷力）为4±3 N。故本文中将三点式安全带初始张力分为3个水平，其腰带张力、肩带张力和卷收器回卷力如表1所示。当初始力在该范围变化时，对儿童乘员头部位移和胸部加速度的影响分析如表2、图2和图3所示。

表1 三点式安全带初始张力影响因素水平设置

表2 三点式安全带初始张力影响

图2 三点式安全带初始张力对胸部合成加速度的影响

图3 三点式安全带初始张力对胸部垂直加速度的影响

从表2可见：汽车三点式安全带初始张力对胸部垂直加速度影响最显著，最大偏差为3.6%；但对头部水平位移和胸部合成加速度的影响都不大。

1.2 五点式安全带初始张力影响分析

实验室在进行儿童五点式安全带佩戴时，须调整松紧调节带的张力，控制织带初始张力在250±25 N，将织带初始张力设定为3个因素水平，分别为225，250和275 N。

五点式安全带固定假人时，其安全带初始张力的影响如表3所示，儿童乘员胸部损伤曲线对比如图4和图5所示。

表3 五点式安全带初始张力影响分析

图4 五点式安全带初始张力对胸部合成加速度的影响

图5 五点式安全带初始张力对胸部垂直加速度的影响

从表3中可以看出：儿童五点式安全带初始张力对头部水平位移和胸部合成加速度的影响不大，都不超过1%；胸部垂直加速度的影响相对于其他两个指标稍大，但也不超过2%。

2 五点式安全带初始位置偏移的影响

儿童五点式安全带在佩戴过程中，肩带若出现横向偏移，也会对儿童假人头部位移及胸部加速度产生一定的影响。采用3个因素水平对此进行分析，如图6所示。对儿童乘员损伤的影响如表4、图7和图8所示。

图6 儿童五点式安全带初始位置偏移

表4 五点式安全带初始位置偏移影响分析

由表4可以看出，儿童五点式安全带初始位置偏移对P3假人胸部垂直加速度的影响最为显著，最大偏差达5.2%，对头部水平位移和胸部合成加速度的影响较小。

3 儿童安全座椅整体位置差异的影响

图7 五点式安全带初始位置偏移对胸部合成加速度的影响

图8 五点式安全带初始位置偏移对胸部垂直加速度的影响

不同实验室在进行同一儿童安全座椅台车测试时，不同的人员以不同的操作手法进行工作，会存在儿童安全座椅安装和调节力等方面的差异。一方面，其所放置的位置会相对于纵向中心线存在一定的偏移；另一方面，将儿童安全座椅推向台车座椅靠背时的力不同，也会导致儿童安全座椅整体位置相对于实验台车在前后方向上的差异。对上述两种情况分别进行了仿真与试验分析。

3.1 居中位置差异的影响

儿童安全座椅整体位置在左右方向上的偏移对假人头部位移及胸部加速度的影响分析如下。儿童安全座椅初始位置分为3个因素水平：完全居中、向车辆左侧偏移25 mm和向车辆右侧偏移25 mm。

儿童安全座椅整体位置偏移见图9，对乘员损伤和位移的影响如表5、图10和图11所示。

从表5可以看出，儿童安全座椅整体位置偏移对胸部垂直加速度的影响最大，最大偏差高达13.2%。如图11所示，测试中胸部垂直加速度第2个波峰具有明显差异，向左偏移25 mm的工况产生的第2个波峰远大于向右偏移的情况，且峰值超过第1个波峰。但儿童安全座椅整体位置偏移对头部位移和胸部合成加速度的影响较小。

图9 儿童安全座椅整体位置左右偏移

表5 儿童安全座椅整体位置左右偏移影响分析

图10 座椅整体位置左右偏移对胸部合成加速度的影响

图11 座椅整体位置左右偏移对胸部垂直加速度的影响

3.2 前后位置差异的影响

在GB27887中规定，将儿童约束系统安装到台车上时，关于带有ISOFIX接口的儿童安全座椅，必须在平行于测试座椅坐垫平面，沿着儿童约束系统中心线且相对于坐垫高度不超过100 mm处施加135±15 N的力，将儿童座椅推入试验台车。但对于用成人三点式安全带将儿童安全座椅固定到车辆上的情况没有给出明确的操作要求，故不同试验员在操作时会造成儿童安全座椅整体位置相对于试验台车在前后方向上存在较大的差异，从而使试验结果产生较大偏差。本文中进行了5次测试，前2次位置偏前，后3次位置偏后，如图12和图13所示，测试结果如表6所示。

图12 儿童安全座椅整体位置偏前

图13 儿童安全座椅整体位置偏后

由表6可以看出，当儿童安全座椅整体位置偏前时，两个测试头部位移都超过了550 mm，不符合法规要求。但儿童座椅整体位置偏后时的3个测试，头部前向位移都达标。且儿童安全座椅整体位置前后偏移对胸部垂直加速度影响显著，其产生的最大偏差高达37.7%。

4 不同头部位移图像识别方法的影响

表6 儿童安全座椅整体位置前后偏移影响分析

大多数实验室采用了图像修正法来确定头部水平与垂直位移，少数实验室未采用图像修正法，直接采用比例法确定头部位置，因此识别出的头部位置误差显著。详见以下测试数据。测试均选择同一款儿童安全座椅，该款座椅使用三点式安全带固定在台车上，并采用五点式安全带约束儿童，测试均使用P3儿童假人。在4家测试机构各展开5次相同测试，共计20次试验，试验数据均值如表7所示。

表7 不同机构试验数据差异

由表7可以看出，不同机构头部水平位移测试结果差异很大。导致该项试验数据结果偏差的可能因素为：在进行图像分析过程中，高速摄像机拍摄参数与视差补偿计算时的设定参数不一致。在对高速摄像机拍摄的图像进行位移分析之前，根据相关的计算公式，需要记录位移计算时必需的数据，如y1，y2，dm和dCAM等，如图14所示。若其中一个数值出现了偏差或不一致都有可能导致位移计算出现偏差。

少数实验室采用的图片比例法为

本文对头部前向位移的修正为

图14 台车试验俯视示意图

式中：dh为未修正的图像识别头部水平位移；dm为两标记点的实际距离；dh′为摄像机拍摄图片中直接测量的头部水平位移；dm′为摄像机拍摄图片中直接测量的两标记点间距离；dh0为修正后的头部水平位移；y1为标尺到夹具中心平面的距离，标尺在夹具中心后方为正，前方为负；y2为摄像机到夹具中心平面的距离；dCAM为摄像机到Cr点的横向距离。

对以上修正公式进行了以下试验验证，如图15所示。首先将棋盘格标定板固定于墙面上，标出150与550 mm点，作为dm＝400 mm，将150 mm点视为Cr点，用方块的右边缘线作为儿童头部水平位移替代物，放置于距离Cr点100 mm处，拍摄照片，测量公式中所需的各项参数，试验数据记录与对比如表8所示。可以看出，修正后的误差比直接比例法的误差显著降低。

图15 修正公式验证试验

同时，在实验室内进行了台车试验验证，使用的是表7测试机构2的试验，如图16所示。标尺点1和标尺点2在台车中心平面后方1 m处，两标尺点实际水平距离dm为550 mm；圆形标尺3在儿童安全座椅中心平面上，标尺点2和标尺点3到Cr点的水平横向距离均为550 mm，即标尺点2在标尺点3正后方1 m处，故理论上可用标尺点2代替标尺点3来判断儿童头部位移，但图片上标尺点2与标尺点3的投影并不重合，使用拍摄图片观察头部位移时产生误差。所以图像识别法必须采取必要的修正才能缩小误差。试验数据记录与计算如表9所示。

表8 修正公式验证试验数据记录与对比

图16 修正公式验证台车试验

表9 修正公式验证台车试验数据记录与对比

由表9可以看出，修正后的误差大幅降低，故可判定上述修正公式可有效提高头部前向位移测量结果的一致性。但误差依旧存在，这是由摄像机的位置距离不易测量和图片上距离测量精度不高等原因导致的。

由于采用汽车座椅三点式安全带固定，在试验过程中，儿童座椅受力非对称，故儿童安全座椅和假人运动也会偏向一侧，如图17所示。即使采用修正的方法，也还存在另外一项误差，即头部不在夹具中心平面内。以上述台车试验为例，儿童头部偏向摄像机一侧50 mm，即 y1＝1050 mm，y2＝1950 mm，代入公式计算得dh0＝546.58 mm，误差增大。因此需要进行必要的头部位移修正。采用顶部相机测量头部最大位移时刻对应中心的偏移量，在测试图中进行修正，才能准确获取头部位移测量值。

图17 头部最大位移时俯视图

5 结论

根据以上影响因素综合分析，头部相对于Cr点水平位移和儿童胸部合成加速度对上述影响因素均不太敏感；而胸部垂直加速度最易受到干扰。其中儿童安全座椅整体位置的前后偏移对3个测试损伤值影响最为显著，导致头部相对于Cr点的水平位移最大偏差为3.1%，胸部合成加速度最大偏差为4.3%，胸部垂直加速度的最大偏差高达37.7%；儿童安全座椅整体位置左右偏移的影响次之，对胸部垂直加速度产生的最大偏差达到13.2%。

经过上述的仿真与试验数据分析，建议在现有法规基础上采取以下措施来提高测试结果的一致性，减小测量误差。

（1）动态测试过程中严格控制儿童安全座椅纵向中心线与测试台车纵向中心线的重合度，误差控制在±5 mm。

（2）在现有法规的基础上，增加类似于GB27887中对带有ISOFIX接口的儿童安全座椅的相关规定，限制在将儿童安全座椅安装到台车上时的推入力的大小与施力点，以控制儿童安全座椅整体位置的前后偏移量。

（3）在使用图像动态识别头部水平和垂直位移时，采用本文中所提出的公式对结果进行修正。针对汽车座椅三点式安全带固定儿童安全座椅的情况，应采用顶部相机测量头部最大位移时刻对应中心线的偏移量，再进行修正，以获得准确的头部位移测量值。

（4）建议探索直接测量儿童头部位移的方式来分析假人头部向前和向上位移，如使用激光尺等，才能完全避免由图像识别带来的误差。

各实验室可采纳上述控制措施，有效减少测试结果的误差，提高儿童安全座椅台车试验结果的一致性，从而改善我国机动车儿童乘员约束系统检测情况。