自动驾驶中座椅旋转速度对乘员的影响*

2021-03-09武和全张家飞

汽车工程 2021年2期

武和全，张家飞，胡林

（1. 长沙理工大学，工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室，长沙 410004；2. 长沙理工大学，机械装备高性能智能制造关键技术湖南省重点实验室，长沙 410004）

前言

自动驾驶是智能交通系统（ITS）应用之一，已经被汽车行业在全球广泛应用［1］，它依靠人工智能、视觉计算、雷达和全球定位系统等协同合作，在无人参与下，由计算机自动安全地操作机动车辆［2］。由国际自动机工程师学会（SAE International）提出的自动驾驶分级方法得到了国际认可，该方法被美国交通运输部采用［3］。按照我国工信部发布的《汽车驾驶自动化分级》文件，自动化驾驶分成6 级，分别是L0应急辅助，L1部分驾驶辅助、L2组合驾驶辅助、L3有条件自动驾驶、L4 高度自动驾驶和L5 完全自动驾驶［4］。2016 年，特斯拉和日产公司都在量产车型上首次使用了L2级别的自动驾驶技术［5］。在未来的自动驾驶中，车辆不再需要驾驶员的操作，座椅布置也不再是单一朝向，乘客可根据行程的长短自由选择合适的座椅朝向。自动驾驶汽车作为一种新的高科技产品，其车身结构和车内外环境必然与传统汽车有所不同，整车的安全性和舒适性也会发生变化。

对于高级的自动驾驶汽车来说，驾驶员从驾驶任务中解脱出来后，不需要坐在转向盘前操控车辆［6］。自动驾驶汽车座椅和内饰设计的理念包括设置灵活的座椅定位和朝向，以及能够完全躺卧的座椅［7］。Jorlöv 等［8］对不同年龄段的志愿者进行了研究，确定乘员在长途驾驶情况下最常选择的座椅朝向。未来智能交通的目标是实现零事故，但在美国密歇根大学交通研究所发布的一项报告指出，对未来自动驾驶技术，零事故几乎是不可能的，研究还表明自动驾驶技术可能还比不上一位经验丰富的老驾驶员的驾驶技术［9］。由此可见，自动驾驶技术也很难做到零事故。因此，很有必要以自动驾驶技术为背景开展对乘员损伤研究［10］。在传统车辆的约束系统中主要研究包括正面碰撞、追尾碰撞和侧面碰撞等。当自动驾驶车辆发生无法避免的撞击时，可以选择把乘员旋转至相对安全方向。为了解乘员在各种冲击条件下的运动学响应，Forman 等［11］进行了正面碰撞试验，测试条件包括驾驶员与乘员的座椅、有无带负载限制器的安全带和有无安全气囊，并报告前排座椅乘员的全身运动学响应。Michaelson 等［12］研究了后排乘员的正面碰撞运动学，在正面碰撞中后排乘员相对于前排乘员上体旋转角度较小，骨盆偏移量更大。Lessley 等［13］对 3 种不同坐姿且未系安全带的人体尸体（post‑mortem human subjects，PMHS）进行了纯横向冲击试验，用刚性冲击器对不同坐姿的PMHS 模型右侧骨盆处施加4.3 m/s 的冲击速度，研究骨盆偏移量和生物力学响应。

本文中以自动驾驶汽车为背景，分析汽车安全座椅施加等腰梯形旋转速度曲线后座椅旋转至指定角度时乘员的损伤。当传统车辆发生碰撞前将座椅旋转至指定角度是不可行的操作，原因是传统车辆中受内部空间的限制、无法检测碰撞的发生和传统座椅无法进行旋转等。在自动驾驶车辆中去除转向盘和制动踏板等部件，使车辆内部空间更为宽敞；在自动驾驶车辆中通过车载雷达和传感器等装置对汽车即将发生的碰撞进行预判。自动驾驶车辆的实际碰撞场景可包括可检测和不可检测情况［5］。在可检测的情况下，车辆发生碰撞前安全座椅可根据碰撞力度的大小改变乘员在碰撞中的方向。在不可检测的情况下，例如十字路口的碰撞，车辆碰撞脉冲之前不存在碰撞前的运动，本研究只考虑可检测到的情况。

在车辆的主动安全系统中，防碰撞系统可识别前方即将发生的撞击，并提醒驾驶员在碰撞前约1.5 s 采取制动或转向，如果检测驾驶员未采取任何措施，防碰撞系统就会在碰撞发生前约0.45 s 自动启动［14］。在自动驾驶车辆中主动安全系统可以在各种行驶工况下，在碰撞发生前约0.1～0.35 s 识别不可避免的碰撞［15］。本文中提出通过旋转座椅来改变车内乘员在碰撞中受力方向并改善自动驾驶车辆的安全性，主要从3 个方面进行试验。首先，利用安全座椅碰撞模型与台车试验数据对比验证。其次，在200 ms 内对安全座椅施加不同的旋转运动。最后，研究安全座椅旋转至指定角度后的乘员生物力学，以确定该旋转运动在乘员损伤方面的可行性。

1 研究方案

本文中基于LS‑DYNA 软件和人体有限元模型（THUMS，版本4.0，AM50 乘员模型）建立仿真平台预测交通事故中车内乘员的损伤。

1.1 THUMS模型正面碰撞验证

首先参考Shaw 等［16］的假人（ATD）模型正面碰撞试验，对THUMS模型进行了正面碰撞验证。Shaw研究了碰撞减速度（20g和30g）、安全带角度、肩带位置等因素对驾驶员在碰撞中损伤的影响。本文中模拟了乘员在碰撞减速度为20g的正面碰撞。利用简化的车厢仅包含座椅与乘员模型，不包括转向盘和安全气囊，乘客仅受到三点式安全带的约束。安全带的3 个固定点在汽车座椅上，座椅旋转时安全带可与座椅同步转动。该装置确保在模拟碰撞过程中，乘员的运动和损伤完全由安全带控制，碰撞加速度曲线作用于车身。安全带卷收器的力限值设定为4 kN，预紧力设定为2 kN，座椅靠背角度和座垫角度设置为24°和 14.7°［17］。假人正面碰撞台车试验和有限元模型设置如图1所示。

1.2 旋转座椅模型的建立

在旋转座椅试验中对传统座椅进行了改进，在传统座椅的两侧增加了臀部和腿部的挡板结构，可确保在高速旋转过程中模型的腿部、脚部与安全座椅同步运动，如图2 所示。该挡板外侧包裹着刚性材料，与坐垫外侧刚体材料连接，挡板内部材料设置为一种与座椅靠背相同的可变形材料。相比于传统安全带，在本次试验中D环、锁扣和卷收器等固定点改为与座椅刚体支撑结构进行固定连接，使其随座椅围绕同一中心旋转且旋转至指定角度后相对位置不变。

图1 假人试验与THUMS正面碰撞试验设置

参照文献［8］，设置了±45°和±90°共4 种不同的旋转角度，如图3 所示。旋转中心设置为坐垫刚性支撑的质心，参照Wu 等［18］进行的旋转试验，本次试验采用梯形旋转曲线，如图4 所示。仿真试验中记录乘员损伤评价参数，与标准值对比。根据Savino等［19］的研究，目前防碰撞系统在发生不可避免的碰撞前最多可以提供350 ms 的反应时间，在此时间内驾驶员若未做出相应的操作，安全座椅将会旋转至相应角度。在本试验中：0-25 ms 内安全带发生预紧，将驾驶员背部与座椅靠背紧密地结合在一起使之与安全座椅同步旋转；25-225 ms 为旋转阶段，安全座椅和假人模型旋转至指定角度。

图2 旋转模型设置（单位：mm）

图3 座椅旋转角度设置

图4 旋转角速度设置

1.3 旋转仿真试验中乘员损伤评价

对于旋转试验，记录输出颈部轴向受力和弯矩，用于计算标准颈部损伤指数（normalized neck injury criteria，NIJ）。胸部损伤参数参考 Kintagawa 等［20］的研究，测量图5 中所标测点在整个旋转过程中前、后和侧向位置的胸骨压缩量，同时还可以观测出骨折数目、肋骨骨折位置和胸腔内部的应力分布情况。在旋转试验过程中，头部质心（CG）处有传感器采集并记录相应的数据，用于计算头部损伤数据（brain injury criteria，BRIC）［21］。根据 Yoganandan 等［22］的研究，测量颈部前韧带（ALL）、后纵韧带（PLL）、关节囊韧带（CL）、黄韧带（LF）和棘突间韧带（ISL）的最大主应变，并用此来评价颈部韧带损伤情况。同时输出头部质心CG 节点运动轨迹来描述头部与座椅之间的相对位置和运动状态。

图5 胸骨压缩量测量点分布图

2 试验结果

2.1 THUMS模型正面碰撞验证结果

THUMS 模型与假人模型运动学响应如图6 所示。在试验开始后的40 ms 期间，由于惯性的作用，THUMS 模型向前滑动；模型上身躯干受到肩带的约束并于60 ms 时安全带拉伸量达最大，双臂开始向前拉伸；80 ms 时双臂继续被向前拉伸，头部和颈部有向下弯曲的趋势。受惯性力的影响手臂继续向前拉伸，头部继续向下弯曲并于100 ms达到最大值。仿真结果与假人试验运动基本一致，说明仿真得到THUMS 正面碰撞试验的验证。

2.2 旋转仿真试验

图6 正面碰撞验证试验中模型运动学响应对比

图7 为不同角度的座椅旋转试验运动学响应。以车辆地板为参考系每隔45 ms 输出一个动画。在该座椅旋转试验中0-25 ms 内为安全带预紧阶段，25-225 ms 为座椅和乘员旋转阶段。在-45°旋转试验中45 ms 时由于速度低，假人姿态没有明显改变；90 ms 时由于腿部挡板的约束假人右腿与右侧腿部挡板接触，颈部有向肩带靠近的趋势，即将与肩带发生接触；135 ms 时挡板约束了假人右腿继续向右移动的趋势，此时，假人左右腿相对距离缩短，乘员颈部与安全带接触，会出现“卡脖子”现象，肩带与颈部接触时间不长；180 ms 时旋转速度处于减速阶段，颈部“卡脖子”的程度会降低；225 ms 时旋转停止，假人右腿与右侧挡板分离，下肢相对距离趋于正常。在-90°旋转试验中，由于旋转速度增大，各时刻运动学响应相对于-45°旋转更为剧烈，在135 ms时假人下肢相互接触，头部偏移量更大；225 ms 时头部未恢复至原始位置。

+45°旋转试验中45 ms时由于速度低，假人姿态没有明显改变；90 ms时由于腿部挡板的约束假人左腿与左侧腿部挡板接触，颈部有向肩带远离的趋势；135 ms 时挡板约束了假人左腿继续向左移动的趋势，此时假人左右腿相对距离缩短，乘员颈部与安全带相对位移较大；180 ms时旋转速度处于减速阶段，颈部与安全带的相对位移会逐步缩短；225 ms 时旋转停止，假人左腿与左侧挡板分离，下肢相对距离趋于正常。在+90°旋转试验中，由于旋转速度增大，各时刻运动学响应相对于+45°旋转更为剧烈，在135 ms时假人下肢相互接触，头部偏移量更大；225 ms时头部未恢复至原始位置。在旋转试验过程中，±90°旋转试验中头部CG相对位移明显大于±45°试验，乘员头部质心（CG）运动轨迹如图8 所示。图9 为4 种旋转角度下胸部肋骨最大应力云图。从图9 可知，肋骨未发生骨折。

表1 所示为乘员旋转过程中胸部变形量和颈部韧带应变参数。由表可见，各部位损伤值均小于阈值，在旋转过程中未发现肋骨和四肢等其他部位骨折，说明本试验在200 ms 内将乘员旋转至±45°和±90°不会造成乘员损伤。

图8 头部CG运动轨迹

图9 肋骨最大应力云图

表1 4种角度下的乘员损伤预测

3 讨论

THUMS 模型正面碰撞试验结果发现：60 ms 后THUMS 模型与假人试验腿部的运动响应不一致，其主要原因为假人腿部前方设有下肢挡板，阻碍了下肢向前运动的趋势；而头部运动学响应与假人试验高度一致，均是在100 ms 时刻产生最大角位移，上肢的运动趋势与假人试验高度符合，80 ms时上肢均为前向拉伸，100 ms时继续前向拉伸，达到最大拉伸位移。

在旋转试验中，运动学响应分为两个阶段。第一阶段，0-25 ms 内为安全带预紧时间，为保证在旋转过程中可以使人体模型与座椅同步运动，在安全带预紧时间内预紧机构可以提供2 kN 预紧力，在预紧力的作用下可能会出现胸部骨折。在安全带预紧的同时由于重力的作用人体模型向下移动与柔软的坐垫紧密接触。第二阶段，25-225 ms 为安全座椅旋转时间。在±90°旋转试验中头部CG 相对位移比±45°更为明显，头部的损伤与旋转角度呈正相关，如图8所示。图10为座椅旋转的两种速度曲线。其中，等腰梯形旋转速度曲线的峰值，比正弦旋转速度曲线约低20%左右，可以在一定程度上降低乘员在旋转过程中的损伤。根据表1 颈部韧带应变参数可知其均在阈值范围内，但±90°旋转比±45°旋转乘员颈部所受损伤值更高，表明在相同的时间内旋转的角度越大损伤风险就越高。