自動(dòng)駕駛中座椅旋轉(zhuǎn)速度對乘員的影響*

武和全 ，張家飛 ，胡 林

（1. 長沙理工大學(xué)，工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410004；2. 長沙理工大學(xué)，機(jī)械裝備高性能智能制造關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410004）

前言

自動(dòng)駕駛是智能交通系統(tǒng)（ITS）應(yīng)用之一，已經(jīng)被汽車行業(yè)在全球廣泛應(yīng)用［1］，它依靠人工智能、視覺計(jì)算、雷達(dá)和全球定位系統(tǒng)等協(xié)同合作，在無人參與下，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)安全地操作機(jī)動(dòng)車輛［2］。由國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE International）提出的自動(dòng)駕駛分級方法得到了國際認(rèn)可，該方法被美國交通運(yùn)輸部采用［3］。按照我國工信部發(fā)布的《汽車駕駛自動(dòng)化分級》文件，自動(dòng)化駕駛分成6 級，分別是L0應(yīng)急輔助，L1部分駕駛輔助、L2組合駕駛輔助、L3有條件自動(dòng)駕駛、L4 高度自動(dòng)駕駛和L5 完全自動(dòng)駕駛［4］。2016 年，特斯拉和日產(chǎn)公司都在量產(chǎn)車型上首次使用了L2級別的自動(dòng)駕駛技術(shù)［5］。在未來的自動(dòng)駕駛中，車輛不再需要駕駛員的操作，座椅布置也不再是單一朝向，乘客可根據(jù)行程的長短自由選擇合適的座椅朝向。自動(dòng)駕駛汽車作為一種新的高科技產(chǎn)品，其車身結(jié)構(gòu)和車內(nèi)外環(huán)境必然與傳統(tǒng)汽車有所不同，整車的安全性和舒適性也會(huì)發(fā)生變化。

對于高級的自動(dòng)駕駛汽車來說，駕駛員從駕駛?cè)蝿?wù)中解脫出來后，不需要坐在轉(zhuǎn)向盤前操控車輛［6］。自動(dòng)駕駛汽車座椅和內(nèi)飾設(shè)計(jì)的理念包括設(shè)置靈活的座椅定位和朝向，以及能夠完全躺臥的座椅［7］。Jorl?v 等［8］對不同年齡段的志愿者進(jìn)行了研究，確定乘員在長途駕駛情況下最常選擇的座椅朝向。未來智能交通的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)零事故，但在美國密歇根大學(xué)交通研究所發(fā)布的一項(xiàng)報(bào)告指出，對未來自動(dòng)駕駛技術(shù)，零事故幾乎是不可能的，研究還表明自動(dòng)駕駛技術(shù)可能還比不上一位經(jīng)驗(yàn)豐富的老駕駛員的駕駛技術(shù)［9］。由此可見，自動(dòng)駕駛技術(shù)也很難做到零事故。因此，很有必要以自動(dòng)駕駛技術(shù)為背景開展對乘員損傷研究［10］。在傳統(tǒng)車輛的約束系統(tǒng)中主要研究包括正面碰撞、追尾碰撞和側(cè)面碰撞等。當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛發(fā)生無法避免的撞擊時(shí)，可以選擇把乘員旋轉(zhuǎn)至相對安全方向。為了解乘員在各種沖擊條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)，F(xiàn)orman 等［11］進(jìn)行了正面碰撞試驗(yàn)，測試條件包括駕駛員與乘員的座椅、有無帶負(fù)載限制器的安全帶和有無安全氣囊，并報(bào)告前排座椅乘員的全身運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)。Michaelson 等［12］研究了后排乘員的正面碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué)，在正面碰撞中后排乘員相對于前排乘員上體旋轉(zhuǎn)角度較小，骨盆偏移量更大。Lessley 等［13］對 3 種不同坐姿且未系安全 帶 的 人 體 尸 體（post?mortem human subjects，PMHS）進(jìn)行了純橫向沖擊試驗(yàn)，用剛性沖擊器對不同坐姿的PMHS 模型右側(cè)骨盆處施加4.3 m/s 的沖擊速度，研究骨盆偏移量和生物力學(xué)響應(yīng)。

本文中以自動(dòng)駕駛汽車為背景，分析汽車安全座椅施加等腰梯形旋轉(zhuǎn)速度曲線后座椅旋轉(zhuǎn)至指定角度時(shí)乘員的損傷。當(dāng)傳統(tǒng)車輛發(fā)生碰撞前將座椅旋轉(zhuǎn)至指定角度是不可行的操作，原因是傳統(tǒng)車輛中受內(nèi)部空間的限制、無法檢測碰撞的發(fā)生和傳統(tǒng)座椅無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等。在自動(dòng)駕駛車輛中去除轉(zhuǎn)向盤和制動(dòng)踏板等部件，使車輛內(nèi)部空間更為寬敞；在自動(dòng)駕駛車輛中通過車載雷達(dá)和傳感器等裝置對汽車即將發(fā)生的碰撞進(jìn)行預(yù)判。自動(dòng)駕駛車輛的實(shí)際碰撞場景可包括可檢測和不可檢測情況［5］。在可檢測的情況下，車輛發(fā)生碰撞前安全座椅可根據(jù)碰撞力度的大小改變乘員在碰撞中的方向。在不可檢測的情況下，例如十字路口的碰撞，車輛碰撞脈沖之前不存在碰撞前的運(yùn)動(dòng)，本研究只考慮可檢測到的情況。

在車輛的主動(dòng)安全系統(tǒng)中，防碰撞系統(tǒng)可識(shí)別前方即將發(fā)生的撞擊，并提醒駕駛員在碰撞前約1.5 s 采取制動(dòng)或轉(zhuǎn)向，如果檢測駕駛員未采取任何措施，防碰撞系統(tǒng)就會(huì)在碰撞發(fā)生前約0.45 s 自動(dòng)啟動(dòng)［14］。在自動(dòng)駕駛車輛中主動(dòng)安全系統(tǒng)可以在各種行駛工況下，在碰撞發(fā)生前約0.1～0.35 s 識(shí)別不可避免的碰撞［15］。本文中提出通過旋轉(zhuǎn)座椅來改變車內(nèi)乘員在碰撞中受力方向并改善自動(dòng)駕駛車輛的安全性，主要從3 個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)。首先，利用安全座椅碰撞模型與臺(tái)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證。其次，在200 ms 內(nèi)對安全座椅施加不同的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。最后，研究安全座椅旋轉(zhuǎn)至指定角度后的乘員生物力學(xué)，以確定該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在乘員損傷方面的可行性。

1 研究方案

本文中基于LS?DYNA 軟件和人體有限元模型（THUMS，版本4.0，AM50 乘員模型）建立仿真平臺(tái)預(yù)測交通事故中車內(nèi)乘員的損傷。

1.1 THUMS模型正面碰撞驗(yàn)證

首先參考Shaw 等［16］的假人（ATD）模型正面碰撞試驗(yàn)，對THUMS模型進(jìn)行了正面碰撞驗(yàn)證。Shaw研究了碰撞減速度（20g和30g）、安全帶角度、肩帶位置等因素對駕駛員在碰撞中損傷的影響。本文中模擬了乘員在碰撞減速度為20g的正面碰撞。利用簡化的車廂僅包含座椅與乘員模型，不包括轉(zhuǎn)向盤和安全氣囊，乘客僅受到三點(diǎn)式安全帶的約束。安全帶的3 個(gè)固定點(diǎn)在汽車座椅上，座椅旋轉(zhuǎn)時(shí)安全帶可與座椅同步轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置確保在模擬碰撞過程中，乘員的運(yùn)動(dòng)和損傷完全由安全帶控制，碰撞加速度曲線作用于車身。安全帶卷收器的力限值設(shè)定為4 kN，預(yù)緊力設(shè)定為2 kN，座椅靠背角度和座墊角度設(shè)置為24°和 14.7°［17］。假人正面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)和有限元模型設(shè)置如圖1所示。

1.2 旋轉(zhuǎn)座椅模型的建立

在旋轉(zhuǎn)座椅試驗(yàn)中對傳統(tǒng)座椅進(jìn)行了改進(jìn)，在傳統(tǒng)座椅的兩側(cè)增加了臀部和腿部的擋板結(jié)構(gòu)，可確保在高速旋轉(zhuǎn)過程中模型的腿部、腳部與安全座椅同步運(yùn)動(dòng)，如圖2 所示。該擋板外側(cè)包裹著剛性材料，與坐墊外側(cè)剛體材料連接，擋板內(nèi)部材料設(shè)置為一種與座椅靠背相同的可變形材料。相比于傳統(tǒng)安全帶，在本次試驗(yàn)中D環(huán)、鎖扣和卷收器等固定點(diǎn)改為與座椅剛體支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定連接，使其隨座椅圍繞同一中心旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)至指定角度后相對位置不變。

圖1 假人試驗(yàn)與THUMS正面碰撞試驗(yàn)設(shè)置

參照文獻(xiàn)［8］，設(shè)置了±45°和±90°共4 種不同的旋轉(zhuǎn)角度，如圖3 所示。旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置為坐墊剛性支撐的質(zhì)心，參照Wu 等［18］進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，本次試驗(yàn)采用梯形旋轉(zhuǎn)曲線，如圖4 所示。仿真試驗(yàn)中記錄乘員損傷評價(jià)參數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)值對比。根據(jù)Savino等［19］的研究，目前防碰撞系統(tǒng)在發(fā)生不可避免的碰撞前最多可以提供350 ms 的反應(yīng)時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)駕駛員若未做出相應(yīng)的操作，安全座椅將會(huì)旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度。在本試驗(yàn)中：0-25 ms 內(nèi)安全帶發(fā)生預(yù)緊，將駕駛員背部與座椅靠背緊密地結(jié)合在一起使之與安全座椅同步旋轉(zhuǎn)；25-225 ms 為旋轉(zhuǎn)階段，安全座椅和假人模型旋轉(zhuǎn)至指定角度。

圖2 旋轉(zhuǎn)模型設(shè)置（單位：mm）

圖3 座椅旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置

圖4 旋轉(zhuǎn)角速度設(shè)置

1.3 旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)中乘員損傷評價(jià)

對于旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，記錄輸出頸部軸向受力和彎矩，用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)頸部損傷指數(shù)（normalized neck injury criteria，NIJ）。胸部損傷參數(shù)參考 Kintagawa 等［20］的研究，測量圖5 中所標(biāo)測點(diǎn)在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中前、后和側(cè)向位置的胸骨壓縮量，同時(shí)還可以觀測出骨折數(shù)目、肋骨骨折位置和胸腔內(nèi)部的應(yīng)力分布情況。在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程中，頭部質(zhì)心（CG）處有傳感器采集并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，用于計(jì)算頭部損傷數(shù)據(jù)（brain injury criteria，BRIC）［21］。根據(jù) Yoganandan 等［22］的研究，測量頸部前韌帶（ALL）、后縱韌帶（PLL）、關(guān)節(jié)囊韌帶（CL）、黃韌帶（LF）和棘突間韌帶（ISL）的最大主應(yīng)變，并用此來評價(jià)頸部韌帶損傷情況。同時(shí)輸出頭部質(zhì)心CG 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡來描述頭部與座椅之間的相對位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖5 胸骨壓縮量測量點(diǎn)分布圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 THUMS模型正面碰撞驗(yàn)證結(jié)果

THUMS 模型與假人模型運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)如圖6 所示。在試驗(yàn)開始后的40 ms 期間，由于慣性的作用，THUMS 模型向前滑動(dòng)；模型上身軀干受到肩帶的約束并于60 ms 時(shí)安全帶拉伸量達(dá)最大，雙臂開始向前拉伸；80 ms 時(shí)雙臂繼續(xù)被向前拉伸，頭部和頸部有向下彎曲的趨勢。受慣性力的影響手臂繼續(xù)向前拉伸，頭部繼續(xù)向下彎曲并于100 ms達(dá)到最大值。仿真結(jié)果與假人試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)基本一致，說明仿真得到THUMS 正面碰撞試驗(yàn)的驗(yàn)證。

2.2 旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)

圖6 正面碰撞驗(yàn)證試驗(yàn)中模型運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對比

圖7 為不同角度的座椅旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)。以車輛地板為參考系每隔45 ms 輸出一個(gè)動(dòng)畫。在該座椅旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中0-25 ms 內(nèi)為安全帶預(yù)緊階段，25-225 ms 為座椅和乘員旋轉(zhuǎn)階段。在-45°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中45 ms 時(shí)由于速度低，假人姿態(tài)沒有明顯改變；90 ms 時(shí)由于腿部擋板的約束假人右腿與右側(cè)腿部擋板接觸，頸部有向肩帶靠近的趨勢，即將與肩帶發(fā)生接觸；135 ms 時(shí)擋板約束了假人右腿繼續(xù)向右移動(dòng)的趨勢，此時(shí)，假人左右腿相對距離縮短，乘員頸部與安全帶接觸，會(huì)出現(xiàn)“卡脖子”現(xiàn)象，肩帶與頸部接觸時(shí)間不長；180 ms 時(shí)旋轉(zhuǎn)速度處于減速階段，頸部“卡脖子”的程度會(huì)降低；225 ms 時(shí)旋轉(zhuǎn)停止，假人右腿與右側(cè)擋板分離，下肢相對距離趨于正常。在-90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，由于旋轉(zhuǎn)速度增大，各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)相對于-45°旋轉(zhuǎn)更為劇烈，在135 ms時(shí)假人下肢相互接觸，頭部偏移量更大；225 ms 時(shí)頭部未恢復(fù)至原始位置。

+45°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中45 ms時(shí)由于速度低，假人姿態(tài)沒有明顯改變；90 ms時(shí)由于腿部擋板的約束假人左腿與左側(cè)腿部擋板接觸，頸部有向肩帶遠(yuǎn)離的趨勢；135 ms 時(shí)擋板約束了假人左腿繼續(xù)向左移動(dòng)的趨勢，此時(shí)假人左右腿相對距離縮短，乘員頸部與安全帶相對位移較大；180 ms時(shí)旋轉(zhuǎn)速度處于減速階段，頸部與安全帶的相對位移會(huì)逐步縮短；225 ms 時(shí)旋轉(zhuǎn)停止，假人左腿與左側(cè)擋板分離，下肢相對距離趨于正常。在+90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，由于旋轉(zhuǎn)速度增大，各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)相對于+45°旋轉(zhuǎn)更為劇烈，在135 ms時(shí)假人下肢相互接觸，頭部偏移量更大；225 ms時(shí)頭部未恢復(fù)至原始位置。在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程中，±90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中頭部CG相對位移明顯大于±45°試驗(yàn)，乘員頭部質(zhì)心（CG）運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8 所示。圖9 為4 種旋轉(zhuǎn)角度下胸部肋骨最大應(yīng)力云圖。從圖9 可知，肋骨未發(fā)生骨折。

表1 所示為乘員旋轉(zhuǎn)過程中胸部變形量和頸部韌帶應(yīng)變參數(shù)。由表可見，各部位損傷值均小于閾值，在旋轉(zhuǎn)過程中未發(fā)現(xiàn)肋骨和四肢等其他部位骨折，說明本試驗(yàn)在200 ms 內(nèi)將乘員旋轉(zhuǎn)至±45°和±90°不會(huì)造成乘員損傷。

圖8 頭部CG運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9 肋骨最大應(yīng)力云圖

表1 4種角度下的乘員損傷預(yù)測

3 討論

THUMS 模型正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：60 ms 后THUMS 模型與假人試驗(yàn)腿部的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)不一致，其主要原因?yàn)榧偃送炔壳胺皆O(shè)有下肢擋板，阻礙了下肢向前運(yùn)動(dòng)的趨勢；而頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)與假人試驗(yàn)高度一致，均是在100 ms 時(shí)刻產(chǎn)生最大角位移，上肢的運(yùn)動(dòng)趨勢與假人試驗(yàn)高度符合，80 ms時(shí)上肢均為前向拉伸，100 ms時(shí)繼續(xù)前向拉伸，達(dá)到最大拉伸位移。

在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)分為兩個(gè)階段。第一階段，0-25 ms 內(nèi)為安全帶預(yù)緊時(shí)間，為保證在旋轉(zhuǎn)過程中可以使人體模型與座椅同步運(yùn)動(dòng)，在安全帶預(yù)緊時(shí)間內(nèi)預(yù)緊機(jī)構(gòu)可以提供2 kN 預(yù)緊力，在預(yù)緊力的作用下可能會(huì)出現(xiàn)胸部骨折。在安全帶預(yù)緊的同時(shí)由于重力的作用人體模型向下移動(dòng)與柔軟的坐墊緊密接觸。第二階段，25-225 ms 為安全座椅旋轉(zhuǎn)時(shí)間。在±90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中頭部CG 相對位移比±45°更為明顯，頭部的損傷與旋轉(zhuǎn)角度呈正相關(guān)，如圖8所示。圖10為座椅旋轉(zhuǎn)的兩種速度曲線。其中，等腰梯形旋轉(zhuǎn)速度曲線的峰值，比正弦旋轉(zhuǎn)速度曲線約低20%左右，可以在一定程度上降低乘員在旋轉(zhuǎn)過程中的損傷。根據(jù)表1 頸部韌帶應(yīng)變參數(shù)可知其均在閾值范圍內(nèi)，但±90°旋轉(zhuǎn)比±45°旋轉(zhuǎn)乘員頸部所受損傷值更高，表明在相同的時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度越大損傷風(fēng)險(xiǎn)就越高。

圖10 兩種旋轉(zhuǎn)速度曲線對比

4 結(jié)論

采集LS?DYNA 仿真軟件，以速度和方向?yàn)樵囼?yàn)變量，對4 組汽車安全座椅不同旋轉(zhuǎn)方向和速度進(jìn)行仿真，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析了不同方向和旋轉(zhuǎn)速度條件下乘員胸部、頭部、頸部和韌帶損傷的差異，并對其進(jìn)行顯著性驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

（1）在相同旋轉(zhuǎn)方向、不同旋轉(zhuǎn)角度的試驗(yàn)中，乘員胸部、頭部、頸部和韌帶損傷有顯著的差異。在90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中胸部壓縮量、頭部BRIC、頸部NIJ 和韌帶損傷均大于45°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)；90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)的乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)比45°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)更劇烈，在相同的時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度越大，各部位相應(yīng)的損傷也就越大。

（2）在相同角度、不同旋轉(zhuǎn)方向的試驗(yàn)中，乘員胸部壓縮量、頭部BRIC、頸部NIJ和韌帶損傷差異不明顯。負(fù)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，乘員其頸部損傷值NIJ 大于正方向旋轉(zhuǎn)，主要原因是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)中頸部與安全帶發(fā)生“卡脖子”現(xiàn)象所致。

（3）通過該試驗(yàn)方案驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)速度曲線應(yīng)用的可行性。試驗(yàn)中200 ms內(nèi)將乘員旋轉(zhuǎn)±90°和±45°乘員頭部、胸部和頸部等損傷參數(shù)均在閾值范圍內(nèi)，不會(huì)引起乘員額外的傷害。

（4）假人試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在±90°旋轉(zhuǎn)過程中，下肢與兩側(cè)擋板均有接觸，后續(xù)研究中可以增加下肢損傷指數(shù)的研究，并在保證乘員不受額外損傷的前提下探究最高旋轉(zhuǎn)速度及其在實(shí)車中的應(yīng)用。