魯爽 明星宇 崔東 胡帛濤

摘 要：以約束系統(tǒng)仿真模型及整車試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)假人骨盆旋轉(zhuǎn)角度與假人骨盆加速度的關(guān)系進(jìn)行研究，運(yùn)用數(shù)理分析方法擬合出計(jì)算骨盆旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)學(xué)公式，總結(jié)出由整車試驗(yàn)的假人骨盆加速度轉(zhuǎn)化為假人骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡的方法，解決了通過整車試驗(yàn)錄像無法定量分析假人骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡的難題。為下一步約束系統(tǒng)匹配和參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：骨盆旋轉(zhuǎn)角度;骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡;骨盆加速度;數(shù)理分析

中圖分類號(hào)：U467.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-136-03

Abstract： Based on the constraint system simulation model and the test data of the vehicle test， we studied on the relationship between the dummy pelvic rotation angle and the dummy pelvic acceleration. By using the mathematical analysis method of fitting a mathematical formula， we calculated the rotation angle of the pelvis， and summed up the method of transformation from dummy pelvic acceleration of vehicle test to the motion of the pelvis for dummies. Through the study， we have solved the difficult problem that we cant analyze the motion of the pelvis by using the vehicle test video. Therefore， it can provide the basic and basis optimization for further constrains on system matching and parameters.

Keywords： Pelvis rotation angle; Pelvis trajectory; Pelvis acceleration; Mathematical analysis

引言

整車試驗(yàn)中假人的運(yùn)動(dòng)情況，通過錄像一般只能進(jìn)行定性分析，很難進(jìn)行定量分析，不能獲得精確的假人運(yùn)動(dòng)軌跡。而且車門遮住了假人頸部以下部位，對(duì)于假人胸部、骨盆的運(yùn)動(dòng)軌跡無法通過錄像觀察到。如何通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取假人運(yùn)動(dòng)軌跡，是工程師們迫切想解決的問題。但目前國內(nèi)外對(duì)于整車試驗(yàn)假人運(yùn)動(dòng)軌跡的研究極少。

本文通過分析骨盆運(yùn)動(dòng)的常用研究方法，找到存在的問題，提出用數(shù)理分析方法，獲得整車試驗(yàn)中假人骨盆的運(yùn)動(dòng)軌跡，清晰描述碰撞過程中假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，為約束系統(tǒng)匹配明確優(yōu)化方向和參數(shù)，提高優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性，節(jié)省車型開發(fā)過程中滑車試驗(yàn)、整車試驗(yàn)的次數(shù)，節(jié)省成本，提高工作效率。

1 假人骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡常用分析方法

在整車碰撞試驗(yàn)中，一般會(huì)測得假人骨盆、胸部、頭部等區(qū)域的加速度（X、Y、Z）曲線，根據(jù)物理學(xué)知識(shí)可以得知，對(duì)加速度曲線進(jìn)行積分，可以獲得速度曲線，再通過對(duì)速度曲線進(jìn)行積分，可以獲得位移曲線，將該位移曲線減去整車的位移，則認(rèn)為是假人相對(duì)整車的運(yùn)動(dòng)軌跡。

本文選取某車型正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)中的骨盆X向加速度曲線，對(duì)加速度曲線進(jìn)行兩次積分，獲得骨盆X向位移曲線。

在正面剛性壁障碰撞中，測得車身加速度，對(duì)其進(jìn)行兩次積分，可以獲得整車的運(yùn)動(dòng)距離，理論上，將假人的骨盆位移減去整車的運(yùn)動(dòng)位移，即可得到假人骨盆相對(duì)整車的位移，假人骨盆相對(duì)整車的X向位移最大值為315mm，根據(jù)試驗(yàn)前測量乘員空間數(shù)據(jù)可知，假人腹部到方向盤下輪緣距離為195mm，如果按照此方法計(jì)算得到的位移分析，意味著假人腹部已經(jīng)嵌入方向盤下輪緣，但實(shí)際試驗(yàn)中，假人腹部并未和方向盤下輪緣發(fā)生接觸，可見該方法獲得的骨盆X向位移偏大。

2 數(shù)理分析方法分析假人骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡

2.1 假人骨盆坐標(biāo)系研究

建立駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示，為了觀察骨盆坐標(biāo)系在假人碰撞過程中如何運(yùn)動(dòng)，采用輔助方法，增加三個(gè)桿，與骨盆連接。如果骨盆發(fā)生運(yùn)動(dòng)，或者旋轉(zhuǎn)，則三個(gè)桿會(huì)隨之一起運(yùn)動(dòng)。

從仿真動(dòng)畫觀察代表骨盆坐標(biāo)系X、Y、Z軸的三個(gè)桿，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)桿在平動(dòng)的同時(shí)，也有一定的旋轉(zhuǎn)。

2.2 ?假人骨盆坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

骨盆局部坐標(biāo)系與整車坐標(biāo)系在初始時(shí)刻存在一定的夾角，經(jīng)測量，該仿真模型的骨盆坐標(biāo)系與整車坐標(biāo)系的初始夾角為22.7°，因此骨盆局部坐標(biāo)系相對(duì)于整車坐標(biāo)系的角度應(yīng)為初始夾角與骨盆坐標(biāo)系自身旋轉(zhuǎn)角度之和。

將骨盆局部坐標(biāo)系與整車坐標(biāo)系進(jìn)行簡化，如圖2所示。通過數(shù)學(xué)公式，將骨盆的X向、Z向局部加速度擬合為整車坐標(biāo)系下的全局加速度：上述公式中，a為骨盆初始角度，可以在試驗(yàn)中測量，只有θ是未知量，其他均為已知量。因此運(yùn)用數(shù)理分析方法研究假人運(yùn)動(dòng)軌跡的重點(diǎn)是獲得骨盆旋轉(zhuǎn)角度θ。

2.3 假人骨盆旋轉(zhuǎn)角度擬合方法

從理論層面看，骨盆旋轉(zhuǎn)角度的二階導(dǎo)數(shù)，即角加速度與骨盆X向、Z向局部加速度及車身加速度之間應(yīng)存在相關(guān)關(guān)系。運(yùn)用回歸分析法，確定兩種或兩種以上變數(shù)間相互依賴的定量關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型。以骨盆兩方向局部加速度accx、accz及車身加速度accs為解釋變量，使用二次回歸模型擬合角加速度 ，即公式（3）：

為進(jìn)一步提高擬合精度，充分挖掘假人運(yùn)動(dòng)已知數(shù)據(jù)中包含的信息，對(duì)上述回歸模型使用時(shí)間序列預(yù)測法進(jìn)行補(bǔ)充和完善。時(shí)間序列預(yù)測就是利用統(tǒng)計(jì)技術(shù)與方法，從預(yù)測指標(biāo)的時(shí)間序列中找出演變模式，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)預(yù)測指標(biāo)的未來發(fā)展趨勢(shì)做出定量估計(jì)。假定骨盆當(dāng)前時(shí)刻角加速度不僅與同期骨盆加速度有關(guān)，還受到之前一段時(shí)間內(nèi)骨盆加速度累積效應(yīng)的影響。據(jù)此，將前述數(shù)學(xué)模型更新如下公式其中n為時(shí)間序列倒推項(xiàng)數(shù)，由擬合效果改進(jìn)程度隨機(jī)決定。

3 滑車試驗(yàn)驗(yàn)證

在某車型的滑車試驗(yàn)中（如圖3所示），在假人骨盆位置貼上標(biāo)識(shí)點(diǎn)，? ? 并布置高速攝像機(jī)記錄試驗(yàn)過程。

試驗(yàn)后運(yùn)用圖像分析法對(duì)圖像中骨盆標(biāo)識(shí)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行讀取，繪制出假人骨盆X向的位移曲線。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)中獲得的骨盆加速度曲線及滑車加速度曲線，運(yùn)用公式4擬合出假人骨盆旋轉(zhuǎn)角度，如圖4所示。

4 結(jié)論

本文以約束系統(tǒng)仿真模型及整車試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了假人骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡常用分析方法的弊端和不準(zhǔn)確性，對(duì)假人骨盆坐標(biāo)系進(jìn)行研究，獲得假人局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)關(guān)系，并提出骨盆旋轉(zhuǎn)角度的概念，擬合出假人骨盆旋轉(zhuǎn)角度與假人骨盆加速度的數(shù)學(xué)公式，總結(jié)出由整車試驗(yàn)的假人骨盆加速度轉(zhuǎn)化為假人骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡的方法。

參考文獻(xiàn)

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