主動(dòng)式人體模型開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究
時(shí)間：2024-04-11
主動(dòng)安全系統(tǒng)AEB（Autonomous-Emergency-Braking）目前在車輛上的搭載率日益提升，主動(dòng)剎車逐步成為日常駕駛過程中不可或缺的功能。當(dāng)車輛識(shí)別到前方障礙物時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)避免碰撞或者降低碰撞速度減輕傷害。該系統(tǒng)作用過程中，車內(nèi)乘員的姿態(tài)受制動(dòng)減速度、車速、駕駛員意識(shí)行為等多重因素影響。為探究AEB介入碰撞場景情況下車內(nèi)乘員的行為姿態(tài)，工程院安全開發(fā)部開展了上百次真實(shí)人體道路試驗(yàn)，同時(shí)為開發(fā)符合實(shí)際情況的主動(dòng)式人體有限元模型進(jìn)行了深入研究。
圖1 AEB介入下乘員離位姿態(tài)示意圖
道路實(shí)驗(yàn)中，使用制動(dòng)機(jī)器人模擬AEB制動(dòng)減速度的輸入，多傳感器集成設(shè)備結(jié)合攝像頭采集不同體征的志愿者離位響應(yīng)以及肌電信號(hào)。對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，研究了離位位移隨影響因素變化的規(guī)律性以及個(gè)體化差異所帶來的離散型變化。通過對各個(gè)部位的肌肉激活程度的參數(shù)標(biāo)定和對比，發(fā)現(xiàn)下肢、中斜方肌、指伸肌在駕駛員無意識(shí)狀態(tài)下激活特征更明顯。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果幫助我們深入理解主被動(dòng)安全技術(shù)下乘員離位的真實(shí)情況，并為開發(fā)主動(dòng)式人體有限元模型奠定基礎(chǔ)。
圖2 實(shí)驗(yàn)場地及設(shè)備
主動(dòng)式人體有限元模型采用了被動(dòng)有限元模型與主動(dòng)控制模型耦合的方法，解決實(shí)際情況中骨骼肌等效問題。通過CT掃描獲得層厚0.625mm人體圖像，結(jié)合有限元方法構(gòu)建高度仿生的人體肌肉被動(dòng)有限元模型，通過輸入實(shí)際采集的肌肉激活曲線結(jié)合PID控制策略，模擬肌肉收縮搭建主動(dòng)控制模型，最后對耦合模型適用性進(jìn)行對標(biāo)驗(yàn)證，模型的頭部、肩部、頸部的離位姿態(tài)均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合。
圖3 主動(dòng)式人體模型開發(fā)流程
目前工程院安全開發(fā)部成功構(gòu)建了具有真實(shí)場景、樣本豐富、多因素變量特征的預(yù)碰撞信息數(shù)據(jù)庫，為主被動(dòng)融合虛擬測評標(biāo)定提供堅(jiān)實(shí)可靠的數(shù)據(jù)來源。主動(dòng)式人體模型的相關(guān)衍生技術(shù)已得到專利保護(hù)，目前團(tuán)隊(duì)具有成熟的開發(fā)主動(dòng)式人體模型的能力，可以利用該技術(shù)開發(fā)不同體征、性別、年齡的主動(dòng)式人體模型，同時(shí)具備開發(fā)不同部位的主動(dòng)式子模型的技術(shù)能力。該技術(shù)的優(yōu)勢在于模型能夠模擬真實(shí)的人體反應(yīng)，從而更準(zhǔn)確地評估車輛在不同碰撞場景下的安全性能，提供更加精準(zhǔn)全面的車輛安全性能開發(fā)方案。
圖4 主動(dòng)式人體模型對標(biāo)分析
主動(dòng)式人體模型作為一種先進(jìn)的開發(fā)工具，在汽車安全開發(fā)、航空安全研究、其他交通工具安全評估等多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場景，在推動(dòng)交通安全技術(shù)的革新上發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著科技的發(fā)展及新一輪的技術(shù)升級(jí)，主被動(dòng)融合技術(shù)將在未來交通參與者事故場景中發(fā)揮更大的作用，為交通安全性能的提升提供強(qiáng)有力支持。
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