基于数理分析的假人骨盆运动轨迹研究

鲁爽 明星宇 崔东 胡帛涛

摘 要：以约束系统仿真模型及整车试验数据为基础，对假人骨盆旋转角度与假人骨盆加速度的关系进行研究，运用数理分析方法拟合出计算骨盆旋转角度的数学公式，总结出由整车试验的假人骨盆加速度转化为假人骨盆运动轨迹的方法，解决了通过整车试验录像无法定量分析假人骨盆运动轨迹的难题。为下一步约束系统匹配和参数优化提供基础和依据。

关键词：骨盆旋转角度;骨盆运动轨迹;骨盆加速度;数理分析

中图分类号：U467.1  文献标识码：A  文章编号：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

整車试验中假人的运动情况，通过录像一般只能进行定性分析，很难进行定量分析，不能获得精确的假人运动轨迹。而且车门遮住了假人颈部以下部位，对于假人胸部、骨盆的运动轨迹无法通过录像观察到。如何通过试验数据获取假人运动轨迹，是工程师们迫切想解决的问题。但目前国内外对于整车试验假人运动轨迹的研究极少。

本文通过分析骨盆运动的常用研究方法，找到存在的问题，提出用数理分析方法，获得整车试验中假人骨盆的运动轨迹，清晰描述碰撞过程中假人的运动姿态，为约束系统匹配明确优化方向和参数，提高优化方案的准确性，节省车型开发过程中滑车试验、整车试验的次数，节省成本，提高工作效率。

1 假人骨盆运动轨迹常用分析方法

在整车碰撞试验中，一般会测得假人骨盆、胸部、头部等区域的加速度（X、Y、Z）曲线，根据物理学知识可以得知，对加速度曲线进行积分，可以获得速度曲线，再通过对速度曲线进行积分，可以获得位移曲线，将该位移曲线减去整车的位移，则认为是假人相对整车的运动轨迹。

本文选取某车型正面刚性壁障碰撞试验中的骨盆X向加速度曲线，对加速度曲线进行两次积分，获得骨盆X向位移曲线。

在正面刚性壁障碰撞中，测得车身加速度，对其进行两次积分，可以获得整车的运动距离，理论上，将假人的骨盆位移减去整车的运动位移，即可得到假人骨盆相对整车的位移，假人骨盆相对整车的X向位移最大值为315mm，根据试验前测量乘员空间数据可知，假人腹部到方向盘下轮缘距离为195mm，如果按照此方法计算得到的位移分析，意味着假人腹部已经嵌入方向盘下轮缘，但实际试验中，假人腹部并未和方向盘下轮缘发生接触，可见该方法获得的骨盆X向位移偏大。

2 数理分析方法分析假人骨盆运动轨迹

2.1 假人骨盆坐标系研究

建立驾驶员侧约束系统仿真模型，如图1所示，为了观察骨盆坐标系在假人碰撞过程中如何运动，采用辅助方法，增加三个杆，与骨盆连接。如果骨盆发生运动，或者旋转，则三个杆会随之一起运动。

从仿真动画观察代表骨盆坐标系X、Y、Z轴的三个杆，如图1所示，发现杆在平动的同时，也有一定的旋转。

2.2  假人骨盆坐标系转换

骨盆局部坐标系与整车坐标系在初始时刻存在一定的夹角，经测量，该仿真模型的骨盆坐标系与整车坐标系的初始夹角为22.7°，因此骨盆局部坐标系相对于整车坐标系的角度应为初始夹角与骨盆坐标系自身旋转角度之和。

将骨盆局部坐标系与整车坐标系进行简化，如图2所示。通过数学公式，将骨盆的X向、Z向局部加速度拟合为整车坐标系下的全局加速度：上述公式中，a为骨盆初始角度，可以在试验中测量，只有θ是未知量，其他均为已知量。因此运用数理分析方法研究假人运动轨迹的重点是获得骨盆旋转角度θ。

2.3 假人骨盆旋转角度拟合方法

从理论层面看，骨盆旋转角度的二阶导数，即角加速度与骨盆X向、Z向局部加速度及车身加速度之间应存在相关关系。运用回归分析法，确定两种或两种以上变数间相互依赖的定量关系，建立数学模型。以骨盆两方向局部加速度accx、accz及车身加速度accs为解释变量，使用二次回归模型拟合角加速度 ，即公式（3）：

为进一步提高拟合精度，充分挖掘假人运动已知数据中包含的信息，对上述回归模型使用时间序列预测法进行补充和完善。时间序列预测就是利用统计技术与方法，从预测指标的时间序列中找出演变模式，建立数学模型，对预测指标的未来发展趋势做出定量估计。假定骨盆当前时刻角加速度不仅与同期骨盆加速度有关，还受到之前一段时间内骨盆加速度累积效应的影响。据此，将前述数学模型更新如下公式其中n为时间序列倒推项数，由拟合效果改进程度随机决定。

3 滑车试验验证

在某车型的滑车试验中（如图3所示），在假人骨盆位置贴上标识点，    并布置高速摄像机记录试验过程。

试验后运用图像分析法对图像中骨盆标识点的坐标进行读取，绘制出假人骨盆X向的位移曲线。同时，根据试验中获得的骨盆加速度曲线及滑车加速度曲线，运用公式4拟合出假人骨盆旋转角度，如图4所示。

4 结论

本文以约束系统仿真模型及整车试验数据为基础，分析了假人骨盆运动轨迹常用分析方法的弊端和不准确性，对假人骨盆坐标系进行研究，获得假人局部坐标系与全局坐标系的数学关系，并提出骨盆旋转角度的概念，拟合出假人骨盆旋转角度与假人骨盆加速度的数学公式，总结出由整车试验的假人骨盆加速度转化为假人骨盆运动轨迹的方法。

参考文献

[1] 李佳耀，尹长青，崔泰松，赵会.台车试验假人骨盆运动轨迹测量方法研究. 2013第十六届中国汽车安全技术国际研讨会.

[2] 中国汽车技术研究中心. C-NCAP管理规则（2015版）[R].2015.