紧急制动下的驾驶员运动姿态变化与碰撞损伤研究

崔 东，祁志楠，张 慧

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

前言

被动安全技术通过优化车身碰撞结构和匹配良好的乘员约束系统，能最大限度地降低车辆碰撞中的乘员伤害。随着汽车安全技术的不断进步，以自动紧急制动（autonomous emergence braking，AEB）为代表的主动安全技术得到广泛的推广和应用，更好地避免了碰撞事故的发生。德国联邦交通研究所的研究表明，70%的交通事故可通过先进驾驶辅助系统（advanced driver systems，ADAS）来避免［1］，根据E-NCAP测试统计，AEB系统可以降低27%的交通事故［2］。

主动安全系统虽然能避免一定碰撞事故的发生，但是却无法避免全部碰撞事故。主动安全系统的介入，会导致车内乘员和车辆姿态的变化，例如在AEB制动后，车内乘员由于惯性作用而前倾，造成与转向盘、仪表板的距离减小，若此时发生碰撞事故，则可能造成正常匹配的安全气囊不能提供对于乘员的最有效保护。因此，须研究AEB制动后的乘员姿态变化规律，以及乘员姿态变化后被动安全系统如何提供更加有效的保护，从而形成主被动安全一体化的开发策略。

目前AEB制动后的乘员运动姿态的采集方法主要有两种，一种是利用假人模型和试验台架进行，该方法应用能模拟AEB制动过程的台车试验设备和物理假人进行数据采集，通过物理假人躯干的标记点来记录假人的运动情况［3］。相关研究结果表明，利用物理假人模型测试得到的关键部位的位移量比真实人体减少了46%［4］，且相关文献指出，真实人体在制动阶段肌肉会有明显反应，将影响后期人体的运动响应［5-9］。可见利用假人模型采集乘员的运动姿态存在一定的局限性。

另一种是通过志愿者实车试验进行数据采集。Kim等通过志愿者实车试验进行了AEB制动下的人体姿态采集，然后通过视频分析软件进行乘员的运动姿态分析［10］。通过志愿者实车试验的方法能更精准地采集AEB制动过程中车内乘员的运动过程。

本文中通过志愿者实车试验采集了AEB系统制动下的驾驶员姿态变化情况。应用视频分析软件进行数据的分析与处理，得出了驾驶员在不同试验速度、不同制动减速度下的运动姿态变化规律。在试验过程中通过驾驶机器人来模拟AEB制动效果，进一步提高试验精度和一致性。最后通过仿真，分析了驾驶员姿态变化后的碰撞损伤变化情况，为主、被动安全一体化技术的设计与开发提供参考依据。

1 AEB制动下驾驶员姿态研究

1.1 AEB制动下志愿者实车试验

本次试验选取一款中型SUV，轴距为2 865 mm，试验前在车上安装驾驶机器人，通过驾驶机器人控制踏板行程及制动动作，模拟AEB制动下的制动效果，如图1所示。同时在车上布置多个高清车载摄像机用于记录驾驶员的运动过程。

图1 驾驶机器人安装示意图

在A柱、侧风窗、驾驶员左侧门框和志愿者的头部和肩部质心位置粘贴标记点，便于在视频软件中识别和定位，如图2所示。为便于后期与仿真模型对标，测量志愿者处于正常驾驶位置时的乘员空间距离，如表1所示。表中表示的是点到点的距离。

教学风格指教师教学活动的特色，是教师的教学思想、个性特点、教学技巧在教育过程中独特、和谐的结合与表现。教学风格的形成是教师在教学艺术上趋于成熟的标志。教师的教学风格是建立在丰富的教学经验之上的，同时它还要求教师在教学中体现出与众不同的教学个性和对教学艺术的不断追求，一般而言，教学资历较长的教师更容易形成独特、稳定的教学风格。教学风格是教师经过长期教育教学实践而形成的符合自身个性的教学艺术[11]。它是区别不同教师的鲜明特性，也是教师实践性知识最具个性、最显性的表征形式。

图2 乘员舱与志愿者粘贴标记

表1 志愿者驾驶员空间距离 mm

为更准确地分析AEB制动下乘员姿态的运动规律，使试验数据样本更加丰富，设计了6组不同速度、不同制动减速度（0.3g、0.5g和0.9g）的试验矩阵，如表2所示。各速度分组中的前一个速度代表AEB制动初速度，后一个速度代表AEB制动后的末速度，它用于后期研究车辆碰撞人体损伤的车辆碰撞速度。该试验矩阵全面覆盖了高速、中速和低速的多种工况。

1.2 驾驶员运动姿态分析

在后期数据处理过程中，利用视频分析软件的路径追踪功能分别识别头部和肩部的粘贴标记，可输出标记点轨迹的时间历程曲线。以试验速度为“50-40 km/h”、制动减速度为0.9g的试验数据为例，分别对志愿者的头部和肩部的X向进行路径运动轨迹识别，处理结果如图4所示。由图可见，志愿者的头部和肩部的位移均呈先逐渐增大、达到峰值后稍有减小的趋势。

图3 驾驶员运动姿态

根据AEB试验矩阵，共采集了24组驾驶员运动姿态，应用视频分析软件分别对其进行分析，如图3所示。其中1和2分别为志愿者的肩部（标记点）和头部（标记点）的初始位置；3和4分别为AEB制动后志愿者肩部和头部的位置，图中两条曲线分别表示志愿者头部和肩部的运动轨迹。

同理，通过视频分析软件处理志愿者在其它试验中的头部和肩部的运动轨迹，得到试验矩阵中驾驶员头部和肩部的位移最大变化量，如表3和表4所示。

表3 志愿者头部位移量

表4 志愿者肩部位移量

现代远程教育是以现代教育技术为支撑，将信息技术和现代教育思想有机结合的一种新型教育方式，依靠其教学内容、教学方式及教学对象的开放性、教育技术的先进性、学习方式的自主性与获取资源的灵活性等优势，成为现代教育体系中不可或缺的组成部分[3]。现代远程教育环境下课程文化的主要内涵及特色集中体现在课程目标的确立、课程内容的设计以及课程的实施三个层面上。

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图5 驾驶员头部位移趋势图

图6 驾驶员肩部位移趋势图

对比分析两驾驶员头部和胸部的损伤情况，其中头部对颅骨等效应力和颅脑压力进行评估，胸部对肋骨应变和内脏压力进行评估，详细的驾驶员伤害对比如表6所示。

一般情况下选用P>0.05，P<0.05或P<0.01 3种方式表达，无须细分为P<0.001或P<0.0001。当P<0.05或P<0.01，均写为组间比较差异有统计学意义，并写明所用统计分析方法的具体名称，统计量的具体值。如成组设计资料的t检验、方差分析、q检验等。统计量的具体值，如t=2.10，F=8.78等。涉及到具体参数时给出95%可信区间。文中“差异有显著性”“差异无显著性”等均写为“差异有统计学意义”“差异无统计学意义”。差异有统计学意义时，其后标明P值，差异无统计学意义则不写P值。标准写法：差异有统计学意义(P<0.05或P<0.01)；P<0.05为差异有统计学意义。

2 驾驶员碰撞伤害研究

由表6可见，AEB制动后发生正撞情况下，驾驶员的头部和胸部的伤害均出现增大的趋势，其中颅骨的损伤风险增加了51%，颅脑的损伤风险增加了81%，肋骨的损伤风险增加183%，内脏的损伤风险增加了42%。综上分析，由于AEB制动后驾驶员发生前倾，减小了其与转向盘等的距离，现有的安全气囊和安全带的标定策略已不能满足该工况要求。

2.1 约束系统模型的建立

THUMS人体模型是由丰田公司开发的人体有限元生物力学模型，相比传统分析用Hybrid III模型，能更准确地分析人体各部位的损伤情况［11］。针对AEB制动后的驾驶员姿态，选取制动减速度为0.5g，试验速度为“50-40 km/h”的试验数据为样本，通过THUMS姿态调整工具输出AEB制动后的乘员姿态。结合表1的乘员空间距离，分别建立无AEB和有AEB制动的THUMS约束系统正面碰撞模型，如图7所示。

图7 正面碰撞驾驶员约束系统模型

为方便比较两种工况下驾驶员的损伤情况，根据现有被动安全的开发策略对其设定相同的边界条件，其中安全带采用3 000 N预紧限力式，安全气囊体积为50 L，气孔直径为30 mm，安全带的点火时间为12 ms，安全气囊的点火时间为15 ms，详细的约束系统参数如表5所示。

表5 约束系统参数

2.2 乘员伤害分析

通过仿真分析，在同一时刻有无AEB制动时的驾驶员运动姿态如图8所示。可以看出：无AEB制动时，人体与安全气囊接触形态较为合理，没有发生击穿现象；在有AEB作用时，由于人体的前倾影响，人体与气囊接触形态不佳，气囊产生翻转现象，驾驶员胸部与转向盘下轮缘发生接触。

（1）医院感染发生率。统计两组的医院感染率；（2）住院时间和住院费用。统计两组患者的平均住院时间和住院费用。

图8 驾驶员运动姿态

对试验数据统计分析可知，在相同试验速度下，AEB的制动减速度越大，驾驶员头、肩部X向和Z向的位移量越大；当AEB制动减速度为0.3g时，在不同试验初始速度下驾驶员头、肩部X向和Z向的位移量变化不大；在相同的AEB制动减速度下，驾驶员肩部位移随着试验初始速度的增大，其X向位移量有先增大后减小的趋势。分析原因是由于随着车速的增加驾驶员精神更加集中，制动过程中肌肉处于绷紧状态，因此限制了驾驶员的位移量。在相同的AEB制动减速度下，随着试验初始速度的增加驾驶员头部位移的变化趋势较为离散，没有明显的规律。分析原因可能与驾驶员的驾驶习惯产生的不确定性有关。

为进一步探究AEB的介入对发生碰撞事故后驾驶员损伤的影响，根据上述志愿者AEB试验数据，应用THUMS人体模型，建立了驾驶员侧的约束系统模型，研究了在现有被动安全开发策略下，AEB介入后对正面碰撞中驾驶员损伤的影响。

对表3和表4中数据进行趋势分析，结果如图5和图6所示。

3 结论

通过24组志愿者AEB测试试验，借助高清摄像及视频分析软件对驾驶员的运动姿态进行统计分析，得到了在AEB制动过程中驾驶员的前倾位移与制动减速度之间的关系以及相同制动减速度下乘员的前倾位移与车速之间的联系，进而借助THUMS人体模型，分析了在现有被动安全开发策略下有无AEB制动对驾驶员的伤害情况，结论如下。

（1）在相同的试验初速度下，随着AEB制动减速度的增加，驾驶员头、肩部的X向和Z向位移也随之增加；

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（2）当AEB制动减速度较小时，不同试验速度下驾驶员头、肩部的位移量变化不大；

在实际教学的过程中,相关教师严格落实预防医学专业课程集体备课制度,结合教学大纲及教材中案例,以预防医学专业课程研究成果及实践要点为出发点,挑选出最为适宜的案例进行深入分析,把握案例教学基础流程,并且尽可能选择兼顾真实性及可操作性的案例,力求案例源于实践,充分发挥案例对于理论知识引导及载体的作用,待案例描述完后结合案例实际情况提出相关课堂讨论问题,要求学生立足于案例及相关理论知识进行详细分析得出相关结论。同时,除教材中案例外,教学案例选择范围可适当拓宽至临床实践范围,确保案例兼顾实践性、趣味性、针对性、启发性、知识性及典型性。

（3）由于车速的增大会使驾驶员精神更加集中，随着AEB制动初速度的增加，驾驶员肩部的位移随着车速的增大呈现先增大后减小的趋势；

（4）通过仿真分析得出，在现有被动安全控制策略下，当AEB制动后，会导致碰撞后驾驶员头部和胸部的伤害增大。

表6 驾驶员伤害对比