CN105758353B - 一种碰撞试验中假人膝部位移的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碰撞试验中假人膝部位移的测量方法，包括以下步骤：步骤一、在碰撞试验中，通过安装于假人骨盆处的传感器测量假人骨盆处的加速度和角速度；步骤二、计算H点横向位移Xh(t)：其中，是骨盆角关于时间的函数；α₀为试验前假人骨盆角度；u′为传感器安装点在传感器测量坐标系下X′方向的坐标；v′为传感器安装点在传感器测量坐标系下Z′方向的坐标；APX′(t)是骨盆X′向加速度；APZ′(t)是骨盆Z′向加速度；ASX(t)为座椅固定点X方向加速度，t为时间，τ为积分变量。步骤三、计算假人膝部沿X轴方向位移量X_k(t)：Xk(t)＝Xh(t)+L_F·(cosθ₀‑cosθ(t))其中，θ(t)为在假人大腿角度随时间变化的函数，即大腿两关节点连线与X轴夹角；θ₀＝θ(0)为在碰撞发生前大腿角度；L_F为大腿两关节点间距离。

Description

一种碰撞试验中假人膝部位移的测量方法

技术领域

本发明涉及汽车碰撞试验技术领域，特别涉及一种碰撞试验中假人膝部位移的测量方法。

背景技术

机动车正面碰撞中，乘员膝部伤害产生的原因主要是由膝部与仪表板的碰撞造成的。根据研究，假人膝部伤害程度与其对仪表板的侵入量密切相关，且随着侵入量的增加而逐步增大。然而针对膝部位移的计算问题，往往只能通过计算机建模的方法进行仿真，原因在于碰撞试验中假人姿态变化、手臂摆动和膝部目标位置侵入仪表板等，极易造成标记位置被遮挡的现象，使得传统的采用图像分析软件进行目标追踪分析的方法变得很不可靠，尤其是对于乘员乘坐位置内侧的膝盖，很容易被中控台挡住而无法进行目标点的追踪。当前缺乏一种行之有效的方法对假人的膝部位移量进行测量，尤其是在膝部侵入仪表板后该问题更加突出。

然而，正面碰撞试验中假人膝部对仪表板的侵入量是衡量假人伤害的一个重要指标，Euro-NCAP已经在2011年发布了Knee Mapping台车试验规程，明确提出了对ODB试验膝部侵入量+20mm的仪表板区域进行评价的内容，并要求给出在台车试验中侵入量达标的证据，以证明台车试验的有效性。与此同时，在台车验证试验中得出膝部对仪表板侵入量的试验数据，也可以为仪表板结构设计与改进提供重要的参考。

在碰撞试验中，基于高速摄像对碰撞过程进行分析的膝部目标追踪法是一种比较常用的技术手段。然而，采用膝部目标追踪法记录膝部位移具有很大的不确定性，原因在于这种方法对目标点的可见性依赖较强，假人手部摆动和车辆内饰的遮挡，以及膝部侵入仪表板后目标点的消失，都会造成无法追踪膝部位移的问题。

发明内容

本发明设计开发了一种碰撞试验中假人膝部位移的测量方法，克服了现有膝部目标追踪测量方法中目标点易被遮挡的缺陷，测量出膝部位移，不易受到人员操作方法的干扰。

本发明提供的技术方案为：

一种碰撞试验中假人膝部位移的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、在碰撞试验中，通过安装于假人骨盆处的传感器测量假人骨盆处的加速度和角速度；

步骤二、计算H点横向位移Xh(t)：

其中，是骨盆角关于时间的函数；α₀为试验前假人骨盆角度；u′为传感器安装点在传感器测量坐标系下X′方向的坐标；v′为传感器安装点在传感器测量坐标系下Z′方向的坐标；APX＇(t)是骨盆X＇向加速度；APZ′(t)是骨盆Z′向加速度；ASX(t)为座椅固定点X方向加速度，t为时间，τ为积分变量。

步骤三、计算假人膝部沿X轴方向位移量X_k(t)：

Xk(t)＝Xh(t)+L_F·(cosθ₀-cosθ(t))

其中，θ(t)为在假人大腿角度随时间变化的函数，即大腿两关节点连线与X轴夹角；θ₀＝θ(0)为在碰撞发生前大腿角度；L_F为大腿两关节点间距离。

优选的是，所述假人骨盆处的传感器包括加速度传感器和转角传感器。

优选的是，所述骨盆角为传感器测量坐标系与固定坐标系间夹角，该夹角是关于时间的函数。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种碰撞试验中假人膝部位移的测量方法，采用假人内置的传感器数据计算出H点水平方向动态位移，并利用假人大腿上任意两标记点连线追踪大腿角度，二者结合，利用步骤三公式计算出假人膝部位移。该方法可有效避免单一点被遮挡就无法计算的问题，消除了原有方法对单一点的强烈依赖性，是一种更为准确、安全的计算方法。该方法很大程度的降低了操作人员对测量结果的干扰，并且操作简便，可以缩短试验时间，提高试验效率。

附图说明

图1为本发明所述的碰撞试验中假人位置示意图。

图2为本发明所述的碰撞试验中假人膝部侵入仪表板前和侵入仪表板后位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种碰撞试验中假人膝部位移的测量方法，在汽车碰撞试验中，假人放置于座椅之上，碰撞过程中，假人向前运动，膝部侵入仪表台。在试验过程中，对假人H点位移和膝部位移进行测量。

以假人H点的初始位置为原点O，建立坐标系XOZ，其中水平向前为X向，竖直向上为Z向。该坐标系XOZ在整个碰撞过程中，相对地面静止。

在假人骨盆位置安装加速度传感器和角速度传感器，由于假人安放时，骨盆角并不为0，因此依据传感器测量方向建立另一坐标系X′O′Z′，O′始终与H点重合，X′方向为传感器前方的测量方向，该坐标系X′O′Z′在整个碰撞过程中，与骨盆保持相对静止。两坐标系XOZ和X′O′Z′的夹角为α，是随时间t变化的函数，记为α(t)。

在碰撞前，测量X′O′Z′与XOZ两坐标系夹角，记为α₀；骨盆传感器安装点与H点的相对位置关系，记为(u′，v′)，u＇为传感器安装点在传感器测量坐标系下X＇方向的坐标；v＇为传感器安装点在传感器测量坐标系下Z′方向的坐标。

在碰撞试验过程中，使用加速度传感器和角速度传感器对碰撞假人骨盆位置运动状态进行实时测量，测得骨盆在X′向加速度APX′(t)，骨盆Z′向加速度APZ′(t)，骨盆角速度传感器采集的角速度ω(t)。

安装在座椅固定点处的加速度传感器，测得座椅固定点在X方向的加速度为ASX(t)，只考虑水平X方向分量，忽略竖直Z方向分量。

采集以上基础数据后，即可通过计算得到H点的位移函数。

首先计算骨盆角度随时间变化函数α(t)：

传感器安装点在X向位移函数Xp(t)：

其中，Xp(0)＝u′cosα₀-v′sinα₀；

座椅的X向位移函数Xs(t)：

H点相对座椅固定点的X向位移函数Xh(t)：

Xh(t)＝Xp(t)-u′cosα(t)+v′sinα(t)-Xs(t)；

将α(t)、Xp(t)、Xs(t)的结果带入到函数Xh(t)中，即得到最终结果：

其中，是骨盆角关于时间的函数。

通过上述方法，得到了H点水平方向和竖直方向动态位移函数。

如图2所示，假人的大腿是一个通过H点与骨盆铰接的刚性体，其长度在接触仪表板的整个过程中保持不变，即H点到膝关节铰接点的长度不变，那么便可以通过假人H点沿X方向轴方向位移量来推断膝部沿X轴方向位移量，从而进一步得出假人膝盖对仪表板的侵入量。由于在膝部侵入仪表板过程中，假人下肢受到阻力，使假人下肢沿关节转动，造成膝部位移量小于骨盆位移量，因此还需要对H点的位移量进行一定的修正，才能准确的得出膝关节的位移值。

在整个碰撞过程中，大腿两关节点连线与X轴夹角的角度函数为θ(t)；且在碰撞发生前大腿角度为θ₀；大腿两关节点间距离为L_F。则计算假人膝部沿X轴方向位移量X_k(t)为

Xk(t)＝Xh(t)+L_F·(cosθ₀-cosθ(t))

本发明提供的一种碰撞试验中假人膝部位移的测量方法，采用假人内置的传感器数据计算出H点水平方向动态位移，并利用假人大腿上任意两标记点连线追踪大腿角度，二者结合，利用步骤三公式计算出假人膝部位移。该方法可有效避免单一点被遮挡就无法计算的问题，消除了原有方法对单一点的强烈依赖性，是一种更为准确、安全的计算方法。该方法很大程度的降低了操作人员对测量结果的干扰，并且操作简便，可以缩短试验时间，提高试验效率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种碰撞试验中假人膝部位移的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在碰撞试验中，通过安装于假人骨盆处的传感器测量假人骨盆处的加速度和角速度；

步骤二、计算H点横向位移Xh(t)：

其中，是骨盆角关于时间的函数；α₀为试验前假人骨盆角度；u′为传感器安装点在传感器测量坐标系下X′方向的坐标；v′为传感器安装点在传感器测量坐标系下Z′方向的坐标；APX′(t)是骨盆X′向加速度；APZ′(t)是骨盆Z′向加速度；ASX(t)为座椅固定点X方向加速度，t为时间，τ为积分变量；

步骤三、计算假人膝部沿X轴方向位移量X_k(t)：

Xk(t)＝Xh(t)+L_F·(cosθ₀-cosθ(t))

其中，θ(t)为在假人大腿角度随时间变化的函数，即大腿两关节点连线与X轴夹角；θ₀＝θ(0)为在碰撞发生前大腿角度；L_F为大腿两关节点间距离。

2.根据权利要求1所述的碰撞试验中假人膝部位移的测量方法，其特征在于，所述假人骨盆处的传感器包括加速度传感器和转角传感器。

3.根据权利要求1所述的碰撞试验中假人膝部位移的测量方法，其特征在于，所述骨盆角为传感器测量坐标系与固定坐标系间夹角，该夹角是关于时间的函数。