自動駕駛中座椅旋轉速度對乘員的影響*

武和全 ，張家飛 ，胡 林

（1. 長沙理工大學，工程車輛輕量化與可靠性技術湖南省高校重點實驗室，長沙 410004；2. 長沙理工大學，機械裝備高性能智能制造關鍵技術湖南省重點實驗室，長沙 410004）

前言

自動駕駛是智能交通系統（ITS）應用之一，已經被汽車行業在全球廣泛應用［1］，它依靠人工智能、視覺計算、雷達和全球定位系統等協同合作，在無人參與下，由計算機自動安全地操作機動車輛［2］。由國際自動機工程師學會（SAE International）提出的自動駕駛分級方法得到了國際認可，該方法被美國交通運輸部采用［3］。按照我國工信部發布的《汽車駕駛自動化分級》文件，自動化駕駛分成6 級，分別是L0應急輔助，L1部分駕駛輔助、L2組合駕駛輔助、L3有條件自動駕駛、L4 高度自動駕駛和L5 完全自動駕駛［4］。2016 年，特斯拉和日產公司都在量產車型上首次使用了L2級別的自動駕駛技術［5］。在未來的自動駕駛中，車輛不再需要駕駛員的操作，座椅布置也不再是單一朝向，乘客可根據行程的長短自由選擇合適的座椅朝向。自動駕駛汽車作為一種新的高科技產品，其車身結構和車內外環境必然與傳統汽車有所不同，整車的安全性和舒適性也會發生變化。

對于高級的自動駕駛汽車來說，駕駛員從駕駛任務中解脫出來后，不需要坐在轉向盤前操控車輛［6］。自動駕駛汽車座椅和內飾設計的理念包括設置靈活的座椅定位和朝向，以及能夠完全躺臥的座椅［7］。Jorl?v 等［8］對不同年齡段的志愿者進行了研究，確定乘員在長途駕駛情況下最常選擇的座椅朝向。未來智能交通的目標是實現零事故，但在美國密歇根大學交通研究所發布的一項報告指出，對未來自動駕駛技術，零事故幾乎是不可能的，研究還表明自動駕駛技術可能還比不上一位經驗豐富的老駕駛員的駕駛技術［9］。由此可見，自動駕駛技術也很難做到零事故。因此，很有必要以自動駕駛技術為背景開展對乘員損傷研究［10］。在傳統車輛的約束系統中主要研究包括正面碰撞、追尾碰撞和側面碰撞等。當自動駕駛車輛發生無法避免的撞擊時，可以選擇把乘員旋轉至相對安全方向。為了解乘員在各種沖擊條件下的運動學響應，Forman 等［11］進行了正面碰撞試驗，測試條件包括駕駛員與乘員的座椅、有無帶負載限制器的安全帶和有無安全氣囊，并報告前排座椅乘員的全身運動學響應。Michaelson 等［12］研究了后排乘員的正面碰撞運動學，在正面碰撞中后排乘員相對于前排乘員上體旋轉角度較小，骨盆偏移量更大。Lessley 等［13］對 3 種不同坐姿且未系安全 帶 的 人 體 尸 體（post?mortem human subjects，PMHS）進行了純橫向沖擊試驗，用剛性沖擊器對不同坐姿的PMHS 模型右側骨盆處施加4.3 m/s 的沖擊速度，研究骨盆偏移量和生物力學響應。

本文中以自動駕駛汽車為背景，分析汽車安全座椅施加等腰梯形旋轉速度曲線后座椅旋轉至指定角度時乘員的損傷。當傳統車輛發生碰撞前將座椅旋轉至指定角度是不可行的操作，原因是傳統車輛中受內部空間的限制、無法檢測碰撞的發生和傳統座椅無法進行旋轉等。在自動駕駛車輛中去除轉向盤和制動踏板等部件，使車輛內部空間更為寬敞；在自動駕駛車輛中通過車載雷達和傳感器等裝置對汽車即將發生的碰撞進行預判。自動駕駛車輛的實際碰撞場景可包括可檢測和不可檢測情況［5］。在可檢測的情況下，車輛發生碰撞前安全座椅可根據碰撞力度的大小改變乘員在碰撞中的方向。在不可檢測的情況下，例如十字路口的碰撞，車輛碰撞脈沖之前不存在碰撞前的運動，本研究只考慮可檢測到的情況。

在車輛的主動安全系統中，防碰撞系統可識別前方即將發生的撞擊，并提醒駕駛員在碰撞前約1.5 s 采取制動或轉向，如果檢測駕駛員未采取任何措施，防碰撞系統就會在碰撞發生前約0.45 s 自動啟動［14］。在自動駕駛車輛中主動安全系統可以在各種行駛工況下，在碰撞發生前約0.1～0.35 s 識別不可避免的碰撞［15］。本文中提出通過旋轉座椅來改變車內乘員在碰撞中受力方向并改善自動駕駛車輛的安全性，主要從3 個方面進行試驗。首先，利用安全座椅碰撞模型與臺車試驗數據對比驗證。其次，在200 ms 內對安全座椅施加不同的旋轉運動。最后，研究安全座椅旋轉至指定角度后的乘員生物力學，以確定該旋轉運動在乘員損傷方面的可行性。

1 研究方案

本文中基于LS?DYNA 軟件和人體有限元模型（THUMS，版本4.0，AM50 乘員模型）建立仿真平臺預測交通事故中車內乘員的損傷。

1.1 THUMS模型正面碰撞驗證

首先參考Shaw 等［16］的假人（ATD）模型正面碰撞試驗，對THUMS模型進行了正面碰撞驗證。Shaw研究了碰撞減速度（20g和30g）、安全帶角度、肩帶位置等因素對駕駛員在碰撞中損傷的影響。本文中模擬了乘員在碰撞減速度為20g的正面碰撞。利用簡化的車廂僅包含座椅與乘員模型，不包括轉向盤和安全氣囊，乘客僅受到三點式安全帶的約束。安全帶的3 個固定點在汽車座椅上，座椅旋轉時安全帶可與座椅同步轉動。該裝置確保在模擬碰撞過程中，乘員的運動和損傷完全由安全帶控制，碰撞加速度曲線作用于車身。安全帶卷收器的力限值設定為4 kN，預緊力設定為2 kN，座椅靠背角度和座墊角度設置為24°和 14.7°［17］。假人正面碰撞臺車試驗和有限元模型設置如圖1所示。

1.2 旋轉座椅模型的建立

在旋轉座椅試驗中對傳統座椅進行了改進，在傳統座椅的兩側增加了臀部和腿部的擋板結構，可確保在高速旋轉過程中模型的腿部、腳部與安全座椅同步運動，如圖2 所示。該擋板外側包裹著剛性材料，與坐墊外側剛體材料連接，擋板內部材料設置為一種與座椅靠背相同的可變形材料。相比于傳統安全帶，在本次試驗中D環、鎖扣和卷收器等固定點改為與座椅剛體支撐結構進行固定連接，使其隨座椅圍繞同一中心旋轉且旋轉至指定角度后相對位置不變。

圖1 假人試驗與THUMS正面碰撞試驗設置

參照文獻［8］，設置了±45°和±90°共4 種不同的旋轉角度，如圖3 所示。旋轉中心設置為坐墊剛性支撐的質心，參照Wu 等［18］進行的旋轉試驗，本次試驗采用梯形旋轉曲線，如圖4 所示。仿真試驗中記錄乘員損傷評價參數，與標準值對比。根據Savino等［19］的研究，目前防碰撞系統在發生不可避免的碰撞前最多可以提供350 ms 的反應時間，在此時間內駕駛員若未做出相應的操作，安全座椅將會旋轉至相應角度。在本試驗中：0-25 ms 內安全帶發生預緊，將駕駛員背部與座椅靠背緊密地結合在一起使之與安全座椅同步旋轉；25-225 ms 為旋轉階段，安全座椅和假人模型旋轉至指定角度。

圖2 旋轉模型設置（單位：mm）

圖3 座椅旋轉角度設置

圖4 旋轉角速度設置

1.3 旋轉仿真試驗中乘員損傷評價

對于旋轉試驗，記錄輸出頸部軸向受力和彎矩，用于計算標準頸部損傷指數（normalized neck injury criteria，NIJ）。胸部損傷參數參考 Kintagawa 等［20］的研究，測量圖5 中所標測點在整個旋轉過程中前、后和側向位置的胸骨壓縮量，同時還可以觀測出骨折數目、肋骨骨折位置和胸腔內部的應力分布情況。在旋轉試驗過程中，頭部質心（CG）處有傳感器采集并記錄相應的數據，用于計算頭部損傷數據（brain injury criteria，BRIC）［21］。根據 Yoganandan 等［22］的研究，測量頸部前韌帶（ALL）、后縱韌帶（PLL）、關節囊韌帶（CL）、黃韌帶（LF）和棘突間韌帶（ISL）的最大主應變，并用此來評價頸部韌帶損傷情況。同時輸出頭部質心CG 節點運動軌跡來描述頭部與座椅之間的相對位置和運動狀態。

圖5 胸骨壓縮量測量點分布圖

2 試驗結果

2.1 THUMS模型正面碰撞驗證結果

THUMS 模型與假人模型運動學響應如圖6 所示。在試驗開始后的40 ms 期間，由于慣性的作用，THUMS 模型向前滑動；模型上身軀干受到肩帶的約束并于60 ms 時安全帶拉伸量達最大，雙臂開始向前拉伸；80 ms 時雙臂繼續被向前拉伸，頭部和頸部有向下彎曲的趨勢。受慣性力的影響手臂繼續向前拉伸，頭部繼續向下彎曲并于100 ms達到最大值。仿真結果與假人試驗運動基本一致，說明仿真得到THUMS 正面碰撞試驗的驗證。

2.2 旋轉仿真試驗

圖6 正面碰撞驗證試驗中模型運動學響應對比

圖7 為不同角度的座椅旋轉試驗運動學響應。以車輛地板為參考系每隔45 ms 輸出一個動畫。在該座椅旋轉試驗中0-25 ms 內為安全帶預緊階段，25-225 ms 為座椅和乘員旋轉階段。在-45°旋轉試驗中45 ms 時由于速度低，假人姿態沒有明顯改變；90 ms 時由于腿部擋板的約束假人右腿與右側腿部擋板接觸，頸部有向肩帶靠近的趨勢，即將與肩帶發生接觸；135 ms 時擋板約束了假人右腿繼續向右移動的趨勢，此時，假人左右腿相對距離縮短，乘員頸部與安全帶接觸，會出現“卡脖子”現象，肩帶與頸部接觸時間不長；180 ms 時旋轉速度處于減速階段，頸部“卡脖子”的程度會降低；225 ms 時旋轉停止，假人右腿與右側擋板分離，下肢相對距離趨于正常。在-90°旋轉試驗中，由于旋轉速度增大，各時刻運動學響應相對于-45°旋轉更為劇烈，在135 ms時假人下肢相互接觸，頭部偏移量更大；225 ms 時頭部未恢復至原始位置。

+45°旋轉試驗中45 ms時由于速度低，假人姿態沒有明顯改變；90 ms時由于腿部擋板的約束假人左腿與左側腿部擋板接觸，頸部有向肩帶遠離的趨勢；135 ms 時擋板約束了假人左腿繼續向左移動的趨勢，此時假人左右腿相對距離縮短，乘員頸部與安全帶相對位移較大；180 ms時旋轉速度處于減速階段，頸部與安全帶的相對位移會逐步縮短；225 ms 時旋轉停止，假人左腿與左側擋板分離，下肢相對距離趨于正常。在+90°旋轉試驗中，由于旋轉速度增大，各時刻運動學響應相對于+45°旋轉更為劇烈，在135 ms時假人下肢相互接觸，頭部偏移量更大；225 ms時頭部未恢復至原始位置。在旋轉試驗過程中，±90°旋轉試驗中頭部CG相對位移明顯大于±45°試驗，乘員頭部質心（CG）運動軌跡如圖8 所示。圖9 為4 種旋轉角度下胸部肋骨最大應力云圖。從圖9 可知，肋骨未發生骨折。

表1 所示為乘員旋轉過程中胸部變形量和頸部韌帶應變參數。由表可見，各部位損傷值均小于閾值，在旋轉過程中未發現肋骨和四肢等其他部位骨折，說明本試驗在200 ms 內將乘員旋轉至±45°和±90°不會造成乘員損傷。

圖8 頭部CG運動軌跡

圖9 肋骨最大應力云圖

表1 4種角度下的乘員損傷預測

3 討論

THUMS 模型正面碰撞試驗結果發現：60 ms 后THUMS 模型與假人試驗腿部的運動響應不一致，其主要原因為假人腿部前方設有下肢擋板，阻礙了下肢向前運動的趨勢；而頭部運動學響應與假人試驗高度一致，均是在100 ms 時刻產生最大角位移，上肢的運動趨勢與假人試驗高度符合，80 ms時上肢均為前向拉伸，100 ms時繼續前向拉伸，達到最大拉伸位移。

在旋轉試驗中，運動學響應分為兩個階段。第一階段，0-25 ms 內為安全帶預緊時間，為保證在旋轉過程中可以使人體模型與座椅同步運動，在安全帶預緊時間內預緊機構可以提供2 kN 預緊力，在預緊力的作用下可能會出現胸部骨折。在安全帶預緊的同時由于重力的作用人體模型向下移動與柔軟的坐墊緊密接觸。第二階段，25-225 ms 為安全座椅旋轉時間。在±90°旋轉試驗中頭部CG 相對位移比±45°更為明顯，頭部的損傷與旋轉角度呈正相關，如圖8所示。圖10為座椅旋轉的兩種速度曲線。其中，等腰梯形旋轉速度曲線的峰值，比正弦旋轉速度曲線約低20%左右，可以在一定程度上降低乘員在旋轉過程中的損傷。根據表1 頸部韌帶應變參數可知其均在閾值范圍內，但±90°旋轉比±45°旋轉乘員頸部所受損傷值更高，表明在相同的時間內旋轉的角度越大損傷風險就越高。

圖10 兩種旋轉速度曲線對比

4 結論

采集LS?DYNA 仿真軟件，以速度和方向為試驗變量，對4 組汽車安全座椅不同旋轉方向和速度進行仿真，進一步統計分析了不同方向和旋轉速度條件下乘員胸部、頭部、頸部和韌帶損傷的差異，并對其進行顯著性驗證，得出如下結論。

（1）在相同旋轉方向、不同旋轉角度的試驗中，乘員胸部、頭部、頸部和韌帶損傷有顯著的差異。在90°旋轉試驗中胸部壓縮量、頭部BRIC、頸部NIJ 和韌帶損傷均大于45°旋轉試驗；90°旋轉試驗的乘員運動學響應比45°旋轉試驗更劇烈，在相同的時間內旋轉角度越大，各部位相應的損傷也就越大。

（2）在相同角度、不同旋轉方向的試驗中，乘員胸部壓縮量、頭部BRIC、頸部NIJ和韌帶損傷差異不明顯。負方向旋轉時，乘員其頸部損傷值NIJ 大于正方向旋轉，主要原因是負方向旋轉中頸部與安全帶發生“卡脖子”現象所致。

（3）通過該試驗方案驗證了旋轉速度曲線應用的可行性。試驗中200 ms內將乘員旋轉±90°和±45°乘員頭部、胸部和頸部等損傷參數均在閾值范圍內，不會引起乘員額外的傷害。

（4）假人試驗結果發現，在±90°旋轉過程中，下肢與兩側擋板均有接觸，后續研究中可以增加下肢損傷指數的研究，并在保證乘員不受額外損傷的前提下探究最高旋轉速度及其在實車中的應用。