车辆碰撞模拟仿真分析假人模型

关于车辆碰撞仿真分析用人体模型的认识
——学习笔记及认识总结
李良 车辆工程 30608020406
人体模型：以人体参数为基础建立，描述人体形态特征和力学特征的有效工具，是研究、分析、设计、评价、试验人机系统不可缺少的重要辅助手段。

根据人体模型的用途进行分类：
1、设计用人体模型——汽车用H 点人体模型
2、作业分析用人体模
3、工作姿势分析用人体模型
4、动作分析用人体模型
5、人机界面匹配评价用人体模型
6、动力学分析用人体模型
7、运动学分析用人体模型 8、试验用人体模型——汽车碰撞试验用人体模型
一、概况介绍
车辆碰撞仿真分析用人体模型
车辆碰撞过程中，车内成员运动的动力学过程具有大位移、非线性、多自由度、瞬时性等特点，建立适合于这些特点的、基于多体系统动力学的人机模型，是进行车辆碰撞过程车内成员运动响应分析的关键技术问题。

基于多体系统动力学的二维和三维人体模型，应用于汽车碰撞过程中乘员运动响应的仿真分析、汽车碰撞行人事故中人体运动的仿真分析等问题的研究。

人体模型的结构：（以 MUL3D 汽车碰撞人体运动响应 为例）
1、人体模型的组成：13个刚体——头部、颈部、胸部、腰腹部、臀部、左右上臂、左右前臂和手、左右大腿、左右小腿和足。

2、相邻刚体之间的铰接约束形式根据人体关节的解剖学结构特点选取。

胸部与左右上臂之间的肩关节 ——万向节
人机系统匹配评价用人体模型
车辆碰撞仿真分析用人体模型
左、右上臂与左、右前臂之间的肘关节——转动副
左、右大腿与左、右小腿之间的膝关节——转动副
其它各关节——球面副
3、为了描述和计算人体与车身有关结构之间的碰撞力，根据碰撞接触的可能形式，将人体模型各组成部分的形状用椭球加以描述，将车身有关结构部分的形状用平面加以描述，按椭球与平面的贯穿接触来计算贯穿接触力。

二、虚拟现实中多刚体人体模型的构建
1、人体Hanavan 模型概述
在虚拟环境中模拟人体运动，首先就是要建立逼真的人体模型。

从运动生物力学角度看，还要建立运动技术的力学模型，必须知道内在规律和约束条件两类因素。

人体的外形主要是由人体的骨骼结构和附着在骨骼上的肌肉运动决定的。

在人体运动过程中，皮肤的形变随着骨骼的弯曲和肌肉的伸展与收缩而变化。

人体外形模型构建通常采用棒模型、表面模型和体模型三种方法。

棒模型是将人体轮廓用棒图形和关节来表示。

表面模型是由一系列多边形和曲面片的表面将人体骨骼包围起来表示人体外型，该模型可以通过修改表面点来表示人体的运动，也可以消除其隐藏面，真实感较强，但有限的多边形面表示人体表面光滑性不够。

体模型是由基本体素的组合来表示人体外型，如采用圆柱体、椭球体、球体等体素来构造人体。

人体在忽略受力产生形变的情况下，可看作一
个由关节点连接的多个刚体所构成的系统。

人体运
动仿真系统的人体模型通常采用的是汉纳范
（Hanavan）模型。

它将人体分解为1 5 段，由头、
上躯干、下躯干、左上臂、左下臂、左手、右上臂、
右下臂、右手、左大腿、左小腿、左脚、右大腿、
右小腿、右脚组成，每一段皆为匀质
的不可变形的刚体，各段之间以绞链相连接[5]。

对
于一般的刚体，任意时刻只要知道它的空间位置、
姿态，就能在空间中描述这个刚体。

而人体不同于
一般的刚体，人体是由200 多个旋转关节组成的复
杂形体，仅仅依靠三个位置量、三个姿态角不能模拟真实的人体运动，需要提供所有的关节数据。

所以人体运动的仿真要远复杂于一般的刚体，也就更具挑战性。

2、三维人体模型设计
由于人体结构的复杂性，有必要对人体进行抽象和简化，为了更好的描述运动，把人构造成层次结构。

人体骨架模型主要由关节和骨骼构成。

有些关节结构比较复杂，比如肩关节，它实际上由很多组织构成，但这里只把它当作一个类似铰链的关节。

对于骨骼也作了简化，比如前臂本来是由尺骨和桡骨组成的，这里把尺骨和桡骨合并为一个骨骼，把骨骼看作不可形变的刚体。

关节是连结人体各部位的环节，也是人体运动的枢纽，是传递力和力矩、使人体能作正常运动的重要器官。

人体关节的自由度多，因而可实现许多精细运动。

人体各个关节（分为车轴关节、滑车关节、椭圆关节、鞍状关节、球窝关节）活动的方向与角度，与关节的表面形态有密切的关系，且决定着关节运动的自由度[ 2 ]。

一个物体沿X（Y、Z ）轴方向移动称具有一个自由度，绕X（Y、Z ）轴方向转动称具有一个自由度，要确定一个物体的空间位置和姿态至少需要六个自由度。

人体关节根据实际运动动作通常被模拟为圆柱绞、万向绞和球铰，它受到人体运动生理上的限制。

所有关节，在健康状态下加上肌肉和韧带的关系，某一关节的自由度不多于3 个，所以必须明确人体各关节运动的约束条件。

人体模型中各肢体之间存在一定的运动连带关系。

将关节看成点,将关节之间的骨骼看成是链,就可以按照运动关系将各肢体链接起来。

人体分层结构其实就是树形结构。

每个节点只有一个父亲，根节点无父亲；关节的父亲和儿子是骨骼，每个关节只有一个儿子；骨骼的父亲和儿子是关节；每块骨骼可能有多个子关节。

根据汉纳范（Hanavan）人体运动系统模型，总共定义了15 个关节15 块骨骼；根骨骼是下躯干骨骼，其父关节是jRoot，是面向世界坐标的，是树的总根。

3、三维人体模型设计实现
针对人体模型的复杂性，采用参数化的方法来表述人体的拓扑信息、几何信息以及物理信息。

即把人体分成由不同的块和关节组成，各个块和关节用参数来描述，然后用树结构把各块的关系表示出来。

对于人体模型的构造过程，具体来说，可根据某一个块的参数来构造出人体某一部分的骨架，这个骨架是采用面向对象技术，由骨骼类、关节类按具体的基本形体来表现[ 4 ]。

人体模型的主要目的是进行人体运动仿真研究，以及提供虚拟现实或三维游戏角色。

运用面向对象技术将人体划分为骨骼类、关节类，按人体结构层次建立了人体多刚体模型，为今后实现人体运动打下了基础。

人体模型的各关节的活动均可由成员变量控制，这样就可以根据人体运动方程和碰撞检测结果，完成站立、坐下、下蹲、卧倒、步行、奔跑、跳跃、攀援、爬行、游泳、取物、推拉、射击等基本动作[1]。

开发者也可以根据需要，组合出更加复杂的人体动作。

三、汽车碰撞过程中人员响应的仿真建模
通过人机工程分析, 构造多刚体系统的人体模型, 应用数理方法, 建立高速公路汽车碰撞乘员动力学响应的数学模型, 应用该模型可以部分代替实车碰撞试验, 进行汽车主、被动安全性能的计算机仿真研究以及乘员致伤机理研究。

近年来, 我国高速公路里程增长迅速, 由交通事故统计资料发现我国高速公路上汽车追尾冲突事故占很高的比例。

汽车发生追尾冲突时, 由于惯性, 乘员的头部、胸部、大腿和小腿等将发生移动和碰撞, 导致乘员身体受伤及颈部产生挥鞭样损伤。

以汽车正面碰撞事故中乘员的运动为原形, 在人因分析的基础上建立人体的物理和数学模型, 并进行计算机仿真, 研究汽车碰撞过程中乘员的动力学响应, 从而为交通事故中乘员损伤程度的判定、车内的安全保护设施的结构布置和材料特性以及它们对乘员安全影响的研究提供科学依据。

1、人因分析和人体建模
在汽车碰撞研究中, 人体可用假人, 也可用力学和数学模型来模拟。

前者关键在于使研制出的假人能符合人体的生物学特点, 如模拟人体各关节的铰的自由度、刚度阻尼特性以及模拟人体肌肉材料的响应特性, 要符合人体实际情况。

后者关键在于所建立的人体模型的响应特性(如对冲击力、加速度等输入的响应) 应符合人体响应特性[ 1 ]。

人体运动仿真是由生物力学，计算机图形学，机器人学等学科交叉而形成新兴的研究方向。

人体建模的主要过程包括:(1) 确定人体模型的组成部分, 包括各部件(器官)、约束(关节) 及其几何外形等; (2) 取得描述人体模型的空间方位、几何及运动物理参数等各种数据; (3) 确定全局坐标系, 组装模型, 并使各部件的局部坐标简化, 便于分析计算; (4) 对人体模型初步校核, 消除尺寸误差, 限定各关节的运动范围; (5) 对人体模型添加附加约束、力和运动, 构造人机系统模型, 将其应用于具体问题中进行分析研究。

此外, 还可根据实际情况对人体模型及其环境
适当简化而不影响分析结果, 从而更有利于模型的建立,
实现运动仿真。

把坐姿状态的人体简化为由铰链接的七个刚体的多
刚体系统, 如图所示。

刚体B i ( i = 1, 2, 3, 4, 5, 6) 分别代表人体的脚、小
腿、大腿、身躯、头颈、上臂和前臂, 铰O i ( i = 1, 2, 3,
4, 5, 6) 分别代表相应的关节。

由铰链接的刚体偶对之间的相对运动只有转动。

在对人体头颈部的仿真非常重要, 因为在实际的交通事故中由于头颈伤害致死的比例相当大[ 2 ]。

头颈的显著特点是颈椎相邻体之间有相对滑动, 因此在模型中将其定义为一个复合运动副, 即在三个方向转动的球面副的基础上增加了一个竖直方向滑动的移动副, 使其更接近头颈部真实的运动状态。

多刚体人体模型体铰示意图
描述模型的参数主要包括:人体总体尺寸与各部位的尺寸、质量、惯量和体积等参数, 各种组织器官的密度、杨氏模量和泊松比等。

本人体模型所需数据主要包括: (1) 描述乘员的基本数据, 主要来自于文献[3 ]; 对中国成年人体几何参数, 主要参照了中国成年人体尺寸标准数据[ 4 ]; 力学参数主要参照文献[5 ] 中提供的实验所得中国成年人体的真实测量数据。

(2) 人体在碰撞前的运动参数(如位置、速度等)。

(3) 与运动有关的物理参数。

可通过对人体进行运动分析实验, 来获得其运动规律的实测值, 从而得出与运动有关的物理参数, 如刚度、弹性模量和阻尼系数等。

模型的运动响应时间序列图
运用该模型对汽车碰撞中运动响应的时间序列进行了计算, 如上图所示, 其对应时间段的姿势与文献[6 ]、文献[7 ] 中对假人实验结果的描述基本符合, 表明所建人体模型具有很好的实用性。

2 碰撞的物理和数学模型
2.1物理模型的建立
乘员- 汽车系统的物理模型
乘员- 汽车系统的简化方法:
(1) 人体模型为由铰链接的七个刚体的多刚体系统;
(2) 座椅靠背和头部保护装置用刚体框架代替, 其连接刚度用非线性弹簧和阻尼器模拟;
(3) 座椅和头部保护装置的软垫及安全带用非线性弹簧模拟;
(4) 乘员的脚和汽车内部底板之间的相互接触作用用非线性弹簧和阻尼器模拟。

所用弹簧和阻尼的运动和力学特性、链接处运动和力学特性由试验取得。

本文针对高速公路中汽车正面冲突的特点, 建立一个模拟汽车正面冲突中前、后两车乘员的动力学响应的二维八自由度模型, 如上图所示。

2.2数学模型的建立
当前多刚体系统动力学研究方法很多, 主要有牛顿2欧拉法(N 2E 法)、拉格朗日2欧拉法(L 2E法)、罗伯森2维滕伯格法(R2W 法)、凯恩法(Kane 法)、变分法(Gau ss 最小约束原理法) , 本文将采用L - E 法进行动力学建模。

拉格朗日方程为
把上述广义坐标和E K , ED , E P 的表达式代入拉格朗日方程, 经推导、整理得以下数学模型方程式: 前后方向(X 轴) 运动方程式、上下方向(Y 轴) 运动方程式、座椅回转运动方程式、乘员头部回转运动方程式、乘员躯干回转运动方程式、乘员大腿回转运动方程式、乘员小腿回转运动方程式、乘员头部保护装置回转运动方程式。

3 计算仿真程序步骤
①输入参数初始值;
②计算T = 0 时刻乘员身体各部分的位移、速度、加速度等输出参数的结果并存储;
③设定计算步长$T ;
④T = T + △T ;
⑤如果T < T max (T max 为设定的T 的最大值) , 则计算新时刻的模拟参数值, 否则转向第⑦步;
⑥判断迭代是否收敛?若收敛则存储结果并转向第④步, 若不收敛则使T =
0、△T = △T /2,转向第③步;
⑦输出模拟结果;
⑧询问是否进行第二次计算? 是, 则转向第①步, 否, 则结束程序。

4 计算仿真分析
向软件输入实验所用的假人配置和计算结果, 用同样的假人做实验, 测量实验结果, 两种结果对比如下所示。

5 模型与现实比较的结论
以现代高速公路上汽车正面碰撞为研究对象, 通过人因分析, 建立乘员响应的物理和数学模型, 计算结果和实验结果比较接近, 表明该模型具有较高的模拟精度, 可部分代替假人台车碰撞和实车碰撞实验, 具有一定的实用价值。

计算值和实验值在碰撞初期非常接近, 但后期差异较大, 这是由于计算时将人体视为刚体的假定所致, 进一步修正刚体假定所带来的误差, 使得计算结果更接近实际值, 是今后进一步的研究方向。

四、模型技术的应用——车辆碰撞事故再现技术
1 车辆碰撞的计算机仿真
车辆碰撞事故的车速鉴定、交通事故防治和行人保护等方面是目前车辆安全技术应用研究的重点。

在汽车安全研究领域, 计算机仿真是经济而有效的分析方法, 具有周期短、费用低、精度高和可重复等优点, 广泛应用于交通事故再现、汽车及其安全装置、道路设施的设计, 以及碰撞中人体生物力学响应分析等研究方面。

利用计算机仿真技术研究汽车人机系统在车辆行驶过程中的运动变化, 特别是碰撞过程的仿真分析, 对提高汽车安全性、防治交通事故和增进人体保护等方面具有重要的意义。

由于计算机软、硬件的发展和汽车市场的竞争日益激烈, 国际上近20 年来, 汽车碰撞的计算机仿真技术发展迅速。

进入80 年代, 欧美等先进国家推出了用于汽车碰撞仿真的商业化软件包, 著名的有LSODYNA3D、SMAC、PAMCRASH 和MADYMO 等。

这些功能强大的软件包在安全车身开发、事故鉴定分析、碰撞受害者保护、碰撞试验用标准假人开发和人体生物力学等研究工作中发挥了较大作用。

国内一些高校和科研机构正在积极从事汽车碰撞理论与仿真技术的研究。

尽管总体上与国外相比还有很大差距, 但预计不久的将来, 在我国会有适于工程应用的仿真软件问世, 汽车碰撞的计算机仿真技术将会有更为广泛的应用。

车辆碰撞计算机仿真技术的一个主要应用方面就是交通事故的再现, 辅助事故处理人员快速、高质量地进行现场勘察、参数计算和事故分析, 进而研究事故发生的原因, 探求避免事故、减少损失的策略。

2 事故再现的模型
图1 事故再现的理论与技术车辆碰撞的事故再现是在事故发生后, 由车辆的最终位置开始, 运用按相关理论方法、实验数据以及专家经验建立的运动学和动力学模型往回推算, 即:碰撞后阶段] 碰撞阶段] 碰撞前阶段, 使整个事故过程的实际情况在时间和空间上得以重现。

将事故再现的模型与方法、理论与技术研究的各方面进行归纳综合, 如图1 所示。

针对车辆碰撞过程进行分析, 人们利用动量冲量、能量、动力学和实体的弹塑性质等理论建立了许多具有代表性的模型, 以其为基础的著名事故再现软件系统有CRASH、SMAC、PCOCRASH 等。

由于这些模型要适用于多种典型的碰撞类型, 具有普遍的意义, 因此称这种建模方法为统一模型方法。

统一模型方法大都由直接描述碰撞阶段特性的特征参数出发,建立联立方程, 这些参数包括碰撞中心、接触面的摩
擦系数、恢复系数和车辆变形特性等。

如动力学方法使用车辆之间的挤压特性, 能量方法使用碰撞阶段车辆的变形与刚度值, 动量冲量方法使用接触面的回弹系数或摩擦系数以及碰撞中心的位置。

这些特征参数描述了特定碰撞阶段的实质及作用效果, 反映速度变化, 是碰撞阶段最直接的属性。

碰撞中心表示碰撞阶段等效力的作用位置, 回弹系数与摩擦系数表示接触面法向与切向的相互作用, 汽车变形特性则表示接触面的力与变形关系。

碰撞阶段不同, 这些参数的取值就不同, 而且差别较大。

为了更加准确地再现交通事故, 需要事故分析人员合理选取这些参数特征值。

国外做了大量的实车碰撞试验, 这些试验数据可以辅助事故分析人员确定这些参数的取值。

如针对CRASH 中需要确定变形刚度A 、B , SMAC 中需要确定刚度KV ,
NHTSA (美国道路交通安全管理局) 提供了相应的试验数据值; 动量冲量方法需要确定回弹系数的值, JARI (日本汽车研究所) 也为此做出了大量的试验, 结果供研究参考。

各种碰撞模型一直在不断地改进和完善, 基于各种先进理论方法的新模型取代旧模型, 促进了事故再现技术的发展。

国内也正在兴起探索对车辆碰撞事故模型的研究。

比如西安公路交通大学与日本汽车研究所合作开发了车对车碰撞事故再现计算机模拟系统,并在此基础上研究了含第二次碰撞的计算模型[1 ] ; 针对国内实车碰撞试验数据很少的实际情况, 清华大学汽车研究所研制出CM (Classified Method) 事故再现模型, 采用人工智能技术根据特定事故形态的特点建立具体模型。

3 事故再现的关键问题
利用事故再现计算机软件能快速准确地判定交通事故的起因和性质, 但开发一套完善的事故再现软件却是一项庞大的系统工程。

它不但需要对各种复杂的交通事故分类、建立各种具体的交通事故再现模型、车身和人体模型等必要的准备工作, 而且还得依靠经验丰富的事故分析专家的支持。

软件中应包括交通事故现场信息采集子系统来获得真实可靠的数据, 交通事故再现子系统能准确计算出各种未知参数再现事故发生的全过程, 交通事故原因分析子系统则利用专家经验、依照相应法律法规对交通事故进行认定, 因此还要求软件系统包含由各种典型道路、车辆、人体和环境等要素构成的数据库、法律法规以及专家经验组成的知识库。

其中每一个环节的处理都是至关重要的。

交通事故现场的信息采集是事故分析的前提, 采集数据的准确程度影响事故再现的结果。

人工测量总是耗时和存在一定的偶然误差, 而采用计算机视觉和图像识别处理方法可以快速、准确获取现场信息。

自动采集事故信息并输入计算机, 由计算机绘制交通事故现场图获取特征参数已经成为今后的发展方向。

现在, 应用数字化摄影测量技术, 可以通过对现场场景和汽车变形的测量, 创建汽车的三维模型, 由此决定汽车的等效碰撞速度等重要参数, 有关试验表明该方法已达到较高的精度[6 ] 。

确定汽车的碰撞速度是交通事故鉴定的关键所在。

推算汽车碰撞速度的常用方法包括理论计算、经验推算和综合方法等。

理论计算方法采用动量守恒和能量守恒定律等基本理论来推算碰撞速度, 是最常用的计算方法。

经验方法利用已有的统计数据和经验公式推算碰撞速度。

综合方法则结合了前两种方法的优点, 以事故现场
存在的多个数据为依据推算碰撞速度, 又分为专家评分法和约束法两种[7 ] 。

其中约束法的结果是经过了事故技术鉴定人员的详细分析, 已将个别虚假数据剔除, 并结合考虑了理论计算方法和经验方法的各个结果。

总体来说, 采用计算机仿真来推算汽车碰撞速度, 具有高效、准确等特点, 并能综合考虑各种计算方法, 通过反复比较分析, 辅以专家经验, 最后给出与真实情况更为接近的分析结果。

车辆碰撞事故再现技术方面存在的另一个关键问题就是如何评判事故再现结果的置信度。

从试验或事故调查中获取的数据往往是不精确的。

事故再现算法中各输入量存在不同程度的不确定度, 这些不确定度经过传播与累积带来计算结果值的不确定。

应用不确定度理论对事故包含的数据与再现分析的结果进行不确定度分析, 了解测量误差对计算结果的影响程度,辅助分析事故再现的准确性。

因此, 将不确定度分析技术应用于事故重现的基本方程中对于理解和校验其计算结果很有意义。

模拟人体与车体及环境之间的相互作用体现着事故再现的水平。

现有软件基本上未能达到这样的效果, 如何描述车内人与车内环境、行人与车体、车与车及路面、护拦等接触表面间的相互作用力、变形成为再现的难点和至高点。

每种碰撞模型都对碰撞过程做出了相应的各种各样的假设, 只有在一定的前提下才能对事故进行计算和分析, 这就造成了事故再现方法的局限性。

如果在保证模型适用的基础上, 尽量减少假设和限定条件, 使其更符合客观实际情况, 就能实现更为准确的事故分析。

交通事故中人体的模似：
人体是交通事故的直接受害者也是汽车安全的重点保护对象，“以人为中心”已成为汽车安全性研究和开发的基本要求。

人体是极其复杂的系统，人体模型则是事故再现的重要环节，也是仿真实现的难点所在。

建立新的、适用的人体模型，在事故再现中实现对驾驶员、乘客及被撞行人的运动模拟和分析，以此确切判断人在汽车碰撞过程中的角色和行为，关系到事故分析鉴定结果的准确程度，也将会推进事故再现的应用水平。

目前，对交通事故中人体的模拟开始受到重视并已展开研究。

比如Pc-Crash 软件中采用多体系统动力学理论方法建立了人体模型用于车撞行人等情形的分析将MADYMO的人体模型引入Pc-Crash中，实现了对交通事故中乘客运动的仿真。

另外，对人体在行走、奔跑中遇到危险时的动作行为和反应变化（速度、加速度）也已有了研究，从而探索改进行人保护措施E 减少事故危害的途径。

人、车、环境之间作用的描述:。