汽车自动驾驶过程中不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.012

中国机械工程 ›› 2023, Vol. 34 ›› Issue (13): 1628-1637.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.012

汽车自动驾驶过程中不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤研究

武和全1，2;边楚虹1;胡林1;龚创业1

1.长沙理工大学工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室，长沙，410004
2.韦恩州立大学生物工程中心，底特律，MI48201

出版日期:2023-07-10 发布日期:2023-07-25
通讯作者: 胡林（通信作者），男，1978年生，博士、教授。研究方向为智能驾驶、交通事故深入调查及预防。E-mail：hulin888@sohu.com。
作者简介:武和全，男，1982年生，博士、副教授。研究方向为汽车碰撞安全，乘员碰撞损伤。E-mail：csust_vehicle@hotmail.com。
基金资助:
国家自然科学基金(52172399，52211530054)；湖南省自然科学基金（2021JJ30723）；长沙理工大学学位与研究生教学改革研究项目

Research on Injury of Occupants with Different Postures in Rear End Impacts during Automatic Driving

WU Hequan1，2;BIAN Chuhong1;HU Lin1;GONG Chuangye1

1.Key Laboratory of Lightweight and Reliability Technology for Engineering Vehicle，Education
Department of Hunan Province，Changsha University of Science and Technology，Changsha，410004
2.Bioengineering Center，Wayne State University，Detroit，MI48201

Online:2023-07-10 Published:2023-07-25

摘要/Abstract

摘要： 为探究自动驾驶情形下不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤风险，利用THUMS人体模型研究了不同姿态下乘员的生物力学响应。通过对比尸体试验的运动学响应对THUMS乘员约束系统模型的有效性进行了验证，在此基础上调整THUMS姿态，使其分别为E-NCAP规范下的标准乘员姿态和120°、150°、180°姿态。然后搭建对应的4种不同座椅角度追尾碰撞模型，对其施加E-NCAP下的追尾碰撞加速度波形（中速4.88g和高速6.44g）。通过8组仿真试验对比发现，在追尾碰撞中，标准姿态与120°姿态下的乘员损伤风险较小；颈部棘突间韧带应变值随乘员倾斜角度增大而减小；150°与180°姿态下乘员存在颈部前纵向韧带拉伤的风险；安全带在4种乘员姿态下均可起到约束作用，乘员下肢会以骨盆为中心发生偏转，肋骨未发生骨折，内脏器官均未见损伤。

关键词: 自动驾驶, 不同姿态, 追尾碰撞, 乘员损伤

Abstract: In order to explore the injury risk of occupants under different postures in automatic driving， the THUMS model was used to explore the biomechanical response of occupants in different postures. Firstly， the effectiveness of the THUMS occupant restraint system model was verified by comparing kinematics response of the cadaveric test. Based on this， the THUMS manikin posture was adjusted to be the standard occupant attitude under the E-NCAP specification and attitudes of 120°， 150° and 180° respectively. Then， four models of rear end impact with different seat angles were built， and two rear-impact acceleration waveforms （medium speed of 4.88g and high speed of 6.44g） under E-NCAP protocols were applied to them. Through the comparison of eight groups of simulation tests， it is found that in the rear end impact， the risk of injury to the passengers in the standard posture and 120°sitting posture are relatively low. The strain value of cervical interspinous ligament decreases with the increase of occupant tilt angle. In 150° and 180° postures， there are risks of pulling the anterior longitudinal ligament of the neck. The safety belt may restrain the passengers in all four postures. The lower limbs of the passengers deflect with the pelvis as the center. The ribs and the internal organs are not damaged.

Key words: automatic driving, different posture, rear end impact, injury of occupant

中图分类号:

U491.6

武和全, 边楚虹, 胡林, 龚创业. 汽车自动驾驶过程中不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(13): 1628-1637.

WU Hequan, BIAN Chuhong, HU Lin, GONG Chuangye. Research on Injury of Occupants with Different Postures in Rear End Impacts during Automatic Driving[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(13): 1628-1637.

参考文献

［1］田忠. 自动驾驶安全策略［J］. 智能网联汽车， 2019（1）：61.
TIAN Zhong. Strategy for Autonomous Driving Safety［J］. Intelligent Connected Car， 2019（1）：61.
［2］江溯．自动驾驶汽车对法律的挑战［J］. 中国法律评论， 2018（2）：180-189．
JIANG Su. The Challenge of Self-driving Cars to the Law［J］. China Law Review， 2018（2）：180-189．
［3］张继红，肖剑兰. 自动驾驶汽车侵权责任问题研究［J］. 上海大学学报（社会科学版）， 2019， 36（1）：16-31.
ZHANG Jihong， XIAO Jianlan. Research on the Liability for Tort of Autonomous Vehicles［J］. Journal of Shanghai University （Social Science Edition）， 2019， 36（1）：16-31.
［4］刘力源，荣亚鹏，李硕，等. 美国加州自动驾驶汽车路测数据分析［J］. 公路与汽运， 2021（5）：40-44.
LIU Liyuan， RONG Yapeng， LI Shuo， et al. Analysis of Road Test Data of Autonomous Vehicle in State of California［J］. Highways and Automotive Applications， 2021（5）：40-44.
［5］郝瑞敏. 自动驾驶技术驱动的汽车内饰设计研究［J］. 装饰， 2018（7）：102-105.
HAO Ruimin. Research on Automotive Interior Design Driven by Autonomous Driving Technology［J］. Decoration， 2018（7）：102-105.
［6］Adient： Adients AI18 Concept Vehicle Showcases the Future of Automotive Seating ［EB/OL］. USA：Adient， 2018［2022-09-26］. https：∥www. adient. com/advancements/.
［7］WALDROP M M. Nodrivers Required［J］. Nature， 2015， 518（7537）：20-21.
［8］JORLV S， BOHMAN K， LARSSON A. Seating Positions and Activities in Highly Automated Cars：a Qualitative Study of Future Automated Driving Scenarios ［C］∥ IRCOBI Conference. Antwerp， 2017：13-22.
［9］HU L， LI H B， YI P， et al. Investigation on AEB Key Parameters for Improving Car to Two-wheeler Collision Safety Using In-depth Traffic Accident Data［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2023， 72（1）：113-124.
［10］王孔龙，冯程，姜志豪，等. 自适应巡航目标跟踪不释放问题分析及策略优化［J］. 公路与汽运， 2022（3）：1-3.
WANG Konglong， FENG Cheng， JIANG Zhihao et al. Analysis and Strategy Optimization of Adaptive Cruise Target Tracking without Release［J］. Highways and Automotive Applications， 2022（3）：1-3.
［11］王乐兵. 自动驾驶汽车的缺陷及其产品责任［J］. 清华法学， 2020， 14（2）：93-112.
WANG Lebing. The Defects of Self-driving Cars and Their Product Liability［J］. Tsinghua Law， 2020， 14（2）：93-112.
［12］BOYLE K J， REED M P， ZASECK L W， et al. A Human Modelling Study on Occupant Kinematics in Highly Reclined Seats during Frontal Crashes［C］∥ IRCOBI Conference. Florence， 2019： 282-292.
［13］ZHANG L， CHEN L， VERTIZ A， et al. Survey of Front Passenger Postures Usage in Passenger Vehicles［C］∥ Proceedings of the 2004 SAE World Congress. Detroit， 2004：1-8.
［14］BOSE D， CRANDALL J R， UNTAROIU C D， et al. Influence of Pre-collision Occupant Parameters on Injury Outcome in a Frontal Collision［J］. Accident Analysis and Prevention， 2010， 42（4）：1398-1407.
［15］肖志，杨济匡. 汽车低速追尾碰撞中乘员动力学响应和颈部损伤的仿真研究［J］. 中国机械工程， 2007， 18（10）：1239-1243.
XIAO Zhi， YANG Jikuang. Simulation Study of Occupant Dynamic Response and Neck Injury in Low-speed Rear-end Collision of Automobile［J］. China Mechanical Engineering， 2007， 18（10）：1239-1243.
［16］MJSA B， FKP B， SP A， et al. Automated Driving： A Biomechanical Approach for Sleeping Positions［J］. Applied Ergonomics， 2020， 86：103-103.
［17］JIANG B， REN H， ZHU F， et al. A Preliminary Study on the Restraint System of Self-driving Car［J］. SAE Technical Papers， 2020-01-1333.
［18］HU L， TIAN Q T， ZOU C F， et al. A Study on Energy Distribution Strategy of Electric Vehicle Hybrid Energy Storage System Considering Driving Style Based on Real Urban Driving Data［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2022， 162（7）：112416.
［19］KANG Y S， MOORHOUSE K， ICKE K， et al. Head and Cervical Spine Responses of Post Mortem Human Subjects in Moderate Speed Rear Impacts［C］∥ IRCOBI Conference. Berlin， 2014： 268-285.
［20］KANG Y S， MOORHOUSE K， BOLTE J. Head Trajectories of Post Mortem Human Surrogates in Moderate-speed Rear Impacts［C］∥ IRCOBI Conference. Florence， 2019：102-118.
［21］ZELLMER H， MANNECK F. Assessing Injury Risk of Car Occupants on Rearward Facing Seats in a Full Frontal Impact—Sled Tests in a Generic Test Environment［C］∥ 26th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles （ESV）. Eindhoven， 2019：19-0201.
［22］Euro NCAP. Assessment Protocol—Adult Occupant Protection： European New Car Assessment Programme （Euro NCAP）， V6.0［S］. Europe： Euro NCAP， 2013：26-27.
［23］KITAGAWA Y， HAYASHI S， YAMADA K， et al. Occupant Kinematics in Simulated Autonomous Driving Vehicle Collisions： Influence of Seating Position， Direction and Angle［J］. SAE Technical Papers， 2017-22-0005.
［24］郑祖丹，吴斌，于峰，等. 追尾碰撞颈部挥鞭伤害的试验研究［J］. 汽车技术， 2013（10）：47-50.
ZHENG Zudan， WU Bin， YU Feng， et al. Experimental Study on Whiplash Injury in Rear Impact［J］. Automotive Technology， 2013（10）：47-50.
［25］WARD C C， CHAN M， NAHUM A M. Intracranial Pressure—a Brain Injury Criterion［J］. SAE Technical Papers， 1980： 801304.
［26］WILLINGER R. Head Tolerance Limits Drived from Numerical Replication of Real World Accidents［C］∥ IRCOBI Conference. Montpellier， 2000：209-221.
［27］MERTZ H J， PATRICK L M. Strength and Response of the Human Neck［J］. SAE Technical Papers， 1971： 710855.
［28］YOGANANDAN N， KUMARESAN S， PINTAR F A. Geometric and Mechanical Properties of Human Cervical Spine Ligaments［J］. Journal of Biomechanical Engineering， 2000， 122（6）：623.
［29］STITZEL J D， GAYZIK F S， HOTH J J， et al. Development of a Finiteelement Based Injury Metric for Pulmonary Contusion Part Ⅰ： Model Development and Validation［J］. Stapp Car Crash Journal， 2005（49）： 271-289.
［30］YAMADA H. Strength of Biological Materials ［J］. Williams & Wilkins Company Baltimore， 1970（3）：585-589.
［31］MELVIN J W， STALNAKER R L， ROBERTS V L， et al. Impact Injury Mechanisms in Abdominal Organs［J］. SAE Technical Papers， 1973：730968.

[1]	吕伟, 郭伏, 刘莉, 张泽宇, 王天博. 行人与自动驾驶汽车的交互研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(05): 515-523.
[2]	王玉龙, 裴锋, 刘文如, 闫春香, 周卫林, 李智. 基于开关式深度神经网络的拟人化自动驾驶决策算法[J]. 中国机械工程, 2021, 32(06): 689-696.
[3]	颜凌波1;祝志鹏1;王凯2;曹立波1. 基于移动窗比功率的主动式头枕控制算法[J]. 中国机械工程, 2017, 28(22): 2647-2654.
[4]	邓善良, 姜, 潮, 邓青青. 乘用车狭小面积追尾商用车的耐撞性优化[J]. 中国机械工程, 2015, 26(21): 2970-2975.
[5]	张盼盼, 尹小琴, 王明霞, 朱喜行. 一种电磁驱动主动头枕的设计与研究[J]. 中国机械工程, 2014, 25(9): 1273-1277.
[6]	杨济匡, 唐超群. 轿车高速追尾碰撞中结构耐撞性优化设计 [J]. 中国机械工程, 2011, 22(5): 616-620.
[7]	白中浩, 马伟杰, 曹立波, 张前斌. 乘用车－货车追尾碰撞事故分析及其试验与仿真研究 [J]. 中国机械工程, 2010, 21(14): 1742-1747.
[8]	朱平;肖国锋;张宇;施欲亮. 轿车追尾碰撞仿真及结构耐撞性改进研究[J]. J4, 2008, 19(6): 0-635.
[9]	陆勇, 曹立波, 吴俊, , . 轿车侧面碰撞安全结构改进方法研究[J]. 中国机械工程, 2008, 19(24): 3006-3011.

汽车自动驾驶过程中不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤研究

Research on Injury of Occupants with Different Postures in Rear End Impacts during Automatic Driving

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 9

编辑推荐

Metrics