1、水平有限，敬请指正PC-Crash 行人模型的验证1、摘要PC-Crash 中的行人模型是基于一个多体系统的，多体系统是指有多个通过关节相互连接的部分所组成的系统。其中的每一个部分都有各自不同的属性，以便于表示人体不同的部分（部分一词在本文中特指组成行人模型的各个部分） 。这种联合的属性也可以独立地被具体描述。行人模型的理论背景已在 SAE 1999-01-0445 中介绍过，这个模型展示了行人的总的运动和车祸测试数据之间的紧密联系。有很多参数，能够而且必须具体化来作为行人模型的输入参数，因此必须对不同的参数进行深入的验证，来验证这个行人模型。本文具体描述了行人模型的验证过程。我们使用了大量的
2、车祸测试数据（见附录 30）作为基础来对比仿真结果和被测物体的真是运动。我们选择了不同的测试设置来提供一组测试数据，这就可以尽可能的代表真实的案例。正是因为整个原因，车祸测试中我们试验了不同型号、不同外形的车辆，同时也测试了在不同驾驶情况（刹车、打滑）下的情况。为了表明模拟运动和人类测试体之间的不同，还进行了一些有人的测试和一些真实案例。每一个不同的测试都用 PC-Crash 重建出来，于是仿真结果和车祸测试结果的巨大不同便显露出来了。我们对行人的轨迹和行人及其他物体接触的位置产生了极大的兴趣。所有的测试和仿真都在结论中有所比较，而且也对行人模型在不同事故环境下的可用性进行了讨论。不同的典型参
3、数（如行人的几何尺寸，体重）的范围也列出来了。2、引文在很多撞人车祸事故中，为了取得车辆撞击行人的速度，通常是基于一个通用规则或数据来计算，行人的总的被投掷距离是计算车辆碰撞速度的关键数据。这些表格是基于测试数据和对一些不同测试的统计分析。尽管在真实的车祸事故中可能获取更多的数据，如车辆接触位置、行人首次触地位置等。但是这些信息通常不会被纳入计算的规则或数据。而且这些规则或数据是基于很多年前的测试，其中使用的车辆的形状并不能正确反映现在的车辆设计。PC-Crash 中的行人模型是基于一个多体系统，在其中整个行人的运动是由其和车辆的碰撞引起的，而且是基于接触的力量和 3D 行人运动学。因此车辆的
4、不同驾驶条件和外形都可以很容易地纳入考虑。车辆形状可以通过输入其几何参数或者直接导入定制的 3D dxf(应该是 3D Max 生成的立体图像的意思)图像来具体化，以便用来计算碰撞。计算的结果不只是投掷距离，还有行人和车辆及地面的接触位置。因此，如果可以，从事故现场得到的额外的信息也可以纳入考虑。模型描述PC-Crash 中的行人模型使用多体系统，就是把许多块不能动的部分通过关节连接到一起组成一个人，来模拟行人的运动。不同的部分代表身体的不同部分，如脑袋，躯干，盆骨。每个部分都有各自不同的属性，如几何形状，重量，刚度（硬度）和摩擦系数，这些参数都可以设置。每个部分的几何形状都可以通过定义一个
5、n 维椭圆柱体来表示。水平有限，敬请指正部分和关节的数量会影响计算所用的时间。因此必须在计算时间和模型的具体程度之间进行妥协。图一：行人模型目前的行人模型使用了 16 个部分，用 15 个关节相互连接。但是，PC-Crash 中的多体模型是可以处理无限制数量的部分和关节的。另外，每个部分的一些属性，如行人的大小和重量，都可以在这个软件中进行设置。初始条件，如每个部分的位置和方向以及速度都可以由用户输入，以便在碰撞前定义运动参数。但是，两个有关节相连部分的相对位置是由联合位置决定的。部分属性：对多体系统的各个部分，以下参数可以独立设置。 Geometry（几何尺寸）：每个部分都由一个椭圆柱体表示
6、，半轴线的长度 a,b,c 和椭圆柱体的维度都可以设置 Mass and Moments of inertia（质量和运动惯性）：对多体系统中的每个部分，质量和运动惯性必须设置。 Stiffness coefficients（刚度系数）：每个部分的刚度系数都必须设置，刚度系数是用来计算碰撞的。不同部分的刚度系数可以通过实验的方法水平有限，敬请指正获得。 Coefficients of friction（摩擦系数）：两个摩擦系数必须设定。一个是椭圆柱体和车辆之间的，另一个是两个椭圆柱体之间或者椭圆柱体和地面之间的。所有摩擦系数均假设为常数。条款解释：验证标准当一辆车撞上一个行人时，由于碰撞引起的
7、行人的运动可分为 3 个阶段： 接触阶段 飞行阶段 滑动阶段（接触地面阶段）第一个阶段是接触阶段，在这个阶段行人身体的一个或多个部分和车辆接触，然后行人被加速。在这个阶段可以观察到巨大的接触力量。图二：行人运动阶段（撞击的车辆未显示）根据车辆的减速情况，行人在接触阶段之后和车辆分离，然后被抛入空中，这个过程中不接触任何车辆或者地面。在这个阶段，行人的速度只是稍微降低。由于重力作用，行人在飞行阶段后会落到地上，根据行人和地面间的摩擦力，行人逐渐减速，最后到达其停止位置。本文中所使用的总的轨迹是从行人的碰撞点开始到其最后的停止位置之间的部分。验证由于几乎所有的用于计算车辆撞击行人时的速度的通用方法
8、都是基于行人的总轨迹，因此在验证中，由 PC-Crash 计算所得的总轨迹首先和通用规则进行比较。在此处，行人运动的各个阶段之间是没有间隔的。模型中所使用的摩擦系数和模型的其他各项属性都设为常数。但是，会使用不同形状的车辆来展示发动机罩的几何形状对行人总运动轨迹的影响。在另一个段落中，行人的虚拟运动会和计算出的运动进行比较。另外，要确定在真实的车祸事故中行人的总运动轨迹和仿真结果的关系。读者应该始终考虑到碰撞车辆的形状、行人与车辆和地面间的摩擦力都对其运动的总路径有水平有限，敬请指正巨大的影响。因此，仿真结果不能给出碰撞时车辆的精确速度，只能给出一定范围内的估计值。投掷距离：在本节中，不同的计
9、算最大和最小投掷速度和碰撞速度的通用规则都是基于车辆碰撞行人后行人的投掷距离。计算的结果也会和仿真结果进行比较。在仿真中，我们使用了不同形状的车辆，还设定了各种不同的碰前速度，并且使用 0.75 作为仿真时的摩擦系数。车辆在碰撞之后完全刹车，但是碰撞时的投掷角度为 0 度，这意味着刹车动作得假设为一碰撞就开设了。在仿真比较中，车辆的碰撞速度分别设定为 20,35,50,65,80km/h。但是以下计算规则的和系数的大部分都是基于测试结果的，其中的碰撞速度都是不高于 50km/h,，行人是被车辆前面的中部撞上，并假设行人速度为 0。默认的行人模型在附录中有具体描述。车辆形状：在仿真中，我们使用了
10、 6 个不同的常见车辆外形。仿真中的每种碰撞速度对应的投掷距离都和通用规则的计算结果进行比较。由于不同的车辆外形，仿真中的投掷距离的计算结果也不相同。这六种最常见的车辆外形如下，其具体几何尺寸亦列于下表之中。图 3：引擎盖形状分类表 1：引擎盖形状分类水平有限，敬请指正1. 楔形（保时捷 924）2. 梯形（有浅阀盖） （大众帕萨特）3. 梯形（有峭阀盖） （克莱斯勒捷龙）4. 梯形，前部呈椭圆柱形（马自达 121）水平有限，敬请指正5. 浮桥形（福特金牛座）6. 盒子形（大众 T4）图表 1：不同车辆外形和碰撞速度对应的投掷距离（仿真结果）水平有限，敬请指正图表 2:平均总轨迹，滑行距离和飞
11、行距离（仿真结果）图表 2 表明在大范围的碰撞速度范围内，平均的滑行距离只有总轨迹的1/3.当碰撞速度非常低时，滑行阶段甚至更短。因此，行人的总轨迹中的大部分都是飞行阶段，其主要是受车辆引擎盖形状影响的。在接下来要进行的 PC-Crash 仿真中，这个因素必须要纳入通用规则中。Searle:6:对于一个水平弹起的物体，这个公式设定总的轨迹与碰撞速度有关，包括跳跃和滑行阶段。投射发生时速度为 v 角度为 因为在大多数案例中投掷角度并不知道，等式（1）不能给出唯一的速度估计。但是上限和下限是可以通过设定碰撞角度 的最大和最小值来确定的。水平有限，敬请指正图表 3：Searle 方程和仿真结果对比（
12、=0.6）表 2：Searle 方程和仿真结果对比（ =0.6）以上图表和表格表明平均的仿真结果在 Searle 方程的置信区间内的。水平有限，敬请指正车辆碰撞速度在 20km/h 到 80km/h 范围内时，不同车辆外形引起的平均误差小于 8%。但是，对某些类型的车辆外形，行人的轨迹可能会超出 Searle 方程的置信区间。根据 Wood 发表的文章8来看，行人和地面间的摩擦系数定为 0.6是比较合理的。Stcherbatcheff/Khnel/Rau18171519Stcherbatcheff 假设行人的运动轨迹和两个因素具有本质的联系 碰撞速度 车辆的刹车力度基于 70 年代的碰撞测试，
13、其最高速度为 40km/h， Stcherbatcheff推出了一下方程，并且被 Khnel 和 Rau 用于不同的系数和置信区间下。图表 4：Stcherbatcheff 方程和仿真结果的对比（ acar=0.4,0.6,0.8g）水平有限，敬请指正表 3：Stcherbatcheff 方程和仿真结果的对比（a car=0.6g）基于 80 年代进行的碰撞测试，其速度达到 50km/h，Khnel 推导出了以下的方程，其利用了 Stcherbatcheff 所描述的测试数据的线性回归。图表 5：Khnel 方程和仿真结果的对比（a car=0.4,0.6,0.8g）水平有限，敬请指正表 4：
14、Khnel 方程和仿真结果的对比（a car=0.4,0.5g）表 5：Khnel 方程和仿真结果的对比（a car=0.6,0.8g）Stcherbatcheff 使用了线性回归来计算他的方程所用系数的值。尽管车辆的刹车力度和行人的运动总轨迹之间有一定的联系，但是行人和地面间的摩擦力、车辆外形及行人的抛掷角度才是最重要的影响因素。在 Stcherbatcheff 的方程中使用行人和地面间的摩擦系数所得结果和仿真结果以基于规则计算出的抛掷距离有很好的一致性。如果车辆的减速度设置为大于 0.5g，Khnel 方程似乎高估了基于行人的总轨迹计算出的车辆的碰撞速度，特别是当碰撞速度高于 50km/h
15、 时。所以当当碰撞速度高于 50km/h 时，读者在使用这些方程中的常数时必须十分小心（常数是由碰撞测试和真实的速度大于 50km/h 的事故中得来的） 。碰撞速度大于 50km/h 是基于对这些测试结果使用统计分析中的外推法。在接下来的论述中我们会发现当碰撞速度大于 50km/h 时，不同的引擎盖形状会使行人的运动总轨迹有巨大的不同。而 Stcherbatcheff 和 Khnel 在他们的方法中都没有考虑这个因素。水平有限，敬请指正DEKRA(貌似是机动车监督协会): 根据 80 年代和 90 年代所做的碰撞速度在40km/h80km/h 范围内的测试， Dettinger 利用 Stch
16、erbatcheff 所描述的测试数据的线性回归推导出了以下方程。在这些测试中，汽车碰撞后就立即刹车，因此在碰撞中没有发现明显的碰撞角度，和碰撞时同时刹车相比，这导致了更长的投掷距离。图表 6：DEKRA 方程和仿真结果对比DEKRA 使用的方法是基于一些碰撞测试和速度高于 50km/h 的真实事故。并采用了 Khnel 方程的系数来包含这一区域。即使碰撞速度被高估了，但是引擎盖的形状也没有直接被纳入考虑范围。表 6：DEKRA 方程和仿真结果对比水平有限，敬请指正碰撞因子：由于以上所有的方程都没有直接考虑抛掷角度和车辆外形，于是我们引入新的“碰撞因子” 。碰撞因子是由车辆碰撞速度对应的抛掷角
17、度所决定的。根据车辆外形和行人的重心高度，碰撞因子的范围为：0.821.27.8在这个比较中，由于对不同车辆外形进行的仿真所计算出的抛掷距离已经使用了，所以这个方程中没有使用碰撞因子。行人运动学/接触位置：为了进行行人运动学和接触车辆位置分析，我们使用了不同的车辆分别进行了 3 中不同的碰撞测试。所有的测试都由高速摄像机记录，用来研究模拟运动。行人的总轨迹、和地面及车辆的接触位置也进行了记录，但是在这次比较中只分析了行人和车辆的接触阶段。高速摄像机记录的碰撞测试的的连续截图和仿真结果以及损坏照片都在附录中。测试 1（55km/h 大众 Polo）：在这次碰撞测试中，模拟行人被大众 Polo的右
18、前方撞上。碰撞速度大约为 54km/h，模拟行人被撞上左腿。由于巨大的冲击力，模拟行人被撞翻，然后身体撞上车辆的右 a 柱。可以看到车上右 a 柱变形和前挡风玻璃部分破裂。模拟行人撞上右 a 柱之后又翻了一圈，然后头撞上了车的右侧玻璃窗，然后玻璃破碎。这些由于碰撞引起的模拟行人的运动也可以在仿真中看到，特别是当模拟行人撞上车的侧玻璃窗是，二者高度一致。水平有限，敬请指正图 4表 7：碰撞数据测试 2（50km/h,菲亚特 125P）:在这次测试中，模拟行人被菲亚特的右前方撞上。碰撞速度大约 51km/h。由于碰撞产生的冲击力，模拟行人被撞翻，然后头部撞上挡风玻璃下部。这些运动可以再仿真中重现，
19、模拟行人的身体和腿部的运动也可以很好的重现。水平有限，敬请指正图 5：碰撞形式（碰撞时二者的相对位置）表 8：测试数据测试 3（40km/h,斯柯达 1203）：在这次测试中，模拟行人被公交车样子的斯柯达右前方撞上。碰撞速度大约 40km/h，而且在录像中可以看到明显的抛掷角度。模拟行人的运动又一次和 PC-Crash 仿真结果高度一致。图 6：碰撞形式表 9：测试数据SCALABILITY(可扩展性)：PC-Crash 中的默认行人模型是基于一个混合的模拟行人的几何尺寸和重量的。这个模拟行人是可以在程序里按质量和高度选择的。高度的选择可以按每个部分线性选择或者根据人体条件选择。其中不同部分根
20、据年龄和性别的不同而定。水平有限，敬请指正真实事故对比测试数据：真实的人类实验对象和虚拟行人之间行人运动学上的不同之处在本文中并没坐深入分析。但是用于设定和车辆的碰撞速度相关的抛掷距离的公式是部分基于模拟行人测试和真实人类实验对象的测试结果的。以下图表表明了基于一些真实事故和模拟行人测试所得的碰撞速度得到的总轨迹。这些例子都和仿真结果进行对比。但是测试中和真实的事故中车辆形状主要代表 1、2、4、5 类车型（前面提到共有 6 种车辆外形） 。图表 7：真实事故中的总轨迹仿真结果:对比图表 8：碰撞测试中的总轨迹和仿真结果对比水平有限，敬请指正由于碰撞测试和真是车祸中车辆的外形不包含 3、6 类
21、车型（梯形（有峭阀盖） 、盒子形） 。在碰撞速度为 20km/h80km/h 的大范围内，仿真结果和真实测试/事故高度一致。仿真中没有采纳真实情况下的摩擦情况。即使可也获得某些碰撞速度大于 80km/h 的真实事故的数据（如图表 7 所示） ，但是仿真时设定的最高碰撞车速也只是 80km/h。当碰撞车速达到大约 50km/h 时，一般的车辆形状不会对总轨迹造成太大的影响。当碰撞车速高于 50km/h 时，1、2、4 类车型所造成的抛掷轨迹是相似的，3 、6 类车型所造成的总轨迹要远大于其他类型。这两类车型的碰撞角度看起来接近达到最大抛掷轨迹的临界角度。对于 5 类型车（浮筒形） ，总轨迹远小于
22、其他类型。实验中的车辆外形的方程在现在的汽车中并不是很常见，但是用于确定与碰撞速度相关的总轨迹的参数都是基于测试，测试中就是使用着这些外形的车辆。基于这个原因，如用这些方程来评估真实的碰撞速度常常高于50km/h 的车祸事故，并使用总轨迹这一参数，会高估碰撞速度。图表 9：不同车辆外形和碰撞速度时的总轨迹结论不同的比较表明 PC-Crash 中的行人模型能够非常好的估计行人的总轨迹。车辆外形对行人运动和总轨迹的影响可以很容易地纳入考虑范围。PC-Crash 中同样的模型可以覆盖很大的碰撞速度范围，不同的驾驶情况也可以很容易地纳入考虑范围。在分析车祸时，相对于普通的公式，PC-Crash 中的行人模型是个更简单易用的工具，因为在 PC-Crash 中所有的可以从车祸现场获取的信息都可以纳入考虑。参考文献水平有限，敬请指正附录By Joker
