專利名稱：基于三維多剛體模型的轎車－人碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于交通領(lǐng)域的碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法，具體是一種基于三維多剛體模型的轎車-人碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
隨著我國汽車保有量的迅速增加，加上道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相對滯后，導(dǎo)致交通碰撞事故發(fā)生頻繁，其中汽車與行人發(fā)生的碰撞事故所占比例較高，約占總數(shù)的四分之一以上。由于實(shí)際碰撞事故發(fā)生的復(fù)雜性和現(xiàn)場遺留信息的多樣性，加大了對事故進(jìn)行再現(xiàn)分析的難度，不利于為交通管理部門正確鑒定事故提供快速準(zhǔn)確的依據(jù)。
事故再現(xiàn)的關(guān)鍵在于根據(jù)事故現(xiàn)場的遺留信息來計(jì)算確定汽車碰撞速度，以此準(zhǔn)確再現(xiàn)整個(gè)碰撞過程。對于汽車與行人碰撞事故，通常的再現(xiàn)研究方法有動(dòng)量/能量分析方法、變形/能量分析方法、拋撒物拋距分析方法等。動(dòng)量/能量分析方法主要依賴汽車剎車印跡，將汽車和行人簡化為二維集中質(zhì)量模型，準(zhǔn)確度不高，同時(shí)隨著ABS技術(shù)在汽車上的普遍應(yīng)用，很難得到清晰完整的剎車印跡；變形/能量分析方法考慮汽車車身碰撞變形，但是材料的非線性及彈塑性使得車身變形與碰撞速度之間的近似線性關(guān)系僅在一定范圍內(nèi)有效，同時(shí)利用有限元仿真計(jì)算的資源耗費(fèi)巨大，效率低；拋撒物拋距分析方法在當(dāng)拋出物遇到阻擋或者落點(diǎn)不確定時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大計(jì)算誤差；可見，上述分析方法的局限性不利于對復(fù)雜的人車碰撞事故進(jìn)行再現(xiàn)分析。
隨著近年來數(shù)字化假人的研究發(fā)展，Yang等在《International Journal ofCrash prevention and Injury Control》2000，Vol.2(2)131-149上發(fā)表的“AHuman-Body 3D Mathematical Model for Simulation of Car-Pedestrian Impacts”，(“一種用于汽車對行人碰撞事故仿真研究的三維數(shù)值假人模型”，《國際碰撞預(yù)防和傷害控制雜志》，2000，Vol.2(2)131-149)文中較早建立了三維行人數(shù)值假人模型進(jìn)行人車碰撞事故的計(jì)算機(jī)模擬，具有較好的逼真度和準(zhǔn)確性，但是其仿真再現(xiàn)過程需要人為根據(jù)單次計(jì)算結(jié)果不斷計(jì)算調(diào)試，非程序自動(dòng)優(yōu)化完成，很大程度上依賴個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，容易造成誤差，增加了事故再現(xiàn)分析的時(shí)間，降低了效率。
因此，如何更加準(zhǔn)確、高效率地對眾多復(fù)雜的人車碰撞事故進(jìn)行再現(xiàn)分析，是面臨的一個(gè)迫切需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前事故再現(xiàn)存在的問題，本發(fā)明提出一種基于三維多剛體模型的轎車-人碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法。本發(fā)明對碰撞過程進(jìn)行優(yōu)化，縮短了再現(xiàn)時(shí)間，減少了人為干預(yù)帶來的誤差和不確定性，可更加準(zhǔn)確、高效率地對轎車-人碰撞事故進(jìn)行再現(xiàn)分析。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，具體步驟包括(1)建立事故發(fā)生環(huán)境及事故轎車、行人的三維多剛體數(shù)學(xué)模型；根據(jù)實(shí)際事故情況，建立包括路面、護(hù)欄、轎車、行人在內(nèi)的三維多剛體碰撞數(shù)學(xué)模型，其運(yùn)動(dòng)方程為Σ[δγi(mir··i-Fi)+δπi(Jiw·i+wi×Jiwi-Ti)]=0---(i=1,...,n)]]>上式中mi為質(zhì)量， 為加速度，Ji為慣性矩，wi為角速度，F(xiàn)i為力，Ti為力矩，δγi為位移變量，δπi為初始方位變量。通過撞擊試驗(yàn)可確定地面、護(hù)欄及轎車的碰撞接觸剛度特性，依據(jù)人體生物力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置行人模型的力學(xué)特性。
(2)確定事故發(fā)生后轎車停止質(zhì)心位置坐標(biāo)、行人臀部落點(diǎn)位置坐標(biāo)；根據(jù)事故現(xiàn)場環(huán)境，自定義一個(gè)固定的空間廣義坐標(biāo)系XYZ，然后可確定事故發(fā)生后轎車停止質(zhì)心位置坐標(biāo)C1(xc1，Yc1，zc1)、行人臀部落點(diǎn)位置坐標(biāo)H1(xh1，yh1，zh1)。
(3)確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；事故中轎車碰撞速度和碰撞初始時(shí)刻位置為未知變量，故設(shè)定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為轎車對行人的碰撞速度V，在坐標(biāo)系XYZ中的碰撞初始時(shí)刻轎車質(zhì)心位置坐標(biāo)C2(xc2，yc2，zc2)、行人站立臀部位置坐標(biāo)H2(xh2，yh2，zh2)。
根據(jù)實(shí)際事故現(xiàn)場遺留信息，可初步估計(jì)轎車碰撞速度V的取值區(qū)間，同時(shí)坐標(biāo)點(diǎn)C2和H2在轎車的行駛方向上相對于坐標(biāo)點(diǎn)C1和H1存在一定的距離關(guān)系，通過此關(guān)系確定設(shè)計(jì)變量的約束條件。
以坐標(biāo)點(diǎn)C1、H1為優(yōu)化目標(biāo)點(diǎn)，確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)Y=F[x]=MinΣi=0m-1βif(xi)]]>式中βi為加權(quán)系數(shù)，一般可全取為1。
(4)調(diào)用優(yōu)化算法對給定目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解；調(diào)用優(yōu)化算法，在設(shè)計(jì)變量取值區(qū)間范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，經(jīng)p次優(yōu)化循環(huán)后計(jì)算得到碰撞速度Vp，轎車停止質(zhì)心位置坐標(biāo)C1p(xc1p，yc1p，zc1p)、行人臀部落點(diǎn)位置坐標(biāo)H1p(xh1p，yh1p，zh1p)，使目標(biāo)函數(shù)Fp[x]最小化，即MinFp[x]=Min([(pc1p-xc1)2+(yc1p-yc1)2+(zc1p-zc1)2]1/2+[(xh1p-xh1)2+(yh1p-yh1)2+(zh1p-zh1)2]1/2)]]>(5)經(jīng)多次優(yōu)化循環(huán)計(jì)算后，判定目標(biāo)函數(shù)收斂性，是否求得最優(yōu)解。
經(jīng)過p次優(yōu)化循環(huán)計(jì)算，在滿足約束條件的情況下，計(jì)算程序?qū)γ肯噜弮蓚€(gè)優(yōu)化循環(huán)得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)誤差Ep判斷是否收斂。目標(biāo)函數(shù)誤差計(jì)算公式為Ep=|FP[x]-FP-1[x]FP-1[x]|]]>Ep取值區(qū)間為
，隨著優(yōu)化次數(shù)p增加，Ep越小，表明目標(biāo)函數(shù)誤差序列呈遞減趨勢，兩次相鄰優(yōu)化循環(huán)的計(jì)算結(jié)果越接近，優(yōu)化結(jié)果越趨于收斂。當(dāng)Ep值在設(shè)定的范圍值內(nèi)足夠小，即可判斷目標(biāo)函數(shù)收斂，求得最優(yōu)解。
本發(fā)明通過多剛體動(dòng)力學(xué)方法和優(yōu)化方法來進(jìn)行事故再現(xiàn)，具有如下優(yōu)勢1、該方法建立事故環(huán)境、轎車、行人的三維碰撞模型，碰撞過程更加直觀，避免了將轎車和行人簡化為二維平面集中質(zhì)量模型帶來的計(jì)算誤差、可視化程度低等缺陷；2、利用多剛體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行碰撞事故再現(xiàn)，效率更高，避免了有限元方法耗費(fèi)計(jì)算資源大、再現(xiàn)計(jì)算時(shí)間長等缺點(diǎn)；3、確定設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)后，計(jì)算程序自動(dòng)完成碰撞過程的優(yōu)化再現(xiàn)，人為干預(yù)小，再現(xiàn)結(jié)果客觀性程度高；4、該方法可模擬計(jì)算出行人各個(gè)部位在碰撞過程中所受傷害，便于與事故實(shí)際情況進(jìn)行對比分析，同時(shí)能為法醫(yī)鑒定提供參考和理論支持。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的事故環(huán)境、轎車、行人三維多剛體模型圖2為本發(fā)明實(shí)施例中轎車-人碰撞事故現(xiàn)場3為本發(fā)明實(shí)施例效果圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明根據(jù)轎車與行人碰撞事故的特點(diǎn)和事故現(xiàn)場的遺留信息，選擇轎車停止質(zhì)心位置和行人臀部落點(diǎn)位置為優(yōu)化目標(biāo)，以目標(biāo)函數(shù)誤差值Ep為評價(jià)指標(biāo)，它反映了第p次優(yōu)化循環(huán)得到的計(jì)算結(jié)果是否趨于收斂。
根據(jù)事故現(xiàn)場可定義一個(gè)固定的三維空間坐標(biāo)系XYZ，然后確定事故發(fā)生后轎車停止質(zhì)心位置坐標(biāo)C1(xc1，yc1，zc1)、行人臀部落點(diǎn)位置坐標(biāo)H1(xh1，yh1，zh1)。
以轎車對行人的碰撞速度V，碰撞初始時(shí)刻轎車質(zhì)心位置坐標(biāo)C2(xc2，yc2，zc2)、行人站立臀部位置坐標(biāo)H2(xh2，yh2，zh2)為設(shè)計(jì)變量。通過計(jì)算機(jī)p次尋優(yōu)計(jì)算，可以得到碰撞速度Vp，轎車停止質(zhì)心位置坐標(biāo)C1p(xc1p，yc1p，zc1p)、行人臀部落點(diǎn)位置坐標(biāo)H1p(xh1p，yh1p，zh1p)，使目標(biāo)函數(shù)F[x]最小，即MinFp[x]=Min([(xc1p-xc1)2+(yc1p-yc1)2+(zc1p-zc1)2]1/2+[(xh1p-xh1)2+(yh1p-yh1)2+(zh1p-zh1)2]1/2)]]>F[x]越小，說明計(jì)算結(jié)果越接近真實(shí)事故情況，C1p、H1p分別與C1、H1接近于重合。
由于數(shù)學(xué)優(yōu)化方法存在一定的局限性，得到的優(yōu)化結(jié)果與真實(shí)情況不可能完全一致，Ep反應(yīng)優(yōu)化結(jié)果是否趨于收斂，其值逐漸減小，說明優(yōu)化結(jié)果呈收斂趨勢，可最終求得F[x]最小值。
以下結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供具體的實(shí)施例以一起真實(shí)的轎車與行人碰撞事故為例，碰撞事故現(xiàn)場如圖2所示。以轎車質(zhì)心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立固定的空間坐標(biāo)系XYZ(單位m)，然后，可確定事故發(fā)生后轎車停止質(zhì)心位置坐標(biāo)(0，0，0)，行人臀部落點(diǎn)位置坐標(biāo)(10.25，-4.66，-0.51)。
根據(jù)制動(dòng)軌跡長度，可初步估計(jì)轎車行駛速度在30km/h～80km/h之間，碰撞初始時(shí)刻轎車與行人的位置在坐標(biāo)系XYZ中可沿制動(dòng)軌跡向X負(fù)方向移動(dòng)0～40m距離之間。
利用圖1中建立的轎車與行人三維多剛體碰撞模型，以轎車對行人碰撞速度和碰撞時(shí)刻位置坐標(biāo)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，轎車停止質(zhì)心位置和行人臀部落點(diǎn)位置為優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)用優(yōu)化算法進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算。
通過多次優(yōu)化循環(huán)計(jì)算，最后求得轎車與行人碰撞時(shí)刻車速為41km/h，轎車停止質(zhì)心坐標(biāo)(0.42，-0.13，0)，行人臀部落點(diǎn)坐標(biāo)(10.01，-4.97，-0.56)，能很好重現(xiàn)事故情景，如圖3所示。此時(shí)目標(biāo)函數(shù)F[x]＝0.835，目標(biāo)函數(shù)誤差Ep＝0.0032，說明優(yōu)化結(jié)果與真實(shí)事故接近，運(yùn)用優(yōu)化方法對碰撞事故進(jìn)行了很好地再現(xiàn)分析。
權(quán)利要求
1.一種基于三維多剛體模型的轎車—人碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法，其特征在于(1)建立事故發(fā)生環(huán)境及事故轎車、行人的三維多剛體數(shù)學(xué)模型；(2)確定事故發(fā)生后轎車停止質(zhì)心位置坐標(biāo)、行人臀部落點(diǎn)位置坐標(biāo)；(3)確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；(4)調(diào)用優(yōu)化算法對給定目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解；(5)經(jīng)多次優(yōu)化循環(huán)計(jì)算后，判定目標(biāo)函數(shù)收斂性，是否求得最優(yōu)解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維多剛體模型的轎車—人碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法，其特征是，所述的步驟(1)，具體指對于真實(shí)的轎車—人碰撞事故，根據(jù)事故實(shí)際情況，建立包括路面、護(hù)欄在內(nèi)的事故發(fā)生環(huán)境三維多剛體模型；根據(jù)汽車幾何外形特征建立三維多剛體模型；考慮行人身高、年齡、體重建立三維多剛體模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維多剛體模型的轎車—人碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法，其特征是，所述的步驟(2)，具體指根據(jù)事故現(xiàn)場環(huán)境，自定義空間廣義坐標(biāo)系XYZ，然后確定事故發(fā)生后轎車停止質(zhì)心位置坐標(biāo)C1(xc1，yc1，zc1)、行人臀部落點(diǎn)位置坐標(biāo)H1(xh1，yh1，zh1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維多剛體模型的轎車—人碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法，其特征是，所述的步驟(3)，具體指設(shè)定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為轎車對行人的碰撞速度V，碰撞初始時(shí)刻轎車質(zhì)心位置坐標(biāo)C2(xc2，yc2，zc2)、行人站立臀部位置坐標(biāo)H2(xh2，yh2，zh2)，以轎車速度的估值區(qū)間和轎車、人碰撞前后的距離關(guān)系作為約束條件，確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)Y=F[x]=MinΣi=0m-1βif(xi)]]>式中βi為加權(quán)系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維多剛體模型的轎車—人碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法，其特征是，所述的步驟(4)，具體指調(diào)用優(yōu)化算法，在設(shè)計(jì)變量取值區(qū)間范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，經(jīng)p次優(yōu)化循環(huán)后計(jì)算得到碰撞速度Vp，轎車停止質(zhì)心位置坐標(biāo)C1p(xc1p，yc1p，zc1p)、行人臀部落點(diǎn)位置坐標(biāo)H1p(xh1p，yh1p，zh1p)，使目標(biāo)函數(shù)Fp[x]最小化，即MinFp[x]=Min([(xc1p-xc1)2+(yc1p-yc1)2+(zc1p-zc1)2]1/2+[(xh1p-xh1)2+(yh1p-yh1)2+(zh1p-zh1)2]1/2)]]>。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維多剛體模型的轎車—人碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法，其特征是，所述的步驟(5)，具體指經(jīng)過p次優(yōu)化循環(huán)計(jì)算，在滿足約束條件的情況下，計(jì)算程序?qū)γ肯噜弮蓚€(gè)優(yōu)化循環(huán)得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)誤差Ep判斷是否收斂。目標(biāo)函數(shù)誤差計(jì)算公式為Ep=|FP[x]-FP-1[x]FP-1[x]|]]>Ep取值區(qū)間為
，隨著優(yōu)化次數(shù)p增加，Ep越小，表明目標(biāo)函數(shù)誤差序列呈遞減趨勢，兩次相鄰優(yōu)化循環(huán)的計(jì)算結(jié)果越接近，優(yōu)化結(jié)果越趨于收斂。當(dāng)Ep值在設(shè)定的范圍值內(nèi)足夠小，即可判斷目標(biāo)函數(shù)收斂，求得最優(yōu)解。
全文摘要
一種用于交通領(lǐng)域的基于三維多剛體模型的轎車－人碰撞事故再現(xiàn)優(yōu)化方法，步驟為(1)建立事故發(fā)生環(huán)境及事故轎車、行人的三維多剛體數(shù)學(xué)模型；(2)確定事故發(fā)生后轎車停止質(zhì)心位置坐標(biāo)、行人臀部落點(diǎn)位置坐標(biāo)；(3)確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；(4)調(diào)用優(yōu)化算法對給定目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解；(5)經(jīng)多次優(yōu)化循環(huán)計(jì)算后，判定目標(biāo)函數(shù)收斂性，是否求得最優(yōu)解。本發(fā)明對碰撞過程進(jìn)行優(yōu)化，縮短了再現(xiàn)時(shí)間，減少了人為干預(yù)帶來的誤差和不確定性，可更加準(zhǔn)確、高效率地對轎車－人碰撞事故進(jìn)行再現(xiàn)分析。
文檔編號G06F19/00GK1889083SQ20061002912
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者金先龍, 郭磊, 張曉云 申請人:上海交通大學(xué)