基于运动轨迹的数字人体模型评估方法与流程

1.本发明涉及数据处理领域，尤其涉及一种基于运动轨迹的数字人体模型评估方法。


背景技术：

2.近年来，汽车主被动安全性能不断提高，汽车安全逐渐向数字化、智能化方向发展。随着汽车仿真技术的不断发展，汽车碰撞仿真已经能够较准确地预测乘员在碰撞过程中的损伤程度及车身结构变形等，其中乘员的损伤预测需要用数字人体模型进行模拟。对于数字人体模型来说，不仅需要与真实人体数据及物理假人的试验损伤结果保持一致，还需要在假人姿态及运动方面为车型开发提供数据支持。
3.在汽车碰撞过程中，乘员的运动轨迹与姿态对于人体碰撞损伤有着较大的影响。因此，汽车安全评价规程中部分工况已经在碰撞生物损伤的基础上，逐步加入了对于乘员运动轨迹的评估，以对碰撞产生的严重伤害在运动学方面进行预判与分析。例如正确判断头部横向和前向运动轨迹在减少头部损伤的研究中极为关键。运用数字人体模型进行碰撞损伤评估，应建立在仿真与试验结果运动轨迹相同的基础上。有些数字人体模型对运动学模拟不够精确，需要在测试前对不同数字人体模型的运动仿真度及适用性进行评估。目前对于数字人体模型的损伤生物仿真度已经有相关研究成果，但是对于数字人体模型运动轨迹的评估仍然缺乏相关研究。
4.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于运动轨迹的数字人体模型评估方法，可以针对汽车安全数字化测试场景，对现行数字人体模型的适用性进行标准化评估，通过对比轨迹计算综合误差的方法，筛选符合真实人体运动数据的数字人体模型进行汽车碰撞安全仿真与数字化检测，降低检测成本的同时提高汽车安全性能检测的准确性。
6.本发明实施例提供了一种基于运动轨迹的数字人体模型评估方法，该方法包括：基于带有数字人体模型的汽车碰撞约束系统仿真模型获取目标工况下所述数字人体模型各部位的第一运动学曲线，其中，所述目标工况与所述汽车碰撞约束系统仿真模型相关联，不同工况下的所述汽车碰撞约束系统仿真模型不同；根据所述数字人体模型各部位的第一运动学曲线以及标准模型在所述目标工况下各部位的第二运动学曲线确定各部位分别在不同维度下的子误差；根据一部位在所述不同维度下的子误差确定所述一部位对应的总误差；基于各部位分别对应的总误差以及各部位对应的权重确定整体误差；基于所述整体误差确定所述数字人体模型是否满足所述目标工况的仿真与数字检测要求。
7.本发明实施例具有以下技术效果：
可以针对汽车安全数字化测试场景，对现行数字人体模型的适用性进行标准化评估，通过对比轨迹计算综合误差的方法，筛选符合真实人体运动数据的数字人体模型进行汽车碰撞安全仿真与数字化检测，降低检测成本的同时提高汽车安全性能检测的准确性。
附图说明
8.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
9.图1是本发明实施例提供的一种基于运动轨迹的数字人体模型评估方法的流程示意图。
具体实施方式
10.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
11.本发明实施例提供了一种基于运动轨迹的数字人体模型评估方法，参考如图1所示的一种基于运动轨迹的数字人体模型评估方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：s110、基于带有数字人体模型的汽车碰撞约束系统仿真模型获取目标工况下所述数字人体模型各部位的第一运动学曲线，其中，所述目标工况与所述汽车碰撞约束系统仿真模型相关联，不同工况下的所述汽车碰撞约束系统仿真模型不同。
12.其中，所述带有数字人体模型的汽车碰撞约束系统仿真模型包括：车身结构部件模型（例如脚踏板模型、仪表盘模型）、数字人体模型以及与数字人体模型发生直接接触的约束系统部件模型（例如包括但不限于安全带模型、气囊模型、座椅模型、转向管柱模型）。
13.所述基于带有数字人体模型的汽车碰撞约束系统仿真模型获取目标工况下所述数字人体模型各部位的第一运动学曲线，包括：运行所述带有数字人体模型的汽车碰撞约束系统仿真模型，获得显示图像；基于所述显示图像运用hyperworks软件提取所述数字人体模型各部位的第一运动学曲线；其中，在运行所述带有数字人体模型的汽车碰撞约束系统仿真模型时，所述带有数字人体模型的汽车碰撞约束系统仿真模型具有与物理试验相同的初始速度和减速度波形。
14.所述目标工况可以是标准碰撞工况或者ncap中的碰撞工况。
15.数字人体模型应参照车辆设计点及车辆结构进行摆放，数字人体模型的对称平面应该与座椅铅锤中间平面重合，暴露在构成重力载荷的垂直加速度场中，所有肢体均不做人工连接或约束。输入模型约束条件、模型接触、模型初始速度与减速度波形。车辆模型和数字人体模型之间、安全带与数字人体模型之间的静态和动态摩擦系数设置为0.3。模型整体初始速度和减速度波形应与该碰撞工况物理试验一致。
16.建立约束系统有限元模型的计算环境，并输出时间间隔为0.1ms的模型计算结果，包括但不限于动画和损伤结果，同时输出接触力和模型整体的沙漏能、接触能和内能。模型应满足动画中不出现接触表面穿透情况，开始时数字人体模型和车辆之间的接触力为零，总能量在15%的公差范围内保持不变；沙漏能量《=总能量的10%；模拟开始时的接触能量《=总能量的1%。
17.以某碰撞工况中提取头部质心的第一运动学曲线为例，用hyperview软件中measures命令提取头部质心的x向、y向位移，绘制xy平面内的第一运动学曲线，即为验证模型的运动轨迹曲线。标准模型的运动轨迹曲线可以采取目前已知的真实人体数据或者根据标准假人物理试验视频，hyperworks-mediaview中marker tracing命令提取头部质心标志运动轨迹，即为标准模型的运动轨迹曲线（也即第二运动学曲线）。
18.s120、根据所述数字人体模型各部位的第一运动学曲线以及标准模型在所述目标工况下各部位的第二运动学曲线确定各部位分别在不同维度下的子误差。
19.s130、根据一部位在所述不同维度下的子误差确定所述一部位对应的总误差。
20.例如同一部位包括4个维度的子误差，则该部位的总误差为4个维度的子误差的和或者加权和。
21.示例性的，假设所述一部位为头部，则所述第一运动学曲线为头部的运动学曲线，通过基于所述数字人体模型的头部的第一运动学曲线以及标准模型在所述目标工况下头部的第二运动学曲线确定头部4个维度的子误差，分别为轨道误差e
t
、形状误差e
q、
横轴误差e
p
和纵轴误差er，则头部的总误差e可表示为：其中，分别为4个维度所占的权重。
22.s140、基于各部位分别对应的总误差以及各部位对应的权重确定整体误差。
23.例如，整体误差可以表示为：其中，ej表示第j个部位对应的总误差，wj表示第j个部位对应的权重，ω表示部位的总个数。
24.s150、基于所述整体误差确定所述数字人体模型是否满足所述目标工况的仿真与数字检测要求。
25.例如，若所述整体误差小于阈值，则确定所述数字人体模型满足所述目标工况的仿真与数字检测要求，换言之，所述数字人体模型可用于所述目标工况下的碰撞仿真与数字检测。
26.具体的，标准模型某部位的第二运动学曲线在xy平面内可表达为：l(t)=(x(t)，y(t))，x(t)，y(t)分别为第二运动学曲线在t时刻的横、纵坐标，例如，以某部位是头部为例，
x(t)，y(t)分别为t时刻头部质心在x方向与y方向的坐标。
27.验证模型（即待评估的数字人体模型）头部的第一运动学曲线在xy平面可表达为：l' (t)=(x' (t)，y' (t))， x' (t)，y' (t)分别为验证模型头部的第一运动学曲线在t时刻的横、纵坐标。
28.基于以上定义，计算轨道误差et：在相同的t时刻，验证模型头部的第一运动学曲线与标准模型头部的第二运动学曲线的绝对距离可以表示为：考虑到误差的累计效应，本实施例以标准模型头部的第二运动学曲线l(t)与原点的实时距离作为评价分值的基准。在t时刻，标准模型头部的第二运动学曲线l(t)与原点的距离为d（t）：基于以上内容，所述头部的轨道误差e
t
基于如下关系式确定：其中，e
t
表示所述一部位的轨道误差，n表示所述一部位在所述目标工况下的第二运动学曲线所包括的离散的数据点数，e
t
（t）表示t时刻所述一部位对应的第一运动学曲线与所述一部位对应的第二运动学曲线的轨道误差量化指标值；e
t
（t）基于如下关系式确定：其中，δ1（t）=1%*d（t），δ2（t）=50%*d（t）。
29.针对形状误差：通过比较两个曲线每个时间步内的趋势变化，可以反映出两条曲线形状上的区别，以任意时刻点t为例，该点在
△
t时间内的运动轨迹为：t时间内的运动轨迹为：则t时刻所述第一运动学曲线与所述第二运动学曲线的误差ε(t)可以表示为：第二运动学曲线在
△
t时间内的弧长s（t）为
，第一运动学曲线在
△
t时间内的弧长s'（t）为：则相对误差εq(t)为：。
30.综上，形状误差eq基于如下关系式确定：eq (t)表示t时刻头部对应的第一运动学曲线与对应的第二运动学曲线的形状误差量化指标值；eq (t)基于如下关系式确定：。
31.概括性的，所述不同维度下的子误差包括轨道误差；对应的，所述根据所述数字人体模型各部位的第一运动学曲线以及标准模型在所述目标工况下各部位的第二运动学曲线确定各部位分别在不同维度下的子误差，包括：根据所述数字人体模型一部位的第一运动学曲线以及标准模型的所述一部位在所述目标工况下的第二运动学曲线确定所述一部位的轨道误差e
t
；其中，所述一部位的轨道误差e
t
基于如下关系式确定：其中，e
t
表示所述一部位的轨道误差，n表示所述一部位在所述目标工况下的第二运动学曲线所包括的离散的数据点数，e
t
（t）表示t时刻所述一部位对应的第一运动学曲线与所述一部位对应的第二运动学曲线的轨道误差量化指标值；e
t
（t）基于如下关系式确定：
其中，e（t）表示t时刻所述一部位对应的第一运动学曲线与所述一部位对应的第二运动学曲线之间的绝对距离，e（t）的计算式为，其中，x（t）表示t时刻所述一部位对应的第二运动学曲线的横坐标，y（t）表示t时刻所述一部位对应的第二运动学曲线的纵坐标，x'（t）表示t时刻所述一部位对应的第一运动学曲线的横坐标，y'（t）表示t时刻所述一部位对应的第一运动学曲线的纵坐标；δ1（t）=1%*d（t），δ2（t）=50%*d（t），d（t）表示t时刻所述一部位对应的第二运动学曲线与原点的距离，d（t）的计算式为。
32.进一步的，所述不同维度下的子误差还包括形状误差；对应的，所述根据所述数字人体模型各部位的第一运动学曲线以及标准模型在所述目标工况下各部位的第二运动学曲线确定各部位分别在不同维度下的子误差，还包括：根据所述数字人体模型一部位的第一运动学曲线以及标准模型的所述一部位在所述目标工况下的第二运动学曲线确定所述一部位的形状误差eq；其中，所述一部位的形状误差eq基于如下关系式确定：其中，eq表示所述一部位的形状误差，eq (t)表示t时刻所述一部位对应的第一运动学曲线与所述一部位对应的第二运动学曲线的形状误差量化指标值；eq (t)基于如下关系式确定：其中，εq(t)表示t时刻所述一部位对应的第一运动学曲线与所述一部位对应的第二运动学曲线的相对误差，εq(t)的计算式为，s
（t）表示所述一部位对应的第二运动学曲线在
△
t时间内的弧长，s（t）的计算式为，x（t）表示t时刻所述一部位对应的第二运动学曲线的横坐标，y（t）表示t时刻所述一部位对应的第二运动学曲线的纵坐标，x（t
△
t）表示（t
△
t）时刻所述一部位对应的第二运动学曲线的横坐标，y（t
△
t）表示（t
△
t）时刻所述一部位对应的第二运动学曲线的纵坐标；s'（t）表示所述一部位对应的第一运动学曲线在
△
t时间内的弧长，s'（t）的计算式为：ε(t)表示t时刻所述一部位对应的第一运动学曲线与所述一部位对应的第二运动学曲线的绝对误差，ε(t)的计算式为：其中，x'（t）表示t时刻所述一部位对应的第一运动学曲线的横坐标，y'（t）表示t时刻所述一部位对应的第一运动学曲线的纵坐标，x'（t
△
t）表示（t
△
t）时刻所述一部位对应的第一运动学曲线的横坐标，y'（t
△
t）表示（t
△
t）时刻所述一部位对应的第一运动学曲线的纵坐标。
33.进一步的，所述不同维度下的子误差还包括横轴误差；对应的，所述根据所述数字人体模型各部位的第一运动学曲线以及标准模型在所述目标工况下各部位的第二运动学曲线确定各部位分别在不同维度下的子误差，还包括：根据所述数字人体模型一部位的第一运动学曲线以及标准模型的所述一部位在所述目标工况下的第二运动学曲线确定所述一部位的横轴误差e
p
；其中，所述一部位的横轴误差e
p
基于如下关系式确定：其中，截取第二运动学曲线和第一运动学曲线在相同时间段内的曲线段，截取的所述曲线段的起点时刻标记为ts，终点时刻标记为te，截取的所述曲线段所包括的离散的数据点数为m，沿时间轴平移所述一部位对应的第一运动学曲线，平移量为m个数据点，m的上限为，0《β《0.5平移后，在截取的所述曲线段内所述一部位对应的第一运动学曲线与第二运动学曲线重叠部分的数据点数为n＝m-|m|，i用于标记特定的数据点，m0表示关联值k（m）取最大值时对应的平移量，关联值k（m）的计算式为：
其中，k
x
（m）表示平移后的第一运动学曲线与第二运动学曲线之间在x方向的横轴相互关联值，ky（m）表示平移后的第一运动学曲线与第二运动学曲线之间在y方向的横轴相互关联值；当-（）≤m≤0时，k
x
（m）的计算式为：当0＜m≤（）时，k
x
（m）的计算式为：当-（）≤m≤0时，ky（m）的计算式为：当0＜m≤（）时，ky（m）的计算式为：其中，的含义是将β﹒m向下取整为最接近的整数，xe（t）表示所述一部位对应的第二运动学曲线被归一化后在t时刻的横轴坐标，ye（t）表示所述一部位对应的第二运动学曲线被归一化后在t时刻的纵轴坐标，xe'（t）表示所述一部位对应的第一运动学曲线被归一化后在t时刻的横轴坐标，ye'（t）表示所述一部位对应的第一运动学曲线被归一化后在t时刻的纵轴坐标；xe（t）、ye（t）、xe'（t）以及ye'（t）的表达式分别为：'（t）的表达式分别为：'（t）的表达式分别为：表示第二运动学曲线与第一运动学曲线重合部分第二运动学曲线的横坐标值的平均值，表示第二运动学曲线与第一运动学曲线重合部分第一运动学曲线的
横坐标值的平均值，表示第二运动学曲线与第一运动学曲线重合部分第二运动学曲线的纵坐标值的平均值，表示第二运动学曲线与第一运动学曲线重合部分第一运动学曲线的纵坐标值的平均值；、、以及的计算式分别为：的计算式分别为：xe（ts i﹒
△
t）表示所述一部位对应的第二运动学曲线被归一化后在（ts i﹒
△
t）时刻的横轴坐标，ye（ts i﹒
△
t）表示所述一部位对应的第二运动学曲线被归一化后在（ts i﹒
△
t）时刻的纵轴坐标，xe'（ts i﹒
△
t）表示所述一部位对应的第一运动学曲线被归一化后在（ts i﹒
△
t）时刻的横轴坐标，ye'（ts i﹒
△
t）表示所述一部位对应的第一运动学曲线被归一化后在（ts i﹒
△
t）时刻的纵轴坐标；xe'（ts （i-m）﹒
△
t）表示所述一部位对应的第一运动学曲线被归一化后在（ts （i-m）﹒
△
t）时刻的横轴坐标，ye'（ts （i-m）﹒
△
t）表示所述一部位对应的第一运动学曲线被归一化后在（ts （i-m）﹒
△
t）时刻的纵轴坐标；xe（ts （i m）﹒
△
t）表示所述一部位对应的第二运动学曲线被归一化后在（ts （i m）﹒
△
t）时刻的横轴坐标，ye（ts （i m）﹒
△
t）表示所述一部位对应的第二运动学曲线被归一化后在（ts （i m）﹒
△
t）时刻的纵轴坐标。
34.进一步的，所述不同维度下的子误差还包括纵轴误差；对应的，所述根据所述数字人体模型各部位的第一运动学曲线以及标准模型在所述目标工况下各部位的第二运动学曲线确定各部位分别在不同维度下的子误差，包括：根据所述数字人体模型一部位的第一运动学曲线以及标准模型的所述一部位在所述目标工况下的第二运动学曲线确定所述一部位的纵轴误差er；其中，所述一部位的纵轴误差er基于如下关系式确定：er
=u
x
﹒uy其中，u
x
表示平移后的第一运动学曲线与第二运动学曲线之间在x方向的纵轴坐标误差分数，uy表示平移后的第一运动学曲线与第二运动学曲线之间在y方向的纵轴坐标误差分数；u
x
和uy分别基于如下算式确定：其中，u
x
表示平移后的第一运动学曲线与第二运动学曲线之间在x方向的纵轴相互关联值，uy表示平移后的第一运动学曲线与第二运动学曲线之间在y方向的纵轴相互关联值，u
x
和uy分别基于如下算式确定：。
35.本实施例提供的一种基于运动轨迹的数字人体模型评估方法，可以针对汽车安全数字化测试场景，对现行数字人体模型的适用性进行标准化评估，通过对比轨迹计算综合误差的方法，筛选符合真实人体运动数据的数字人体模型进行汽车碰撞安全仿真与数字化检测，降低检测成本的同时提高汽车安全性能检测的准确性。
36.需要说明的是，本发明所用术语仅为了描述特定实施例，而非限制本技术范围。如本发明说明书所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。
37.还需说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以
是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。