一種汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

王 鑫，劉 蒼，習(xí)阿萌

(西安航空學(xué)院 車輛工程學(xué)院，西安 710077)

隨著我國汽車保有量的不斷增加，汽車交通事故頻發(fā)。而在汽車正面碰撞過程中，異常的坐姿會嚴(yán)重影響乘員約束系統(tǒng)的保護(hù)作用，甚至?xí)?dǎo)致膨脹的安全氣囊加劇對乘客的沖擊傷害[1]。

標(biāo)準(zhǔn)碰撞試驗表明，駕駛?cè)俗耸怯绊懻w損傷風(fēng)險最顯著的參數(shù)。當(dāng)乘員在車輛發(fā)生正面碰撞時，人體前、后傾斜或發(fā)生左、右傾斜都會致使安全氣囊保護(hù)性能下降，使乘員損傷風(fēng)險增加[2]。鞠海蒙教授在研究分析人體尺寸差異對車輛正面碰撞時人體前傾角對駕駛員損傷影響的研究結(jié)果表明，安全氣囊的保護(hù)效果隨著人體前傾角改變而發(fā)生變化[3]。

綜上所述，駕駛?cè)俗藢Τ藛T約束系統(tǒng)的保護(hù)效果影響較大。因此，針對不規(guī)范的駕駛坐姿，研發(fā)智能乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)，可有效的降低汽車正面碰撞時因坐姿不正確對乘員造成的二次碰撞傷害。

1 碰撞后不同駕駛姿態(tài)的損傷分析

駕駛員的坐姿選擇通常跟乘坐舒適性和駕駛視野相關(guān)。通過MADYMO軟件仿真可以看到，以人體的上軀干與下軀干的交界H點為固定點，通過改變?nèi)梭w上軀干相對于Z軸的傾角和Y軸的傾角，即在MADYMO軟件中調(diào)節(jié)假人脊柱和頭部的兩個方向的傾角，分別設(shè)置前傾10°、后傾10°、左傾10°、右傾10°和標(biāo)準(zhǔn)坐姿五種情況進(jìn)行仿真，其得到的各組加速器數(shù)據(jù)和傷害輸出如表1所示。

表1 不同坐姿人體各部位加速度峰值及HIC[3]

通過仿真分析可知，當(dāng)駕駛員上體軀干縱向或側(cè)向位置發(fā)生變化時，對頭部和胸部的損傷影響較大。主要原因是駕駛員頭部和胸部與方向盤之間的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致其過早或過晚地與完全展開的安全氣囊接觸，或者與安全氣囊接觸的正確位置存在差異，致使氣囊沒有達(dá)到最佳的約束效果，對駕駛員的頭部或胸部產(chǎn)生傷害[4]。

因此，在針對駕駛員不同坐姿的碰撞損傷結(jié)果，根據(jù)駕駛員上體軀干因側(cè)向傾斜或縱向傾斜導(dǎo)致的汽車約束系統(tǒng)未達(dá)到理想的約束效果，在汽車座椅上設(shè)計并布置多個壓力傳感器，根據(jù)多個壓力傳感器的反饋參數(shù)掌握駕駛員的坐姿情況，并針對駕駛員坐姿異常的情況進(jìn)行報警，可有效預(yù)防并降低因坐姿異常的碰撞傷害。

2 汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)主要壓力傳感器、車速傳感器、安全帶卡扣信號開關(guān)、單片機(jī)、蜂鳴器和報警燈組成。座椅壓力傳感器采用RFP-ZHII薄膜壓力傳感器，壓力傳感器共有4個，布置在前排乘員座椅靠背和坐墊上，檢測駕駛員背部和臀部重心變化[5]。汽車乘員坐姿預(yù)警控制系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)，通過單片機(jī)采集壓力傳感器信號、汽車車速信號、安全帶卡扣開關(guān)信號等信息，判斷汽車課程的坐姿，若坐姿異常將會控制蜂鳴器和報警燈進(jìn)行報警。其具體組成和電路結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。

圖1汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)組成

2.2 汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)控制原理

汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的控制主程序設(shè)計主要完成系統(tǒng)各參數(shù)的設(shè)定、壓力傳感器信號檢測及報警系統(tǒng)控制等功能，其控制邏輯流程圖如圖3所示。系統(tǒng)在通電啟動后，程序根據(jù)設(shè)計要求首先進(jìn)行初始化工作，然后，在完成初始化工作后程序進(jìn)入檢測工作狀態(tài)，檢測汽車車速信號、汽車座椅四個壓力傳感器信號及安全帶卡扣信號。當(dāng)單片機(jī)接收到汽車車速信號后，開始判斷安全帶卡扣信號和壓力傳感器信號。若汽車乘員未系安全帶，即單片機(jī)未收到安全帶卡扣信號，同時壓力傳感器有反饋信號時，則單片機(jī)控制報警燈常亮，并在10秒后控制驅(qū)動電路工作，使蜂鳴器開始報警。若單片機(jī)收到安全帶卡扣信號，即汽車乘員都系了安全帶，則開始判斷4組壓力傳感器信號差異，當(dāng)靠背壓力傳感器1和靠背壓力傳感器2及坐墊壓力傳感器1和坐墊壓力傳感器2的反饋數(shù)值近似并在規(guī)定范圍內(nèi)，則報警系統(tǒng)不工作。否則，當(dāng)2組靠背壓力傳感器和2組坐墊壓力傳感器之間數(shù)值超過規(guī)定范圍內(nèi)時，則報警系統(tǒng)工作。

圖3 汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)控制邏輯

3 汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)性能試驗

3.1 試驗方案設(shè)計

為驗證乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的可靠性和實用性，汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)性能研究試驗分為安全帶報警和乘員坐姿預(yù)警兩個試驗內(nèi)容。

安全帶報警試驗是檢測該預(yù)警系統(tǒng)能否實現(xiàn)駕駛員在未系安全帶啟動汽車點火開關(guān)后進(jìn)行報警，為確保符合汽車報警要求，2個坐墊壓力傳感器設(shè)置的報警壓力最小值為30Kg。若啟動點火開關(guān)，在安全帶卡扣不閉合的情況下，分別檢測有人乘坐和無人乘坐兩種情況報警指示燈的工作狀態(tài)，同時增加輪速傳感器信號，當(dāng)車速上升至30Km/h后檢測蜂鳴器是否報警。

乘員坐姿預(yù)警試驗是檢測該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在乘員坐姿異常的情況下系統(tǒng)能夠正常報警。在考慮乘員體重及身高等對坐姿影響的因素下，設(shè)置坐墊2個壓力傳感器報警壓力最小值為30Kg，兩個坐墊壓力傳感器測量值差值不能超過5Kg，否則報警。同時，設(shè)置靠背2個壓力傳感器報警壓力最小值為10Kg，兩個坐墊壓力傳感器測量值差值不能超過2Kg，否則報警[6]。試驗方案采用試驗人在正常坐姿、前傾、左傾和右傾不同乘坐姿勢下檢測傳感器壓力及報警系統(tǒng)工作情況。

3.2 乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)驗證試驗結(jié)果

根據(jù)試驗方案，將一個標(biāo)準(zhǔn)體重為70Kg試驗人員作為參考對象，完成上述兩個試驗項目。

試驗結(jié)果表明，在乘坐試驗人沒有系安全帶的情況下，啟動點火開關(guān)，報警指示燈能夠正常點亮。采用電機(jī)模擬車輪轉(zhuǎn)速(車輪采用185/65R15的輪胎，車輪半徑為310.75mm)，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)256r/min，即行駛車速為30Km/h時，蜂鳴器開始報警。反之，當(dāng)試驗人將安全帶卡扣閉合，則報警停止。

當(dāng)試驗人閉合安全帶卡扣后，采用前傾、左傾和右傾不同乘坐姿勢，由于2個坐墊和靠背壓力傳感器之間的差值超過了規(guī)定數(shù)值，則蜂鳴器開始報警。當(dāng)試驗人采用正常坐姿乘坐時，蜂鳴器停止報警，其具體測量參數(shù)如表2所示。

表2 成員坐姿預(yù)警試驗結(jié)果

4 結(jié)語

本文根據(jù)在碰撞中不同駕駛姿態(tài)的損傷結(jié)果分析，設(shè)計并制作一種汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)。該裝置能夠檢測汽車乘員的坐姿形態(tài)，并對坐姿異常或未佩戴安全帶的乘客進(jìn)行警告。試驗結(jié)果表明，當(dāng)試驗人坐姿分別為前傾、左傾或右傾時，檢測系統(tǒng)能夠有效的根據(jù)座椅布置的2組壓力傳感器的數(shù)值判斷乘員坐姿異常，并通過預(yù)警系統(tǒng)向乘員進(jìn)行報警，可有效降低汽車正面碰撞時因坐姿不正確對乘員造成的二次碰撞傷害。