體感視覺綜合防暈車座椅自主平衡裝置設(shè)計

葛永帥 吳延峰 張翠 韓星 陳銘 張龍

摘 要：汽車作為重要的代步工具，為人們的出行提供了極大的方便，但是，隨之而來的暈車發(fā)生率呈不斷上升的趨勢。本文針對乘客在汽車加速、轉(zhuǎn)向、制動等工況下的運(yùn)動刺激和乘客自身感覺沖突等暈動癥誘發(fā)因素，設(shè)計一種體感視覺綜合防暈車座椅自主平衡裝置。該裝置依靠座椅減震器和自動控制系統(tǒng)保持豎直和水平方向上的體感平衡，借助頭戴式顯示設(shè)備使得內(nèi)耳前庭感受器與視覺感受到的信息一致，保持體感與視覺的協(xié)同平衡，從而達(dá)到綜合防暈車的效果。

關(guān)鍵詞：暈動癥;防暈車座椅;阻尼可調(diào)節(jié)式減震器;頭戴式顯示設(shè)備

中圖分類號：U463文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0056-04

Abstract： As an important means of transportation， cars provide great convenience for people's travel. However， the incidence of carsickness is rising. Aiming at the motion stimulus of passengers under car acceleration， steering， braking and other conditions such as motion stimulus and passengers' own feeling conflicts and other motion sickness inducing factors， this paper designed a somatosensory and visual integrated anti-sickness seat autonomous balancing device. The device relies on the seat shock absorber and the automatic control system to maintain a balance in the vertical and horizontal directions， with the help of a head-mounted display device， the vestibular receptors of the inner ear are consistent with the visually sensed information， and the synergistic balance of somatosensory and visual is maintained， so as to achieve a comprehensive anti-motion sickness effect.

Keywords： motion sickness;anti-sickness seat;damping-adjustable shock absorber;head-mounted display device

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，人們對出行的舒適度要求越來越高，暈車成了影響部分人群出行體驗的主要因素之一[1]。暈車是暈動癥的一種，暈動癥是由于肌體對運(yùn)動狀態(tài)錯誤感知所導(dǎo)致的一系列生理反應(yīng)的總和，具體表現(xiàn)為嘔吐、冒冷汗，并伴隨嚴(yán)重的腹瀉和頭昏腦脹等[2]。據(jù)統(tǒng)計，有暈車癥狀的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的4%～10%，因此，暈車問題成為亟待研究與解決的課題。目前，解決暈車主要依靠暈車藥。市面上常見的暈車藥有胃復(fù)安（甲氧氯普胺）片、嗎丁啉片等。但研究表明，暈車藥均具有副作用，同時其適用范圍也有限。

2018年，法國汽車制造商雪鐵龍推出了一款防暈車眼鏡架。眼鏡架上有四個環(huán)，環(huán)內(nèi)部藍(lán)色液體的水平面隨著汽車的行駛也會發(fā)生變化。眼鏡在視野正面及側(cè)面創(chuàng)造了一條人造水平線，從而使視線和內(nèi)耳重新同步，達(dá)到防暈效果。國內(nèi)現(xiàn)有的防暈車裝置主要有防暈后視鏡、防暈神器Neueowave等。但經(jīng)過測試，其只對部分人有效。

近年來，針對暈動癥開發(fā)防暈座椅的研究不斷涌現(xiàn)。肖夢婷等[3]研發(fā)的防暈車座椅主要通過增加或者減弱汽車座椅的頻率，使得此頻率不在與人體發(fā)生共振的頻率范圍內(nèi)，進(jìn)而消除共振;白云等研發(fā)的防暈車座椅通過穴位按摩和氣囊換氣的形式緩解暈動癥，但并未從根源上解決問題[4]。本文結(jié)合防暈座椅與防暈眼鏡的優(yōu)點，設(shè)計出了一種體感與視覺協(xié)同平衡的防暈裝置，達(dá)到綜合防暈車的效果。

1 整體設(shè)計

座椅裝置借鑒半主動懸架和直升機(jī)傾斜盤的原理，能夠根據(jù)車輛行駛的具體工況，主動抵消振動，產(chǎn)生相應(yīng)的傾角，以保持體感平衡、減弱運(yùn)動刺激。同時，可配合虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示設(shè)備，使內(nèi)耳前庭感受器與視覺接收的信息一致，達(dá)到體感、視覺協(xié)同平衡的效果?？勘澈涂空聿糠值慕Y(jié)構(gòu)和材料也能起到減振和固定的效果。

2 體感平衡設(shè)計

體感平衡通過汽車傳感器實時采集車輛速度、加速度、角速度等數(shù)據(jù)，利用半主動懸架的原理主動減弱垂直方向的振動，通過調(diào)整座椅的傾角反向抵消變工況條件下車的慣性加速度，從而保持水平方向的平衡，達(dá)到減弱運(yùn)動刺激的效果。該裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 豎直方向平衡裝置設(shè)計

為減小豎直方向上的加速度，本設(shè)計采用阻尼有級可調(diào)的半主動懸架來主動抵消豎直方向的振動。豎直方向平衡裝置主要由不可變剛度的彈簧和節(jié)流口可調(diào)的阻尼減震器組成。彈簧用來減緩沖擊力，減震器產(chǎn)生可變的阻尼力使振動能量迅速消散，減小甚至消除座椅的振動。安裝在支撐柱上的加速度傳感器實時采集豎直方向的加速度數(shù)據(jù)并將信息傳遞給控制器，根據(jù)模糊控制得出的控制量，控制器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制脈沖，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動閥芯改變節(jié)流口的開度，使活塞上下腔的節(jié)流面積發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)減震器的阻尼狀態(tài)。外圍采用平行四邊形連桿鉸接的伸縮架，提高座椅穩(wěn)定性的同時也能起到一定的減振效果。

2.2 豎直方向平衡控制方案

對于減震器阻尼大小的控制方式，本裝置采用模糊控制。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機(jī)智能控制。其基本原理框圖如圖2所示。

模糊控制器選用二維模糊控制器，根據(jù)豎直方向的加速度傳感器提供的加速度[a]，選取豎直方向的加速度與參考模型的加速度（[a]=0）差值作為控制器輸入變量[e]，差值的變化率為第二個輸入變量[ec]，節(jié)流口開度為輸出變量[u]。模糊控制器輸入的誤差量、誤差變化率和輸出均取7個語言值：正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZE）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）。本研究使用三形隸屬度函數(shù)作為輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)。[e]、[ec]、[u]的基本論域分別為[-3，3]、[-6，6]、[0，6]。輸入、輸出變量均具有7個模糊子集，根據(jù)專家的經(jīng)驗知識和半主動懸架的控制規(guī)則，總共有49條模糊規(guī)則。該模糊控制器的流程框圖如圖3所示。

解模糊化是模糊化反過程，其作用是從已知的連續(xù)輸入精確量中求出控制器相應(yīng)的輸出量。本裝置采用重心法，具有控制效果良好、易于求解等優(yōu)點，可將具有不同隸屬度的模糊輸出元素合成一個實際的控制量[U]。

通過MATLAB Simulink仿真，輸入隨機(jī)路面模型，車速為40 km/h，座椅垂直方向振動加速度如圖4所示。由圖4可知，座椅的垂直加速度可控制在0.01g的范圍之內(nèi)，不超過耳石器對垂直加速度的生理閾值，不會引起強(qiáng)烈的耳石刺激。下面對座椅振動頻率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。該座椅的頻率大于0.5 Hz，超過多發(fā)性硬化（Multiple Sclerosis，MS）發(fā)病率相對較高的暈動性峰值運(yùn)動頻率0.2 Hz[5-6]。

2.3 水平方向平衡裝置設(shè)計

為了抵消俯仰和側(cè)傾產(chǎn)生的水平方向的慣性加速度，以保持座椅水平方向的體感平衡，本研究借鑒直升機(jī)傾斜盤的原理，設(shè)計了一種調(diào)平機(jī)構(gòu)，使得該裝置主動保持變工況時座椅的平衡，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

調(diào)平機(jī)構(gòu)主要由支撐座、兩個液壓伸縮桿、球關(guān)節(jié)、傾斜盤和卡槽組成。中間設(shè)計一個支撐柱，其上部是一個球關(guān)節(jié)，液壓伸縮桿與球關(guān)節(jié)通過傾斜盤相連，傾斜盤置于球關(guān)節(jié)上，可在兩個液壓伸縮桿的帶動下圍繞球關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生一定的傾角，同時支撐座上設(shè)有卡槽，可限制伸縮桿水平方向轉(zhuǎn)動的范圍，以保證座椅的穩(wěn)定性。

通過組合式加速度傳感器、車速傳感器、光電式轉(zhuǎn)角傳感器、制動踏板傳感器、陀螺儀傳感器等相互配合，該裝置實時采集或提前預(yù)判車輛的速度、加速度、角速度等信息，控制器可根據(jù)傳感器提供的數(shù)據(jù)控制兩個液壓伸縮桿的伸長量，使與其連接的傾斜盤繞球關(guān)節(jié)產(chǎn)生一定傾角，帶動座椅產(chǎn)生一定的傾角，從而抵消變工況下的慣性加速度，使座椅保持水平方向的平衡[7]。

2.4 水平方向平衡方案

下面將介紹四種代表工況下座椅的調(diào)整方案。

2.4.1 正常行駛工況。圖6為初始狀態(tài)下的水平方向平衡裝置結(jié)構(gòu)圖，此時，座椅平面與地面平行，即傾斜盤平面與地面平行，兩伸縮桿長度均為原始長度[L]，傾斜盤中心到伸縮桿的距離為[R]。該裝置不工作。

2.4.2 緊急制動工況。根據(jù)傳感器實時提供的數(shù)據(jù)，可得到預(yù)測和即時的加速度以及慣性加速度[a慣]，座椅平面與正常行駛工況下水平面之間的夾角為[α]。根據(jù)力的平衡原理，可得：

2.4.4 急轉(zhuǎn)彎工況。急轉(zhuǎn)彎工況示意圖如圖8所示。根據(jù)傳感器實時提供的數(shù)據(jù)可得預(yù)測和即時的加速度和慣性加速度[a慣]，此時，桿2長度保持不變，根據(jù)式（2）和式（5），向左轉(zhuǎn)向時，桿1長度縮短[ΔL′]，向右轉(zhuǎn)向時，桿1伸長[ΔL′]。

2.4.5 急轉(zhuǎn)彎+制動綜合工況。根據(jù)緊急制動工況和緊急轉(zhuǎn)彎工況下桿1和桿2的變化，左轉(zhuǎn)+制動時，桿1縮短[ΔL']，桿2縮短[ΔL]。右轉(zhuǎn)+制動時，桿1伸長[ΔL']，桿2縮短[ΔL]。

3 視覺平衡設(shè)計

為保持體感、視覺協(xié)同平衡，乘客可自主選擇佩戴虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示設(shè)備，即VR眼鏡。對于不同的路況，屏幕中對應(yīng)播放不同的畫面，畫面采用模擬路況動畫，控制信息存儲在電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）中。在車輛行駛過程中，通過汽車安裝的傳感器，將信號實時傳輸給ECU，ECU輸出相應(yīng)控制指令，再將信號反饋給VR眼鏡，利用人眼看到屏幕配合眼鏡根據(jù)路況實時生成的立體3D圖像，使得內(nèi)耳前庭感受器與視覺感受到的信息一致，不易產(chǎn)生暈車的癥狀。例如，在汽車啟動時，VR眼鏡中播放周圍環(huán)境緩慢倒退的畫面;汽車制動時，會播放短暫的制動時周圍環(huán)境緩慢倒退的畫面;在上下顛簸時，也會有環(huán)境的抖動畫面;在轉(zhuǎn)向等其他路況下，也有相應(yīng)的畫面播放。

4 靠背、靠枕設(shè)計

依據(jù)人體工程學(xué)原理，靠背部分結(jié)構(gòu)設(shè)計成弧線形，有效釋放壓力。材料采用記憶海綿，記憶海綿之間設(shè)有鏤空部分，形成減振空間，減弱行駛時車輛的振動通過座椅傳遞到與腰椎相關(guān)聯(lián)的胃部，緩解胃部不適等癥狀[8]。座椅的整個支架采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）制作，可以減輕重量，同時方便加工。

靠枕的結(jié)構(gòu)為兩邊突出、中間凹陷的形狀，能夠?qū)︻^部起到一定的限制作用。同時，其可以使人的頸椎得到較好的放松。

5 結(jié)論

本文針對暈動癥人群設(shè)計的一種體感視覺綜合防暈車座椅自主平衡裝置，不僅減弱了能夠誘發(fā)敏感人群暈動癥的運(yùn)動刺激，還將眼鏡和座椅相配合，根據(jù)暈動癥發(fā)病機(jī)制，從多方面、多角度考慮了暈車問題的解決辦法。該裝置還未在現(xiàn)實生活中實踐，若將設(shè)計具體細(xì)節(jié)加以完善，使其成為技術(shù)成熟的產(chǎn)品，定將為乘車出行的暈動癥人群做出貢獻(xiàn)。

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