基于乘客舒適健康的汽車智能座椅的關(guān)鍵技術(shù)研究

張清奎 汪祥支 徐 敏 蔣克榮

（1.安徽華菱汽車有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 概述

汽車座椅的主要功能是支撐駕駛員和乘坐人員的身體，減緩路面不平傳給人體的沖擊并衰減由此引起的振動(dòng)，提供舒適、安全的乘坐、操作條件。因?yàn)殚L(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害，特別是當(dāng)座椅的振動(dòng)頻率和整車的振動(dòng)頻率相近時(shí)，它們產(chǎn)生的共振會(huì)對(duì)乘員的腰脊和相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生極大的有害影響，職業(yè)駕駛員往往患有不同程度的脊椎、胸椎疾病。隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，為人們提供舒適的、體現(xiàn)人文關(guān)懷的產(chǎn)品成為越來(lái)越多的汽車生產(chǎn)企業(yè)追求的目標(biāo)，因而智能座椅對(duì)汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)具有重要意義。

目前，汽車座椅的舒適性優(yōu)化主要考慮曲面造型，至于座椅剛度、阻尼，普遍采用折中方案確定其參數(shù)。這類座椅缺少振動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)能力，不能滿足多種類型乘坐者（體重不同、人體參數(shù)不同）的振動(dòng)舒適性要求，突出表現(xiàn)在無(wú)法自動(dòng)適應(yīng)各種路況，嚴(yán)重降低了汽車總體舒適性。

1 汽車智能座椅研究的意義

主動(dòng)減振座椅是最近幾年誕生的新概念，目標(biāo)是進(jìn)一步提升汽車舒適性，減輕乘員的疲勞，降低職業(yè)病發(fā)病率。雖然尚沒(méi)有具體商業(yè)化產(chǎn)品問(wèn)世，但是因?yàn)樯婕熬薮笊虡I(yè)潛力，國(guó)外很多重要組織都進(jìn)行了相當(dāng)程度的研究，所研制的樣機(jī)或多或少地具有了智能化減振功能，與此對(duì)照的是國(guó)內(nèi)研究的高度缺乏，需要啟動(dòng)相關(guān)研究計(jì)劃，以縮小國(guó)內(nèi)外差距。中國(guó)汽車制造業(yè)蓬勃發(fā)展，制造能力得到充分提高，不過(guò)在高利潤(rùn)的高檔車制造上缺乏技術(shù)積累。在國(guó)外汽車大量采用主動(dòng)減振懸架的背景下，國(guó)內(nèi)行業(yè)需要迎頭趕上，以應(yīng)付未來(lái)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。美國(guó)福特汽車公司已經(jīng)研制了振動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)和主動(dòng)減振座椅，德國(guó)寶馬公司開發(fā)了主動(dòng)舒適性座椅，該座椅可以循環(huán)調(diào)節(jié)座墊形狀，緩解乘員脊柱部分的緊張。國(guó)內(nèi)有部分研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了主動(dòng)座椅理論探討，利用人機(jī)工程學(xué)解釋了座椅振動(dòng)舒適性問(wèn)題?？梢灶A(yù)見的是，以主動(dòng)減振為特征的智能座椅將成為未來(lái)汽車座椅的發(fā)展主流。

本文基于多維力/力矩傳感器測(cè)量人—椅作用力，為汽車座椅舒適性研究增添了一種新的手段，將更多“智能因素”加入智能汽車中，拓展了智能汽車的概念，也必將為我國(guó)的汽車行業(yè)做出有益的貢獻(xiàn)。

2 汽車智能座椅的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

座椅是主動(dòng)減振執(zhí)行器，其減振能力決定了其舒適程度，因此座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

振動(dòng)參數(shù)包括座椅剛度和阻尼，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)路況和乘員的自適應(yīng)振動(dòng)參數(shù)調(diào)節(jié)，座椅剛度和阻尼必須連續(xù)可調(diào)。剛度控制可以采取的措施是電控空氣彈簧，其剛度調(diào)節(jié)可通過(guò)控制其氣壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。阻尼控制可以利用磁流變或電流變液阻尼器實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樽慰捎每臻g很小，電控空氣彈簧和可變阻尼器機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮，在滿足功能的前提下，圍繞空間占用這一主線展開，這對(duì)未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用具有積極意義。

2.2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器系統(tǒng)的感知能力直接決定了座椅的智能程度，包括振動(dòng)檢測(cè)和受力檢測(cè)兩部分。振動(dòng)檢測(cè)部分需要研制底盤、座椅振動(dòng)傳感器和用于測(cè)量人體振動(dòng)的數(shù)字腰帶。振動(dòng)傳感器要實(shí)現(xiàn)三軸加速度檢測(cè)，還需要檢測(cè)人體振動(dòng)幅度，其功能較多。受力檢測(cè)裝置以多維力/力矩傳感器為基礎(chǔ)，檢測(cè)人體與座椅的接觸力幅度、方向與分布，并需要解決沖擊與過(guò)載保護(hù)問(wèn)題。振動(dòng)環(huán)境下的多維力/力矩傳感器應(yīng)用，以及在振動(dòng)環(huán)境下如何保證數(shù)據(jù)可靠和傳感器抗疲勞設(shè)計(jì)是本項(xiàng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

硬件驗(yàn)證主要是采集智能座椅在不同參數(shù)下的響應(yīng)特性，針對(duì)不同路況與不同乘員進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)，測(cè)試振動(dòng)特征，為建立數(shù)學(xué)模型提供數(shù)據(jù)；軟件驗(yàn)證包括路況、乘員特征識(shí)別測(cè)試和主動(dòng)減振控制測(cè)試。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)方案

路況和乘員復(fù)雜多變，為了降低實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度，將采用典型路況和乘員進(jìn)行交叉測(cè)試。典型路況采用三種，分別是混凝土路、瀝青路和土路，均需在不同行駛速度下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)驗(yàn)證傳感器硬件品質(zhì)。對(duì)于乘員，采取正常成年男性/女性、肥胖者、小孩作為測(cè)試群體，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)的乘員自動(dòng)識(shí)別提供特征數(shù)據(jù)。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)掌握路況與乘員智能識(shí)別，建立智能專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)座椅自適應(yīng)主動(dòng)減振控制。另外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)在加速度劑量舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)上，建立一個(gè)帶有力參數(shù)評(píng)估的新型振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)體系，豐富智能座椅人機(jī)工程學(xué)理論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是評(píng)價(jià)樣機(jī)功能與性能的依據(jù)，也是揭示理論研究正確性的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的細(xì)致分析將是研究工作的全面總結(jié)，也是后續(xù)項(xiàng)目研究的起點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)部分將在混凝土路、瀝青路與土路三種典型路況進(jìn)行測(cè)試，采用成年男性/女性、肥胖者、小孩等典型乘員作為待測(cè)群體，進(jìn)行大量交叉實(shí)驗(yàn)，建立完備數(shù)據(jù)庫(kù)，提取其識(shí)別特征，完成專家識(shí)別系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建立控制模型，其具體流程如圖1。

圖1 專家系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)論

主動(dòng)減振座椅是借鑒人性化的概念，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)而設(shè)計(jì)的新型實(shí)用的人性化、智能化座椅。作為和乘員直接接觸的支撐裝置，其人性化、智能化水平是體現(xiàn)整車人性化水平的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)之一。相信隨著人性化汽車、智能化汽車概念的不斷深入，消費(fèi)者對(duì)于汽車座椅的要求會(huì)越來(lái)越高，而開發(fā)出減輕人體疲勞、人性化的智能座椅無(wú)疑是未來(lái)汽車行業(yè)研究的熱點(diǎn)，具有巨大的商業(yè)潛力。