車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)

田奕江　孫淵　李航　陳一帆　張軍澤

摘 要：本文充分分析了慣性在道路交通安全方面的危害以及對(duì)人體帶來(lái)的不適與影響，為了提高人們乘車的安全性與舒適感，開(kāi)發(fā)了一款車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)。通過(guò)傳感器采集工作面的傾斜角度和車輛的加速度，由控制系統(tǒng)自動(dòng)決策并快速響應(yīng)，改變工作面的傾斜角，以力的合成與分解的方式給人提供相應(yīng)的加速度，以減少人車之間的速度差。利用傳感器測(cè)量的實(shí)際傾斜角度作為控制板解算的傾斜角度的反饋調(diào)節(jié)量，運(yùn)用PID控制原理，使之形成一個(gè)閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)慣性補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：乘車安全;加速度;慣性補(bǔ)償;力的合成與分解;控制系統(tǒng)

由于交通路況有多種不確定因素，汽車在行駛的過(guò)程中會(huì)突然加速、減速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、變道等等，使車輛運(yùn)行十分不平穩(wěn)，造成車上的乘客的舒適感大大下降，甚至帶來(lái)很大的安全隱患。針對(duì)這一問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款此車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)裝置通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)做出的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)可以抵消由于速度差帶來(lái)的慣性影響，給乘客更好的舒適感與更多的安全。

1 總體方案設(shè)計(jì)

車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)主要由車輛安全座椅、平面姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置和控制系統(tǒng)三個(gè)模塊組成。車輛安全座椅以“人體工程學(xué)”理論為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，為人體提供一個(gè)安全、舒適的乘車環(huán)境。平面姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置采用多自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)改變座椅位姿，實(shí)現(xiàn)平面姿態(tài)調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)由車載顯示屏、傳感器和單片機(jī)組成，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)行情況，采集車輛加速度和座椅傾斜角度數(shù)據(jù)，并反饋給單片機(jī)。單片機(jī)實(shí)時(shí)解算傾斜角度，利用傳感器測(cè)量的實(shí)際傾斜角度作為控制板解算的傾斜角度的反饋調(diào)節(jié)量，運(yùn)用PID控制原理，使之形成一個(gè)閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)慣性補(bǔ)償。車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)組成如下圖1-1所示。

2 機(jī)械結(jié)合設(shè)計(jì)

車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要包括球面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（1）;氣缸（2）;十字滑臺(tái)控制機(jī)構(gòu)（3）三個(gè)部分，氣缸通過(guò)耳軸連接十字工作滑臺(tái)和球面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)利用加速度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量車輛運(yùn)行時(shí)的速度變化，平面姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)座椅位姿的調(diào)整，利用同步帶十字工作滑臺(tái)帶動(dòng)氣缸，使球面副轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)位置，使平面發(fā)生傾斜角、俯仰角的改變，實(shí)現(xiàn)位姿調(diào)節(jié)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)的控制主要用于實(shí)時(shí)采集車輛的行駛狀態(tài)和座椅的傾斜角度，解算并控制電機(jī)和氣缸運(yùn)動(dòng)。本裝置采用模塊化的設(shè)計(jì)思維，將整個(gè)控制系統(tǒng)分為傳感檢測(cè)模塊、顯示記錄模塊、氣動(dòng)控制模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等五大部分，以便于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。

車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)的工作流程如下圖3-1所示。程序運(yùn)行進(jìn)入主程序之前，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，包括各級(jí)參數(shù)、系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、串口配置、按鍵、I/O口等等;初始化完畢后，模式選擇，區(qū)分手動(dòng)模式和自動(dòng)模式：手動(dòng)模式中，通過(guò)按鍵對(duì)各零部件實(shí)施控制，可用于實(shí)驗(yàn)調(diào)試;自動(dòng)模式中，加速度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛X、Y、Z三個(gè)方向上的加速度信號(hào)，并及時(shí)反饋給單片機(jī)，若Z軸的加速度大于6m/s^2，氣動(dòng)系統(tǒng)的電磁閥鎖死，氣缸閉鎖，步進(jìn)電機(jī)抱閘，系統(tǒng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，以減少垂直方向的顛簸;循環(huán)判斷直至Z軸的加速度小于6m/s^2時(shí)，進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，單片機(jī)解算車輛X、Y方向的加速度，通過(guò)PID算法優(yōu)化，轉(zhuǎn)化成給步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

車輛座椅慣性補(bǔ)償裝置在并聯(lián)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，搭載加速度陀螺儀傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集車輛加速度信號(hào)和座椅傾斜角度信號(hào)，通過(guò)PID反饋調(diào)節(jié)，控制同步帶移動(dòng)，完成座椅位姿調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)慣性補(bǔ)償。在一定程度上提高了乘車的舒適性和安全性。在設(shè)計(jì)方案的選擇上，更貼近實(shí)際應(yīng)用，采用了性價(jià)比更高的方案，降低成本。

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