一種汽車(chē)乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 鑫，劉 蒼，習(xí)阿萌

(西安航空學(xué)院 車(chē)輛工程學(xué)院，西安 710077)

隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的不斷增加，汽車(chē)交通事故頻發(fā)。而在汽車(chē)正面碰撞過(guò)程中，異常的坐姿會(huì)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(duì)乘客的沖擊傷害[1]。

標(biāo)準(zhǔn)碰撞試驗(yàn)表明，駕駛?cè)俗耸怯绊懻w損傷風(fēng)險(xiǎn)最顯著的參數(shù)。當(dāng)乘員在車(chē)輛發(fā)生正面碰撞時(shí)，人體前、后傾斜或發(fā)生左、右傾斜都會(huì)致使安全氣囊保護(hù)性能下降，使乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)增加[2]。鞠海蒙教授在研究分析人體尺寸差異對(duì)車(chē)輛正面碰撞時(shí)人體前傾角對(duì)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?duì)乘員約束系統(tǒng)的保護(hù)效果影響較大。因此，針對(duì)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(chē)正面碰撞時(shí)因坐姿不正確對(duì)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(guò)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(diǎn)為固定點(diǎn)，通過(guò)改變?nèi)梭w上軀干相對(duì)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(gè)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(guò)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(shí)，對(duì)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(pán)之間的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致其過(guò)早或過(guò)晚地與完全展開(kāi)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(méi)有達(dá)到最佳的約束效果，對(duì)駕駛員的頭部或胸部產(chǎn)生傷害[4]。

因此，在針對(duì)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(chē)約束系統(tǒng)未達(dá)到理想的約束效果，在汽車(chē)座椅上設(shè)計(jì)并布置多個(gè)壓力傳感器，根據(jù)多個(gè)壓力傳感器的反饋參數(shù)掌握駕駛員的坐姿情況，并針對(duì)駕駛員坐姿異常的情況進(jìn)行報(bào)警，可有效預(yù)防并降低因坐姿異常的碰撞傷害。

2 汽車(chē)乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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

汽車(chē)乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)主要壓力傳感器、車(chē)速傳感器、安全帶卡扣信號(hào)開(kāi)關(guān)、單片機(jī)、蜂鳴器和報(bào)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(gè)，布置在前排乘員座椅靠背和坐墊上，檢測(cè)駕駛員背部和臀部重心變化[5]。汽車(chē)乘員坐姿預(yù)警控制系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)采集壓力傳感器信號(hào)、汽車(chē)車(chē)速信號(hào)、安全帶卡扣開(kāi)關(guān)信號(hào)等信息，判斷汽車(chē)課程的坐姿，若坐姿異常將會(huì)控制蜂鳴器和報(bào)警燈進(jìn)行報(bào)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(chē)乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)組成

2.2 汽車(chē)乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)控制原理

汽車(chē)乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的控制主程序設(shè)計(jì)主要完成系統(tǒng)各參數(shù)的設(shè)定、壓力傳感器信號(hào)檢測(cè)及報(bào)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(dòng)后，程序根據(jù)設(shè)計(jì)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(cè)工作狀態(tài)，檢測(cè)汽車(chē)車(chē)速信號(hào)、汽車(chē)座椅四個(gè)壓力傳感器信號(hào)及安全帶卡扣信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)接收到汽車(chē)車(chē)速信號(hào)后，開(kāi)始判斷安全帶卡扣信號(hào)和壓力傳感器信號(hào)。若汽車(chē)乘員未系安全帶，即單片機(jī)未收到安全帶卡扣信號(hào)，同時(shí)壓力傳感器有反饋信號(hào)時(shí)，則單片機(jī)控制報(bào)警燈常亮，并在10秒后控制驅(qū)動(dòng)電路工作，使蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警。若單片機(jī)收到安全帶卡扣信號(hào)，即汽車(chē)乘員都系了安全帶，則開(kāi)始判斷4組壓力傳感器信號(hào)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(bào)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(guò)規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，則報(bào)警系統(tǒng)工作。

圖3 汽車(chē)乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)控制邏輯

3 汽車(chē)乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，汽車(chē)乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)性能研究試驗(yàn)分為安全帶報(bào)警和乘員坐姿預(yù)警兩個(gè)試驗(yàn)內(nèi)容。

安全帶報(bào)警試驗(yàn)是檢測(cè)該預(yù)警系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)駕駛員在未系安全帶啟動(dòng)汽車(chē)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)后進(jìn)行報(bào)警，為確保符合汽車(chē)報(bào)警要求，2個(gè)坐墊壓力傳感器設(shè)置的報(bào)警壓力最小值為30Kg。若啟動(dòng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，在安全帶卡扣不閉合的情況下，分別檢測(cè)有人乘坐和無(wú)人乘坐兩種情況報(bào)警指示燈的工作狀態(tài)，同時(shí)增加輪速傳感器信號(hào)，當(dāng)車(chē)速上升至30Km/h后檢測(cè)蜂鳴器是否報(bào)警。

乘員坐姿預(yù)警試驗(yàn)是檢測(cè)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(bào)警。在考慮乘員體重及身高等對(duì)坐姿影響的因素下，設(shè)置坐墊2個(gè)壓力傳感器報(bào)警壓力最小值為30Kg，兩個(gè)坐墊壓力傳感器測(cè)量值差值不能超過(guò)5Kg，否則報(bào)警。同時(shí)，設(shè)置靠背2個(gè)壓力傳感器報(bào)警壓力最小值為10Kg，兩個(gè)坐墊壓力傳感器測(cè)量值差值不能超過(guò)2Kg，否則報(bào)警[6]。試驗(yàn)方案采用試驗(yàn)人在正常坐姿、前傾、左傾和右傾不同乘坐姿勢(shì)下檢測(cè)傳感器壓力及報(bào)警系統(tǒng)工作情況。

3.2 乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案，將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體重為70Kg試驗(yàn)人員作為參考對(duì)象，完成上述兩個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在乘坐試驗(yàn)人沒(méi)有系安全帶的情況下，啟動(dòng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，報(bào)警指示燈能夠正常點(diǎn)亮。采用電機(jī)模擬車(chē)輪轉(zhuǎn)速(車(chē)輪采用185/65R15的輪胎，車(chē)輪半徑為310.75mm)，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)256r/min，即行駛車(chē)速為30Km/h時(shí)，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警。反之，當(dāng)試驗(yàn)人將安全帶卡扣閉合，則報(bào)警停止。

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

表2 成員坐姿預(yù)警試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

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(jì)并制作一種汽車(chē)乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)。該裝置能夠檢測(cè)汽車(chē)乘員的坐姿形態(tài)，并對(duì)坐姿異常或未佩戴安全帶的乘客進(jìn)行警告。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)試驗(yàn)人坐姿分別為前傾、左傾或右傾時(shí)，檢測(cè)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(guò)預(yù)警系統(tǒng)向乘員進(jìn)行報(bào)警，可有效降低汽車(chē)正面碰撞時(shí)因坐姿不正確對(duì)乘員造成的二次碰撞傷害。