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人體帶來的不適與影響，為了提高人們乘車的安全性與舒適感，開發(fā)了一款車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)。通過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，汽車在行駛的過程中會突然加速、減速、制動、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，甚至帶來很大的安全隱患。針對這一問題，我們設(shè)計(jì)了一款此車輛座椅慣性補(bǔ)償系統(tǒng)裝置通過機(jī)械結(jié)構(gòu)做出的響應(yīng)運(yùn)動可以抵消由于速度差帶來的慣性影響，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)時監(jiān)測車輛運(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)時解算傾斜角度，利用傳感器測量的實(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)動機(jī)構(gòu)（1）;氣缸（2）;十字滑臺控制機(jī)構(gòu)（3）三個部分，氣缸通過耳軸連接十字工作滑臺和球面轉(zhuǎn)動機(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)時測量車輛運(yùn)行時的速度變化，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帶動氣缸，使球面副轉(zhuǎn)動到對應(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。本裝置采用模塊化的設(shè)計(jì)思維，將整個控制系統(tǒng)分為傳感檢測模塊、顯示記錄模塊、氣動控制模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等五大部分，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，對各個模塊進(jìn)行初始化，包括各級參數(shù)、系統(tǒng)時鐘、定時器、串口配置、按鍵、I/O口等等;初始化完畢后，模式選擇，區(qū)分手動模式和自動模式：手動模式中，通過按鍵對各零部件實(shí)施控制，可用于實(shí)驗(yàn)調(diào)試;自動模式中，加速度傳感器實(shí)時監(jiān)測車輛X、Y、Z三個方向上的加速度信號，并及時反饋給單片機(jī)，若Z軸的加速度大于6m/s^2，氣動系統(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，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PID算法優(yōu)化，轉(zhuǎn)化成給步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號。

4 結(jié)束語

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)時監(jiān)測并采集車輛加速度信號和座椅傾斜角度信號，通過PID反饋調(diào)節(jié)，控制同步帶移動，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，采用了性價比更高的方案，降低成本。

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