車輛座椅慣性補償系統

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，開發了一款車輛座椅慣性補償系統。通過傳感器采集工作面的傾斜角度和車輛的加速度，由控制系統自動決策并快速響應，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的加速度，以減少人車之間的速度差。利用傳感器測量的實際傾斜角度作為控制板解算的傾斜角度的反饋調節量，運用PID控制原理，使之形成一個閉環控制回路，實現慣性補償。

關鍵詞：乘車安全;加速度;慣性補償;力的合成與分解;控制系統

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、轉彎、變道等等，使車輛運行十分不平穩，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，我們設計了一款此車輛座椅慣性補償系統裝置通過機械結構做出的響應運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 總體方案設計

車輛座椅慣性補償系統主要由車輛安全座椅、平面姿態調節裝置和控制系統三個模塊組成。車輛安全座椅以“人體工程學”理論為設計基礎，為人體提供一個安全、舒適的乘車環境。平面姿態調節裝置采用多自由度并聯機構改變座椅位姿，實現平面姿態調節?？刂葡到y由車載顯示屏、傳感器和單片機組成，傳感器實時監測車輛運行情況，采集車輛加速度和座椅傾斜角度數據，并反饋給單片機。單片機實時解算傾斜角度，利用傳感器測量的實際傾斜角度作為控制板解算的傾斜角度的反饋調節量，運用PID控制原理，使之形成一個閉環控制回路，實現慣性補償。車輛座椅慣性補償系統組成如下圖1-1所示。

2 機械結合設計

車輛座椅慣性補償系統結構如圖2-1所示，主要包括球面轉動機構（1）;氣缸（2）;十字滑臺控制機構（3）三個部分，氣缸通過耳軸連接十字工作滑臺和球面轉動機構。車輛座椅慣性補償系統利用加速度傳感器實時測量車輛運行時的速度變化，平面姿態調節裝置在單片機的控制下實現座椅位姿的調整，利用同步帶十字工作滑臺帶動氣缸，使球面副轉動到對應位置，使平面發生傾斜角、俯仰角的改變，實現位姿調節。

3 控制系統設計

車輛座椅慣性補償系統的控制主要用于實時采集車輛的行駛狀態和座椅的傾斜角度，解算并控制電機和氣缸運動。本裝置采用模塊化的設計思維，將整個控制系統分為傳感檢測模塊、顯示記錄模塊、氣動控制模塊、電源模塊、電機驅動模塊等五大部分，以便于實現優化控制。

車輛座椅慣性補償系統的工作流程如下圖3-1所示。程序運行進入主程序之前，對各個模塊進行初始化，包括各級參數、系統時鐘、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施控制，可用于實驗調試;自動模式中，加速度傳感器實時監測車輛X、Y、Z三個方向上的加速度信號，并及時反饋給單片機，若Z軸的加速度大于6m/s^2，氣動系統的電磁閥鎖死，氣缸閉鎖，步進電機抱閘，系統進入鎖定狀態，以減少垂直方向的顛簸;循環判斷直至Z軸的加速度小于6m/s^2時，進入下一環節，單片機解算車輛X、Y方向的加速度，通過PID算法優化，轉化成給步進電機的脈沖信號。

4 結束語

車輛座椅慣性補償裝置在并聯機器人的基礎上，搭載加速度陀螺儀傳感器，實時監測并采集車輛加速度信號和座椅傾斜角度信號，通過PID反饋調節，控制同步帶移動，完成座椅位姿調節，實現慣性補償。在一定程度上提高了乘車的舒適性和安全性。在設計方案的選擇上，更貼近實際應用，采用了性價比更高的方案，降低成本。

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