基于乘客舒適健康的汽車智能座椅的關鍵技術研究

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，提供舒適、安全的乘坐、操作條件。因為長期的振動會對人體健康造成嚴重危害，特別是當座椅的振動頻率和整車的振動頻率相近時，它們產生的共振會對乘員的腰脊和相關神經系統產生極大的有害影響，職業駕駛員往往患有不同程度的脊椎、胸椎疾病。隨著汽車工業的蓬勃發展，競爭愈加激烈，為人們提供舒適的、體現人文關懷的產品成為越來越多的汽車生產企業追求的目標，因而智能座椅對汽車行業來說具有重要意義。

目前，汽車座椅的舒適性優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。這類座椅缺少振動參數的調節能力，不能滿足多種類型乘坐者（體重不同、人體參數不同）的振動舒適性要求，突出表現在無法自動適應各種路況，嚴重降低了汽車總體舒適性。

1 汽車智能座椅研究的意義

主動減振座椅是最近幾年誕生的新概念，目標是進一步提升汽車舒適性，減輕乘員的疲勞，降低職業病發病率。雖然尚沒有具體商業化產品問世，但是因為涉及巨大商業潛力，國外很多重要組織都進行了相當程度的研究，所研制的樣機或多或少地具有了智能化減振功能，與此對照的是國內研究的高度缺乏，需要啟動相關研究計劃，以縮小國內外差距。中國汽車制造業蓬勃發展，制造能力得到充分提高，不過在高利潤的高檔車制造上缺乏技術積累。在國外汽車大量采用主動減振懸架的背景下，國內行業需要迎頭趕上，以應付未來激烈的競爭。美國福特汽車公司已經研制了振動檢測平臺和主動減振座椅，德國寶馬公司開發了主動舒適性座椅，該座椅可以循環調節座墊形狀，緩解乘員脊柱部分的緊張。國內有部分研究機構進行了主動座椅理論探討，利用人機工程學解釋了座椅振動舒適性問題?？梢灶A見的是，以主動減振為特征的智能座椅將成為未來汽車座椅的發展主流。

本文基于多維力/力矩傳感器測量人—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，也必將為我國的汽車行業做出有益的貢獻。

2 汽車智能座椅的關鍵技術研究

2.1 座椅結構設計

座椅是主動減振執行器，其減振能力決定了其舒適程度，因此座椅結構設計非常關鍵。

振動參數包括座椅剛度和阻尼，為了實現對路況和乘員的自適應振動參數調節，座椅剛度和阻尼必須連續可調。剛度控制可以采取的措施是電控空氣彈簧，其剛度調節可通過控制其氣壓來實現。阻尼控制可以利用磁流變或電流變液阻尼器實現。因為座椅可用空間很小，電控空氣彈簧和可變阻尼器機構的設計需要綜合考慮，在滿足功能的前提下，圍繞空間占用這一主線展開，這對未來的實際應用具有積極意義。

2.2 傳感器系統設計

傳感器系統的感知能力直接決定了座椅的智能程度，包括振動檢測和受力檢測兩部分。振動檢測部分需要研制底盤、座椅振動傳感器和用于測量人體振動的數字腰帶。振動傳感器要實現三軸加速度檢測，還需要檢測人體振動幅度，其功能較多。受力檢測裝置以多維力/力矩傳感器為基礎，檢測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載保護問題。振動環境下的多維力/力矩傳感器應用，以及在振動環境下如何保證數據可靠和傳感器抗疲勞設計是本項研究的關鍵技術之一。

2.3 實驗系統設計

2.3.1 實驗內容

硬件驗證主要是采集智能座椅在不同參數下的響應特性，針對不同路況與不同乘員進行交叉實驗，測試振動特征，為建立數學模型提供數據；軟件驗證包括路況、乘員特征識別測試和主動減振控制測試。

2.3.2 實驗方案

路況和乘員復雜多變，為了降低實驗復雜度，將采用典型路況和乘員進行交叉測試。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行數據采集，同時驗證傳感器硬件品質。對于乘員，采取正常成年男性/女性、肥胖者、小孩作為測試群體，建立數據庫，為后續的乘員自動識別提供特征數據。

2.3.3 實驗結果評價

通過一系列實驗掌握路況與乘員智能識別，建立智能專家系統，實現座椅自適應主動減振控制。另外，通過實驗在加速度劑量舒適性評價系統上，建立一個帶有力參數評估的新型振動舒適性評價體系，豐富智能座椅人機工程學理論。實驗結果是評價樣機功能與性能的依據，也是揭示理論研究正確性的標準。實驗結果的細致分析將是研究工作的全面總結，也是后續項目研究的起點。

實驗部分將在混凝土路、瀝青路與土路三種典型路況進行測試，采用成年男性/女性、肥胖者、小孩等典型乘員作為待測群體，進行大量交叉實驗，建立完備數據庫，提取其識別特征，完成專家識別系統，在此基礎上建立控制模型，其具體流程如圖1。

圖1 專家系統流程圖

3 結論

主動減振座椅是借鑒人性化的概念，結合人機工程學而設計的新型實用的人性化、智能化座椅。作為和乘員直接接觸的支撐裝置，其人性化、智能化水平是體現整車人性化水平的一個重要標準之一。相信隨著人性化汽車、智能化汽車概念的不斷深入，消費者對于汽車座椅的要求會越來越高，而開發出減輕人體疲勞、人性化的智能座椅無疑是未來汽車行業研究的熱點，具有巨大的商業潛力。