一种汽车乘员坐姿预警系统的设计

王 鑫，刘 苍，习阿萌

(西安航空学院 车辆工程学院，西安 710077)

随着我国汽车保有量的不断增加，汽车交通事故频发。而在汽车正面碰撞过程中，异常的坐姿会严重影响乘员约束系统的保护作用，甚至会导致膨胀的安全气囊加剧对乘客的冲击伤害[1]。

标准碰撞试验表明，驾驶人坐姿是影响整体损伤风险最显著的参数。当乘员在车辆发生正面碰撞时，人体前、后倾斜或发生左、右倾斜都会致使安全气囊保护性能下降，使乘员损伤风险增加[2]。鞠海蒙教授在研究分析人体尺寸差异对车辆正面碰撞时人体前倾角对驾驶员损伤影响的研究结果表明，安全气囊的保护效果随着人体前倾角改变而发生变化[3]。

综上所述，驾驶人坐姿对乘员约束系统的保护效果影响较大。因此，针对不规范的驾驶坐姿，研发智能乘员坐姿预警系统，可有效的降低汽车正面碰撞时因坐姿不正确对乘员造成的二次碰撞伤害。

1 碰撞后不同驾驶姿态的损伤分析

驾驶员的坐姿选择通常跟乘坐舒适性和驾驶视野相关。通过MADYMO软件仿真可以看到，以人体的上躯干与下躯干的交界H点为固定点，通过改变人体上躯干相对于Z轴的倾角和Y轴的倾角，即在MADYMO软件中调节假人脊柱和头部的两个方向的倾角，分别设置前倾10°、后倾10°、左倾10°、右倾10°和标准坐姿五种情况进行仿真，其得到的各组加速器数据和伤害输出如表1所示。

表1 不同坐姿人体各部位加速度峰值及HIC[3]

通过仿真分析可知，当驾驶员上体躯干纵向或侧向位置发生变化时，对头部和胸部的损伤影响较大。主要原因是驾驶员头部和胸部与方向盘之间的距离发生变化，导致其过早或过晚地与完全展开的安全气囊接触，或者与安全气囊接触的正确位置存在差异，致使气囊没有达到最佳的约束效果，对驾驶员的头部或胸部产生伤害[4]。

因此，在针对驾驶员不同坐姿的碰撞损伤结果，根据驾驶员上体躯干因侧向倾斜或纵向倾斜导致的汽车约束系统未达到理想的约束效果，在汽车座椅上设计并布置多个压力传感器，根据多个压力传感器的反馈参数掌握驾驶员的坐姿情况，并针对驾驶员坐姿异常的情况进行报警，可有效预防并降低因坐姿异常的碰撞伤害。

2 汽车乘员坐姿预警系统的设计

2.1 汽车乘员坐姿预警系统结构组成

汽车乘员坐姿预警系统主要压力传感器、车速传感器、安全带卡扣信号开关、单片机、蜂鸣器和报警灯组成。座椅压力传感器采用RFP-ZHII薄膜压力传感器，压力传感器共有4个，布置在前排乘员座椅靠背和坐垫上，检测驾驶员背部和臀部重心变化[5]。汽车乘员坐姿预警控制系统采用STC89C52RC单片机，通过单片机采集压力传感器信号、汽车车速信号、安全带卡扣开关信号等信息，判断汽车课程的坐姿，若坐姿异常将会控制蜂鸣器和报警灯进行报警。其具体组成和电路结构图如图1和图2所示。

图1汽车乘员坐姿预警系统组成

2.2 汽车乘员坐姿预警系统控制原理

汽车乘员坐姿预警系统的控制主程序设计主要完成系统各参数的设定、压力传感器信号检测及报警系统控制等功能，其控制逻辑流程图如图3所示。系统在通电启动后，程序根据设计要求首先进行初始化工作，然后，在完成初始化工作后程序进入检测工作状态，检测汽车车速信号、汽车座椅四个压力传感器信号及安全带卡扣信号。当单片机接收到汽车车速信号后，开始判断安全带卡扣信号和压力传感器信号。若汽车乘员未系安全带，即单片机未收到安全带卡扣信号，同时压力传感器有反馈信号时，则单片机控制报警灯常亮，并在10秒后控制驱动电路工作，使蜂鸣器开始报警。若单片机收到安全带卡扣信号，即汽车乘员都系了安全带，则开始判断4组压力传感器信号差异，当靠背压力传感器1和靠背压力传感器2及坐垫压力传感器1和坐垫压力传感器2的反馈数值近似并在规定范围内，则报警系统不工作。否则，当2组靠背压力传感器和2组坐垫压力传感器之间数值超过规定范围内时，则报警系统工作。

图3 汽车乘员坐姿预警系统控制逻辑

3 汽车乘员坐姿预警系统性能试验

3.1 试验方案设计

为验证乘员坐姿预警系统的可靠性和实用性，汽车乘员坐姿预警系统性能研究试验分为安全带报警和乘员坐姿预警两个试验内容。

安全带报警试验是检测该预警系统能否实现驾驶员在未系安全带启动汽车点火开关后进行报警，为确保符合汽车报警要求，2个坐垫压力传感器设置的报警压力最小值为30Kg。若启动点火开关，在安全带卡扣不闭合的情况下，分别检测有人乘坐和无人乘坐两种情况报警指示灯的工作状态，同时增加轮速传感器信号，当车速上升至30Km/h后检测蜂鸣器是否报警。

乘员坐姿预警试验是检测该系统能够实现在乘员坐姿异常的情况下系统能够正常报警。在考虑乘员体重及身高等对坐姿影响的因素下，设置坐垫2个压力传感器报警压力最小值为30Kg，两个坐垫压力传感器测量值差值不能超过5Kg，否则报警。同时，设置靠背2个压力传感器报警压力最小值为10Kg，两个坐垫压力传感器测量值差值不能超过2Kg，否则报警[6]。试验方案采用试验人在正常坐姿、前倾、左倾和右倾不同乘坐姿势下检测传感器压力及报警系统工作情况。

3.2 乘员坐姿预警系统验证试验结果

根据试验方案，将一个标准体重为70Kg试验人员作为参考对象，完成上述两个试验项目。

试验结果表明，在乘坐试验人没有系安全带的情况下，启动点火开关，报警指示灯能够正常点亮。采用电机模拟车轮转速(车轮采用185/65R15的轮胎，车轮半径为310.75mm)，当转速到达256r/min，即行驶车速为30Km/h时，蜂鸣器开始报警。反之，当试验人将安全带卡扣闭合，则报警停止。

当试验人闭合安全带卡扣后，采用前倾、左倾和右倾不同乘坐姿势，由于2个坐垫和靠背压力传感器之间的差值超过了规定数值，则蜂鸣器开始报警。当试验人采用正常坐姿乘坐时，蜂鸣器停止报警，其具体测量参数如表2所示。

表2 成员坐姿预警试验结果

4 结语

本文根据在碰撞中不同驾驶姿态的损伤结果分析，设计并制作一种汽车乘员坐姿预警系统。该装置能够检测汽车乘员的坐姿形态，并对坐姿异常或未佩戴安全带的乘客进行警告。试验结果表明，当试验人坐姿分别为前倾、左倾或右倾时，检测系统能够有效的根据座椅布置的2组压力传感器的数值判断乘员坐姿异常，并通过预警系统向乘员进行报警，可有效降低汽车正面碰撞时因坐姿不正确对乘员造成的二次碰撞伤害。