车辆座椅惯性补偿系统

田奕江　孙渊　李航　陈一帆　张军泽

摘 要：本文充分分析了惯性在道路交通安全方面的危害以及对人体带来的不适与影响，为了提高人们乘车的安全性与舒适感，开发了一款车辆座椅惯性补偿系统。通过传感器采集工作面的倾斜角度和车辆的加速度，由控制系统自动决策并快速响应，改变工作面的倾斜角，以力的合成与分解的方式给人提供相应的加速度，以减少人车之间的速度差。利用传感器测量的实际倾斜角度作为控制板解算的倾斜角度的反馈调节量，运用PID控制原理，使之形成一个闭环控制回路，实现惯性补偿。

关键词：乘车安全;加速度;惯性补偿;力的合成与分解;控制系统

由于交通路况有多种不确定因素，汽车在行驶的过程中会突然加速、减速、制动、转弯、变道等等，使车辆运行十分不平稳，造成车上的乘客的舒适感大大下降，甚至带来很大的安全隐患。针对这一问题，我们设计了一款此车辆座椅惯性补偿系统装置通过机械结构做出的响应运动可以抵消由于速度差带来的惯性影响，给乘客更好的舒适感与更多的安全。

1 总体方案设计

车辆座椅惯性补偿系统主要由车辆安全座椅、平面姿态调节装置和控制系统三个模块组成。车辆安全座椅以“人体工程学”理论为设计基础，为人体提供一个安全、舒适的乘车环境。平面姿态调节装置采用多自由度并联机构改变座椅位姿，实现平面姿态调节。控制系统由车载显示屏、传感器和单片机组成，传感器实时监测车辆运行情况，采集车辆加速度和座椅倾斜角度数据，并反馈给单片机。单片机实时解算倾斜角度，利用传感器测量的实际倾斜角度作为控制板解算的倾斜角度的反馈调节量，运用PID控制原理，使之形成一个闭环控制回路，实现惯性补偿。车辆座椅惯性补偿系统组成如下图1-1所示。

2 機械结合设计

车辆座椅惯性补偿系统结构如图2-1所示，主要包括球面转动机构（1）;气缸（2）;十字滑台控制机构（3）三个部分，气缸通过耳轴连接十字工作滑台和球面转动机构。车辆座椅惯性补偿系统利用加速度传感器实时测量车辆运行时的速度变化，平面姿态调节装置在单片机的控制下实现座椅位姿的调整，利用同步带十字工作滑台带动气缸，使球面副转动到对应位置，使平面发生倾斜角、俯仰角的改变，实现位姿调节。

3 控制系统设计

车辆座椅惯性补偿系统的控制主要用于实时采集车辆的行驶状态和座椅的倾斜角度，解算并控制电机和气缸运动。本装置采用模块化的设计思维，将整个控制系统分为传感检测模块、显示记录模块、气动控制模块、电源模块、电机驱动模块等五大部分，以便于实现优化控制。

车辆座椅惯性补偿系统的工作流程如下图3-1所示。程序运行进入主程序之前，对各个模块进行初始化，包括各级参数、系统时钟、定时器、串口配置、按键、I/O口等等;初始化完毕后，模式选择，区分手动模式和自动模式：手动模式中，通过按键对各零部件实施控制，可用于实验调试;自动模式中，加速度传感器实时监测车辆X、Y、Z三个方向上的加速度信号，并及时反馈给单片机，若Z轴的加速度大于6m/s^2，气动系统的电磁阀锁死，气缸闭锁，步进电机抱闸，系统进入锁定状态，以减少垂直方向的颠簸;循环判断直至Z轴的加速度小于6m/s^2时，进入下一环节，单片机解算车辆X、Y方向的加速度，通过PID算法优化，转化成给步进电机的脉冲信号。

4 结束语

车辆座椅惯性补偿装置在并联机器人的基础上，搭载加速度陀螺仪传感器，实时监测并采集车辆加速度信号和座椅倾斜角度信号，通过PID反馈调节，控制同步带移动，完成座椅位姿调节，实现惯性补偿。在一定程度上提高了乘车的舒适性和安全性。在设计方案的选择上，更贴近实际应用，采用了性价比更高的方案，降低成本。

参考文献：

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