基于乘客舒适健康的汽车智能座椅的关键技术研究

张清奎 汪祥支 徐 敏 蒋克荣

（1.安徽华菱汽车有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.合肥学院，安徽 合肥 230601）

0 概述

汽车座椅的主要功能是支撑驾驶员和乘坐人员的身体，减缓路面不平传给人体的冲击并衰减由此引起的振动，提供舒适、安全的乘坐、操作条件。因为长期的振动会对人体健康造成严重危害，特别是当座椅的振动频率和整车的振动频率相近时，它们产生的共振会对乘员的腰脊和相关神经系统产生极大的有害影响，职业驾驶员往往患有不同程度的脊椎、胸椎疾病。随着汽车工业的蓬勃发展，竞争愈加激烈，为人们提供舒适的、体现人文关怀的产品成为越来越多的汽车生产企业追求的目标，因而智能座椅对汽车行业来说具有重要意义。

目前，汽车座椅的舒适性优化主要考虑曲面造型，至于座椅刚度、阻尼，普遍采用折中方案确定其参数。这类座椅缺少振动参数的调节能力，不能满足多种类型乘坐者（体重不同、人体参数不同）的振动舒适性要求，突出表现在无法自动适应各种路况，严重降低了汽车总体舒适性。

1 汽车智能座椅研究的意义

主动减振座椅是最近几年诞生的新概念，目标是进一步提升汽车舒适性，减轻乘员的疲劳，降低职业病发病率。虽然尚没有具体商业化产品问世，但是因为涉及巨大商业潜力，国外很多重要组织都进行了相当程度的研究，所研制的样机或多或少地具有了智能化减振功能，与此对照的是国内研究的高度缺乏，需要启动相关研究计划，以缩小国内外差距。中国汽车制造业蓬勃发展，制造能力得到充分提高，不过在高利润的高档车制造上缺乏技术积累。在国外汽车大量采用主动减振悬架的背景下，国内行业需要迎头赶上，以应付未来激烈的竞争。美国福特汽车公司已经研制了振动检测平台和主动减振座椅，德国宝马公司开发了主动舒适性座椅，该座椅可以循环调节座垫形状，缓解乘员脊柱部分的紧张。国内有部分研究机构进行了主动座椅理论探讨，利用人机工程学解释了座椅振动舒适性问题。可以预见的是，以主动减振为特征的智能座椅将成为未来汽车座椅的发展主流。

本文基于多维力/力矩传感器测量人—椅作用力，为汽车座椅舒适性研究增添了一种新的手段，将更多“智能因素”加入智能汽车中，拓展了智能汽车的概念，也必将为我国的汽车行业做出有益的贡献。

2 汽车智能座椅的关键技术研究

2.1 座椅结构设计

座椅是主动减振执行器，其减振能力决定了其舒适程度，因此座椅结构设计非常关键。

振动参数包括座椅刚度和阻尼，为了实现对路况和乘员的自适应振动参数调节，座椅刚度和阻尼必须连续可调。刚度控制可以采取的措施是电控空气弹簧，其刚度调节可通过控制其气压来实现。阻尼控制可以利用磁流变或电流变液阻尼器实现。因为座椅可用空间很小，电控空气弹簧和可变阻尼器机构的设计需要综合考虑，在满足功能的前提下，围绕空间占用这一主线展开，这对未来的实际应用具有积极意义。

2.2 传感器系统设计

传感器系统的感知能力直接决定了座椅的智能程度，包括振动检测和受力检测两部分。振动检测部分需要研制底盘、座椅振动传感器和用于测量人体振动的数字腰带。振动传感器要实现三轴加速度检测，还需要检测人体振动幅度，其功能较多。受力检测装置以多维力/力矩传感器为基础，检测人体与座椅的接触力幅度、方向与分布，并需要解决冲击与过载保护问题。振动环境下的多维力/力矩传感器应用，以及在振动环境下如何保证数据可靠和传感器抗疲劳设计是本项研究的关键技术之一。

2.3 实验系统设计

2.3.1 实验内容

硬件验证主要是采集智能座椅在不同参数下的响应特性，针对不同路况与不同乘员进行交叉实验，测试振动特征，为建立数学模型提供数据；软件验证包括路况、乘员特征识别测试和主动减振控制测试。

2.3.2 实验方案

路况和乘员复杂多变，为了降低实验复杂度，将采用典型路况和乘员进行交叉测试。典型路况采用三种，分别是混凝土路、沥青路和土路，均需在不同行驶速度下进行数据采集，同时验证传感器硬件品质。对于乘员，采取正常成年男性/女性、肥胖者、小孩作为测试群体，建立数据库，为后续的乘员自动识别提供特征数据。

2.3.3 实验结果评价

通过一系列实验掌握路况与乘员智能识别，建立智能专家系统，实现座椅自适应主动减振控制。另外，通过实验在加速度剂量舒适性评价系统上，建立一个带有力参数评估的新型振动舒适性评价体系，丰富智能座椅人机工程学理论。实验结果是评价样机功能与性能的依据，也是揭示理论研究正确性的标准。实验结果的细致分析将是研究工作的全面总结，也是后续项目研究的起点。

实验部分将在混凝土路、沥青路与土路三种典型路况进行测试，采用成年男性/女性、肥胖者、小孩等典型乘员作为待测群体，进行大量交叉实验，建立完备数据库，提取其识别特征，完成专家识别系统，在此基础上建立控制模型，其具体流程如图1。

图1 专家系统流程图

3 结论

主动减振座椅是借鉴人性化的概念，结合人机工程学而设计的新型实用的人性化、智能化座椅。作为和乘员直接接触的支撑装置，其人性化、智能化水平是体现整车人性化水平的一个重要标准之一。相信随着人性化汽车、智能化汽车概念的不断深入，消费者对于汽车座椅的要求会越来越高，而开发出减轻人体疲劳、人性化的智能座椅无疑是未来汽车行业研究的热点，具有巨大的商业潜力。