任平，吳光淮，姜宇，徐俊波，張士金

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

乘用車加速踏板人機(jī)匹配設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

任平，吳光淮，姜宇，徐俊波，張士金

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為了提高加速踏板的操縱舒適性，提出了一種人機(jī)匹配設(shè)計(jì)方法。首先利用客觀賦權(quán)法處理加速踏板人機(jī)匹配的各個(gè)性能指標(biāo)；在此基礎(chǔ)上，以某款乘用車加速踏板為研究對(duì)象，分別開展了掃描試驗(yàn)、靜態(tài)試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究；基于主成分分析法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析了加速踏板行程和加速踏板力，膝角及踝角的關(guān)系，合理地匹配踏板參數(shù)和人體參數(shù)，驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性，該方法對(duì)于踏板操縱舒適性的研究具有指導(dǎo)意義。

加速踏板；人機(jī)匹配；試驗(yàn)研究

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-50-03

引言

加速踏板是駕駛員重要的操縱裝置，用于改變發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率[1]。將人及人所控制的機(jī)器視作一個(gè)整體或系統(tǒng)即為人機(jī)系統(tǒng)[2]。加速踏板操縱就是一個(gè)典型的人機(jī)系統(tǒng)：駕駛員操作加速踏板同時(shí)，右腳也受到了踏板的反作用力。國(guó)內(nèi)車輛人機(jī)工程研究起步較晚，近年來研究重點(diǎn)才逐漸轉(zhuǎn)向人機(jī)工程在整車布置方面[3-4]。研究中對(duì)具體操縱裝置的人機(jī)工程應(yīng)用主要是通過該操縱裝置的空間布局參數(shù)和人體生物力學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)來匹配設(shè)計(jì)的。也有以肌肉疲勞、應(yīng)急反應(yīng)等生理心理因素來研究人體的舒適性。還有以操縱裝置的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)如操縱位移等的變化規(guī)律來評(píng)價(jià)。

本文以某款加速踏板為研究對(duì)象，提出加速踏板人機(jī)匹配設(shè)計(jì)方法，同時(shí)開展了加速踏板的試驗(yàn)研究，分析了加速踏板的掃描試驗(yàn)、靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)下的人體參數(shù)、踏板參數(shù)及踏板性能對(duì)人機(jī)匹配設(shè)計(jì)的影響。

1、加速踏板人機(jī)匹配設(shè)計(jì)

加速踏板的人機(jī)匹配設(shè)計(jì)就是使人機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)踏板布置規(guī)范[5]，加速踏板感覺的設(shè)計(jì)需要考慮如下幾個(gè)方面：a）應(yīng)有合適的踏板力；b）應(yīng)有合適的踏板行程；c）一定阻尼、力變化要求等。

同時(shí)人體參數(shù)是研究人機(jī)系統(tǒng)必不可少的因素，可以校核駕駛舒適性及檢查踏板、座椅等部件的布置合理性。采用客觀賦權(quán)法對(duì)加速踏板的人機(jī)匹配進(jìn)行評(píng)價(jià)：

式中：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，L1，L2分別代表最大踏板力、踏板回彈力、踏板預(yù)載力、踏板遲滯力、踏板自由行程以及最大踏板行程。

對(duì)I進(jìn)行歸一化處理，得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重：

式中：V為各個(gè)指標(biāo)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差的比值。

則加速踏板的操縱舒適性為各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重*各個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)下的性能得分。

2、加速踏板試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)某乘用車加速踏板人機(jī)匹配設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)選擇MSP-S-200mm拉線式傳感器測(cè)試踏板行程、HKM踏板力傳感器測(cè)試踏板力，Crossbow VG440陀螺儀測(cè)量車輛運(yùn)動(dòng)信息，傳感器及陀螺儀的安裝位置如圖1所示。

圖1 測(cè)量設(shè)備安裝位置

2.1 掃描試驗(yàn)

利用Creaform掃描儀掃描汽車駕駛室，對(duì)駕駛室地毯、左右檔板、座椅的四個(gè)狀態(tài)、踏板狀態(tài)面、及汽車A座出處點(diǎn)云的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行掃描（圖2）。建立試驗(yàn)車輛的點(diǎn)云模型（圖3）。通過點(diǎn)云處理得到人機(jī)參數(shù)及踏板結(jié)構(gòu)參數(shù)（表1）。

圖 2 人機(jī)參數(shù)掃描

圖3 踏板點(diǎn)云圖

表1 人機(jī)參數(shù)及踏板結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 靜態(tài)試驗(yàn)

關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加速踏板靜態(tài)試驗(yàn)：加速踏板力均勻增加（使踏板力和踏板行程的關(guān)系接近線性）至油門踏板開度踩最大開度，記錄整個(gè)過程的踏板力及踏板行程曲線如圖4所示。通過測(cè)量踩踏過程中力和位移的關(guān)系，可定性地反應(yīng)出人的操作感受，即“腳感”。通過踩踏過程中動(dòng)態(tài)地測(cè)量踏板力和位移，并實(shí)時(shí)顯示出力和位移的關(guān)系曲線，通過曲線的形狀和數(shù)值關(guān)系就可反應(yīng)出被測(cè)踏板的性能狀態(tài)。由圖3可知：加速踏板的最大行程為106.8mm，最大踏板力為66.4N，踏板回收力為24.6N。

2.3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

踏板工況試驗(yàn)在江淮試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行，從得到的數(shù)據(jù)中選取較好的一段作為本次的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。駕駛員從靜止分別加速至10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、80km/h、和120km/h，并維持5—10s，直至油門開度穩(wěn)定。每組試驗(yàn)重復(fù)5次，加速過程中，控制好加速踏板使車速近似勻速增加[6]。

將試驗(yàn)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理[7]，應(yīng)用Matlab提供的firpm命令設(shè)計(jì)了低通FIR濾波器，并可在程序中修改濾波器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行較好的濾波處理。對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的大數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，設(shè)定各個(gè)參數(shù)相鄰峰值之間的數(shù)據(jù)為一個(gè)周期輸入。通過應(yīng)用軟件對(duì)篩選條件的判定，得出正常的分段截取的數(shù)據(jù)。由于截取得到的各段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不等或采樣數(shù)可能較少，因此需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。對(duì)以上截取的有效數(shù)據(jù)，采用線性插值，插值目標(biāo)點(diǎn)數(shù)量滿足計(jì)算精度要求即可。用Matlab編制試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序，使用Matlab中的FastICA模塊實(shí)現(xiàn)ICA（獨(dú)立成份分析）/PCA（主成分分析）處理功能，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

如圖5為整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中加速踏板力隨加速踏板行程變化的曲線。圖6為車速和加速度隨加速踏板行程變化的曲線。分析圖5、6，根據(jù)常用車速(60km/h)，得出加速踏板的常用行程為27.8mm（5.6°），常用力為18N。

圖5 加速踏板力隨加速踏板行程的變化關(guān)系

圖6 車速和加速度隨加速踏板行程變化的關(guān)系

圖7 加速踏板行程和膝角及踝角的關(guān)系

根據(jù)加速踏板的常用行程，利用Adams軟件對(duì)人體下肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得出如圖7所示的曲線。從圖7中可以看出在常用踏板行程范圍內(nèi)，膝角和踝角均隨著加速踏板行程的增加而增加，且均基本呈線性關(guān)系。根據(jù)加速踏板的常用區(qū)間，得出行駛工況下跟人體有關(guān)的參數(shù)，如表2。

表2 加速踏板動(dòng)態(tài)人機(jī)參數(shù)

3、結(jié)論

1）根據(jù)踏板布置規(guī)范，提取加速踏板的感覺設(shè)計(jì)要求，利用客觀賦權(quán)法建立了加速踏板的人機(jī)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）分別開展了駕駛室的掃描試驗(yàn)、加速踏板的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。通過濾波處理及主成分分析法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究分析了人體參數(shù)、加速踏板結(jié)構(gòu)參數(shù)以及加速踏板性能之間的關(guān)系，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性，對(duì)踏板人機(jī)工程設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。

[1] 汪東坪,李舜酩,魏民祥,于海生. 汽車電子加速踏板可靠性控制的研究[J]. 汽車工程,2012,(08):713-717.

[2] 劉春榮編著.人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用[M].上海:上海人民美術(shù)出版社, 2009.1

[3] Lars Hansona, Willfried Wienholt, Lena Sperlingc. A control handling comfort model based on fuzzylogics [J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2003, (31), p87-100.

[4] 王福成. 轎車總布置設(shè)計(jì)中人機(jī)工程應(yīng)用的方法研究[D].吉林大學(xué),2007.

[5] Q/JLY J7110355A-2011,三踏板布置規(guī)范[S].

[6] GB/T 12534-1990,汽車道路試驗(yàn)方法通則[S].

[7] 陳弘. 汽車碰撞試驗(yàn)中模擬和數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)[J]. 汽車工程,1998,(02):84-89.

Design and Experimental Study on the Man-machine Matching of Passenger Car Accelerator Pedal

Ren Ping, Wu Guanghuai, Jiang Yu, Xu Junbo, Zhang Shijin
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to improve the comfort of the accelerator pedal, a design method of man-machine matching is proposed. Firstly, the objective weighting method is used to deal with the performance indexes of the accelerator pedal; On the basis of this, taking a certain passenger car accelerator pedal as the research object, the scanning test, static test and dynamic test were carried out; Based on the principal component analysis (PCA), the relationship between the acceleration pedal stroke, the pedal force, the knee angle and ankle angle was analyzed, the correctness and effectiveness of the proposed method are verified by matching the parameters of the pedal and the human body. This method is of guiding significance for the study of pedal control comfort.

Accelerator pedal; man-machine matching; experimental study

U463.2

A

1671-7988 (2017)10-50-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.018

任平，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。