王 鑫，劉 蒼，習(xí)阿萌

(西安航空學(xué)院 車輛工程學(xué)院，西安 710077)

隨著我國汽車保有量的不斷增加，汽車交通事故頻發(fā)。而在汽車正面碰撞過程中，異常的坐姿會嚴(yán)重影響乘員約束系統(tǒng)的保護(hù)作用，甚至?xí)?dǎo)致膨脹的安全氣囊加劇對乘客的沖擊傷害[1]。

標(biāo)準(zhǔn)碰撞試驗(yàn)表明，駕駛?cè)俗耸怯绊懻w損傷風(fēng)險(xiǎn)最顯著的參數(shù)。當(dāng)乘員在車輛發(fā)生正面碰撞時(shí)，人體前、后傾斜或發(fā)生左、右傾斜都會致使安全氣囊保護(hù)性能下降，使乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)增加[2]。鞠海蒙教授在研究分析人體尺寸差異對車輛正面碰撞時(shí)人體前傾角對駕駛員損傷影響的研究結(jié)果表明，安全氣囊的保護(hù)效果隨著人體前傾角改變而發(fā)生變化[3]。

綜上所述，駕駛?cè)俗藢Τ藛T約束系統(tǒng)的保護(hù)效果影響較大。因此，針對不規(guī)范的駕駛坐姿，研發(fā)智能乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)，可有效的降低汽車正面碰撞時(shí)因坐姿不正確對乘員造成的二次碰撞傷害。

1 碰撞后不同駕駛姿態(tài)的損傷分析

駕駛員的坐姿選擇通常跟乘坐舒適性和駕駛視野相關(guān)。通過MADYMO軟件仿真可以看到，以人體的上軀干與下軀干的交界H點(diǎn)為固定點(diǎn)，通過改變?nèi)梭w上軀干相對于Z軸的傾角和Y軸的傾角，即在MADYMO軟件中調(diào)節(jié)假人脊柱和頭部的兩個方向的傾角，分別設(shè)置前傾10°、后傾10°、左傾10°、右傾10°和標(biāo)準(zhǔn)坐姿五種情況進(jìn)行仿真，其得到的各組加速器數(shù)據(jù)和傷害輸出如表1所示。

表1 不同坐姿人體各部位加速度峰值及HIC[3]

通過仿真分析可知，當(dāng)駕駛員上體軀干縱向或側(cè)向位置發(fā)生變化時(shí)，對頭部和胸部的損傷影響較大。主要原因是駕駛員頭部和胸部與方向盤之間的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致其過早或過晚地與完全展開的安全氣囊接觸，或者與安全氣囊接觸的正確位置存在差異，致使氣囊沒有達(dá)到最佳的約束效果，對駕駛員的頭部或胸部產(chǎn)生傷害[4]。

因此，在針對駕駛員不同坐姿的碰撞損傷結(jié)果，根據(jù)駕駛員上體軀干因側(cè)向傾斜或縱向傾斜導(dǎo)致的汽車約束系統(tǒng)未達(dá)到理想的約束效果，在汽車座椅上設(shè)計(jì)并布置多個壓力傳感器，根據(jù)多個壓力傳感器的反饋參數(shù)掌握駕駛員的坐姿情況，并針對駕駛員坐姿異常的情況進(jìn)行報(bào)警，可有效預(yù)防并降低因坐姿異常的碰撞傷害。

2 汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)主要壓力傳感器、車速傳感器、安全帶卡扣信號開關(guān)、單片機(jī)、蜂鳴器和報(bào)警燈組成。座椅壓力傳感器采用RFP-ZHII薄膜壓力傳感器，壓力傳感器共有4個，布置在前排乘員座椅靠背和坐墊上，檢測駕駛員背部和臀部重心變化[5]。汽車乘員坐姿預(yù)警控制系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)，通過單片機(jī)采集壓力傳感器信號、汽車車速信號、安全帶卡扣開關(guān)信號等信息，判斷汽車課程的坐姿，若坐姿異常將會控制蜂鳴器和報(bào)警燈進(jìn)行報(bào)警。其具體組成和電路結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。

圖1汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)組成

2.2 汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)控制原理

汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的控制主程序設(shè)計(jì)主要完成系統(tǒng)各參數(shù)的設(shè)定、壓力傳感器信號檢測及報(bào)警系統(tǒng)控制等功能，其控制邏輯流程圖如圖3所示。系統(tǒng)在通電啟動后，程序根據(jù)設(shè)計(jì)要求首先進(jìn)行初始化工作，然后，在完成初始化工作后程序進(jìn)入檢測工作狀態(tài)，檢測汽車車速信號、汽車座椅四個壓力傳感器信號及安全帶卡扣信號。當(dāng)單片機(jī)接收到汽車車速信號后，開始判斷安全帶卡扣信號和壓力傳感器信號。若汽車乘員未系安全帶，即單片機(jī)未收到安全帶卡扣信號，同時(shí)壓力傳感器有反饋信號時(shí)，則單片機(jī)控制報(bào)警燈常亮，并在10秒后控制驅(qū)動電路工作，使蜂鳴器開始報(bào)警。若單片機(jī)收到安全帶卡扣信號，即汽車乘員都系了安全帶，則開始判斷4組壓力傳感器信號差異，當(dāng)靠背壓力傳感器1和靠背壓力傳感器2及坐墊壓力傳感器1和坐墊壓力傳感器2的反饋數(shù)值近似并在規(guī)定范圍內(nèi)，則報(bào)警系統(tǒng)不工作。否則，當(dāng)2組靠背壓力傳感器和2組坐墊壓力傳感器之間數(shù)值超過規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，則報(bào)警系統(tǒng)工作。

圖3 汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)控制邏輯

3 汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)性能研究試驗(yàn)分為安全帶報(bào)警和乘員坐姿預(yù)警兩個試驗(yàn)內(nèi)容。

安全帶報(bào)警試驗(yàn)是檢測該預(yù)警系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)駕駛員在未系安全帶啟動汽車點(diǎn)火開關(guān)后進(jìn)行報(bào)警，為確保符合汽車報(bào)警要求，2個坐墊壓力傳感器設(shè)置的報(bào)警壓力最小值為30Kg。若啟動點(diǎn)火開關(guān)，在安全帶卡扣不閉合的情況下，分別檢測有人乘坐和無人乘坐兩種情況報(bào)警指示燈的工作狀態(tài)，同時(shí)增加輪速傳感器信號，當(dāng)車速上升至30Km/h后檢測蜂鳴器是否報(bào)警。

乘員坐姿預(yù)警試驗(yàn)是檢測該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在乘員坐姿異常的情況下系統(tǒng)能夠正常報(bào)警。在考慮乘員體重及身高等對坐姿影響的因素下，設(shè)置坐墊2個壓力傳感器報(bào)警壓力最小值為30Kg，兩個坐墊壓力傳感器測量值差值不能超過5Kg，否則報(bào)警。同時(shí)，設(shè)置靠背2個壓力傳感器報(bào)警壓力最小值為10Kg，兩個坐墊壓力傳感器測量值差值不能超過2Kg，否則報(bào)警[6]。試驗(yàn)方案采用試驗(yàn)人在正常坐姿、前傾、左傾和右傾不同乘坐姿勢下檢測傳感器壓力及報(bào)警系統(tǒng)工作情況。

3.2 乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案，將一個標(biāo)準(zhǔn)體重為70Kg試驗(yàn)人員作為參考對象，完成上述兩個試驗(yàn)項(xiàng)目。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在乘坐試驗(yàn)人沒有系安全帶的情況下，啟動點(diǎn)火開關(guān)，報(bào)警指示燈能夠正常點(diǎn)亮。采用電機(jī)模擬車輪轉(zhuǎn)速(車輪采用185/65R15的輪胎，車輪半徑為310.75mm)，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)256r/min，即行駛車速為30Km/h時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警。反之，當(dāng)試驗(yàn)人將安全帶卡扣閉合，則報(bào)警停止。

當(dāng)試驗(yàn)人閉合安全帶卡扣后，采用前傾、左傾和右傾不同乘坐姿勢，由于2個坐墊和靠背壓力傳感器之間的差值超過了規(guī)定數(shù)值，則蜂鳴器開始報(bào)警。當(dāng)試驗(yàn)人采用正常坐姿乘坐時(shí)，蜂鳴器停止報(bào)警，其具體測量參數(shù)如表2所示。

表2 成員坐姿預(yù)警試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

本文根據(jù)在碰撞中不同駕駛姿態(tài)的損傷結(jié)果分析，設(shè)計(jì)并制作一種汽車乘員坐姿預(yù)警系統(tǒng)。該裝置能夠檢測汽車乘員的坐姿形態(tài)，并對坐姿異常或未佩戴安全帶的乘客進(jìn)行警告。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)試驗(yàn)人坐姿分別為前傾、左傾或右傾時(shí)，檢測系統(tǒng)能夠有效的根據(jù)座椅布置的2組壓力傳感器的數(shù)值判斷乘員坐姿異常，并通過預(yù)警系統(tǒng)向乘員進(jìn)行報(bào)警，可有效降低汽車正面碰撞時(shí)因坐姿不正確對乘員造成的二次碰撞傷害。