楊 洋 程尚坤 齊 健 張 剛 馬強(qiáng)龍 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036；2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，拖拉機(jī)駕駛員對(duì)乘坐舒適性要求越來(lái)越高，座椅直接影響駕駛員乘坐舒適性。由于農(nóng)作物的耕種和收獲季節(jié)性強(qiáng)，駕駛員集中作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)強(qiáng)度大，持續(xù)疲勞容易引起腰椎損傷[1]，88%的駕駛員腰骶部患有疾病[2]。當(dāng)拖拉機(jī)在高低壟犁地作業(yè)過(guò)程中，駕駛艙傾斜導(dǎo)致駕駛員上軀干產(chǎn)生側(cè)傾，駕駛員長(zhǎng)時(shí)間的扭腰操縱作業(yè)，對(duì)腰椎產(chǎn)生巨大傷害[3-4]。

為了提高拖拉機(jī)駕駛員乘坐舒適性，國(guó)內(nèi)外研究人員主要從駕駛室布局、座椅減振、駕駛室噪聲控制等方面開展研究。通過(guò)優(yōu)化拖拉機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)，提高駕駛員上軀干操縱的便捷性，進(jìn)而提高駕駛員乘坐舒適性，如文獻(xiàn)[5-6]提出對(duì)不同型號(hào)的拖拉機(jī)，通過(guò)對(duì)拖拉機(jī)駕駛室的造型、色彩、結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，優(yōu)化其方向盤、操縱桿和踏板的位置布局，能夠使駕駛室舒適性、視野性能及易操作性都得到改善；楊洋等[7]通過(guò)優(yōu)化踏板連桿長(zhǎng)度、連桿夾角以及踏板-座椅布局降低踏板阻力，可減少駕駛員下肢受力。通過(guò)在駕駛室增加座椅減振裝置可提高駕駛員舒適性，如文獻(xiàn)[8-10]研究設(shè)計(jì)座椅懸架系統(tǒng)，可有效將輸入振動(dòng)的垂直振動(dòng)大幅度降低；還有學(xué)者研究設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)座椅的座墊材料[11-13]，能夠?qū)ν侠瓩C(jī)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞率和共振頻率產(chǎn)生顯著影響，促進(jìn)駕駛員的身心健康。郭廣偉等[14]提出降低噪聲可保護(hù)駕駛員的身心健康，使用吸音材料以及采用阻尼處理，減少噪聲反射的聲能和輻射；顧偉等[15]、王德海等[16]對(duì)拖拉機(jī)消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)拖拉機(jī)駕駛室結(jié)構(gòu)噪聲的治理，具有良好的效果。為給駕駛員提供健康舒適的氣候工作條件，文獻(xiàn)[17-18]研究設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)駕駛室空氣循環(huán)系統(tǒng)，給駕駛員提供經(jīng)過(guò)過(guò)濾的潔凈、溫度適中的空氣流，減輕灰塵、農(nóng)藥和煙氣的侵害，同時(shí)制冷、制熱系統(tǒng)可在炎熱夏季和寒冷冬季給駕駛員一個(gè)舒適的工作環(huán)境。但是，針對(duì)拖拉機(jī)在深耕作業(yè)過(guò)程中，駕駛員側(cè)傾坐姿導(dǎo)致駕駛員容易產(chǎn)生疲勞，加劇腰椎損傷的現(xiàn)狀，目前還沒(méi)有相關(guān)研究。

本文針對(duì)拖拉機(jī)在高低壟犁地作業(yè)中，導(dǎo)致駕駛員側(cè)傾坐姿的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一款基于人機(jī)工效學(xué)的農(nóng)機(jī)座椅自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)[19-22]，確保拖拉機(jī)傾斜作業(yè)過(guò)程中駕駛員坐姿不發(fā)生顯著變化，同時(shí)通過(guò)空氣彈簧和阻尼器減振保證座椅的舒適性。

1 座椅自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

座椅自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由座椅調(diào)平機(jī)械裝置及控制系統(tǒng)組成。座椅調(diào)平機(jī)械裝置主要由單級(jí)剪叉式機(jī)構(gòu)、空氣彈簧、阻尼器、旋轉(zhuǎn)板和底座等部件組成，調(diào)平機(jī)構(gòu)通過(guò)推桿電機(jī)伸縮控制座椅椅面保持水平姿態(tài)。工作原理如圖2所示，當(dāng)拖拉機(jī)在田間傾斜作業(yè)時(shí)，通過(guò)椅面下方安裝的座椅傾斜角度傳感器檢測(cè)座椅傾斜角度，控制決策系統(tǒng)將座椅傾斜角度信號(hào)和推桿電機(jī)電壓信號(hào)作為輸入量，融合卡爾曼濾波對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，得到控制推桿電機(jī)的PWM(脈沖寬度調(diào)制)方波信號(hào)，控制推桿電機(jī)伸縮，維持座椅椅面保持水平姿態(tài)，達(dá)到提高駕駛員乘坐舒適性的目的。

圖1 座椅自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of automatic seat leveling system1.旋轉(zhuǎn)板 2.單級(jí)剪叉式機(jī)構(gòu) 3.阻尼器 4.底座 5.空氣彈簧 6.角度傳感器

圖2 座椅自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle block diagram of automatic seat leveling system

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 減振結(jié)構(gòu)

拖拉機(jī)在非結(jié)構(gòu)路面行走時(shí)，駕駛員處在全身劇烈振動(dòng)的環(huán)境中，因此需要設(shè)計(jì)減振裝置，如圖3所示，座椅調(diào)平減振裝置在采用單級(jí)剪叉式機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了空氣彈簧和阻尼器?？諝鈴椈删哂辛己玫姆蔷€性硬特性，能夠有效減振，避開共振，防止沖擊。阻尼器對(duì)于座椅的垂向振動(dòng)可有效降低振動(dòng)加速度PSD(功率譜密度)峰值，降低對(duì)人體脊椎傷害。減振機(jī)構(gòu)底座長(zhǎng)L1、寬L2需滿足拖拉機(jī)駕駛艙原車座椅椅墊支撐要求，取L1=400 mm,L2=250 mm。

圖3 減振機(jī)構(gòu)Fig.3 Damping mechanism1.阻尼器 2.空氣彈簧 3.減振機(jī)構(gòu)底座

2.2 調(diào)平裝置結(jié)構(gòu)

調(diào)平裝置結(jié)構(gòu)如圖4a所示，由底座、前旋轉(zhuǎn)板、后連接板和推桿電機(jī)組成，其中點(diǎn)A為座椅處于最大傾斜位置時(shí)，即旋轉(zhuǎn)板處于右極限位置，長(zhǎng)端剛好觸碰到推桿電機(jī)的極限點(diǎn)。后連接板連接推桿電機(jī)另一端，固定在底座上。底座長(zhǎng)寬需滿足拖拉機(jī)駕駛艙內(nèi)安裝座椅預(yù)留螺紋孔的位置要求。

圖4 座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagrams of seat leveling mechanism1.前旋轉(zhuǎn)板 2.底座 3.后連接板 4.推桿電機(jī)

前旋轉(zhuǎn)板是座椅調(diào)平的關(guān)鍵零件，采用L形設(shè)計(jì)，可節(jié)省空間且便于推桿電機(jī)安裝，L形的長(zhǎng)端與座椅底座焊接，短端與推桿電機(jī)鉸接，其設(shè)計(jì)參數(shù)需滿足

L4>L3tanα

(1)

式中L3——L形零件長(zhǎng)度，根據(jù)駕駛室空間確定，取250 mm

L4——旋轉(zhuǎn)板短端長(zhǎng)度

α——旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)角

推桿電機(jī)與旋轉(zhuǎn)板鉸接驅(qū)動(dòng)座椅椅面旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)座椅姿態(tài)調(diào)整，因此，需要建立推桿電機(jī)伸縮長(zhǎng)度與椅面旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)學(xué)模型。如圖4b所示，將旋轉(zhuǎn)板的長(zhǎng)端簡(jiǎn)化成AC段，短端簡(jiǎn)化成OA段，座椅傾斜角α近似等于拖拉機(jī)傾斜作業(yè)時(shí)的傾斜角，拖拉機(jī)左傾時(shí)座椅轉(zhuǎn)動(dòng)角為正，拖拉機(jī)右傾時(shí)座椅轉(zhuǎn)動(dòng)角為負(fù)。推桿電機(jī)伸縮長(zhǎng)度與椅面相對(duì)于底座旋轉(zhuǎn)角關(guān)系為

(2)

式中La——點(diǎn)O、A之間的長(zhǎng)度

L0——推桿電機(jī)最短的長(zhǎng)度

L——推桿電機(jī)伸縮工作長(zhǎng)度

Lb——點(diǎn)A、B之間的長(zhǎng)度

推桿電機(jī)推力和駕駛員的體重之間關(guān)系為

(3)

式中F——推桿電機(jī)推力

G——駕駛員體重

Δh——駕駛員重心與座椅距離

h——駕駛員與座椅垂直距離

H——座椅中心點(diǎn)D與電機(jī)距離

設(shè)定駕駛員體重為800 N，最大傾斜角為15°，實(shí)際測(cè)量H≈40 cm，h≈50 cm，即推力F在最大傾斜角工況下應(yīng)大于850 N。

3 自動(dòng)調(diào)平裝置控制器設(shè)計(jì)

3.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

圖5 控制系統(tǒng)電路圖Fig.5 Control system circuit diagram

自動(dòng)調(diào)平裝置控制系統(tǒng)主要由電源模塊、ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)電壓采集模塊、座椅椅面姿態(tài)采集模塊、推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、座椅調(diào)平執(zhí)行模塊和座椅椅面調(diào)平控制系統(tǒng)組成[23-24]。其中系統(tǒng)反饋推桿電機(jī)的運(yùn)行位置，需ADC電壓采集模塊采集直流推桿電機(jī)電壓來(lái)完成。電源模塊由拖拉機(jī)蓄電池供電，由于ADC電壓采集電路需3.3 V供電，將12 V轉(zhuǎn)化為3.3 V同時(shí)加入濾波電路以保護(hù)電路。拖拉機(jī)田間作業(yè)地面起伏較多，采用帶有數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器硬件加速引擎的MPU 6050模塊，在動(dòng)態(tài)情況下能夠穩(wěn)定地向控制器輸出座椅姿態(tài)角。由于推桿電機(jī)需頻繁正反轉(zhuǎn)，采用TR2104S芯片設(shè)計(jì)的電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)控制器輸出PWM和高低電平，對(duì)PWMH、PWML、SR及PHASE端(輸出模式)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)H橋的上下橋臂交替導(dǎo)通?？刂葡到y(tǒng)電路圖及其控制器硬件配置分別如圖5和表1所示，控制器硬件電路實(shí)物圖和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板實(shí)物圖如圖6所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件配置Tab.1 Hardware configuration of control system

圖6 調(diào)平系統(tǒng)控制器Fig.6 Hardware physical drawing

3.2 系統(tǒng)控制精度

將座椅自動(dòng)調(diào)平裝置安裝在東方紅LX754型拖拉機(jī)上，利用叉車將拖拉機(jī)單側(cè)抬起，使拖拉機(jī)與地面產(chǎn)生傾斜，控制器中MPU 6050模塊采集當(dāng)前拖拉機(jī)傾斜角，座椅角度傳感器采集座椅傾斜角。記錄拖拉機(jī)傾斜3°、5°、10°和15°時(shí)，座椅椅面水平控制誤差，每種工況重復(fù)試驗(yàn)3次，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，調(diào)平系統(tǒng)在拖拉機(jī)傾斜角為10°時(shí)，平均誤差最大為0.4°，說(shuō)明調(diào)平系統(tǒng)在拖拉機(jī)上具有較高的控制精度。

圖7 系統(tǒng)精度試驗(yàn)Fig.7 System accuracy test

圖8 座椅椅面水平控制誤差Fig.8 Horizontal control error of seat surface

4 基于駕駛員乘坐舒適的座椅調(diào)平控制策略

4.1 控制策略基本要求

(1)當(dāng)拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，環(huán)境多為凹凸不平地面，為了避免座椅頻繁調(diào)平導(dǎo)致駕駛員不舒適，同時(shí)避免推桿電機(jī)頻繁工作影響使用壽命，需要設(shè)定座椅椅面調(diào)平工作閾值。

(2)座椅椅面調(diào)平速度也直接影響駕駛員乘坐舒適性，因此還需確定合適的推桿電機(jī)速度，確保座椅椅面調(diào)平過(guò)程駕駛員處于舒適狀態(tài)。

4.2 控制策略確定

通過(guò)研究拖拉機(jī)側(cè)傾角對(duì)駕駛員坐姿的影響，結(jié)合駕駛員主觀評(píng)價(jià)結(jié)果確定座椅調(diào)平控制策略。

4.2.1試驗(yàn)方案

為了研究拖拉機(jī)側(cè)傾角對(duì)駕駛員坐姿的影響，搭建座椅傾斜角連續(xù)可調(diào)的試驗(yàn)臺(tái)，如圖9所示，通過(guò)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)傾斜，模擬拖拉機(jī)傾斜作業(yè)姿態(tài)。選擇12名在35～55歲之間具有2年以上拖拉機(jī)駕駛經(jīng)驗(yàn)，腰部無(wú)疾病或創(chuàng)傷的健康男性(身高(171.5±3.7)cm，質(zhì)量(70.2±5.7)kg)。試驗(yàn)開始前，所有參與者都詳細(xì)了解試驗(yàn)流程。

為準(zhǔn)確獲取傾斜姿態(tài)下駕駛員坐姿變化，如圖9所示，采用Codamotion Odin主動(dòng)光學(xué)三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，捕捉布置在駕駛員上軀干的Marker點(diǎn)，獲得駕駛員脊柱空間位姿，系統(tǒng)測(cè)試精度0.01 mm。三維動(dòng)作捕捉Marker點(diǎn)分別布置在駕駛員第一胸椎(T1)、第三胸椎(T3)、第七胸椎(T7)、第九胸椎(T9)、第十一胸椎(T11)、第一腰椎(L1)、第二腰椎(L2)、第三腰椎(L3)、第四腰椎(L4)、第五腰椎(L5)、第五腰椎兩側(cè)和座椅兩側(cè)。三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為100 Hz，臺(tái)架傾斜角分別調(diào)至3°、5°、10°和15°，分別采集布置在脊柱上的點(diǎn)空間三維坐標(biāo)，獲取拖拉機(jī)駕駛員脊柱空間坐標(biāo)位置。

圖9 試驗(yàn)?zāi)M圖Fig.9 Test simulation diagram

為獲得調(diào)平座椅推桿電機(jī)伸縮控制速度，開展乘坐舒適性主觀調(diào)查試驗(yàn)，主觀評(píng)價(jià)采用5分制，1、2、3、4、5分別為非常滿意、比較滿意、中等、較差、不滿意。首先，試驗(yàn)臺(tái)架調(diào)整傾斜至15°，受試者靜坐在調(diào)平座椅上，調(diào)平座椅推桿電機(jī)分別以4、6、8、10 mm/s的速度驅(qū)動(dòng)調(diào)平座椅從傾斜狀態(tài)調(diào)整到水平位置，試驗(yàn)結(jié)束后記錄受試者乘坐舒適性主觀評(píng)分。受試者每天只試驗(yàn)一次，試驗(yàn)重復(fù)3次。

4.2.2座椅調(diào)平閾值

隨機(jī)挑選1名受試者脊柱Marker點(diǎn)空間位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，繪制駕駛員脊柱在冠狀面內(nèi)的側(cè)彎圖，如圖10所示，隨著試驗(yàn)平臺(tái)傾斜角的增加，受試者脊柱側(cè)彎增加。各個(gè)椎體的投影偏移量依次(L4～T1)減去前一個(gè)椎體的投影偏移量，得到椎體投影偏移量的增加幅度,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示。

圖10 受試者脊柱側(cè)彎變化曲線Fig.10 Subject scoliosis curves

圖11 側(cè)傾角對(duì)胸椎/腰椎位姿影響的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.11 Statistical results of influence of roll angle on thoracic/lumbar posture

由圖11可知，腰椎L3和腰椎L4在冠狀面上的投影偏移較大，所以腰椎L3和腰椎L4段影響程度較高。對(duì)比拖拉機(jī)側(cè)傾3°和5°試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)受試者胸椎和腰椎在冠狀面內(nèi)的最大投影偏移顯著增加，拖拉機(jī)側(cè)傾角度對(duì)受試者坐姿產(chǎn)生顯著性影響(P<0.001)?；诖?，確定座椅椅面調(diào)平工作閾值為3°。

4.2.3駕駛員乘坐舒適狀態(tài)下座椅椅面調(diào)節(jié)速度

針對(duì)調(diào)平座椅推桿電機(jī)不同伸縮速度，受試者主觀打分結(jié)果如圖12所示，伸縮速度為6、8 mm/s時(shí)主觀評(píng)價(jià)平均得分較高，也較為接近。評(píng)價(jià)結(jié)束后，對(duì)受試者回訪得知，伸縮速度10 mm/s主觀評(píng)價(jià)分值較低，主要原因是駕駛員腰部難以響應(yīng)較快的座椅調(diào)節(jié)速度。伸縮速度4 mm/s主觀評(píng)價(jià)分值較低，主要是調(diào)整速度太慢，在座椅調(diào)平的過(guò)程中，受試者較長(zhǎng)時(shí)間處于側(cè)傾姿態(tài)，舒適性較低。由此設(shè)定座椅椅面調(diào)節(jié)速度閾值為6～8 mm/s。

圖12 主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)Fig.12 Subjective evaluation data

5 實(shí)車試驗(yàn)

5.1 調(diào)平系統(tǒng)對(duì)腰部肌肉影響分析

5.1.1試驗(yàn)方案

將調(diào)平座椅安裝在東方紅LX754型拖拉機(jī)上，在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園進(jìn)行田間試驗(yàn)，田間具有坡度較大斜坡，拖拉機(jī)行駛速度保持在0.6 m/s左右，如圖13所示。為了客觀評(píng)價(jià)駕駛員乘坐舒適性，采用DELSYS公司生產(chǎn)的無(wú)線表面肌電系統(tǒng)(TrignoTM wireless EGM system)測(cè)試駕駛員肌肉肌電信號(hào)，表面肌電試驗(yàn)選擇5名駕駛員作為受試者，駕駛員側(cè)傾主要是腰部肌肉發(fā)力，因此選擇L5腰部豎脊肌作為測(cè)試肌肉[25]。在試驗(yàn)開始前，所有受試者刮掉背部測(cè)試部位的絨毛，并用醫(yī)用酒精擦洗背部皮膚。

圖13 實(shí)車試驗(yàn)Fig.13 Real vehicle test

第1天座椅未調(diào)平，受試者駕駛拖拉機(jī)在地間行駛10 min，在第10分鐘采集30 s表面肌電數(shù)據(jù)；第2天調(diào)平系統(tǒng)正常工作，受試者駕駛拖拉機(jī)以相同工況在田間行駛10 min，在第10分鐘采集30 s表面肌電數(shù)據(jù)，并記錄座椅和拖拉機(jī)實(shí)時(shí)傾斜角。試驗(yàn)設(shè)置采樣頻率設(shè)置為1 926 Hz，數(shù)據(jù)用EMGWorks Analysis進(jìn)行分析，為了消除運(yùn)動(dòng)偽影，采用高通濾波在10～450 Hz對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，再對(duì)其進(jìn)行整流處理。對(duì)于整流后的數(shù)據(jù)，截取其中波動(dòng)幅度較為平均的5 s數(shù)據(jù)，利用均方根(RMS)對(duì)整流后的肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。在正式試驗(yàn)前一天，所有受試者被要求采集豎脊肌的最大隨意收縮(MVC)，采用Biering-Sorenson位置測(cè)量豎脊肌的MVC[26]，測(cè)量時(shí)間為5 s，每次試驗(yàn)間隔5 min，試驗(yàn)重復(fù)3次。

在試驗(yàn)過(guò)程中記錄駕駛員乘坐安全感主觀感受，采用五級(jí)打分制進(jìn)行評(píng)價(jià)，分別為：安全感很好(5分)、安全感較好(4分)、安全感中等(3分)、安全感較差(2分)、安全感很差(1分)。

5.1.2結(jié)果分析

為了消除表面肌電在個(gè)體之間的差異，用實(shí)際測(cè)的肌電幅度與最大隨意收縮時(shí)肌電幅值的比值，即最大自主收縮百分比(MVE)，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。

座椅未調(diào)平時(shí)左、右豎脊肌的MVE平均值為21.73%、15.19%，調(diào)平后左、右豎脊肌的MVE平均值為18.74%、17.98%。測(cè)試過(guò)程駕駛員行駛方向左側(cè)地勢(shì)較低，因而向右回正身體時(shí)左豎脊肌被拉長(zhǎng)，所以左側(cè)豎脊肌MVE平均值大于右側(cè)，座椅調(diào)平后，左右兩側(cè)豎脊肌MVE平均值較為接近，腰部?jī)蓚?cè)同時(shí)受力，能夠較好緩解駕駛員腰部肌肉疲勞。

拖拉機(jī)田間傾斜行走過(guò)程，座椅椅面傾斜角如圖14a所示，座椅傾斜角與理論調(diào)平角誤差如圖14b所示，其中階段1為座椅傾斜角度未達(dá)到傾斜角閾值，該階段調(diào)平系統(tǒng)不工作，階段2為拖拉機(jī)傾斜超過(guò)預(yù)設(shè)值，座椅進(jìn)行調(diào)平，在該段時(shí)間內(nèi)座椅調(diào)平的平均誤差為0.38°，均方根誤差為0.21°，實(shí)際最大誤差為0.67°，可滿足實(shí)車條件下座椅調(diào)平的工作要求。5名駕駛員的平均評(píng)價(jià)分為4.1分，均方根誤差為0.625，座椅調(diào)平過(guò)程中駕駛員具有較好的安全感。

圖14 拖拉機(jī)傾斜及座椅調(diào)平測(cè)試結(jié)果Fig.14 Tractor tilt and seat leveling test results

圖15 拖拉機(jī)操控準(zhǔn)確度測(cè)試系統(tǒng)及直線路徑試驗(yàn)Fig.15 Tractor handling accuracy test system and straight path test

5.2 調(diào)平系統(tǒng)對(duì)駕駛員操作適應(yīng)性影響分析

5.2.1試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)拖拉機(jī)操縱準(zhǔn)確度測(cè)試系統(tǒng)，評(píng)價(jià)駕駛員操縱方向盤和擋位的適應(yīng)性。如圖15a所示，在車輪位置安裝拉桿傳感器測(cè)試車輪轉(zhuǎn)角，放置在駕駛室的測(cè)試系統(tǒng)顯示屏顯示車輪轉(zhuǎn)角控制的目標(biāo)值，駕駛員操縱方向盤進(jìn)行車輪轉(zhuǎn)角預(yù)設(shè)值跟蹤控制。駕駛員通過(guò)觀察顯示屏內(nèi)的車輪轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)測(cè)試反饋結(jié)果，控制方向盤完成轉(zhuǎn)角跟蹤控制，記錄車輪到達(dá)目標(biāo)值的控制完成時(shí)間。測(cè)試系統(tǒng)隨機(jī)發(fā)出擋位指令，駕駛員完成擋位操縱后，點(diǎn)擊屏幕上“掛擋完成”按鈕，記錄駕駛員完成掛擋操作時(shí)間。試驗(yàn)設(shè)置3種工況：拖拉機(jī)未傾斜(工況1)、拖拉機(jī)傾斜15°，座椅調(diào)平系統(tǒng)未工作(工況2)、拖拉機(jī)傾斜15°，座椅調(diào)平系統(tǒng)工作(工況3)，由5名駕駛員進(jìn)行試驗(yàn)，每種工況試驗(yàn)3次。

通過(guò)駕駛員操縱拖拉機(jī)跟蹤直線路徑的橫向誤差評(píng)價(jià)路感變化對(duì)駕駛員操控準(zhǔn)確性影響，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖15b所示，車輪兩側(cè)高度差為13.5 cm，拖拉機(jī)側(cè)傾5.1°，拖拉機(jī)分別安裝原車座椅和調(diào)平座椅開展直線路徑試驗(yàn)。分別由5名駕駛員操縱拖拉機(jī)以速度0.6 m/s沿直線參考線進(jìn)行路徑跟蹤駕駛，采用北斗差分定位系統(tǒng)(北京北斗星通C200-AT-P，精度0.2 cm)記錄拖拉機(jī)行走軌跡，計(jì)算拖拉機(jī)直線路徑跟蹤過(guò)程橫向誤差。

5.2.2結(jié)果分析

拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)設(shè)角度時(shí)間和掛擋時(shí)間如圖16所示，對(duì)比工況2與工況3，座椅調(diào)平系統(tǒng)的使用提高了方向盤和擋位的操作效率，說(shuō)明調(diào)平系統(tǒng)對(duì)駕駛員操縱適應(yīng)性有促進(jìn)作用。

圖16 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向及掛擋完成時(shí)間Fig.16 Tractor steering and gearing completion time

拖拉機(jī)直線路徑試驗(yàn)結(jié)束后，隨機(jī)選取一名駕駛員的駕駛軌跡，兩種工況下拖拉機(jī)所行駛的軌跡如圖17a所示；橫向誤差如圖17b所示，當(dāng)座椅未調(diào)平時(shí)，平均誤差為0.032 m，最大橫向誤差為0.123 m，座椅調(diào)平時(shí)，平均誤差為0.031 m，最大橫向誤差為0.114 m。座椅調(diào)平后，操縱拖拉機(jī)行走直線的平均誤差降低了3%，最大橫向誤差降低了8%。通過(guò)座椅調(diào)平系統(tǒng)提高了方向盤操控的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種基于駕駛員舒適性的拖拉機(jī)座椅調(diào)平控制系統(tǒng)，提出了基于駕駛員乘坐舒適的座椅調(diào)平控制策略，開發(fā)了座椅調(diào)平系統(tǒng)控制器，根據(jù)座椅角度傳感器實(shí)時(shí)反饋?zhàn)蝺A斜狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)座椅的自動(dòng)調(diào)平，系統(tǒng)調(diào)平的平均誤差為0.38°，調(diào)平效果較好。駕駛員背部肌肉肌電評(píng)價(jià)對(duì)比試驗(yàn)表明，調(diào)平后腰部左、右豎脊肌的MVE平均值為18.74%、17.98%，相比未調(diào)平時(shí)腰部發(fā)力均勻，能夠很好地保護(hù)駕駛員腰部肌肉。

圖17 拖拉機(jī)直線路徑試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.17 Test results of tractor straight path test

(2)開展了實(shí)車試驗(yàn)，在拖拉機(jī)傾斜15°調(diào)平系統(tǒng)工作過(guò)程中，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)設(shè)角度平均時(shí)間為2.71 s，掛擋完成平均時(shí)間為1.94 s，相比較拖拉機(jī)傾斜座椅未調(diào)平狀態(tài)，調(diào)平系統(tǒng)對(duì)駕駛員操作性及適應(yīng)性有促進(jìn)作用。拖拉機(jī)直線行駛路徑跟蹤試驗(yàn)表明，座椅調(diào)平時(shí)，拖拉機(jī)行駛軌跡的平均誤差為0.031 m，最大橫向誤差為0.114 m，分別降低了3%、8%，可知在路感變化情況下，通過(guò)座椅自動(dòng)調(diào)平提高了拖拉機(jī)操控的準(zhǔn)確性。