基于知识的汽车驾驶员座椅布置系统

2003065基于知识的汽车驾驶员座椅布置系统任金东　葛安林　黄金陵(吉林大学,长春　130025) [摘要]　在对多种驾驶员座椅布置方法进行分析的基础上,提出了在汽车布置设计过程中更为实用的布置方法,并且在CA TIA 软件平台上研制了一个基于知识的汽车驾驶员座椅布置系统。

叙词:基于知识,座椅布置,驾驶员Research and Development of a Knowledge 2basedAutomotive Driver ’s Seat Arrangement SystemR en Jindong ,G e Anlin &H uang JinlingJili n U niversity ,Changchun 130025 [Abstract]　Based on the analysis of different ways of packaging ,a more applicable method for determiningthe position of driver ’s seat during car 2body design is presented.And a knowledge 2based automotive driver ’s seat arrangement system is developed on the CA TIA software platform.K eyw ords :K now ledge 2based system ,Seating arrangement ,Driver原稿收到日期为2002年9月2日,修改稿收到日期为2002年10月28日。

1　前言在以人为中心的车身内部布置中,座椅的布置对驾驶员的安全性、坐姿舒适性、视野、操作方便性以及驾驶室内部空间具有重要的影响,在车身内部布置中占有极为重要的位置。

座椅的布置主要是确定H 点的位置和行程,以及设计合理的座椅调节方式及其调节轨迹。

由于座椅位置的影响因素多,各因素之间互相影响,其空间关系又不易表达,座椅布置一直是一个比较复杂的问题。

国外的汽车公司、高校和研究机构都在研究寻求方便实用的布置方法。

2　座椅布置方法211　SAE 适意线法[1]早在1985年,SAE 就推出了SAE J 1517标准,用来确定满足一定百分位的驾驶员H 点的位置。

在SAE J 1517中推荐了不同百分位的一组适意驾驶位置时H 点的位置线,其中每一条曲线都表征了H点位置与定位参考点之间的水平和垂直方向的位置关系。

A 类车的适意H 点高度z 与H 点相对定位参考点水平方向的距离x 呈二次非线性关系;对于B 类车,z 与x 呈线性关系。

图1给出了A 类车的一图1　A 类车SA E 适意H 点位置线组SA E 适意H 点位置线。

给定不同百分位的H 点高度就能够得到最后、最前以及其它百分位的设计H 点,座椅的行程和升程可根据最后和最前H 点来确定。

SAE 适意线是根据早先的美国人体数据,经统计分析之后得出的,对于不同时代、不同国家的人体统计数据不一定适用;求对应某一百分位的H 点时只能得到一个点,灵活性较差。

同时,SAE 适意线法没有将目标驾驶员群体的统计特性,尤其是国别、身材、男女比例、百分位等作为参数,使得此方法不宜作为一个通用的方法,针对任意给定的驾驶员目标人群都适用。

SAE 适意线比较适合于在从内到2003年(第25卷)第3期 汽　车　工　程Automotive Engineering 2003(Vol.25)No.3外的车身布置方法中使用。

212　Jean 2Mark 等人的区域法1993年Jean 2Mark 等人在其发表的文章中提出了求解H 点分布位置的区域法[2]。

该方法综合考虑了驾驶员舒适关节角度、踏板、转向盘和前方视野要求对驾驶员座椅位置的影响,可以求得满足要求的H 域。

此外,还提出了一种座垫倾角、座椅靠背角和座椅调节轨迹的优化设计方法。

Jean 2Mark 等人的区域法在确定最后H 点域时,没有结合考虑SAE J 826人体模型定位方法,在本来是通过舒适性关系求得的最后H 域中的H 点处用SAE J 826法定位人体模型后反而可能不舒适;同时,人体模型定位后的下肢关节角度也与SAE J 826法的结果不一致。

213　多功能区域法针对SAE 适意线法的不足,借鉴了Jean 2Mark 等人的区域法思想,并经过大量的研究之后,文中提出了更加合理的座椅位置布置的多功能区域法[3-5],包括以下几部分。

(1)舒适性约束法。

以驾驶员下肢的关节角度的舒适性作为约束来计算H 点分布区域。

(2)视野约束法。

以保证驾驶员足够的前方视野为约束条件计算H 点分布区域。

(3)顶盖约束法。

以保证驾驶员必要的头部空间为约束计算H 点分布区域。

(4)腿部空间约束法。

将驾驶员腿部空间L 34的统计范围作为约束计算H 点分布区域。

(5)转向盘约束法。

通过约束转向盘轮缘到大腿中心线的最小距离H 13和到躯干中心线的最小距离L 7来计算驾驶员H 点分布区域。

文中详细分析了座椅位置的影响因素,研究了人体模型的定位方法,采用了全新的根据舒适性、视野性、头部空间、腿部空间、转向盘约束以及上肢舒适性和伸及性等要求求解H 点的数学模型:将知识工程理论与座椅布置的专业知识相结合提出了基于知识的座椅布置方法。

最重要的是使用了参数化的人体模型和舒适关节角度,以及在系统指导下的可选的约束条件,使得系统可以适用于任何目标驾驶员人群,适合于不同种类的应用场合,从而达到了实用化的目的。

3　座椅位置的影响因素311　加速踏板布置位置加速踏板布置位置对驾驶员右脚的摆放位置有直接影响,很大程序上决定了座椅的水平方向位置。

加速踏板(以及转向盘)相对于前风窗上边框的水平距离会影响驾驶员的前方上视野。

为保证必要的前方上视野性,就必须调整座椅或加速踏板的位置。

312　目标驾驶员群体的统计特性对座椅位置起主要影响的统计特性指标是肢体(尤其是下肢)长度的均值和标准差。

肢体越长,需要的车内布置空间越大,座椅越靠后。

313　座椅高度(H 30)H 30是决定座椅位置的一个重要参数。

当加速踏板位置型式和目标驾驶员群体的统计特性已经确定时,座椅的前后位置随着座椅的升高而逐渐向前变化。

314　车型级别车型的级别对车内空间的大小有直接影响,同时驾驶员能达到的舒适程度(关节角度)也因此而不同。

车的级别越高,驾驶员腿部空间也相对越宽敞,座位也相对靠后;而级别越低,腿部空间也相对紧凑。

这些影响具体反映在L 11、L 34、H 13、和L 7等硬点尺寸上,如图2所示。

各硬点尺寸的含义参见SAE J 1100。

另外,是否采用自动变速器、方向盘和加速踏板是否可调等不同情况的车的配置都会对座椅的位置产生影响。

图2　车内空间布置硬点图示4　基于知识的座椅布置方法411　H 点分布域41111　H 点域的生成过程　经过理论分析可知,根据舒适性约束条件可以得到一个H 点分布域[3]。

如果在舒适性约束求解过程中综合考虑其它约束条件,就可以得到满足各种约束的H 域。

在求解H 点的过程中必须综合考虑约束条件是否满足,以使结果更加准确,也易于与设计知识相结合。

・672・汽　车　工　程 2003年(第25卷)第3期41112　最后H 点分布域　人体模型大腿角α9是选择座垫倾角的重要参考值。

在求得的最后H 点图3　最后H 点分布域及α9参考线分布域中给出了α9参考线,参见图3。

一方面方便了对最后H 点的选择,用户根据座椅高度和座垫倾角(参照α9)可以确定最后H 点;另一方面,如果还要重新设计座椅,根据选定的最后H 点对应的α9能够对座垫倾角提出设计要求。

在求解最后H 点域时踝关节角度α4应限定在87°,以保证加速踏板踩下的舒适性,同时还符合SAE J 826标准的要求[5,6]。

图4　给定α9的50th 百分位H 点分布域4.1.3　给定α9的H 点域　在计算其它百分位H 点分布域时,应该按照已知座垫倾角给定α9来计算相应的H 点分布域,参见图4。

412　参数化人体模型对于汽车公司而言,开发一个车型时使用的人体模型应该符合产品投放市场后驾驶员人群的统计特性。

为此,要求人体模型的定义能够方便地根据以往目标驾驶员群体统计特性进行预测。

为方便人体尺寸的计算和使用,建立参数化人体模型是必要的,参见图5。

已经建立了包括中国、欧洲和SAE 在内的参数化人体模型(各包括5th 、50th 和95th 三种百分位);同时,用户还可以根据情况自行定义所需的人体模型。

采用参数化人体模型之后,系统可以应用于任何目标驾驶员群体,克服了SAE J 1517推荐的适意线的局限性。

图5　参数化人体模型413　舒适坐姿与参数化舒适关节角度布置座椅必须首先考虑座椅位置对驾驶员坐姿舒适性的影响。

驾驶员在驾车行驶过程中所采用的姿势一般与以下因素有关。

驾车本身的活动(例如:右脚通常踩在加速踏板上;左手通常握转向盘,而右手可能在转向盘上,也可能在变速杆上);驾驶员获得舒适性的需要;车内空间的制约;驾驶员的习惯。

同时,驾驶员在驾车过程中为了减轻疲劳还要经常自我调节乘坐姿势。

尽管人机工程学推荐的舒适关节角度范围是一样的,但是对于不同的车型和不同身材的驾驶员,实际的角度范围差别却很大。

为方便使用,定义了参数化的关节角度范围。

针对具体的车型和具体的目标驾驶员群体,采用不同的舒适角度范围,使得设计结果更加理想。

414　满足不同约束条件的H 点域前面分析的座椅位置的影响因素,可以作为求解H 点位置的约束条件。

但尽可能多地考虑各种约束条件对H 点位置的影响能够提高设计的灵活性和准确性。

因此考虑了驾驶员前方视野要求、腿部空间要求、头部空间要求、加速踏板行程内舒适性的要求以及上肢的伸及性和舒适性等要求,参见图6。

图6　约束条件驾驶员的前方视野要求包括前方上、下视野两部分。

上视野约束条件要求身材较高的驾驶员能看到位于汽车前方12m 处的高5m 的信号灯。

下视野约束条件要求小身材驾驶员能从转向盘上方看到车前方的路面。

为获得必要的操作空间,硬点尺寸L 34、H 13、L 7必须控制在一定的范围内。

例如:控制H 13不过小可以避免在紧急刹车时,驾驶员右脚从加速踏板切换到制动踏板的过程中大腿可能和转向盘的干涉这种非常危险的情况;而L 7过小,则在撞车时转向盘或者安全气囊容易对驾驶员的躯干或面部造成伤害。

驾车过程中,尤其是在高速公路上,加速踏板总是处于一定的踏下位置附近,驾驶员的脚也相应地经常处于踩下的状态。

鉴于此,在确定H 点位置时考虑了加速踏板踏下之后驾驶员的舒适性,对于提・772・2003年(第25卷)第3期 汽　车　工　程高行车的安全性具有重要意义。