CN104161404B - 基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅及调节方法，该系统用角位移传感器记录座椅初始位置，并传输给控制芯片。当运载体具有机体线加速度或俯仰运动，超过一定的阈值，控制芯片会控制电机来调整座椅的状态，使座椅在小范围内转动，从而抵消加速度以及俯仰运动；待运载体平稳后，由控制芯片控制座椅自动缓慢恢复到初始设置的位置。采用自适应调节控制，使不同质量的乘客乘坐时具有相同的舒适感。当输入量超过极限值，控制芯片停止做出响应，以避免系统损坏以及伤害乘客。

Description

基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法

技术领域

本发明涉及一种电动座椅,尤其涉及一种基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法。

背景技术

现有的电动座椅中，民用飞机和汽车有可调节座椅水平位置以及记忆位置的座椅，还没有可主动减缓晕车症的座椅。

这类座椅虽然提高了乘坐舒适度，但是当乘客容易晕车或者对加减速比较敏感或者因飞机起飞、降落而不适时，该类座椅无法解决这种乘坐不适的问题。

晕车症一直是困扰人们的疾病，内耳前庭器是人体平衡感受器官，它包括三对半规管和前庭的椭圆囊和球囊。当汽车启动、加减速、刹车、船舶晃动、颠簸，电梯和飞机升降时，这些刺激使前庭椭圆囊和球囊的囊斑毛细胞产生形变放电，向中枢传递并感知。这些前庭电信号的产生、传递在一定限度和时间内人们不会产生不良反应，但每个人对这些刺激的强度和时间的耐受性有一个限度，这个限度就是致晕阈值，如果刺激超过了这个限度就要出现运动病症状。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中的缺陷，提供一种基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅，并公布了其调节方法，通过测量运载体的机体加速度以及俯仰速率，使得座椅在小范围内运动，抵消或者减小机体加速度以及俯仰速率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法，其特征在于：

所述基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅包含座椅、质量测量传感器、角位移传感器、A/D转换器、控制芯片、D/A转换器、加速度计、单自由度陀螺仪、PWM、力矩电机以及减速器，其中，所述质量测量传感器、角位移传感器设置在座椅上，通过A/D转换器与控制芯片相连，所述加速度计、单自由度陀螺仪设置在座椅的载体上，通过A/D转换器与控制芯片相连，所述PWM一端与力矩电机相连，另一端通过D/A转换器与控制芯片相连，所述力矩电机通过减速器与座椅相连；

所述调节方法包含以下步骤：

步骤1)，质量测量传感器将座椅及乘客的总质量传递给控制芯片，角位移传感器记录座椅的初始位置并将其传递给控制芯片；

步骤2)，加速度计测量座椅载体机身方向的加速度并将其传递给控制芯片，单自由度陀螺仪测量座椅载体的俯仰角速率并将其传递给控制芯片；

步骤3)，控制芯片将座椅及乘客的总质量与预先设定的质量阈值进行比较，如果座椅及乘客的总质量大于预先设定的质量阈值，控制芯片不驱动力矩电机调整座椅，否则，进入下一步骤；

步骤4)，控制芯片根据座椅载体机身方向的加速度以及座椅载体的俯仰角速率计算出座椅转动角加速度，计算公式如下：

ε＝K1*ω+K2*a

其中，ε为座椅的转动角加速度，K1为座椅载体俯仰角速率的比例因子，ω为座椅载体的俯仰角速率；K2为座椅载体机身方向加速度的比例因子，a为座椅载体机身方向的加速度；

步骤5)，控制芯片根据座椅转动角加速度计算出对应的电机控制电压；

步骤6)，控制芯片根据计算得到的电机控制电压进行脉宽调制以驱动所述力矩电机运行，进而带动座椅进行转动；当所述角位移传感器检测到座椅的转动角度超过预先设定的角度范围时，控制芯片停止驱动力矩电机；

步骤7)，当加速度计检测到座椅载体机身方向的加速度小于预先设定的加速度阈值，且单自由度陀螺仪检测到座椅载体的俯仰角速率小于预先设定的俯仰角速率阈值时，控制芯片驱动力矩电机使得座椅回到角位移传感器记录的初始位置。

作为基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法进一步的优化方案，所述控制芯片采用MCS-51单片机。

作为基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法进一步的优化方案，所述座椅载体俯仰角速率的比例因子K1和座椅载体机身方向加速度的比例因子K2是事先将所述电动座椅的运行参数进行数据拟合后得出的最优控制参数。

作为基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法进一步的优化方案，步骤5)中所述控制芯片根据座椅转动角加速度计算出对应的电机控制电压的计算公式如下：

$U=(\frac{60\mathrm{Ce\Φd}}{2\mathrm{\π}}+\frac{(\frac{m{d}^2}{n^2}+J_m)R_a}{C_t\mathrm{\Φ}})\mathrm{\ϵ}+\frac{T_f{R}_a}{C_t\mathrm{\Φ}},$

其中，U为电机控制电压，Ce为电动势常数，C_t为转矩常数，Φ为电机气隙磁通，T_f为系统的摩擦力矩，R_a为电机电枢电阻，d为座椅重心与电机转轴之间的距离，n为减速比，J_m为电动机自身的转动惯量，m为座椅及乘客的总质量。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、通过主动抵消运载体的机体方向加速度及俯仰速率，座椅可以使乘客在乘坐时更加舒适。在一定程度上减缓了乘车不适以及晕车症带来的不适；

2、通过设计控制律自适应调节的方法，使该座椅对不同质量的乘客具有相同的舒适度；

3、当座椅较多时，可以通过一个总的单片微控制器去控制所有座椅的运动；

4、当系统断电后，通过设计离合器，可以手动调节座椅位置，不至于出现卡死现象；

5、通过在电机以及座椅的转动轴安装离合器，使系统因突然断电而无法工作时，可以通过手动调节座椅位置，不至于造成机械锁死。

附图说明

图1是系统工作原理框图；

图2是系统控制律原理方框图；

图3是座椅转动极限位置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅，包含座椅、质量测量传感器、角位移传感器、A/D转换器、控制芯片、D/A转换器、加速度计、单自由度陀螺仪、PWM、力矩电机以及减速器，其中，所述质量测量传感器、角位移传感器设置在座椅上，通过A/D转换器与控制芯片相连，所述加速度计、单自由度陀螺仪设置在座椅的载体上，通过A/D转换器与控制芯片相连，所述PWM一端与力矩电机相连，另一端通过D/A转换器与控制芯片相连，所述力矩电机通过减速器与座椅相连。

所述控制芯片采用MCS-51单片机。

该系统工作原理如图1所示，该系统主要由座椅、质量测量传感器，电子控制器和力矩电机三部分构成。首先通过角位移传感器得到座椅初始设置的角度位置，通过质量测量传感器得到座椅和人的质量，两者经由双通道A/D转换器送到单片机；通过加速度计得到机体轴加速度，通过单自由度陀螺仪得到机体俯仰速率，两个信息通过双通道A/D转换器送到单片机，当达到一定的阈值，单片机通过算法得到控制信息，通过D/A转换器通过PWM去控制力矩电机，经过减速器可以得到很大的转矩与较低转速使座椅小角度范围转动；待机体运动平稳后，单片机根据记录的座椅初始角度信息使座椅回到初始设定位置。

该系统控制律原理如图2所示，设计期望是座椅的角加速度只与载体加速度和俯仰速率有关，乘客质量的改变对系统不会造成影响，其中，门限值1是座椅转动的角度范围α至β，门限值2为质量的最大允许值，门限值3为俯仰角速率的最大允许值，门限值4为机体方向加速度的最大允许值。设置门限值3和门限值4的目的是：防止由于传感器故障，输入到控制芯片一个很大的无效值，起到了保护系统的作用。

其理论如下：根据刚体的定轴转动微分方程可知，当质量不同时，转动惯量不同，从而刚体在被施加相同力矩时，刚体定轴转动的角加速度不同。因此，设计了质量测量传感器，其将质量信息经A/D传感器送至单片机。由单片机决策并将修正的控制律加在控制器上，应施加给电机的信号大小。考虑到突发事故及电机的安全问题，当质量测量传感器输入很大时，系统不响应。

如图3所示，座椅转动的极限位置设置为α与β，每次响应时，以不同的角加速度转到该角度位置。采用与转向相同的极限位置与的实际位置的角度差作为反馈输入控制参数，形成对力矩电机的正位移增量指令，从而实现座椅转动至期望位置。考虑到突发异常事故，当该系统的陀螺仪及加速度计输入值很大时，系统不响应。当系统断电后，在电动机轴与座椅转轴之间设计离合器，这样就可以通过手动旋钮调节座椅的位置。

本发明还公开了基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法，包含以下步骤：

步骤1)，质量测量传感器将座椅及乘客的总质量传递给控制芯片，角位移传感器记录座椅的初始位置并将其传递给控制芯片；

步骤2)，加速度计测量座椅载体机身方向的加速度并将其传递给控制芯片，单自由度陀螺仪测量座椅载体的俯仰角速率并将其传递给控制芯片；

步骤3)，控制芯片将座椅及乘客的总质量与预先设定的质量阈值进行比较，如果座椅及乘客的总质量大于预先设定的质量阈值，控制芯片不驱动力矩电机调整座椅，否则，进入下一步骤；

步骤4)，控制芯片根据座椅载体机身方向的加速度以及座椅载体的俯仰角速率计算出座椅转动角加速度，计算公式如下：

ε＝K1*ω+K2*a

其中，ε为座椅的转动角加速度，K1为座椅载体俯仰角速率的比例因子，ω为座椅载体的俯仰角速率；K2为座椅载体机身方向加速度的比例因子，a为座椅载体机身方向的加速度；

步骤5)，控制芯片根据座椅转动角加速度计算出对应的电机控制电压；

步骤6)，控制芯片根据计算得到的电机控制电压进行脉宽调制以驱动所述力矩电机运行，进而带动座椅进行转动；当所述角位移传感器检测到座椅的转动角度超过预先设定的角度范围时，控制芯片停止驱动力矩电机；

步骤7)，当加速度计检测到座椅载体机身方向的加速度小于预先设定的加速度阈值，且单自由度陀螺仪检测到座椅载体的俯仰角速率小于预先设定的俯仰角速率阈值时，控制芯片驱动力矩电机使得座椅回到角位移传感器记录的初始位置。

所述座椅载体俯仰角速率的比例因子K1和座椅载体机身方向加速度的比例因子K2是事先将所述电动座椅的运行参数进行数据拟合后得出的最优控制参数。

步骤5)中所述控制芯片根据座椅转动角加速度计算出对应的电机控制电压的计算公式如下：

$U=(\frac{60\mathrm{Ce\Φd}}{2\mathrm{\π}}+\frac{(\frac{m{d}^2}{n^2}+J_m)R_a}{C_t\mathrm{\Φ}})\mathrm{\ϵ}+\frac{T_f{R}_a}{C_t\mathrm{\Φ}}$

其中，U为电机控制电压，Ce为电动势常数，C_t为转矩常数，Φ为电机气隙磁通，T_f为系统的摩擦力矩，R_a为电机电枢电阻，d为座椅重心与电机转轴之间的距离，n为减速比，J_m为电动机自身的转动惯量，m为座椅及乘客的总质量。

该计算公式推到过程如下：

公式1：T_g＝Jε+T_f

式中，T_g为系统力矩，J为电动机与负载折合到电动机上的总转动惯量，T_f为系统的摩擦力矩，ε为座椅的转动角加速度；

公式2：

式中，n为减速比，d为座椅重心与电机转轴之间的距离，J_m为电动机自身的转动惯量。

公式3：U＝E_a+I_aR_a

式中，U为电机控制电压，E_a为电枢电压，I_a为电枢电流，R_a为电机电枢电阻；

公式4：T_g＝C_tΦI_a；

公式5：E_a＝C_eΦn

式中，n为减速比；

公式6：

由公式1-6即可得：

将之简写成U＝K3*ε+K4，其随乘客的质量的变化而变化。这就实现了根据乘客质量可以自动调节输出转矩的目的，也即保证了实际运行中，座椅的期望转动角加速度不会因乘客质量改变而改变。为固定常数。

本发明的系统构成如下：

1.1 传感器设计

1.1.1 加速度传感器设计：考虑到成本与体积，本文采用MEMS加速度计。

1.1.2 陀螺仪传感器设计：忽略地球的自转，并且只考虑俯仰角的变化。并且考虑到成本与体积，本文采用MEMS陀螺仪。

1.1.3 角位移传感器设计：采用旋转电容传感器。

1.1.4 质量测量传感器设计：所需传感器精确到Kg级即可。

2 A/D与D/A转换器设计：采用单通道和多通道转换器。

3 PWM驱动设计

用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。

PWM调速工作方式：

方式一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。

方式二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端最低电平，另一端输出PWM信号，两的输出切换和对PWXI的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以本发明采用了单极性工作制。

4 力矩电机及减速器设计：采用直流永磁式电动机，采用齿轮机构进行减速，实现减小旋转速度及增大力矩的效果。永磁式双向直流电动机通过改变流经电动机的电流方向，从而实现转动方向的改变。电动机的类型确定后，电动机具体型号的确定主要依据负载所需的力矩大小，系统力矩取决于转动惯量、负载摩擦力矩和所需的加速度。计算公式如下：

T_g＝Jε+T_f

式中，T_g为系统力矩，J为电动机与负载折合到电动机上的总转动惯量，ε为座椅的转动角加速度，T_f为系统的摩擦力矩。

Claims (4)

1.基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法，其特征在于：

所述基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅包含座椅、质量测量传感器、角位移传感器、A/D转换器、控制芯片、D/A转换器、加速度计、单自由度陀螺仪、PWM、力矩电机以及减速器，其中，所述质量测量传感器、角位移传感器设置在座椅上，通过A/D转换器与控制芯片相连，所述加速度计、单自由度陀螺仪设置在座椅的载体上，通过A/D转换器与控制芯片相连，所述PWM一端与力矩电机相连，另一端通过D/A转换器与控制芯片相连，所述力矩电机通过减速器与座椅相连；

所述调节方法包含以下步骤：

步骤1)，质量测量传感器将座椅及乘客的总质量传递给控制芯片，角位移传感器记录座椅的初始位置并将其传递给控制芯片；

步骤2)，加速度计测量座椅载体机身方向的加速度并将其传递给控制芯片，单自由度陀螺仪测量座椅载体的俯仰角速率并将其传递给控制芯片；

步骤3)，控制芯片将座椅及乘客的总质量与预先设定的质量阈值进行比较，如果座椅及乘客的总质量大于预先设定的质量阈值，控制芯片不驱动力矩电机调整座椅，否则，进入下一步骤；

步骤4)，控制芯片根据座椅载体机身方向的加速度以及座椅载体的俯仰角速率计算出座椅转动角加速度，计算公式如下：

ε＝K1*ω+K2*a

其中，ε为座椅的转动角加速度，K1为座椅载体俯仰角速率的比例因子，ω为座椅载体的俯仰角速率；K2为座椅载体机身方向加速度的比例因子，a为座椅载体机身方向的加速度；

步骤5)，控制芯片根据座椅转动角加速度计算出对应的电机控制电压；

步骤6)，控制芯片根据计算得到的电机控制电压进行脉宽调制以驱动所述力矩电机运行，进而带动座椅进行转动；当所述角位移传感器检测到座椅的转动角度超过预先设定的角度范围时，控制芯片停止驱动力矩电机；

步骤7)，当加速度计检测到座椅载体机身方向的加速度小于预先设定的加速度阈值，且单自由度陀螺仪检测到座椅载体的俯仰角速率小于预先设定的俯仰角速率阈值时，控制芯片驱动力矩电机使得座椅回到角位移传感器记录的初始位置。

2.根据权利要求1所述的基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法，其特征在于，所述控制芯片采用MCS-51单片机。

3.根据权利要求1所述的基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法，其特征在于，所述座椅载体机身俯仰速率的比例因子K1和座椅载体机身方向加速度的比例因子K2是事先将所述电动座椅的运行参数进行数据拟合后得出的最优控制参数。

4.根据权利要求1所述的基于单自由度陀螺仪及加速度计的电动座椅的调节方法，其特征在于，步骤5)中所述控制芯片根据座椅转动角加速度计算出对应的电机控制电压的计算公式如下：

$U=(\frac{60Ce\mathrm{\Φ}d}{2\mathrm{\π}}+\frac{(\frac{{\mathrm{md}}^2}{n^2}+J_m)R_a}{C_t\mathrm{\Φ}})\mathrm{\ϵ}+\frac{T_f{R}_a}{C_t\mathrm{\Φ}},$

其中，U为电机控制电压，Ce为电动势常数，C_t为转矩常数，Φ为电机气隙磁通，T_f为系统的摩擦力矩，R_a为电机电枢电阻，d为座椅重心与电机转轴之间的距离，n为减速比，J_m为电动机自身的转动惯量，m为座椅及乘客的总质量。