CN109305077B - 一种缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统及方法 - Google Patents

一种缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统，包括PC上位机、compactRIO嵌入式控制器、C系列模块、传感器和执行器，所述PC上位机与所述compactRIO嵌入式控制器连接，所述compactRIO嵌入式控制器与所述C系列模块连接；所述减震器内安装有用于调节汽车座椅悬架阻尼的减震器变阻尼比例阀，所述弹簧内安装有用于调节汽车座椅悬架刚度的弹簧变刚度比例阀；所述传感器包括加速度传感器和电阻应变式传感器，所述加速度传感器佩戴于人的头部用于振动信号的采集，电阻应变式传感器安于坐垫表面用于人体静载荷的测量。本发明提供了一种安全、舒适性较高的缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统及方法。

Description

一种缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统及方法
技术领域
本发明涉及座椅控制技术领域，尤其是涉及一种缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统及方法。
背景技术
在乘坐交通出行的过程中，会有一部分人患晕车(晕动病)表现恶心呕吐症状的经历，外界的机械运动或视野中物体都肯能会引起部分人的不适，具体如车辆的反复颠簸、眼睛视场中的物体运动等，严重则是引起晕车(晕动病)。预防晕车的方法中，绝大部分人都会选择吃晕车药或气味刺激等生理方法，但是通过吞服药物来解决，对大部分人而言或许并不是最佳的选择，因为自身的药理性对有些人不适合，气味刺激也并不具有普遍适用性，相对地，通过外界机械运动的控制来实现晕动病的预防或缓解的方法则更具有普适性和安全性，而在有关预防晕车的专利中，还未有从控制机械运动的层面来预防或缓解晕车症状的器械或方法。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种安全、舒适性较高的缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统，包括PC上位机、compactRIO嵌入式控制器、C系列模块、传感器和执行器，所述PC上位机与所述compactRIO嵌入式控制器连接，所述compactRIO嵌入式控制器与所述C系列模块连接；所述执行器包括安装于汽车座椅上的悬架，所述悬架包括减震器和弹簧，所述减震器内安装有用于调节汽车座椅悬架阻尼的减震器变阻尼比例阀，所述弹簧内安装有用于调节汽车座椅悬架刚度的弹簧变刚度比例阀；
所述传感器包括加速度传感器和电阻应变式传感器，所述加速度传感器佩戴于人的头部用于振动信号的采集，电阻应变式传感器安于坐垫表面用于人体静载荷的测量；
所述C系列模块包括三个模拟输入输出模块，分别为第一模拟输入输出模块、第二模拟输入输出模块、第三模拟输入输出模块，
所述第一模拟输入输出模块用于采集加速度传感器的电压信号和电阻应变式传感器的信号，所述第二模拟输入输出模块用于采集减震器变阻尼比例阀输出相应的电流信号，所述第三模拟输入输出模块用于采集弹簧变刚度比例阀输出相应的电流信号；
所述加速度传感器和电阻应变式传感器均与所述第一模拟输入输出模块连接，所述第一模拟输入输出模块与所述compactRIO嵌入式控制器连接，所述compactRIO嵌入式控制器分别与第二模拟输入输出模块、第三模拟输入输出模块连接，所述第二模拟输入输出模块与所述减震器变阻尼比例阀连接，所述第三模拟输入输出模块与所述弹簧变刚度比例阀连接。
进一步，所述compactRIO嵌入式控制器包括RT处理器和FPGA终端，在PC上位机、RT处理器和FPGA终端中分别创建VI程序即Host VI、RT VI和FPGA VI，Host VI通过前面板与用户进行交互，便于用户在前面板操作进行发送命令，此外也能进行数据的显示与存储如振动频率和加速度均方根值；RT VI则是对PC上位机发送过来的命令进行处理并将具体的底层程序的执行标签发送给FPGA VI，其次，RT VI将FPGA终端采集到的数据亦进行监控或分析，同时将数据标签发送给Host VI进行显示，另外RT VI中的程序将数据进行记录通过网络流到Host VI进行存储；FPGA VI内部的两个线程分别对执行器进行的底层控制与传感器信号的采集和处理；
PC上位机通过网线和compactRIO嵌入式控制器进行连接，相应的VI则是通过消息，标签和网络流通信，而RT VI和FPGA VI间采用DMA FIFO先入先出的方式进行庞大数据流的高速读写，避免数据的丢失和保证系统的响应速度。
一种缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统实现的方法，通过RT处理器中的RT VI实现振动加速度的监测并计算加速度均方根值，若振动频率和加速度均方根值大小在图3中发生恶心呕吐的概率大于0，则发送控制标签给FPGA VI，该程序基于粒子群优算法以人体最小振动加速度为目标进行优化控制，通过模拟输入输出模块控制相应比例阀的开关比例，最终降低人体的振动强度，使得人体发生恶心呕吐的可能降至最低。
本发明的设计构思：本发明旨在通过外界机械运动的控制实现预防或缓解晕动病，此种方法相比前者更为安全；在一些研究人员的有关机械振动对晕动病影响的研究基础上，本发明通过垂直方向的振动控制来缓解晕动病甚至是达到预防的效果；将汽车座椅改装成为具有变阻尼和变刚度的悬架结构，通过配备的嵌入式控制系统，并以晕动病相关理论为控制核心，在车身振动激励下，改变座椅悬架的振动特性缓解晕动病甚至是达到预防目的。
本发明的有益效果主要表现在：本发明以人体垂直方向振动和晕动病关系为核心控制思想，对乘车人员具有更大的普遍适用性，具有安全、可靠、易实现的优点；此种方法无须对车辆进行改装，只是改装车辆的座椅即可，且采用的电子控制系统以compactRIO嵌入式控制器为控制设备，具有改写程序容易，开发周期短，响应快速等优势。
附图说明
图1是三自由度“人体-座椅”振动模型示意图。
图2是本发明的原理框图。
图3是人处于不同频率和加速度均方根值垂直振动下发生恶心呕吐的概率分布图，其中左横轴Frequency(Hz)表示振动频率(单位Hz),右横轴Acceleration(ms-2r.m.s.)表示振动加速度均方根值(单位ms-2)，垂直轴incidence of vomiting表示呕吐发生概率(单位％)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统，包括PC上位机、compactRIO嵌入式控制器、C系列模块、传感器和执行器，所述PC上位机与所述compactRIO嵌入式控制器连接，所述compactRIO嵌入式控制器与所述C系列模块连接；所述执行器包括安装于汽车座椅上的悬架，所述悬架包括减震器和弹簧，所述减震器内安装有用于调节汽车座椅悬架阻尼的减震器变阻尼比例阀，所述弹簧内安装有用于调节汽车座椅悬架刚度的弹簧变刚度比例阀；
所述传感器包括加速度传感器和电阻应变式传感器，所述加速度传感器佩戴于人的头部用于振动信号的采集，电阻应变式传感器安于坐垫表面用于人体静载荷的测量；
所述C系列模块包括三个模拟输入输出模块，分别为第一模拟输入输出模块、第二模拟输入输出模块、第三模拟输入输出模块，
所述第一模拟输入输出模块用于采集加速度传感器的电压信号和电阻应变式传感器的信号，所述第二模拟输入输出模块用于采集减震器变阻尼比例阀输出相应的电流信号，所述第三模拟输入输出模块用于采集弹簧变刚度比例阀输出相应的电流信号；
所述加速度传感器和电阻应变式传感器均与所述第一模拟输入输出模块连接，所述第一模拟输入输出模块与所述compactRIO嵌入式控制器连接，所述compactRIO嵌入式控制器分别与第二模拟输入输出模块、第三模拟输入输出模块连接，所述第二模拟输入输出模块与所述减震器变阻尼比例阀连接，所述第三模拟输入输出模块与所述弹簧变刚度比例阀连接。
本发明将传统的汽车座椅改造成具有变阻尼和变刚度的悬架结构，为使在车身振动时调节减振器阻尼系数和弹簧刚度进而改变“人体-座椅”振动特性，三自由度“人体-座椅”振动模型如图1所示。mh人体静载荷；Kh人体刚度；Ch人体阻尼；Kseat坐垫刚度；Cseat坐垫阻尼；m1坐垫质量；K1座椅悬架可变刚度；C1座椅悬架可变阻尼；Zh人体振动位移；Zseat坐垫表面振动位移；Z1座椅振动位移；Z2车身振动位移。
在具有变阻尼和变刚度悬架的汽车座椅的基础上，本发明同时设计一套NIcompactRIO嵌入式控制系统如图2所示，利用其强大的实时性和高度集成化的特点对座椅进行振动控制。该套系统由5部分硬件构成：PC上位机、compactRIO嵌入式控制器、C系列模块、传感器和执行器。其中加速度传感器佩戴于人的头部用于振动信号的采集，电阻应变式传感器安于坐垫表面用于人体静载的测量，两个比例阀则安装于减振器和弹簧的内部结构中用于调节座椅悬架阻尼和刚度。该控制系统采用的是LabView软件编程，在PC上位机、RT处理器和FPGA终端中分别创建VI程序即Host VI、RT VI和FPGA VI。Host VI通过前面板与用户进行交互，便于用户在前面板操作进行发送命令，此外也能进行数据的显示与存储如振动频率和加速度均方根值；RT VI则是对PC上位机发送过来的命令进行处理并将具体的底层程序的执行标签发送给FPGA VI，其次，RT VI将FPGA终端采集到的数据亦进行监控或分析，同时将数据标签发送给Host VI进行显示，另外RT VI中的程序将数据进行记录通过网络流到Host VI进行存储；FPGA VI内部的两个线程分别对执行器进行底层控制与传感器信号的采集和处理。三者之间的连接和通信方式：PC上位机通过网线和compactRIO进行连接，相应的VI则是通过消息，标签和网络流通信，而RT VI和FPGA VI间采用DMA FIFO先入先出的方式进行庞大数据流的高速读写，避免数据的丢失和保证系统的响应速度。compactRIO具有多个模块插槽供多个模块插入使用，本发明采用3个模拟输入输出模块，一个模拟输入输出模块用于采集加速度传感器的电压信号和电阻应变式传感器信号，其余两个模拟输入输出则是对相应比例阀输出相应的电流信号。
本发明工作原理：车辆在路面行驶发生车身振动时，在垂直方向上会产生加速度(即使是车辆进行其它工况如加减速等所产生的加速度也会在垂直方向上产生加速度分量)。在一些研究人员对晕动病的研究中，发现人在垂直方向上的振动频率和加速度均方根值和晕车的发生概率存有密切联系如图3所示：三维直角坐标系中的左边横坐标表示的是人体的振动频率，右边横坐标表示的是振动加速度均方根值，纵坐标则是表示人发生恶心呕吐的概率。
本发明中的控制系统将图3的三维柱状图转化成LabView的G语言写入RT VI,为实现振动加速度的监测。具体地，若相应的频率和加速度均方根值(按照人体舒适性评价指标，测得的加速度时域信号经计算得到均方根值后还须乘上轴向加权系数此处取1，并以此作为判断)大小具有让人有恶心呕吐的可能，则发送控制标签给FPGA VI，该程序基于粒子群优算法以人体最小振动加速度为目标进行优化控制，通过模拟输出模块控制比例阀的开关比例，最终降低人体的振动强度，即实现了避免发生恶心呕吐的可能。机械振动的频率取决于外界的输入频率，但振动加速度大小既和(车身)振动输入有关还与振动系统的传递特性有关，因此本发明中的控制系统对振动频率首先进行监测(设定振动频率的监测范围0.1Hz～0.6Hz)，若不在所设定的频率范围则不对执行器进行控制，而关于人体的振动加速度均方根值除了监测还能实现通过改变减振器阻尼特性和弹簧的刚度特性将人体振动加速度均方根值降至最小。此外，关于执行器的控制程序，除了读取RT VI到FPGA VI的FIFO中的振动频率和振动加速度数据外，还须获取人体的静载荷数据(该数据被采集后，先通过FPGA VI到RT VI的FIFO传到RT VI进行存储等)，为建立准确的三自由度“人体-座椅”振动系统的传递函数从而得到相应的执行信号。(注：除了人体静载荷、头部的振动信号和座椅底部悬架的参数在控制系统中不固设外，其它参数如坐垫刚度等均已在程序中预设。)
缓解或预防晕动病的传统手段较多的还是采用服用药物或气味刺激等方法，但是并不是对所有人群都适合，本发明考虑从外部机械运动的控制层面出发，在人员乘坐车辆的过程中，当车辆低速行驶在坑洼路段或频繁刹车起步时，本发明中的座椅利用控制系统改变座椅至人体的振动特性降低发生晕动病的可能，提高乘坐舒适性。

Claims (2)

1.一种缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统，其特征在于：包括 PC上位机、compactRIO嵌入式控制器、C系列模块、传感器和执行器，所述PC上位机与所述compactRIO嵌入式控制器连接，所述compactRIO嵌入式控制器与所述C系列模块连接；所述执行器包括安装于汽车座椅上的悬架，所述悬架包括减震器和弹簧，所述减震器内安装有用于调节汽车座椅悬架阻尼的减震器变阻尼比例阀，所述弹簧内安装有用于调节汽车座椅悬架刚度的弹簧变刚度比例阀；
所述传感器包括加速度传感器和电阻应变式传感器，所述加速度传感器佩戴于人的头部用于振动信号的采集，电阻应变式传感器安于坐垫表面用于人体静载荷的测量；
所述C系列模块包括三个模拟输入输出模块，分别为第一模拟输入输出模块、第二模拟输入输出模块、第三模拟输入输出模块，所述第一模拟输入输出模块用于采集加速度传感器的电压信号和电阻应变式传感器的信号，所述第二模拟输入输出模块用于采集减震器变阻尼比例阀输出相应的电流信号，所述第三模拟输入输出模块用于采集弹簧变刚度比例阀输出相应的电流信号；
所述加速度传感器和电阻应变式传感器均与所述第一模拟输入输出模块连接，所述第一模拟输入输出模块与所述compactRIO嵌入式控制器连接，所述compactRIO嵌入式控制器分别与第二模拟输入输出模块、第三模拟输入输出模块连接，所述第二模拟输入输出模块与所述减震器变阻尼比例阀连接，所述第三模拟输入输出模块与所述弹簧变刚度比例阀连接；
所述compactRIO嵌入式控制器包括RT处理器和FPGA终端，在PC上位机、RT处理器和FPGA终端中分别创建VI程序即Host VI、RT VI和FPGA VI，Host VI通过前面板与用户进行交互，便于用户在前面板操作进行发送命令，此外也能进行数据的显示与存储如振动频率和加速度均方根值；RT VI则是对PC上位机发送过来的命令进行处理并将具体的底层程序的执行标签发送给FPGA VI，其次，RT VI将FPGA终端采集到的数据亦进行监控或分析，同时将数据标签发送给Host VI进行显示，另外RT VI中的程序将数据进行记录通过网络流到Host VI进行存储；FPGA VI内部的两个线程分别对执行器进行的底层控制与传感器信号的采集和处理；
PC上位机通过网线和compactRIO嵌入式控制器进行连接，相应的VI则是通过消息，标签和网络流通信，而RT VI和FPGA VI间采用DMA FIFO先入先出的方式进行庞大数据流的高速读写，避免数据的丢失和保证系统的响应速度。
2.一种如权利要求1所述的缓解晕动病的座椅嵌入式控制系统实现的方法，其特征在于：通过RT处理器中的RT VI实现振动加速度的监测并计算加速度均方根值，若振动频率和加速度均方根值大小对应的发生恶心呕吐的概率大于0，则发送控制标签给FPGA VI，该程序基于粒子群优算法以人体最小振动加速度为目标进行优化控制，通过模拟输入输出模块控制相应比例阀的开关比例，最终降低人体的振动强度，使得人体发生恶心呕吐的可能降至最低。
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