车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量的辨识方法

摘要

本发明涉及车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量的辨识方法，属于车辆座椅技术领域。该发明的特征在于：根据座椅人体振动模型，建立座椅人体系统simulink仿真模型，以测得的座椅在驾驶室地板安装中心位置处的垂向振动加速度为输入，利用人体等效三质量参数的辨识目标函数及利用优化算法，对车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量进行辨识。利用该辨识方法，可辨识得到更加准确可靠的人体三等效质量，从而提高车辆座椅人体振动模型及分析的精度，为座椅悬置系统参数的优化设计及提高座椅舒适性奠定可靠的基础；同时，本发明可避免进行大量的样本试验，降低试验和设计费用，加快产品开发速度。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆座椅，特别是车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量的辨识方法。

背景技术

座椅系统舒适性是评价汽车性能的重要指标之一。为了提高汽车座椅系统的舒适性， 必须建立车辆座椅人体振动模型，从而对座椅系统进行分析和优化设计。车辆座椅人体振动 模型的人体等效质量的精确性直接决定车辆座椅人体振动模型的精确性，从而决定座椅系统 的优化设计结果和舒适性提高程度。目前，我国在汽车座椅系统舒适性研究中，人体振动模 型的人体等效质量处理主要由两种方法：一种是把人体直接等效为一个质量块，然后建立相 应车辆振动模型进行研究，这样所得结果不够精确；另一种是采用有关人体振动的国际标准 提供的人体质量参数，但是均基于欧美人群，因为人体骨骼结构等不同，标准中的数据不能 直接用于我国座椅舒适型研究。此外，人体-座椅系统是一个不可分割的整体系统，很多学 者通过大量人体试验的方法获取的人体等效质量不能直接用于座椅系统研究，该方法试验费 用高、周期长。因此，目前对适用于我国车辆座椅人体振动模型的人体等效质量，我国尚无 快速、准确的获取方法，还必须建立车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量的辨识方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所解决的技术问题是提供车辆座椅人体振动 模型的人体等效三质量的辨识方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量的 辨识方法，其流程框图如图1所示，其技术方案实施的具体步骤如下：

(1)利用振动测试设备，测量并采集得到在某行驶工况下的座椅在驾驶室地板安装位置 中心处的垂直振动信号和座椅面的垂向振动信号，采集振动信号的时间长度为{0，T}＝ {[0,t₁]+[t₁,T]}，其中，前一时间段[0,t₁]的振动信号用于人体等效三质量辨识，后一时间段 [t₁,T]的振动信号可用于对质量辨识结果的仿真验证；

(2)根据座椅系统舒适性分析的要求，将人体质量作为等效三质量，即待辨识的人体臀 部质量m_h、人体上部的两质量m_b1和m_b2；利用座椅悬置的等效刚度K_s和等效阻尼系数 C_s、座垫的等效刚度K_h和等效阻尼系数C_h、人体上部的两等效刚度K_b1和K_b2、人体上部的 两等效阻尼系数C_b1和C_b2、座椅与座垫的质量之和m_s，构建座椅人体垂向振动模型；

(3)根据座椅人体系统垂向振动模型，利用Matlab/Simulink仿真软件，建立座椅人体系 统仿真模型，以在前一时间段[0,t₁]所测得的座椅在驾驶室地板安装位置中心处的垂直振动 加速度信号为输入信号，对座椅面的垂直振动加权加速度均方根值进行仿真，其中，在不同 频率下的加权值为

$w_k\left(f_i\right)=\left(\begin{array}{cc}0.5& f_i\in \left[\mathrm{0.5,2}\right]\mathrm{Hz}\\ f_i/4& f_i\in (\mathrm{2,4}]\mathrm{Hz}\\ 1& f_i\in (\mathrm{4,12.5}]\mathrm{Hz}\\ 12.5/f_i& f_i\in (\mathrm{12.5,80}]\mathrm{Hz}\end{array}\right);$

(4)以人体上部的两等效质量m_b1和m_b2及人体臀部的等效质量m_h作为优化辨识变量，利 用在前一时间段[0,t1]仿真所得到的座椅面垂向振动加权加速度均方根值与试验所测 得的座椅面垂向振动加权加速度均方根值建立人体等效三质量参数辨识的目标函数 J_min，即

$J_{\min }={({\sigma }_{{\stackrel{..}{z}}_{s\_}\mathrm{sim}}-{\sigma }_{{\stackrel{..}{z}}_{s\_}\mathrm{test}})}^2.;$

(5)根据人体等效三质量的辨识目标函数，利用优化算法求参数辨识目标函数的最小 值，此时所对应的优化变量即为辨识所得到的车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量，也 就是人体臀部的质量m_h、人体上部的两质量m_b1和m_b2；

(6)根据座椅人体系统的振动仿真模型及辨识所得到的人体等效三质量，以在后一时间 段[t₁,T]内所测得的的座椅在驾驶室地板安装位置中心处的垂直振动加速度信号作为输入， 对座椅面的垂直振动加权加速度值进行仿真计算，并与在该时间段内所测得的座椅面的垂直 振动加权加速度值进行比较，对人体等效三质量的辨识结果进行验证。

本发明比现有技术具有的优点：

本发明可根据建立座椅人体系统振动仿真模型，试验所得到的座椅在驾驶室地板安装 中心位置处的振动加速度和座椅面的振动加速度，利用人体三质量参数的辨识目标函数及优 化算法，获取人体等效三质量；利用该方法可辨识得到更加准确可靠的人体等效三质量，提 高车辆座椅人体振动建模和分析的精度，为座椅悬置系统参数的优化设计奠定可靠的基础； 同时，本发明可避免进行大量的样本试验，降低试验费用，缩短座椅悬置系统的设计和开发 周期。

附图说明

为了更好地理解本发明下面结合附图作进一步说明。

图1是车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量的辨识流程图；

图2是试验测得的座椅在驾驶室地板安装位置中心处的垂直振动加速度信号；

图3是试验测得的座椅面的垂直振动加速度信号；

图4是座椅人体垂向振动模型；

图5是车辆座椅人体振动的Simulink仿真模型。

具体实施方式

下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。

某载货车座椅系统为了满足舒适性分析和座椅悬置系统参数优化设计的要求，需要获 取座椅人体振动模型的人体等效三质量，从而对座椅悬置进行优化设计。已知该载货车座椅 系统中，座椅悬置的等效刚度K_s＝30317N/m和等效阻尼系数C_s＝1100Nm/s，座垫的等效刚 度K_h＝3412N/m和等效阻尼系数C_h＝674Nm/s，人体上部的两等效刚度分别为K_b1＝2312N/m 和K_b2＝2543N/m，人体上部的两等效阻尼系数C_b1＝900Nm/s和C_b2＝1020Nm/s，座椅与座垫 质量之和m_s＝20kg。该车辆在高速公路以80km/h速度行驶，通过测试所采集得到的座椅在 安装地板中心处的振动加速度及座椅面的振动减振加速度，利用座椅人体振动仿真模型及参 数辨识目标函数，对该载货车座椅人体振动模型的人体等效三质量进行辨识。

本发明实施例所提供的车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量的辨识方法，具体步 骤如下：

(1)利用振动测试设备，测量并采集得到该车辆在高速公路以80km/h速度行驶时，座椅 在驾驶室地板安装位置中心处的垂直振动信号和座椅面的垂向振动信号，分别如图2和图3 所示，测试采集信号的时间长度为130s，其中，前一时间段[0,50s]的振动信号用于人体等 效三质量辨识，后一时间段[50，130]的振动信号可用于对质量辨识结果的仿真验证；

(2)根据座椅系统舒适性分析的要求，利用座椅悬置的等效刚度K_s＝30317N/m和等效阻 尼系数C_s＝1100Nm/s，座垫的等效刚度K_h＝3412N/m和等效阻尼系数C_h＝674Nm/s，人体上 部的两等效刚度分别为K_b1＝2312N/m和K_b2＝2543N/m，人体上部的两等效阻尼系数分别为 C_b1＝900Nm/s和C_b2＝1020Nm/s，及座椅与座垫质量之和m_s＝20kg，构建座椅人体垂向振动 模型，如图4所示；

(3)根据座椅人体系统垂向振动模型，利用Matlab/Simulink仿真软件，建立座椅人体系 统仿真模型，如图5所示，以前一时间段[0,50s]所测得的座椅在驾驶室地板安装位置中心处 的垂直振动加速度信号为输入信号，对座椅面的垂直振动加权加速度均方根值进行仿真，其 中，在不同频率下的加权值为

$w_k\left(f_i\right)=\left(\begin{array}{cc}0.5& f_i\in \left[\mathrm{0.5,2}\right]\mathrm{Hz}\\ f_i/4& f_i\in (\mathrm{2,4}]\mathrm{Hz}\\ 1& f_i\in (\mathrm{4,12.5}]\mathrm{Hz}\\ 12.5/f_i& f_i\in (\mathrm{12.5,80}]\mathrm{Hz}\end{array}\right);$

(4)以人体上部的两等效质量m_b1和m_b2及人体臀部的等效质量m_h作为优化辨识变量，利 用在前一时间段[0,50s]仿真所得到的座椅面垂向振动加权加速度均方根值与试验所 测得的座椅面垂向振动加权加速度均方根值建立人体等效三质量参数辨识 的目标函数J_min，即

$J_{\min }={({\sigma }_{{\stackrel{..}{z}}_{s\_}\mathrm{sim}}-{\sigma }_{{\stackrel{..}{z}}_{s\_}\mathrm{test}})}^2.;$

(5)根据人体三质量参数的辨识目标函数，利用优化算法求参数辨识目标函数的最小 值，此时，对应的优化变量即为辨识所得到的车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量，即 人体臀部的质量m_h＝12kg、人体上部的两质量m_b1＝20kg和m_b2＝29kg；

(6)根据座椅人体系统的振动仿真模型及辨识得到的人体等效三质量，以在后一时间段 [50,130s]内所测得的的座椅在驾驶室地板安装位置中心处的垂直振动加速度信号作为输入， 对座椅面的垂直振动加权加速度值进行仿真计算；并与在该时间段内所测得的座椅面的垂直 振动加权加速度值进行比较，其中，在后一时间段[50,130s]内的座椅面振动加权加速度的仿 真值为0.72m/s²，试验测试值为0.73m/s²，两者偏差仅为0.01m/s²。

可知，辨识所得到人体等效三质量满足了车辆座椅人体模型分析及座椅悬置系统参数优 化设计的要求，表明该车辆座椅人体振动模型的人体等效三质量的辨识方法是正确的。