一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法

摘要

本发明涉及一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，采集状态固定的驾驶员多关节的角度后输入到驾驶员乘坐舒适性评价模型中，由驾驶员乘坐舒适性评价模型输出舒适性评分，驾驶员乘坐舒适性评价模型建立的步骤为首先量化舒适性评价并得到多关节的舒适性量化分数函数，然后基于多关节的舒适性量化分数函数得到舒适性最优的角度以确定各关节的权重系数，最后基于模糊理论根据多关节的舒适性量化分数函数及其权重系数建立驾驶员乘坐舒适性评价模型。本发明的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法克服现有评价方法成本高、开发周期长且只能定性描述的缺陷，具有成本低、评价过程快捷且能够定量评价的优点。

说明书

技术领域

本发明属于驾驶室人机工程学领域，涉及一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，特别涉及一种基于模糊理论采用遗传算法得到的驾驶员乘坐舒适性定量评价方法。

背景技术

近几年来随着汽车的日益普及，驾驶员的乘坐舒适性越来越被重视，乘坐舒适性是驾驶员与驾驶室良好匹配的重要内容，良好的乘坐舒适性不仅能给驾驶员带了良好驾驶体验，还可以有效缓解汽车驾驶员的疲劳，降低事故发生概率，已成为各大整车厂商和零部件厂商关注的热点之一，其中，驾驶员躯体的各个关节角度直接决定了驾驶员的坐姿，因而，驾驶员乘坐舒适性取决于驾驶员各个关节角度的舒适性。

目前驾驶员乘坐舒适性评价方法主要分为客观评价法和主观评价法两大类。客观评价法是通过测量一些与乘坐舒适性相关的物理量(振动速度、加速度等)，然后与相应的标准进行比较评价；主观评价是根据试验者的乘车感受来进行评价。在客观评价方面，Rebiffe等分析了驾驶员的乘坐过程，并通过人体生物力学模型模拟人驾驶时的姿势和位置，理论地推算出舒适的关节角度；滕俊章则在关节角度舒适性评估方法的基础上进行改进，提出了一种基于关节力矩的舒适度评估算法。在主观评价方面，刘建中和铃木近等应用心理测定法中的SD法，以车身振动、室内环境、乘员的心理及生理状况等为内容，对汽车乘坐舒适性进行了主观评价，同时，导入模糊理论中的模糊测度和模糊积分，构筑了汽车乘坐舒适性主观评价的阶层化模型。总体来说，这两种方法需要实物样机的支持，成本高，开发周期长；同时，对于涉及驾驶员乘坐舒适性方面的相关关系多为定性地描述分析，未能定量地给出所涉舒适性评价方面的相关关系。

因此，研究一种成本低、评价过程快捷且能够定量对舒适性进行评价的驾驶员乘坐舒适性评价方法极具现实意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术对驾驶员乘坐舒适性评价方法成本高、开发周期长且均为定性描述的缺陷，提供一种成本低、评价过程快捷且能够定量对舒适性进行评价的驾驶员乘坐舒适性评价方法，本发明首先引入遗传算法训练得到脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节的舒适性量化分数函数，再根据各关节的舒适性量化分数函数确定各关节的最舒适角度进行全局优化匹配得到各关节的权重系数，最后基于模糊理论根据多关节的舒适性量化分数函数及权重系数建立驾驶员乘坐舒适性评价模型。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以解决：

一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，采集状态固定的驾驶员多关节的角度后输入到驾驶员乘坐舒适性评价模型中，由驾驶员乘坐舒适性评价模型输出舒适性评分，所述多关节的角度包括膝关节前后及左右方向所能旋转的角度、臀关节前后及左右方向所能旋转的角度、躯干关节前后及左右方向所能旋转的角度和肩关节前后及上下方向所能旋转的角度；

所述驾驶员乘坐舒适性评价模型的建立步骤如下：

(1)量化舒适性评价并得到多关节的舒适性量化分数函数：对多关节从1开始进行顺序编号，逐关节计算舒适性量化分数函数，具体方法为：选取评测人员对不同状态的关节i(即编号为i的关节)进行舒适性量化打分，关节i的角度W_i随状态的变化而变化，运用遗传算法处理数据训练得到自变量为关节i的角度W_i、因变量为舒适性量化分数Z_i的舒适性量化分数函数f_i(W_i)；

(2)确定各关节的权重系数：逐关节确定权重系数，具体方法为：根据关节i的舒适性量化分数函数得到舒适性量化分数最高的角度W_i后依据CORLETT建立的BPD指标确定关节i的权重系数C_i；

(3)基于模糊理论建立模型：根据多关节的舒适性量化分数函数及其权重系数建立驾驶员乘坐舒适性评价模型T，n为关节的个数。

本发明还可以反向调节驾驶员乘坐舒适性，当驾驶员乘坐舒适性评价模型输出的舒适性评分较低时，按如下流程进行调节：

1)将各关节按权重系数由大到小的顺序编号，编号j＝1,2,3......n；

2)令j＝1；

3)根据舒适性量化分数函数计算关节j的舒适性量化分数；

4)将关节j的舒适性量化分数与舒适性量化分数函数的最高舒适性量化分数对比，如果相等则进入步骤6)，否则，将关节j的角度调整为最高舒适性量化分数对应的角度，进入下一步；

5)根据驾驶员乘坐舒适性评价模型计算舒适性评分，并与设定值进行比较，大于等于设定值时，结束程序，反之，进入下一步；

6)令j＝j+1，返回步骤3)。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，所述多关节为脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节及颈关节，本发明可选取的关节并不局限于此，还可根据实际需要选取其他关节或者增减关节，关节的权重集合及驾驶员乘坐舒适性评价模型公式也会进行相应的调整。

如上所述的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，所述多关节的角度为关节左右、上下、前后或其他方向所能活动的角度，脚趾关节角度w₁₁为脚掌平行线与大脚拇指平行线之间的锐角，w₁₂为大脚拇指垂直线与脚掌平行线之间的锐角，踝关节关节角度w₂₁为小腿平行线与脚掌平行线之间的劣角，w₂₂为脚掌平行线与小腿垂直线之间的锐角，膝关节关节角度w₃₁为大腿平行线与小腿平行线之间的劣角，w₃₂为小腿垂直线相对膝关节的旋转角度，臀关节关节角度w₄₁为躯干平行线与大腿平行线之间的劣角，w₄₂为躯干垂直线相对臀关节的旋转角度，躯干关节关节角度w₅₁为躯干平行线与椅背竖直切线之间的锐角，w₅₂为两肩胛部连线与椅背水平切线之间的锐角，肩关节关节角度w₆₁为大臂平行线与躯干平行线之间的劣角，w₆₂为大臂平行线与两肩胛部连线之间的劣角，肘关节关节角度w₇₁为小臂平行线与大臂平行线之间的劣角，w₇₂为小臂平行线与躯干平行线之间的劣角，颈关节关节角度w₈₁为颈水平线与躯干平行线之间的锐角，w₈₂为颈水平线与两肩胛部连线垂直线之间的锐角，本发明的选取的关节角度不仅仅局限于此，还可添加其他的角度以适应不同的应用场景。

如上所述的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，采集驾驶员多关节的角度是通过在模拟软件中设置假人模型，由模拟软件采集模型关节角度得到的。

如上所述的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，所述量化舒适性评价的具体步骤为：

(1)评测人员的选取：根据目标人群中性别、身高及体型的比例选取评测人员，以保证评测数据的客观性；

(2)量化分数的给出：评测人员对不同状态的关节i的舒适性给出量化分数Z_i(i＝1,2,…,8)；具体评价表如下表所示：

(3)数据的记录：采集并处理数据，建立关节舒适性评价数据库。

如上所述的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，所述采集并处理数据中的处理数据为对相同状态的关节的多个舒适性量化分数取平均值。

如上所述的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，所述舒适性量化分数函数是指根据关节舒适性评价数据库采用遗传算法建立的描述关节舒适性的量化分数与该关节各角度之间关系的函数；各关节的舒适性量化分数函数如下：

1)脚趾关节：

Z₁＝68.27+2.377w₁₁-1.082w₁₂-0.01631w₁₁²+0.1905w₁₁w₁₂-0.002368w₁₁³-0.008551w₁₁²w₁₂；

式中，Z₁为脚趾关节的舒适性评分，w₁₁为脚掌平行线与大脚拇指平行线之间的锐角，w₁₂为大脚拇指垂直线与脚掌平行线之间的锐角；

2)踝关节：

Z₂＝1807-76.4w₂₁+73.86w₂₂+1.037w₂₁²-1.597w₂₁w₂₂-0.004651w₂₁³+0.008519w₂₁²w₂₂；

式中，Z₂为踝关节的舒适性评分，w₂₁为小腿平行线与脚掌平行线之间的劣角，w₂₂为脚掌平行线与小腿垂直线之间的锐角；

3)膝关节：

Z₃＝4987-138.5w₃₁-72.51w₃₂+1.281w₃₁²+1.188w₃₁w₃₂-0.003895w₃₁³+0.004864w₃₁²w₃₂；

式中，Z₃为膝关节的舒适性评分，w₃₁为大腿平行线与小腿平行线之间的劣角，w₃₂为小腿垂直线相对膝关节的旋转角度；

4)臀关节：

Z₄＝-598+42.37w₄₁-1.858w₄₂-0.837w₄₁²+0.053w₄₁w₄₂+0.005w₄₁³+0.001w₄₁²w₄₂；

式中，Z₄为臀关节的舒适性评分，w₄₁为躯干平行线与大腿平行线之间的劣角，w₄₂为躯干垂直线相对臀关节的旋转角度；

5)躯干关节：

Z₅＝-182.1+8.513w₅₁-1.732w₅₂-0.06507w₅₁²+0.02082w₅₁w₅₂-0.002513w₅₁³-0.01045w₅₁²w₅₂；

式中，Z₅为躯干关节的舒适性评分，w₅₁为躯干平行线与椅背竖直切线之间的锐角，w₅₂为两肩胛部连线与椅背水平切线之间的锐角；

6)肩关节：

Z₆＝1585-40.36w₆₁-20.22w₆₂+0.2452w₆₁²+0.5564w₆₁w₆₂+0.001736w₆₁³-0.003649w₆₁²w₆₂；

式中，Z₆为肩关节的舒适性评分，w₆₁为大臂平行线与躯干平行线之间的劣角，w₆₂为大臂平行线与两肩胛部连线之间的劣角；

7)肘关节：

Z₇＝-123.8+10.19w₇₁-2.388w₇₂-0.1481w₇₁²+0.1167w₇₁w₇₂+0.000624w₇₁³-0.001424w₇₁²w₇₂；

式中，Z₇为肘关节的舒适性评分，w₇₁为小臂平行线与大臂平行线之间的劣角，w₇₂为小臂平行线与躯干平行线之间的劣角；

8)颈关节：

Z₈＝81.76+2.001w₈₁+0.04982w₈₂-0.07082w₈₁²+0.00829w₈₁w₈₂-0.000482w₈₁³+0.0002477w₈₁²w₈₂；

式中，Z₈为颈关节的舒适性评分，w₈₁为颈水平线与躯干平行线之间的锐角，w₈₂为颈水平线与两肩胛部连线垂直线之间的锐角；

上述模型中每关节仅选取了两个关节角度，本发明还可选取多个关节角度与舒适性评分建立驾驶员乘坐舒适性评价指标的评价模型。

如上所述的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节的权重系数分别为0.088、0.102、0.125、0.208、0.247、0.134、0.031、0.065，根据驾驶员的不同坐姿、驾驶室结构的不同及其他实际情况，遗传算法训练得到各关节舒适性量化分数函数不同，基于关节舒适性量化分数函数确定的关节权重系数也不同。

如上所述的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，所述基于模糊理论建立模型的具体步骤为：

(1)以驾驶员身上的关节为研究对象，所有关节集合为W＝{W₁,W₂…W_i…W_n}，其中W_i(i＝1,2…n)为关节i所有角度的集合，W_i＝{w_i1,w_i2...w_ix...w_im}，其中w_ix(x＝1,2…m)是W_i的第x个角度，m是W_i中角度的个数；

(2)将关节i所有角度的集合W_i作为一个因素，Z_i为W_i的舒适性量化分数，所有关节的Z_i构成舒适性量化分数矩阵，即

Z为W的舒适性量化分数矩阵，每个W_i作为W的一部分，反映了W的部分属性，将Z_i＝f_i(W_i)代入矩阵Z，再按各关节重要程度给出权重分配为C＝(C₁,C₂…C_i…C_n)(i＝1,2…n)，即可得出驾驶员乘坐舒适性评价模型T，

有益效果：

(1)本发明的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，实现了主观感觉的定量化；

(2)本发明的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，具有成本低、评价过程快捷并且能够给出舒适性评分最优关节角度方便驾驶员调整以达到最优舒适性。

附图说明

图1为本发明的驾驶员乘坐状态下的关节图；

图2为本发明的驾驶员颈关节前后所能旋转角度的示意图；

图3为本发明的驾驶员颈关节左右所能旋转角度的示意图；

图4为本发明的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法构建的综合评价体系图；

其中，1-脚趾关节，2-踝关节，3-膝关节，4-臀关节，5-躯干关节，6-肩关节，7-肘关节，8-颈关节，9-w₈₁，10-w₈₂。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法，其步骤如下：

(1)建立驾驶员乘坐舒适性评价模型：

1)量化舒适性评价：

a)评测人员的选取：根据人群中性别、身高及体型的比例选取评测人员以保证评测数据的客观性；

b)量化分数的给出：评测人员对如图1中所示的脚趾关节1、踝关节2、膝关节3、臀关节4、躯干关节5、肩关节6、肘关节7及颈关节8的不同角度的舒适性给出量化分数Z_i(i＝1,2,…,8)，图2中9即为颈关节前后所能旋转的角度w₈₁，图3中10为颈关节左右所能旋转的角度w₈₂；具体评价表如下表所示：

c)数据的记录：采集并处理数据，建立关节舒适性评价数据库，处理数据是指对同一角度的关节的多个舒适性量化分数取平均值；

2)根据关节舒适性评价数据库，采用遗传算法训练得到各关节的舒适性量化分数函数，各关节的舒适性量化分数函数如下：

a)脚趾关节：

Z₁＝68.27+2.377w₁₁-1.082w₁₂-0.01631w₁₁²+0.1905w₁₁w₁₂-0.002368w₁₁³-0.008551w₁₁²w₁₂；

式中，Z₁为脚趾关节的舒适性评分，w₁₁为脚掌平行线与大脚拇指平行线之间的锐角，w₁₂为大脚拇指垂直线与脚掌平行线之间的锐角；

b)踝关节：

Z₂＝1807-76.4w₂₁+73.86w₂₂+1.037w₂₁²-1.597w₂₁w₂₂-0.004651w₂₁³+0.008519w₂₁²w₂₂；

式中，Z₂为踝关节的舒适性评分，w₂₁为小腿平行线与脚掌平行线之间的劣角，w₂₂为脚掌平行线与小腿垂直线之间的锐角；

c)膝关节：

Z₃＝4987-138.5w₃₁-72.51w₃₂+1.281w₃₁²+1.188w₃₁w₃₂-0.003895w₃₁³+0.004864w₃₁²w₃₂；

式中，Z₃为膝关节的舒适性评分，w₃₁为大腿平行线与小腿平行线之间的劣角，w₃₂为小腿垂直线相对膝关节的旋转角度；

d)臀关节：

Z₄＝-598+42.37w₄₁-1.858w₄₂-0.837w₄₁²+0.053w₄₁w₄₂+0.005w₄₁³+0.001w₄₁²w₄₂；

式中，Z₄为臀关节的舒适性评分，w₄₁为躯干平行线与大腿平行线之间的劣角，w₄₂为躯干垂直线相对臀关节的旋转角度；

e)躯干关节：

Z₅＝-182.1+8.513w₅₁-1.732w₅₂-0.06507w₅₁²+0.02082w₅₁w₅₂-0.002513w₅₁³-0.01045w₅₁²w₅₂；

式中，Z₅为躯干关节的舒适性评分，w₅₁为躯干平行线与椅背竖直切线之间的锐角，w₅₂为两肩胛部连线与椅背水平切线之间的锐角；

f)肩关节：

Z₆＝1585-40.36w₆₁-20.22w₆₂+0.2452w₆₁²+0.5564w₆₁w₆₂+0.001736w₆₁³-0.003649w₆₁²w₆₂；

式中，Z₆为肩关节的舒适性评分，w₆₁为大臂平行线与躯干平行线之间的劣角，w₆₂为大臂平行线与两肩胛部连线之间的劣角；

g)肘关节：

Z₇＝-123.8+10.19w₇₁-2.388w₇₂-0.1481w₇₁²+0.1167w₇₁w₇₂+0.000624w₇₁³-0.001424w₇₁²w₇₂；

式中，Z₇为肘关节的舒适性评分，w₇₁为小臂平行线与大臂平行线之间的劣角，w₇₂为小臂平行线与躯干平行线之间的劣角；

h)颈关节：

Z₈＝81.76+2.001w₈₁+0.04982w₈₂-0.07082w₈₁²+0.00829w₈₁w₈₂-0.000482w₈₁³+0.0002477w₈₁²w₈₂；

式中，Z₈为颈关节的舒适性评分，w₈₁＝为颈水平线与躯干平行线之间的锐角，w₈₂为颈水平线与两肩胛部连线垂直线之间的锐角；

3)根据所得各关节的舒适性量化分数函数得到舒适性量化分数最高的角度后，依据CORLETT建立的BPD指标确定各关节的权重系数，脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节的权重系数分别为0.088、0.102、0.125、0.208、0.247、0.134、0.031、0.065；

4)基于模糊理论建立模型，其构建的驾驶员乘坐舒适性综合评价体系如图4所示；

a)以驾驶员身上的关节为研究对象，所有关节集合为W＝{W₁,W₂…W_i…W_n}，其中W_i(i＝1,2…n)为关节i所有角度的集合，W_i＝{w_i1,w_i2...w_ix...w_im}，其中w_ix(x＝1,2…m)是关节W_i的第x个角度，m是关节W_i中角度的个数；

b)将关节i所有角度的集合W_i作为一个因素，Z_i为W_i的舒适性量化分数，所有关节的Z_i构成舒适性量化分数矩阵，即

Z为W的舒适性量化分数矩阵，每个W_i作为W的一部分，反映了W的部分属性，将Z_i＝f_i(W_i)代入矩阵Z，再按各关节重要程度给出权重分配为C＝(C₁,C₂…C_i…C_n)(i＝1,2…n)以及各关节的舒适性量化分数构成的矩阵Z，即可得出驾驶员乘坐舒适性评价模型T，

(2)采集数据输入驾驶员乘坐舒适性评价模型得出舒适性评分及评分最优调整意见：采集状态固定的驾驶员多关节的角度w₁₁、w₁₂、w₂₁、w₂₂、w₃₁、w₃₂、w₄₁、w₄₂、w₅₁、w₅₂、w₆₁、w₆₂、w₇₁、w₇₂、w₈₁及w₈₂，将其输入到驾驶员乘坐舒适性评价模型中，由驾驶员乘坐舒适性评价模型输出得到舒适性评分，同时当驾驶员乘坐舒适性评价模型输出的舒适性评分较低时，驾驶员乘坐舒适性评价模型采用遗传算法进行反向运算，按照各关节权重系数由大到小依次调整各关节的角度得到整体舒适性评分最优的各关节角度，以便驾驶员调整提高其舒适性。

本发明的反向调节流程如下：

1)将各关节按权重系数由大到小的顺序编号，编号j＝1,2,3......n；

2)令j＝1；

3)根据舒适性量化分数函数计算关节j的舒适性量化分数；

4)将关节j的舒适性量化分数与舒适性量化分数函数的最高舒适性量化分数对比，如果相等则进入步骤6)，否则，将关节j的角度调整为最高舒适性量化分数对应的角度，进入下一步；

5)根据驾驶员乘坐舒适性评价模型计算舒适性评分，并与设定值进行比较，大于等于设定值时，结束程序，反之，进入下一步；

6)令j＝j+1，返回步骤3)。

本发明的一种驾驶员乘坐舒适性定量评价方法不仅实现了舒适性的定量评价，具有成本低及评价过程快捷的优点，还能给出舒适性评分最优关节角度方便驾驶员调整以达到最优舒适性。