基于生物动力学模型的驾驶员舒适性和疲劳评价关键技术研究

Vehicle design is a system engineering involving driver, vehicle and road and driver comfort and fatigue are critical in vehicle design. If we can assess driver comfort and fatigue in the vehicle early design stage it will shorten the design time and reduce cost dramatically. In addition, it will improve the safety of the vehicle. This project aims to develop an accurate human biodynamic model, investigate the relationship between driver and vehicle design based on vibration theory and human physiology comfort and fatigue model, and resolve issues among human vehicle and environment (road). Considering driver population aspects develop Chinese driver skeletal model and musculoskeletal model, torque equations from various external loads such as gravity, vibration due to road input, and interaction forces between the driver body and the vehicle to come out driver static and vibration comfort model and fatigue model. In addition, by using lab experiments we will identify model parameters and validate these developed models. The outcomes of this project will provide theoretical support for automobile ergonomics. The proposed research is a fundamental research topic and has many practical applications.

汽车设计是人-机-环境的系统工程而乘员的舒适性及疲劳度是汽车设计中的一个关键问题。如果能在设计的初期用人体生物力学模型来评估乘员的舒适性和疲劳度，可以大大缩短汽车开发周期及降低成本，同时提高设计汽车的安全性。本项目研究精确的三维人体生物力学模型、基于振动理论和人体生理特征的舒适性及疲劳模型，揭示乘员与整车设计的内在关系及相互影响规律，有望从根源上解决传统设计理论难以处理的乘员、车辆、路面合理匹配的关键问题。考虑驾驶员群体分布等因素，建立中国驾驶员人体生物动力学模型；研究计及路面引起的振动、手脚操作载荷和座椅作用力等的关节力矩等，形成驾驶员静态及振动舒适性及疲劳度评估的模型；利用运动捕获及振动平台等测试手段对所建模型进行参数识别及验证。本项目实施将为促进中国汽车设计领域的人-车-路面的交叉融合，为中国汽车人机工程学设计提供理论支撑，因此本项目具有重要的理论意义和实际应用价值。

本研究从汽车座椅舒适性及疲劳度出发，结合汽车驾驶行驶路面上不同的输入为前提，开展了人体动力学模型的研究，为汽车开发设计提供了一种有效的工具。在天津汽车技术研究中心采集了在不同频率输入的情况下三维人体振动试验数据，在数据采集过程中，在不同的路面输入情况下进行数据采集，人体上不同部位安装了传感器。根据采集的试验数据，开发了三维三个方向独立运动的人体模型和三个方向耦合的人体振动模型。进行了模型参数识别及模型验证研究。研究了座椅靠背角及座垫角度对乘坐舒适性的影响。并对不同的优化算法进行了对比。驾驶员的舒适性和疲劳度可以通过开发的模型预测。并对人体座椅悬架动力学模型的滑模控制系统趋近律参数对比仿真研究。项目研究工作为我国汽车设计自主创新提供重要的理论意义和应用价值。