基于Simulink对4自由度人体模型的 驾驶舒适性研究

逯成林 赵清海 张洪信 杨景周

摘要：  针对汽车以不同车速行驶在不同路况时对驾驶舒适性的影响，本文采用多人车辆模型，对汽车驾驶员在不同车速、不同路面及不同座位占用率情况下的驾驶舒适性进行研究。推导该模型的运动微分方程，并采用Simulink对方程进行搭建。同时，根据GB7031—86道路不平度谱，建立路面不平度模型，对多人乘车平顺性进行仿真分析。仿真结果表明，当坐在车内的人较少时，驾驶员头部的加速度均方根响应更加明显，而在车上同是坐着两个乘员的情况下，乘员坐在后右位置与坐在前右位置相比，驾驶员头部的加速度响应要小;在相同的路面上，汽车的行驶速度越快，驾驶员的头部加速度越小，驾驶员头部的加速度响应随路面不平度的增加而增加，汽车质心处的加速度响应比驾驶员头部的加速度响应高很多，因此不能用汽车质心的加速度响应来代替乘员头部的加速度响应。该研究为提高驾驶舒适性提供了一定的理论依据。

关键词：  驾驶舒适性; Simulink建模; 路面不平度; 车速; 座位占用率

中图分类号： U461.4; TP391.9  文献标识码： A

随着人们对汽车驾驶舒适性要求的日益提高，研究驾驶舒适性的影响因素也变得尤为重要。车辆乘员的驾驶舒适性主要与路面不平度、发动机、传动系、辅助系统、气流等产生的激振力有关[1] 。频率范围为0.5～25 Hz的垂直振动称为平顺性振动和摇晃振动，也被认为是造成车辆不适感的重要因素[2] 。C.J.Dodds等人[3] 开发了一种新的自相关函数，它提供了足以进行多轨道车辆响应分析的路面描述。Liu X D等人[4] 介绍了一种直接通过PSD获得精确路面不平度的新方法。D.Joshi等人[5 6] 研究了车辆质心的垂向动力学响应不能真实反映乘员的反应，而且与车内乘员相比，车辆质心的响应有时可能非常高。此外，座位占用率对车辆的整体平顺性有显著影响。A.Sattaripour[7] 研究了路面不平度对汽车行驶和驾驶员舒适性的影响;Soliman[8] 使用半主动悬架系统研究了路面不平度对车辆乘坐舒适性的影响。在另一项工作中，A.Soliman[9] 研究了路面不平度对乘坐舒适性和滚动阻力的影响;P.E.Uys等人[10] 进行了一项调查，以确定在不同道路剖面和不同速度下，确保越野车最佳乘坐舒适性的弹簧和阻尼器设置;M.G.Griffin[11] 对汽车的行驶动力学进行了详细的论述;O.P.Joshi等人[12] 通过一个七自由度车辆模型，研究了路面不平度和车速对汽车动态响应的影响;D.Joshi等人[13] 建立了十三自由度整车模型和六自由度人体模型，在不同路面、不同速度、不同乘客上座率的情况下，对驾驶员舒适性的影响进行研究，但该研究考虑的是前右位置驾驶员，而中国的驾驶员在前左位置，显然该数据在中国没有代表性，且论文采用的人体集总参数模型，考虑的是腹部直接与座椅接触，而在实际乘车过程中，座椅直接接触的是下部躯干。基于此，本文建立了十三自由度的整车模型和四自由度的人体模型相耦合，研究了路面不平度、车速及不同的座位占用率对汽车平顺性的影响。该研究可以改善车辆乘员的驾驶舒适性。

1 人体汽车组合模型

1.1 人体模型

人体模型也就是乘员模型，人体模型采用四自由度模型[14] ，四自由度人体模型如图1所示。该模型由4个质量块组成，各个质量块之间通过弹簧和阻尼器连接，代表各个质量块间的刚度和阻尼特性。图1中，质量块m4是头部和颈部，m3是上部躯干，m2是内脏，m1是下部躯干，mt是汽车座椅。每个身体部位在垂直方向各有一个自由度。在当前模型中，包括一名儿童乘员在内的5名乘员，结果总共得到20个自由度（4×5人=20）。

1.2 汽车模型

汽车模型是汽车与座椅的组合模型，汽车模型采用文献[13]的模型，整车模式（包括座椅）如图2所示。该模型由簧上质量，簧下质量，5个乘员座椅和1个儿童乘员座椅组成，儿童座椅安装在后中座椅的上方。车辆模型和座椅模型由16个自由度组成（5+1+4+6）。

图2最下端的Zrfl ，Zrfr ，Zrrl ，Zrrr 分别表示前左，前右，后左，后右輪胎与路面接触时的路面不平度。簧下质量Mufl ，Mufr ，Murl ，Murr 分别安装在车身的四个角落的位置，在垂直方向各有一个自由度。车身有纵向，侧向，垂向，俯仰，侧倾和横摆等6个自由度。座椅分别分布在前左，前右，后左，后右，后中和儿童座椅，各有垂直方向的一个自由度。

1.3 轮胎模型

轮胎建模采用Pacejka的魔术公式[15] ，该公式通过给定的轮胎与滑移率和滑移角的关系，分别计算纵向力和侧向力。目前模型中，在车辆模型的四个拐角位置考虑了四个轮胎，每个轮胎在纵向有一个自由度。轮胎模型如图3所示。

2 路面不平度模型

随机道路纵断面是根据GB7031—86基于谐波叠加法拟合不平路面[16] 。设路面高程为平稳的、遍历的均值为0的高斯过程，则可以用正弦波进行模拟。随机正弦波叠加法采用以离散谱逼近目标随机过程的模型，是一种离散化数值模拟路面的方法。手册建议根据空间频率和角频率的功率谱密度对路面不平度进行分类。给出手册中道路不平度分类的变化情况，路面不平度分类如表1所示。表1中，平整度小于A级的道路，被认为是最好的道路，而不平度大于H级的道路，被认为是最差的道路。

对以上介绍的道路不平整信息，采用Matlab编程，生成A，B，C，D级4条长度为25 m的道路，其路面不平度系数分别为16×10-6 m3/rad，64×10-6 m3/rad，256×10-6 m3/rad和1 024×10-6 m3/rad。路面不平度随行驶路程变化曲线如图4所示，左轮胎（蓝色显示）和右轮胎（红色显示）生成25 m的路面轮廓。由图4可以看出，道路纵断面的高度随着路面不平度等级的增加而增加。

为了更加直观的观察出A，B，C，D型路面的不平度情况，对车辆左、右车轮在遇到A，B，C，D型路面时不平度进行比较，路面不平度随行驶路程变化曲线如图5所示。通过比较图5a和图5b左右轮行驶的路面，其路面不平度有相同的变化趋势，即路面等级越低，路面不平度就越高。

3 多人乘车平顺性仿真

车辆模型行驶在生成的不平度路面上，对所有座位占用率的情况进行了模拟。车辆规格和轮胎参数与文献[13]中使用的相同。根据中国高速公路和城市道路上乘用车的巡航速度，选择采用40，60，80 km/h作为本车辆模型的测试速度，对Simulink模型进行仿真，Simulink模型如图6所示。

此外，由于人体头部加速度响应距离路面的不平度激励最远，因此选择其作为输出变量。从实验角度看，在乘员头部安装加速度传感器的做法由来已久，采用人体安装加速度计的方法获得数据，被认为能更好地体现驾驶舒适性[17 19] 。

将行驶的路面距离（x）与路面不平度（y）的关系转换为行驶时间（t）与路面不平度（y）的关系，其中，时间t是以速度v通过距离x所花费的时间。设y=f（x）是行驶距离与路面不平度之间的关系，若x=vt，则y=f（vt）。x轴从行驶距离到行驶时间的转换为

xn+1 -xn v =tn+1 -tn  （1）

式中，xn ，xn+1 分别表示汽车行驶的起始位置;tn ，tn+1 分别表示汽车行驶的起始时间。

这里考虑的座位占用率如下：

情况1 司机和所有乘员（FL，FR，RR，RL，CH）。

情况2 仅限司机和后排乘员（FL，RR，RL，CH）。

情况3 仅限司机和右后方乘员（FL，RR）。

情况4 仅限司机和前乘员（FL，FR）。

情况5 仅限司机（FL）。

对汽车进行仿真，汽车以40，60，80 km/h的速度行驶在A，B，C，D四级不平度路面上，仿真结果给出了驾驶员头部的加速度响应，并通过仿真结果综合研究了路面不平度、座椅占用率和车速对驾驶舒适性的影响。 根据ISO 2631（International Organization for Standardization 2631）手册中给出的过滤响应信号的指导方针[20] ，使用低通滤波器过滤80 Hz以上的频率。从全身振动的情况看，主要频率在0.5～80 Hz范围内。

3.1 乘员占座率比较

在给定路面不平度的情况下，比较座位占用率和车速对驾驶员头部加速度均方根响应的影响，座位占用率和车速对驾驶员头部加速度均方根响应如图7所示。由图7可以看出，随着车内乘员人数的减少，加速度均方根响应逐渐变大。和其它速度相比，在40 km/h时，加速度均方根最大，并且随着车内乘员的减少，加速度均方根明显增大;在80 km/h时，加速度均方根最小。观察情况3和情况4，在两种情况之下，车上都有两个人，但当乘员坐在后右位置时，和乘员坐在前右位置时比较，驾驶员头部的均方根加速要小。结果表明，车内乘员越少，车速越低，加速度越大，驾驶舒适性就越差。

3.2 不同车速比较

考虑司机和所有乘员均在车上的情况，设置汽车在路面上以40，60，80 km/h的车速行驶，车速对驾驶员头部加速度响应比较如图8所示。由图8可以看出，在所有给定路面不平度情况下，在40 km/h时，驾驶员头部的加速度响应最大;在80 km/h时，驾驶员头部的加速度响应最小。结果表明，驾驶员头部的加速度响应随着汽车车速的提高而降低，车速越高，驾驶舒适性越好。

3.3 不同道路等级之间比较

考虑司机和所有乘员都在车上的情况，在40，60，80 km/h的车速下，当车辆行驶在不同道路等级上时，路面不平度对驾驶员头部加速度响应曲线如图9所示。由图9可以看出，在所有给定速度下，在D级路面，驾驶员头部的加速度相应最大，在A级路面，驾驶员头部的加速度响应最小，说明驾驶员头部的加速度响应随着路面不平度的增加而增加。结果表明，路面不平度越高，驾驶舒适性就越差。

3.4 車身质心处的加速度响应

当车辆的质心在40 km/h时，车身质心处的加速度响应曲线如图10所示。由图10可以看出，与图8a中40 km/h时的驾驶员头部加速度响应相比，车身质心处峰值响应比驾驶员头部的峰值响应高很多。因此，车身质心的加速度响应不能表示人体的加速度响应。

4 结束语

本文通过Simulink建模，研究不同车速，路面不平度和座位占用率等因素，对驾驶舒适性的影响。因为路面激励传递到人体的头部有时间延迟问题，车速越高，经过的路面激励还没有来得及传递到人体头部，下一个激励已对上一个激励缩减，从而使驾驶员头部垂向加速度减小。路面不平度越高，路面就会越颠簸，驾驶舒适性就越差。乘员越多，汽车的载重质量越大，传递函数就会变小，所以驾驶舒适性就越高。相比前人的实验结果，本文实验结果在不同速度对驾驶舒适性的影响上表现出了更好的一致性，为驾驶舒适性的影响因素提供了理论性的依据，避免了真人对驾驶舒适性实验评价的主观性。以后的研究可以考虑人体垂向和纵向的振动加速度，把座椅与人体模型换成二维的。

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Research on the Influence of Road Roughness， Speed and Seat Occupancy Rate on Driving Comfort Based on Simulink

LU Chenglin， ZHAO Qinghai， ZHANG Hongxin， YANG Jingzhou

（Power Integration and Energy Storage System Engineering Technology Center of Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：  In view of the influence of cars driving at different speeds on driving comfort under different road conditions， this paper uses a multi-person vehicle model to study the driving comfort of drivers under different speeds， different roads and different seat occupancy rates. The differential equation of motion of the model is derived and built by Simulink. At the same time， according to the GB7031-86 road roughness spectrum， the road roughness model is established， and the ride comfort of many people is simulated and analyzed. The simulation results show that when there are fewer people sitting in the car， the root mean square response of the driver′s head acceleration is more obvious， but in the case of two passengers sitting in the same car， the driver′s head acceleration response is smaller when the occupant sits in the rear right position than in the front right position. On the same road， the faster the driving speed of the car is， the smaller the acceleration of the driver′s head is， and the acceleration response of the driver′s head increases with the increase of the road roughness， and the acceleration response at the center of the vehicle is much higher than that of the driver′s head， so the acceleration response of the occupant′s head can not be replaced by the acceleration response of the center of the vehicle. This study provides a theoretical basis for improving driving comfort.

Key words： driving comfort; Simulink modeling; road roughness; speed; seat occupancy