汽车舒适度评价系统研制研究报告华南理工大学广州学院.docx
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汽车舒适度评价系统研制研究报告华南理工大学广州学院
华南理工大学广州学院
“学生研究计划”（SRP）项目
基于16位ECU的汽车舒适度评价系统研制论文
研究报告
项目名称：
基于16位ECU的汽车舒适度评价系统研制
项目成员：
钟家杰、游剑波、张志
指导教师：
翟伟良
摘要
随着汽车工业的发展和人们生活水平的不断提高，汽车已经逐渐进入百姓家，成为与人们工作和生活密切相关的交通工具。
人们对汽车性能的要求除了以往的动力性、经济性、安全性方面之外，在汽车的舒适度方面的要求也越来越高。
良好的驾驶操作性能、舒适的驾乘环境、低振动和低噪声渐渐成为现代汽车的重要标志。
汽车舒适度与使用者联系密切，良好的汽车舒适度能保证驾驶者的身心健康，提高工作效率，进而保证行车的安全性；同时，也有助于汽车的多种使用性能的发挥和增加汽车使用年限。
本研究设计的汽车舒适度评价系统以C51微控制器为主控单元，利用温度传感器、振动传感器、火焰传感获取相关信息，并最终做出综合评价。
本研究内容包括软硬件系统的设计和运用层次分析法，关联矩阵法等方法对汽车舒适度进行综合评价。
通过本设计，有助于汽车舒适度的提高，也有助于汽车综合性能的提高。
而且，这个系统能够让使用者了解车内的实时温度和振动以及舒适度情况，便于更好的改善车内环境，保证驾驶员和乘客的身心健康。
关键词：
舒适度，上位机，层次分析法
目录
第一章绪论5
1.1研究汽车舒适度的背景与意义5
1.2国内外汽车舒适度研究发展概况5
1.3研究内容和内容安排6
第二章汽车舒适度评价影响因素分析和评价方法研究8
2.1汽车舒适度影响因素分析8
2.1.1平顺性8
2.1.2车内温度8
2.1.4乘坐环境与驾驶操作性能9
2.2评价指标的选取9
2.3指标的评价方法10
2.3.1热舒适性的评价方法10
2.3.2平顺性的评价方法11
第三章汽车舒适度评价系统方案设计和硬件设计16
3.1系统组成和功能要求16
3.2系统整体结构图16
3.3主控MCU16
3.4传感器17
3.4.1温度传感器17
3.4.2振动传感器17
3.4.3火焰传感器18
3.5电源管理19
第四章构建汽车舒适度评价模型21
4.1系统评价方法21
4.2确定评价指标权重22
4.3构建总体评价模型23
4.3.1各指标评价值的确定23
4.3.2构建评价模型24
第五章总结25
5.1全文总结25
参考文献26
第一章绪论
1.1研究汽车舒适度的背景与意义
汽车工业自诞生以来，一直被当作发达国家的经济指标，是国家经济发展中的支柱产业。
汽车工业是一个综合的工业，它代表着一个国家的工业化程度。
在近代，所有大国都是通过汽车工业的飞速发展来完成冲工业化中期到现代化的过渡。
在国民经济增长和社会进步方面，汽车行业发挥着的无可或缺的作用，其具体其现在：
创造巨大的国民生产总值（GNP），推动相关产业的发展比如运输行业，推动新技术的研发，创造更多的就业机会，提高财政收入等。
改革开放后，随着中国经济的快速发展，作为国家支柱产业的汽车工业也得到了快速发展的机会。
自2009年以来，我国汽车产量一直蝉联世界第一。
然而，我国国土辽阔，人口众多，人均汽车占有量还比较低，因此，我国汽车工业有着巨大的发展潜力和市场资源。
随着汽车工业的发展和人们生活水平的不断提高，汽车已经逐渐进入百姓家，成为与人们工作和生活密切相关的交通工具。
除了传统的动力性、燃油经济性、安全性方面以外，人们在汽车性能的要求方面，对于汽车的舒适度也变得愈来愈高。
出色的驾驶性能、舒服的操作环境、低振动以及低噪音逐渐成为当代轿车的主要标记。
汽车舒适度与使用者联系密切，良好的汽车舒适度能保证驾驶者的身心健康，提高工作效率，进而保证行车的安全性；同时，也有助于汽车的多种使用性能的发挥和增加汽车使用年限。
对于汽车生产商而言，无论是对新型车的设计还是旧型车的改进，良好的汽车舒适度一直是他们不断追求的目标。
提高汽车的舒适度不仅会树立良好的品牌形象，还会大大减少售后开支；同时，也有助于提高自身竞争力，抢占激烈竞争中的市场份额。
设计一个可靠的汽车舒适度评价体系，有助于改善车辆的行驶平顺性，也有助于增强汽车的整体性能。
而且，这个系统能够让使用者了解车内的实时温度、湿度，振动以及舒适度情况，便于更好的改善车内环境，保证驾驶员和乘客的身心健康。
因此，对汽车舒适度及其评价方法的研究就显得十分重要。
1.2国内外汽车舒适度研究发展概况
国外对汽车舒适度的研究主要是针对振动舒适度，即平顺性。
对于平顺性，在50年代和60年代初，发达国家就进行了许多的试验来测试乘客乘坐汽车的平顺性，并基于这些试验的数据建立较为完善的平顺性标准。
1948年，詹韦提出能够经得住振动舒适性的评价标准，并给出了计算评价指标J值的计算公式。
1957年，狄克曼提议用K系数法评价平顺性。
1961年，D.E.高曼基于试验和以前的积累，认为当身体受到低频（0～100Hz）低振级振动时，可以简化为一个集中式系统，包含刚度、阻尼、质量。
1968年，普拉多等人认为身体吸收的能量与所受到的干扰成正比，提出了吸收功率（AP）法。
1972年，德国Michik提议以椅座垂直方向的加速度效值和车辆纵向方向的加速度效值，来评估汽车的乘坐舒适性。
上世纪六十年代，ISO组织就动手拟定“人体承受全身振动的评价指南”。
在1974年，ISO组织公布了ISO2631—1974（E），在数次增补和修订后，公布国际标准ISO2631/1-1985。
[1]
我国在这方面研究工作起步较晚。
上世纪九十年代，清华大学等第一次采取ISO2631开展了车辆乘坐舒适性的实验。
依据ISO2631标准，1985年我国颁布了GB4970国家标准，1986年我国颁布了GB5902国家标准，逐渐完善我国的车辆乘坐舒适性评价体系。
当然，汽车舒适度的内涵非常丰富，不当当只有平顺性，在其他方面我国学者也做过一些研究。
2006年，王正华等人结合主观评价和客观评价对汽车座椅的舒适性进行综合评价。
2009年，卞齐昊等人用模糊评价法对车辆的驾驶操作舒适性进行评价研究。
桂林空军学院的范李等对汽车内热环境的评价方法做出研究。
山东理工大学的逯志勇等对汽车车内布置的舒适性评价方法做出研究。
2010年，陈毅强用MSP430单片机，通过采集相关传感器进行分析计算，给出舒适度评价。
[2-6]
总的来说，评估汽车舒适度的方法如今仍是不多，至今还没有公认的标准，各部分都尚不完善。
1.3研究内容和内容安排
在调研汽车舒适度评价系统的时候，何为汽车舒适度、怎样评估汽车舒适度等都是不得不面对的，在下文中，将以此开始讨论。
主要研究内容如下：
（1）汽车舒适度的主要影响因素分析。
（2）评价指标的权重系数的确定。
（3）确定各评价指标的评价方法以及构建评价系统模型。
（4）整个系统的硬件设计，并对各评价指标进行定量检测。
本研究的研究思路如下图：
图1-1研究内容流程图
第二章汽车舒适度评价影响因素分析和评价方法研究
2.1汽车舒适度影响因素分析
汽车舒适度是指驾驶员和乘客对驾乘环境的主观反应，其反映在驾驶员和乘客身上，主要体现的是人体在驾乘过程中的生理反应，是否感到不舒服或者身体出现不良状况，晕车等症状。
其中，晕车也叫做“晕动病”，它与人们自身的内部器官有直接关系。
常晕车的人因自身的主观原因，不能对汽车舒适度作出客观的评价。
汽车舒适度的影响因素有很多，包括空气环境、噪声环境、乘坐舒适性、乘坐环境与驾驶操作性能以及个人生理和心理状况等。
本研究的是不晕车人员在生理和心理都正常的情况下，对一定车型的舒适度评价系统设计。
以下对影响汽车舒适度的影响因素分别进行分析。
2.1.1平顺性
平顺性是车辆在行驶时，保证乘客拥有一定的舒适程度，不会感到不良的性能。
汽车的振动是由于路面不平等原因造成的，过度的和无规律的振动严重影响人的舒适、工作效率和身体健康，这种影响包括生理上的和心理上的。
它的范围包括人体的各个系统以及感觉，比如听、视、平衡等。
20赫兹以下，加速度为0.5m/s2的振动会引起的不舒服，甚至引起其他不良症状。
当振动频率接近人体内脏器官的固有频率时，还会引起共振，造成内脏损伤。
2.1.2车内温度
温度是影响人体热舒适性的主要参数。
在装有空调的车内，温度为19~24℃最舒适。
若车内温度高于最高舒适温度，人们就会觉得热，若高于37℃，人们就会觉得非常的炎热，普通人可以承受的最高的温度为52℃。
反之，当车内温度小于最低舒适温度，人们就感到凉爽，若小于0℃，人们就会感到严寒。
车内温度对乘客舒适感觉的对应关系如下表：
表2-1标准有效温度对乘客舒适感觉的影响（乘客着便装、静坐）[7]
温度值/℃
热感觉
人体的反应
高于37.5
非常热，极不舒适
失去热调节功能
34.5~37.5
热，极不可接受
大汗
30.0~34.5
热，不舒适，不可接受
出汗
25.6~30.0
稍热，稍不可接受
微汗
22.2~25.6
热舒适
中和
17.5~22.2
稍冷，稍不可接受
毛细血管收缩
14.5~17.5
冷，不可接受
身体变冷
10.0~14.5
寒冷，极不可接受
颤抖
2.1.4乘坐环境与驾驶操作性能
车内空间大小、座椅的舒适性、操纵装置的布置、内饰的布置等都属于乘车环境与驾驶操作性。
良好的乘坐环境和驾驶操作性，能够给人舒适的感觉，提高工作效率，减低事故的发生。
驾驶的舒适度是伴随着驾驶时各关节的角度变化而变化的。
表2-2列出了舒适姿势时的关节角度范围。
图2-1驾驶姿势下的人体肢体夹角
表2-2舒适姿势时的关节角度范围
A1
A2
A3
A4
A5
A6
10°~35°
10°~50°
95°~155°
85°~110°
90°~125°
80°~160°
2.2评价指标的选取
在综合评价时，评价指标的挑选会直接影响到综合评价的结果。
因此，选取恰当的评价指标很重要。
在选取评价指标时，应遵循以下原则：
（1）目的明确
所选取的指标目的应该是明确的。
选取的指标应该要体现待评价的内容，不选和与其无关的指标。
（2）比较全面
选择的指标要尽量地覆盖评价的内容，若选择的指标有缺漏，那得出的评价就会有所偏差。
（3）切实可行
换句话说，是要有可操作性。
尽管一些指标可能非常适合，但却很难获取，那就是不切实际了。
汽车舒适度的影响因素有很多，包括温度、湿度、光照、气流速度、振动程度、噪声、空气品质、操作装置总体布置、车内空间、座椅、内饰以及个人生理和心理状况等。
为了实现对汽车舒适度的客观评价，本研究只考虑其中的客观因素。
根据上述的评价指标选取原则，确定温度、湿度、振动作为汽车舒适度评价系统的评价指标，其中，因为温度和湿度相互关联、相互影响，两者都是热舒适性的主要参数，而振动的舒适度则是平顺性，因而，最终选取的评价指标为热舒适性和平顺性。
为下文评价模型的构建作前期准备。
2.3指标的评价方法
2.3.1热舒适性的评价方法
人对热的感觉主要是与其全身的热平衡有关。
此平衡的体力活动的其他衣着，环境参数（空气温度，平均辐射温度，空气流速和空气湿度）的影响。
人体的正常温度在37℃左右。
这也就是说，房子里面的衣服最舒适的温度保持在37℃。
人们因为身体新陈代谢所产生的热量，以一定的速度向外发散。
如果环境温度过高，热量无法发散，积聚在体内，人会感到很不舒服。
在这个时候，身体会排出大量的汗液，热量通过蒸发发散，以降低体温。
只有当温度低于体温，当身体能够冷却的热量散发。
然而，当温度过低时，热量发散速度过快，超过人体正常的冷却速度，人体会感到寒冷，那么我们就应该穿适当御寒衣物，以防止身体的热量消散。
热舒适指标是热的环境中描述的研究环境状态或反映环境对人体热感觉，可能会引起热应力，它们能够作为已建成的热环境和热环境设计的基础，根据评估的系统。
热舒适评价指标可分为直接指标（如环境空气温度ta，空气流速va，相对湿度Φa等）、理论推导指标（如环境的平均辐射温度
，热应力指标HIS等）以及实验性指标（如热感觉等级、有效温度ET，预测平均投票值PMV、预测不满意百分率PPD等）。
虽然有效的温度的温度值可以被应用来评价人的主观感觉，但有较大的局限性在体内具有不同的服装，是有效的温度不能很好地与人体的主观感受不能有效地评价温度对人类安慰。
本研究使用了预测值的平均投票率不满PMV和PPD预测人体热舒适评价。
PMV指标是P.O.范格以热舒适方程和ASHRAE7点标度为依据，在美国堪萨斯州立大学的基础上，提出了实验结果。
该指标综合所有变量，可以较为全面的评价环境对人体造成的热感觉，而且己被编入ISO7730标准。
（2-1）
式中:
PMV——预计平均热感觉指数
M——新陈代谢率，W/m2
W——外部做功消耗的热量，W/m2
fcl——着装时人的体表面积与裸露时人的体表面积之比
ta——空气温度，℃
——平均辐射温度，℃
Pa——水蒸气分压，Pa
hc——对流换热系数，W/（m2·℃）
tcl——服装表面温度，℃
根据上式计算可得，PMV=-3~+3，其对应的热感觉为冷、凉、稍凉、热中性、稍暖、暖、热。
计算热舒适指标PMV-PPD需先确定以下7个参数:
人体新陈代谢率M、人体所作的机械功W、服装热阻Icl、空气温度ta、空气流速va、环境平均辐射温度
和空气相对湿度的水蒸气分压Pa。
其中
（2-2）
（2-3）
上式中
Icl——服装热阻，
var——空气流速，m/s
在汽车环境中，ta为车内温度，因为乘客在车内一般是不动的，没有其他的劳动损失。
因此取M=58W/m2，W=0冬季取服装热阻Icl=0.15
，夏季取服装热阻Icl=0.078
，所以冬季fcl=1.147，夏季fcl=1.101。
平均辐射温度采用车外部环境温度。
因为个体之间的不同，即便PMV=0时，也有些人感到不舒适，于是范格又提出了预测不满意百分数PPD指标，计算公式如下：
PPD=100-95exp[-（0.3353PMV4+0.2179PMV2）]（2-4）
采用PPD能够有效的评估对乘客因热环境造成的不舒适感觉。
本研究就是采用PPD实现对汽车的热舒适进行评价。
2.3.2平顺性的评价方法
ISO组织基于庞大的数据，提出了ISO2631/1-1985《人体承受全身振动的评价指南》，它已经被许多国家采用。
这个标准用加速度效值（RMS）给出了在中心频率1Hz-80Hz振动频率范围内人体对振动的三种不同感觉界限（即：
舒适降低界限TCD、疲劳工效降低界限TFD、暴露极限）。
ISO2631推荐的两种评价方法是1/3倍频带评价法和总加速度加权均方根值评价法。
在工业振动与噪声测量领域，最常用的频率宽度是1/3倍频程。
倍频程在频域分析实际上是一种相对规模。
倍频程谱是由一系列的频率和对应频带信号的平均幅度附近（RMS）。
这些频率点称为中心频率
，中心频率附近的频带处于上限频率
与下限频率
之间。
、
、
三者之间存在以下关系：
（2-5）
（2-6）
采用1/3倍频带评价法时，首先运用傅立叶变换，将采集到的振动时域非周期信号转换成频域信号：
（2-7）
其中，x（t）为原始采集到的时域振动信号，X（f）为变换后的频域振动信号。
然后对振动频域信号X（f）进行1/3倍频程（0-80Hz）分析:
（2-8）
其中，
为第i频段的上限截止频率，
为第i频段的下限截止频率，见表2-3。
将算得的ai值与标准曲线对照从而得到各参数的评价值。
方法简便，易于操作。
表2-31/3倍频频程上下限频率
1/3倍频带中心频率
，Hz
1.0
1.25
1.6
2.0
2.5
3.15
4.0
5.0
6.3
8.0
的下限频率
，Hz
0.9
1.12
1.4
1.8
2.24
2.8
3.55
4.5
5.6
7.1
的上限频率
，Hz
1.12
1.4
1.8
2.24
2.8
3.55
4.5
5.6
7.1
9
1/3倍频带中心频率
，Hz
10.0
12.5
16.0
20.0
25.0
31.5
40.0
50.0
63.0
80.0
的下限频率
，Hz
9
11.2
14
18
22.4
28
35.5
45
56
71
的上限频率
，Hz
11.2
14
18
22.4
28
35.5
45
56
71
90
认为1/3倍频程带评价方法，影响人体最大的在倍频带主要由人体感觉的振动强度最大的（在转换到人类敏感频率范围），那一个1/3倍频带所造成。
这种办法是把人体敏感的振动频率的0-80Hz范围，用1/3倍频程法分为20个频段，倍频程，窄带信号的分析，可以更准确诊断。
应用时主要是考虑人体感觉振动强度最大的那个1/3倍频带。
但是，按照这种评价方法，对于图2-2中A，B两种车型，人能够承受的时间均为3h，由此而认为这两种车的振动乘坐舒适性能相同，显然是不合理的，这是因为1/3倍频程评价法没有考虑不同频率加速度均方根值及不同方向振动的影响。
图2-2相同承受时间的两种不同的振动曲线
总加权评价方法是把所有在一个特定的方向加速度效值组件的加权值作为评价指标。
通过舒适性及工效学的研究表明，在振动频谱是一个宽频带振动的场合下，加权方法可以很好地反映这种运动的影响。
由于汽车的主体传给人体的宽带随机振动大部分是l0Hz以下的，ISO2631-1997舍弃了1/3倍频带评价法，采用了总加权值评价法，能较好地评价车辆的平顺性。
已知各个频段中心频率处的1/3倍频程的有效加速度值ai，（i=1，2，3，…，20），在计算加速度值时应给予相对于的权重，由于对于人体来说，人体对振动的响应（或反应）与振动频率和振动方向有关，但若在各自的中心频率处加以一定的权重因子，可使测得的结果和人体对每个方向的振动响应基本一致的真实感受。
国际标准工ISO2631推荐了1/3倍频程中的中心频率和不同方向上各自的计权因子，这些数据如下表所示：
表2-41/3倍频程中心频率计权因子
频率（1/3倍频程中心频率）Hz
加权因数
纵向（Z）振动因子ki
横向（X、Y）振动因子ki
1.0（0.9~1.12）
0.50
1.00
1.25（1.12~1.4）
0.56
1.00
1.6（1.4~1.8）
0.63
1.00
2.0（1.8~2.24）
0.71
1.00
2.5（2.24~2.8）
0.80
0.80
3.15（2.8~3.55）
0.90
0.63
4.0（3.55~4.5）
1.00
0.5
5.0（4.5~5.6）
1.00
0.4
6.3（5.6~7.1）
1.00
0.315
8.0（7.1~9）
1.00
0.25
10.0（9~11.2）
0.80
0.2
12.5（11.2~14）
0.63
0.16
16.0（14~18）
0.50
0.125
20.0（18~22.4）
0.40
0.1
25.0（22.4~28）
0.315
0.08
31.5（28~35.5）
0.25
0.063
40.0（35.5~45）
0.20
0.05
50.0（45~56）
0.16
0.04
63.0（56~71）
0.125
0.0315
80（71~90）
0.10
0.025
可以查看到其对应的计权因子ki（i=1，2，3，…，20），见上表。
则单一振动方向计权加速度aw为：
（2-9）
每个振动方向对人体反应的贡献度是有差别的。
因此，在各振动方向给予不同的权重系数，在横向方向上给1.4，在竖直方向给1.0。
若X、Y、Z三个方向的振动加速度效值分别为awx、awy、awz，则某测点总的加速度效值aw为：
（2-10）
在ISO2631/CD-1991委员会草案中引入“总乘坐值法”并给出了加速度值与人的主观感觉间的关系（见下表）。
表2-5加速度值与人的主观感觉间的关系
加权加速度（m/s2）
<0.315
0.315~0.63
0.5~1.0
0.8~1.6
1.6~2.5
>2.0
人的主观感受
没有不舒适
稍有不舒适
有些不舒适
不舒适
很不舒适
极不舒适
第三章汽车舒适度评价系统方案设计和硬件设计
3.1系统组成和功能要求
系统的目的是通过软硬件的结合，实现传感器数据的采集、分析以及处理，最后在显示屏上实现舒适度的评价。
系统的硬件主要是各类传感器和单片机。
系统要求能够实现数据的实时采集、及时保存、以及后续处理。
3.2系统整体结构图
系统的整体结构分为硬件部分和软件部分。
硬件部分主要是实现评价指标定量数据的实时采集和传输。
软件部分主要是接收单片机传输过来的数据，并进行分析处理，最终给出综合评价。
系统整体结构图如下：
图3-1系统整体结构图
3.3主控MCU
本研究以单片机为主控电路进行系统搭建。
单片机主控电路是由AT89C52单片机、时钟电路和复位电路等部分组成。
AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
其引脚如右图所示。
3.4传感器
3.4.1温度传感器
监测车内的温度。
温度是影响人体热舒适性的主要参数。
在装有空调的车内，温度为19~24℃最舒适。
若车内温度高于最高舒适温度，人们就会觉得热，若高于37℃，人们就会觉得非常的炎热，普通人可以承受的最高的温度为52℃。
反之，当车内温度小于最低舒适温度，人们就感到凉爽，若小于0℃，人们就会感到严寒。
DS18B20数字式温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同的是，使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度。
同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。
部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本，搭建电路和焊接电路时更快
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