CN104002760A - 智能头部安全防护与预警控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能头部安全防护与预警控制装置，属于交通安全技术领域。包括安全帽、安全带回位装置、位置检测装置和声光预警装置，安全帽通过安全带回位装置控制安全帽的位置，位置检测装置包括座椅位置检测装置和安装在安全帽上的头部位置检测装置；安全帽上还安装有温度检测装置和酒精检测装置；安全带回位装置包括光电编码盘和安全带锁死装置；该装置可以配合传统汽车安全装置，能够迅速，高效的保护驾驶员头部安全，防止车祸时驾驶员颈椎受到挥鞭性损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能头部安全防护与预警控制装置，属于交通安全技术领域。
背景技术
意外车祸是影响驾驶员生命安全的主要影响因素，因此开发一个精度高，反应快的智能头部安全防护与预警控制装置是一个很有意义的创新性课题。传统的汽车安全装置主要由座椅安全带和安全气囊组成，仅能够起到一定的被动保护作用。一般汽车座椅安全带是三点式，用来将驾驶员的身体定位在座椅上。但当车祸发生时，驾驶员头部在惯性力作用下，还是会受到重创，为此部分汽车同时配置了安全气囊。但是安全气囊仍然存在如下问题：1.安全气囊由于某些产品质量不过关，精度低，反应慢，在车祸发生时，无法及时有效地打开；2.高速撞车时，安全气囊即使打开，驾驶员的头部仍然会重重的撞击到安全气囊上，然后弹回。在这一过程会造成颈椎受损，医学上称之为颈椎挥鞭性损伤，严重的造成高位截瘫。
如何解决传统汽车安全装置存在的缺陷，不仅能够在车祸发生时，能够迅速响应，提高驾驶员头部保护效果，起到被动保护作用；而且，能够在驾驶时，主动实时监测驾驶员的驾驶行为和状态，提供主动保护作用。智能头部安全防护与预警控制装置应具有以下特点：1.能够保护驾驶员头部安全，防止驾驶人员颈椎受到挥鞭性损伤，起到被动保护作用；2.能够实时主动监测驾驶员的异常驾驶行为，并及时进行预警，起到主动保护作用；3.成本低，精度高，反应快，可靠性好。
发明内容
本发明提供一种智能头部安全防护与预警控制装置，可以配合传统汽车安全装置，能够迅速，高效的保护驾驶员头部安全，防止车祸时驾驶员颈椎受到挥鞭性损伤；能够实时监测驾驶员行为，一旦出现异常，及时进行预警；成本低，精度高，反应快，可靠性好。
本发明的智能头部安全防护与预警控制装置结构为：包括安全帽1、安全带回位装置6、位置检测装置和声光预警装置11，安全帽1通过安全带回位装置6控制安全帽1的位置，位置检测装置包括座椅位置检测装置9和安装在安全帽1上的头部位置检测装置13；安全帽1上还安装有温度检测装置2和酒精检测装置10；安全带回位装置6包括光电编码盘19和安全带锁死装置7；酒精检测装置10和位置检测装置通过AD模数转换模块与微控制器22连接，温度检测装置2通过IO输入输出模块与微控制器22连接，安全带回位装置6的光电编码盘通过ECT计数器模块与微处理器22连接，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块和IO输入输出模块分别控制安全带回位装置6和安全带锁死装置7。
所述安全带4上有可拆卸的锁口3。
所述安全带回位装置6包括直流电机18，光电编码盘19，安全带卷轴23和安全带卷轴套25，安全带卷轴23通过直流电机18带动转动，光电编码盘19与安全带卷轴23同轴连接，将脉冲信号输入到微控制器22的ECT计数器模块。通过分析位置检测装置的位置信号和安全带回位装置的脉冲信号，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块改变直流电机的转向和转速，使安全带4可以自由回位。直流电机18带动齿轮传动箱26中的齿轮转动，齿轮再带动安全带卷轴23转动。
所述安全带回位装置6还包括安全带锁死装置7，由电磁铁21和锁死齿轮24组成，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块和IO输入输出模块分别控制安全带回位装置6的直流电机18和安全带锁死装置7的电磁铁21，安全带回位装置6通过固定板16安装在座椅头枕8内部，座椅头枕8通过螺栓15安装在座椅上，直流电机18通过直流电机支撑17固定；安全带回位装置6还包括用于检测直流电机转速的测速箱20。
所述位置检测装置包括座椅位置检测装置9和安装在安全帽1上的头部位置检测装置13，均由加速度计和陀螺仪组成，加速度计的量程是1.5g，灵敏度为800mv/g，工作电压是3.3V。陀螺仪的量程是±300°/s,工作电压是5V。将加速度计信号和陀螺仪信号接入微控制器22的AD模数转换模块，对信号进行采样，经过算法的滤波和积分融合处理，得到角度和角速度信号，计算出驾驶员头部和座椅相对于地面垂直方向的角度。
所述温度检测装置2为数字温度计，环形分布在安全帽1的四周。数字温度计上电后，通过微控制器22的IO输入输出模块串行发送数据到微控制器22中,判断是否接受到驾驶员头部传递的热量，实现智能头部安全防护与预警控制装置的待机与启动。
所述酒精检测装置10安装在安全帽1上并分布在驾驶员的口部周围，酒精检测装置绕安全帽转动，使驾驶员肺部呼出的气体可以通过吹嘴，进入到酒精检测装置10，经过微控制器22的AD模数转换模块采样，可以计算出驾驶员当前的血液酒精浓度。
所述声光预警装置11由发光二极管和语音模块组成，安装在车辆仪表盘上。在SPI协议下，声光报警装置和微控制器22的SPI串行外设接口模块进行通信，当条件触发时，在微控制器22的控制下可以实现声光预警。
所述智能头部安全防护与预警控制装置还包括无线数据收发和显示装置，由微控制器22的蓝牙和车载电脑液晶显示器12构成。微控制器22的蓝牙主机与车载电脑从机，在串口协议下，建立串口通信关系，通过上位机软件，在车载电脑液晶显示器12上实时观测驾驶员头部和座椅运动波形以及驾驶员的状态。
当驾驶员驾驶汽车时，戴上智能头部安全防护与预警控制装置。温度检测装置开始运行，实现整个控制装置的快速苏醒。酒精检测装置根据驾驶员肺部呼出气体，判断驾驶员是否处于酒驾状态，从而决定是否发出声光预警。在正常行驶过程中，驾驶员头部可以正常活动。头部安全带的平动带动安全带回位装置光电编码盘的转动，得到脉冲信号，结合位置检测装置驾驶员头部角度信号，在微控制器的调节下，直流电机改变工作方向，通过传动齿轮带动安全带卷轴转动，使安全带能够回位收缩，令头部感觉舒适。安全带回位装置与安全带锁死装置的固定板通过螺栓与座椅钢架固定在一起，封装在座椅头枕内。微控制器可以将各大检测装置的信号，通过蓝牙传输到车载电脑的液晶显示器中，监测驾驶员的驾驶状态。微控制器一旦检测到驾驶员头部和座椅的异常状况，立即启动安全带的锁死装置，配合座椅安全带，使驾驶员头部和身体没有相对运动，并且发出预警。
本发明按照保护功能划分，可以分为主动保护和被动保护两大功能。主动安全保护功能：主动保护功能包括酒精检测和疲劳检测。
（1）酒精检测：如果驾驶员酒后驾驶，那么肺部呼出的气体和正常行驶状态的气体酒精浓度存在明显差异。气体经过酒精传感器，送入微控制器。如果酒精浓度大于设定阈值，那么微控制器启动声光预警，提醒驾乘人员不要酒后驾驶。
（2）疲劳检测：如果驾驶员处于疲劳驾驶状态，那么头部会慢慢下垂，然后又突然惊醒，周而复始。驾驶员的头部运动规律经过位置检测装置检测，通过微控制器进行比较分析，当发现驾驶员处于疲劳驾驶状态，微控制器启动声光预警。
被动安全保护功能：当突然发生车祸时，因为惯性的作用，会出现驾驶员身体大幅度向前，座椅也会有明显的前倾两大特征。通过位置检测装置的检测，信号送入微控制器，经过分析，微控制器启动安全帽的安全带锁死装置。在座椅安全带和安全帽的安全带同时作用下，使驾驶员的头部和身体被同步拉紧，由于驾驶员头部与身体相对于座椅几乎无相对运动，这样就彻底地避免了颈椎发生挥鞭性损伤。
智能头部安全防护与预警控制装置的保护工作过程①酒驾预警。当驾驶员饮酒后，肺部呼吸的气体经过酒精传感器，将信号送到微控制器。当驾驶员的实际酒精浓度大于设定的阈值，微控制器开启声光预警，警醒驾驶人员；②疲劳预警。当驾驶员进入疲劳状态，经过位置传感器检测，把信号送入微控制器，一旦微控制器检测到有规律的点头运动，微控制器开启声光预警，警醒驾驶人员；③安全带锁死保护。当发生车祸时，微控制器通过位置检测模块检测到驾驶员头部和座椅会突然大幅度向前倾，微控制器的IO口模块改变控制电磁铁输出电平。安全帽的安全带锁死装置电磁铁通电，电磁铁产生磁力，并且打入安全带卷轴的锁死齿轮。同时，微控制器的PWM脉冲宽度调制模块停止直流电机输出，安全帽的安全带处于锁紧状态。配合座椅安全带，使得头部与身体相对于座椅几乎无相对运动，起到了双重保护作用，避免了颈椎发生挥鞭性损伤。
本发明的有益效果是: 智能头部安全防护与预警控制装置精度高，响应快，解决了传统汽车安全装置存在的缺陷，而且制造成本低，可靠性好。具有以下功能：1.能够保护驾驶员头部安全，防止车祸发生时，驾驶员颈椎受到挥鞭性损伤；2.能够实时主动监测驾驶员的异常驾驶行为，并及时进行预警。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明安全帽与座椅头枕的结构示意图；
图3是本发明安全带回位与锁死装置结构示意图；
图4是本发明安全带回位装置示意图；
图5是本发明安全带锁死装置示意图；
图6是本发明系统控制流程示意图；
图中：1-安全帽，2-温度检测装置，3-锁扣，4-安全带，5-座椅安全带，6-安全带回位装置，7-安全带锁死装置，8-座椅头枕，9-座椅位置检测装置，10-酒精检测装置，11-声光预警装置，12-液晶显示器，13-头部的位置检测装置，14-安全带出口，15-螺栓，16-固定板，17-直流电机支撑，18-直流电机，19-光电编码盘，20-测速箱，21-电磁铁，22-微控制器，23-安全带卷轴24-锁死齿轮，25-安全带卷轴套， 26-齿轮传动箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施方式一：如图1至6所示，本发明智能头部安全防护与预警控制装置结构为：包括安全帽1、安全带回位装置6、位置检测装置和声光预警装置11，安全帽1通过安全带回位装置6控制安全帽1的位置，位置检测装置包括座椅位置检测装置9和安装在安全帽1上的头部位置检测装置13；安全帽1上还安装有温度检测装置2和酒精检测装置10；安全带回位装置6包括光电编码盘19和安全带锁死装置7；酒精检测装置10和位置检测装置通过AD模数转换模块与微控制器22连接，温度检测装置2通过IO输入输出模块与微控制器22连接，安全带回位装置6的光电编码盘通过ECT计数器模块与微处理器22连接，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块和IO输入输出模块分别控制安全带回位装置6和安全带锁死装置7。安全带4上有可拆卸的锁口3。安全带回位装置6包括直流电机18，光电编码盘19，安全带卷轴23和安全带卷轴套25，安全带卷轴23通过直流电机18带动转动，光电编码盘19与安全带卷轴23同轴连接，将脉冲信号输入到微控制器22的ECT计数器模块。通过分析位置检测装置的头部位置信号和安全带回位装置的脉冲信号，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块改变直流电机的转向和转速，使安全带可以自由回位。直流电机18带动齿轮传动箱26中的齿轮转动，齿轮再带动安全带卷轴23转动。安全带回位装置6还包括安全带锁死装置7，由电磁铁21和锁死齿轮24组成，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块和IO输入输出模块分别控制安全带回位装置6的直流电机18和安全带锁死装置7的电磁铁21，安全带回位装置6通过固定板16安装在座椅头枕8内部，座椅头枕8通过螺栓15安装在座椅上，直流电机18通过直流电机支撑17固定；安全带回位装置6还包括由于检测直流电机转速的测速箱20。位置检测装置包括座椅位置检测装置9和安装在安全帽1上的头部位置检测装置13，均由加速度计和陀螺仪组成，加速度计的量程是1.5g，灵敏度为800mv/g，工作电压是3.3V。陀螺仪的量程是±300°/s,工作电压是5V。将加速度计信号和陀螺仪信号接入微控制器22的AD模数转换模块，对信号进行采样，经过算法的滤波和积分融合处理，得到角度和角速度信号，计算出驾驶员头部和座椅相对于地面垂直方向的角度。温度检测装置2为数字温度计，环形分布在安全帽1的四周。数字温度计上电后，通过微控制器22的IO输入输出模块串行发送数据到微控制器22中,判断是否接受到驾驶员头部传递的热量，实现智能头部安全防护与预警控制装置的待机与启动。酒精检测装置10安装在安全帽1上并分布在驾驶员的口部周围，酒精检测装置10绕安全帽转动，使驾驶员肺部呼出的气体可以通过吹嘴，进入到酒精检测装置10，经过微控制器22的AD模数转换模块采样，可以计算出驾驶员当前的血液酒精浓度。声光预警装置11由发光二极管和语音模块组成，安装在车辆仪表盘上。在SPI协议下，声光报警装置和微控制器的SPI串行外设接口模块进行通信，当条件触发时，在微控制器的控制下可以实现声光预警。智能头部安全防护与预警控制装置还包括无线数据收发和显示装置，由微控制器22的蓝牙和车载电脑液晶显示器12构成。微控制器22的蓝牙主机与车载电脑从机，在串口协议下，建立串口通信关系，通过上位机软件，在车载电脑液晶显示器12上实时观测驾驶员头部和座椅运动波形以及驾驶员的状态。
实施方式二：如图1至6所示，本发明智能头部安全防护与预警控制装置结构为：包括安全帽1、安全带回位装置6、位置检测装置和声光预警装置11，安全帽1通过安全带回位装置6控制安全帽1的位置，位置检测装置包括座椅位置检测装置9和安装在安全帽1上的头部位置检测装置13；安全帽1上还安装有温度检测装置2和酒精检测装置10；安全带回位装置6包括光电编码盘19和安全带锁死装置7；酒精检测装置10和位置检测装置通过AD模数转换模块与微控制器22连接，温度检测装置2通过IO输入输出模块与微控制器22连接，安全带回位装置6的光电编码盘通过ECT计数器模块与微处理器22连接，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块和IO输入输出模块分别控制安全带回位装置6和安全带锁死装置7。安全带4上有可拆卸的锁口3。安全带回位装置6包括直流电机18，光电编码盘19，安全带卷轴23和安全带卷轴套25，安全带卷轴23通过直流电机18带动转动，光电编码盘19与安全带卷轴23同轴连接，将脉冲信号输入到微控制器22的ECT计数器模块。通过分析位置检测装置的头部位置信号和安全带回位装置的脉冲信号，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块改变直流电机的转向和转速，使安全带可以自由回位。直流电机18带动齿轮传动箱26中的齿轮转动，齿轮再带动安全带卷轴23转动。安全带回位装置6还包括安全带锁死装置7，由电磁铁21和锁死齿轮24组成，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块和IO输入输出模块分别控制安全带回位装置6的直流电机18和安全带锁死装置7的电磁铁21，安全带回位装置6通过固定板16安装在座椅头枕8内部，座椅头枕8通过螺栓15安装在座椅上，直流电机18通过直流电机支撑17固定；安全带回位装置6还包括由于检测直流电机转速的测速箱20。位置检测装置包括座椅位置检测装置9和安装在安全帽1上的头部位置检测装置13，均由加速度计和陀螺仪组成，加速度计的量程是1.5g，灵敏度为800mv/g，工作电压是3.3V。陀螺仪的量程是±300°/s,工作电压是5V。将加速度计信号和陀螺仪信号接入微控制器22的AD模数转换模块，对信号进行采样，经过算法的滤波和积分融合处理，得到角度和角速度信号，计算出驾驶员头部和座椅相对于地面垂直方向的角度。温度检测装置2为数字温度计，环形分布在安全帽1的四周。数字温度计上电后，通过微控制器22的IO输入输出模块串行发送数据到微控制器22中,判断是否接受到驾驶员头部传递的热量，实现智能头部安全防护与预警控制装置的待机与启动。酒精检测装置10安装在安全帽1上并分布在驾驶员的口部周围，酒精检测装置10绕安全帽转动，使驾驶员肺部呼出的气体可以通过吹嘴，进入到酒精检测装置10，经过微控制器22的AD模数转换模块采样，可以计算出驾驶员当前的血液酒精浓度。声光预警装置11由发光二极管和语音模块组成，安装在车辆仪表盘上。在SPI协议下，声光报警装置和微控制器的SPI串行外设接口模块进行通信，当条件触发时，在微控制器的控制下可以实现声光预警。智能头部安全防护与预警控制装置还包括无线数据收发和显示装置，由微控制器22的蓝牙和车载电脑液晶显示器12构成。微控制器22的蓝牙主机与车载电脑从机，在串口协议下，建立串口通信关系，通过上位机软件，在车载电脑液晶显示器12上实时观测驾驶员头部和座椅运动波形以及驾驶员的状态。
实施方式三：如图1至6所示，本发明智能头部安全防护与预警控制装置结构为：包括安全帽1、安全带回位装置6、位置检测装置和声光预警装置11，安全帽1通过安全带回位装置6控制安全帽1的位置，位置检测装置包括座椅位置检测装置9和安装在安全帽1上的头部位置检测装置13；安全帽1上还安装有温度检测装置2和酒精检测装置10；安全带回位装置6包括光电编码盘19和安全带锁死装置7；酒精检测装置10和位置检测装置通过AD模数转换模块与微控制器22连接，温度检测装置2通过IO输入输出模块与微控制器22连接，安全带回位装置6的光电编码盘通过ECT计数器模块与微处理器22连接，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块和IO输入输出模块分别控制安全带回位装置6和安全带锁死装置7。安全带4上有可拆卸的锁口3。安全带回位装置6包括直流电机18，光电编码盘19，安全带卷轴23和安全带卷轴套25，安全带卷轴23通过直流电机18带动转动，光电编码盘19与安全带卷轴23同轴连接，将脉冲信号输入到微控制器22的ECT计数器模块。通过分析位置检测装置的头部位置信号和安全带回位装置的脉冲信号，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块改变直流电机的转向和转速，使安全带可以自由回位。直流电机18带动齿轮传动箱26中的齿轮转动，齿轮再带动安全带卷轴23转动。安全带回位装置6还包括安全带锁死装置7，由电磁铁21和锁死齿轮24组成，微控制器22的PWM脉冲宽度调制模块和IO输入输出模块分别控制安全带回位装置6的直流电机18和安全带锁死装置7的电磁铁21，安全带回位装置6通过固定板16安装在座椅头枕8内部，座椅头枕8通过螺栓15安装在座椅上，直流电机18通过直流电机支撑17固定；安全带回位装置6还包括由于检测直流电机转速的测速箱20。位置检测装置包括座椅位置检测装置9和安装在安全帽1上的头部位置检测装置13，均由加速度计和陀螺仪组成，加速度计的量程是1.5g，灵敏度为800mv/g，工作电压是3.3V。陀螺仪的量程是±300°/s,工作电压是5V。将加速度计信号和陀螺仪信号接入微控制器22的AD模数转换模块，对信号进行采样，经过算法的滤波和积分融合处理，得到角度和角速度信号，计算出驾驶员头部和座椅相对于地面垂直方向的角度。温度检测装置2为数字温度计，环形分布在安全帽1的四周。数字温度计上电后，通过微控制器22的IO输入输出模块串行发送数据到微控制器22中,判断是否接受到驾驶员头部传递的热量，实现智能头部安全防护与预警控制装置的待机与启动。酒精检测装置10安装在安全帽1上并分布在驾驶员的口部周围，酒精检测装置10绕安全帽转动，使驾驶员肺部呼出的气体可以通过吹嘴，进入到酒精检测装置10，经过微控制器22的AD模数转换模块采样，可以计算出驾驶员当前的血液酒精浓度。声光预警装置11由发光二极管和语音模块组成，安装在车辆仪表盘上。在SPI协议下，声光报警装置和微控制器的SPI串行外设接口模块进行通信，当条件触发时，在微控制器的控制下可以实现声光预警。智能头部安全防护与预警控制装置还包括无线数据收发和显示装置，由微控制器22的蓝牙和车载电脑液晶显示器12构成。微控制器22的蓝牙主机与车载电脑从机，在串口协议下，建立串口通信关系，通过上位机软件，在车载电脑液晶显示器12上实时观测驾驶员头部和座椅运动波形以及驾驶员的状态。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种智能头部安全防护与预警控制装置，其特征在于：包括安全帽（1）、安全带回位装置（6）、位置检测装置和声光预警装置（11），安全帽（1）通过安全带回位装置（6）控制安全帽（1）的位置，位置检测装置包括座椅位置检测装置（9）和安装在安全帽（1）上的头部位置检测装置（13）；安全帽（1）上还安装有温度检测装置（2）和酒精检测装置（10）；安全带回位装置（6）包括光电编码盘（19）和安全带锁死装置（7）；酒精检测装置（10）和位置检测装置通过AD模数转换模块与微控制器（22）连接，温度检测装置（2）通过IO输入输出模块与微控制器（22）连接，安全带回位装置（6）的光电编码盘通过ECT计数器模块与微处理器（22）连接，微控制器（22）的PWM脉冲宽度调制模块和IO输入输出模块分别控制安全带回位装置（6）和安全带锁死装置（7）。
2.根据权利要求1所述的智能头部安全防护与预警控制装置，其特征在于：所述安全带（4）上有可拆卸的锁口（3）。
3.根据权利要求1所述的智能头部安全防护与预警控制装置，其特征在于：所述安全带回位装置（6）包括直流电机（18），光电编码盘（19），安全带卷轴（23）和安全带卷轴套（25），安全带卷轴（23）通过直流电机（18）带动转动，光电编码盘（19）与安全带卷轴（23）同轴连接，将脉冲信号输入到微控制器（22）的ECT计数器模块。
4.根据权利要求3所述的智能头部安全防护与预警控制装置，其特征在于：所述安全带回位装置（6）还包括安全带锁死装置（7），由电磁铁（21）和锁死齿轮（24）组成，微控制器（22）的PWM脉冲宽度调制模块和IO输入输出模块分别控制安全带回位装置（6）的直流电机（18）和安全带锁死装置（7）的电磁铁（21）。
5.根据权利要求1所述的智能头部安全防护与预警控制装置，其特征在于：所述位置监测装置包括座椅位置检测装置（9）和安装在安全帽（1）上的头部位置检测装置（13），均由加速度计和陀螺仪组成。
6.根据权利要求1所述的智能头部安全防护与预警控制装置，其特征在于：所述温度检测装置（2）为数字温度计，环形分布在安全帽（1）的四周。
7.根据权利要求1所述的智能头部安全防护与预警控制装置，其特征在于：所述酒精检测装置（10）安装在安全帽（1）上并分布在驾驶员的口部周围，酒精检测装置（10）绕安全帽（1）转动。
8.根据权利要求1所述的智能头部安全防护与预警控制装置，其特征在于：所述声光预警装置（11）由发光二极管和语音模块组成，安装在车辆仪表盘上。
9.根据权利要求1所述的智能头部安全防护与预警控制装置，其特征在于：所述智能头部安全防护与预警控制装置还包括无线数据收发和显示装置，由微控制器（22）的蓝牙和车载电脑液晶显示器（12）构成。
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