CN104149733A - 汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置及其控制方法，该头枕装置包括头枕防护机构和电控系统；所述头枕防护机构包括通过头枕支柱铰接在头枕转轴上的头枕，所述头枕转轴固定在座椅内部金属骨架上；在头枕内安装安全气囊；在座椅内设有头枕卡位释放机构；在座椅内部位于头枕支柱前面设有头枕支座；所述电控系统包括碰撞传感器、红外测距传感器和控制器。该头枕装置能够自动检测车顶的碰撞剧烈程度，控制座椅头枕倾斜运动，并自动迅速释放气囊，可瞬间在人体头部上方形成防护装置，有效抵挡上方的冲击，增加乘员生存几率；其控制方法能够有效避免传感器干扰信号使控制装置误动作的现象发生，确保为乘员提供准确有效的保护。

Description

汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种汽车安全头枕,更确切地说，本发明特别涉及一种通过检测车顶的碰撞剧烈程度来控制汽车座椅头枕运动和SRS安全气囊系统的汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置及其控制方法。

背景技术

近些年来，随着汽车数量的增加，因载货汽车超载、超速及其他交通事故造成的侧翻事故频发，在车流密集时还经常发生大货车侧翻倒压在小汽车或大货车所载货物跌落在小汽车上的重大交通事故，小汽车乘客存活率较低，引起重大人员伤亡。目前，国内外针对减少大型车侧翻造成的损失这一问题的解决方案一般是分两个方向：①通过使用ESP等车身电子稳定系统来减少大型车侧翻的概率。②通过加大司机的安全教育和超载超速查处力度，避免此类事故发生。

上述方法虽然可以一定程度上预防此类事故发生，但是无法降低此类事故一旦发生造成的小汽车人员伤亡风险。而且随着人们生活水平的提高和工程作业的需要，使小型车的数量不断提高，发生事故的风险就随之增大。根据实际情况，当大车压下时，小汽车人员的生存空间都是由车厢立柱以及座椅的支撑强度来保证。而目前已经产品化应用的主动安全头枕技术主要包括以下两类：一类是以沃尔沃头颈部保护系统(WHIPS)为代表的仅限于后车急速追尾时，座椅靠背向上运动或头枕向前倾斜一角度，用以支撑头部，保护驾驶员颈椎部安全。另一类是翻车保护杠或保护头枕，主要用于敞篷轿车侧翻倾覆时，该保护杠或保护头枕向外伸出避免挫伤成员头部。国内外目前尚没有实际的相关产品。

上述二种产品都不能有效抵御大货车侧翻倒压在小汽车或大货车所载货物跌落在小汽车上致使车顶坍塌变形而对乘员造成的伤害，一旦发生事故，小汽车乘客存活率较低，容易造成重大人员伤亡。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置及其控制方法，该头枕装置能够自动检测车顶的碰撞剧烈程度，控制座椅头枕倾斜运动，并自动迅速释放气囊，可瞬间在人体头部上方形成防护装置，有效抵挡上方的冲击，增加乘员生存几率；其控制方法能够有效避免传感器干扰信号使控制装置误动作的现象发生，确保该头枕装置为乘员提供准确有效的保护。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，包括头枕防护机构和相应的电控系统；所述头枕防护机构包括：

头枕，其通过头枕支柱铰接在头枕转轴上，所述头枕转轴通过转轴支架固定在座椅内部金属骨架上；

安全气囊，其嵌入并安装在头枕内，事故发生时爆破展开用于保护乘员头部；

头枕卡位释放机构，设在座椅内位于头枕支柱后面与座椅内部金属骨架之间，用于对头枕支柱卡位使头枕处于竖直状态，在事故发生时执行释放头枕支柱动作，并使头枕快速翻转；

头枕支座，设在座椅内部金属骨架上且位于头枕支柱前面，用于对头枕支柱的翻转进行限位；

所述电控系统包括：

碰撞传感器，其设在车顶板上，用于检测车顶的碰撞程度；

红外测距传感器，其设在座椅上端，用于检测座椅到车顶的距离；

控制器，用于接收碰撞传感器和红外测距传感器的数据信号，并对所述头枕卡位释放机构和安全气囊进行控制。

作为进一步优选，所述头枕卡位释放机构是由头枕卡位机构和快速释放机构组成。

作为进一步优选，所述头枕卡位机构包括固定在头枕支柱上的头枕连接钩，在座椅靠背处的金属骨架上铰接有头枕固定钩并在头枕固定钩的上、下两侧分别设有磁铁座，在两个磁铁座的前端相对面上分别设有电磁铁A和电磁铁B，初始状态时所述头枕固定钩中部与位于其下面的电磁铁A吸合，且头枕固定钩前端与头枕连接钩相互咬合。

作为进一步优选，在头枕固定钩与位于其下方的磁铁座之间设有复位弹簧，用于防止汽车熄火后电磁铁A断电失去吸附力导致头枕防护机构受振动冲击后意外触发。

作为进一步优选，位于头枕固定钩上方的电磁铁B下端面为斜面，以便于与摆动后的头枕固定钩充分吸附接触。

作为进一步优选，在头枕固定钩的中部上、下端均设有圆柱形凸起，以便于头枕固定钩分别与两侧的电磁铁吸附接触。

作为进一步优选，所述快速释放机构为设在头枕支柱与座椅内部金属骨架之间的扭转弹簧，扭转弹簧的一端固定在所述座椅内部金属骨架上、另一端紧靠在头枕支柱的外表面平面上。

作为进一步优选，所述控制器包括单片机、电磁铁驱动放大电路和电源模块；其中单片机用于接收碰撞传感器和红外测距传感器的数据信号，并输出控制信号；所述电磁铁驱动放大电路用于接收单片机输出的控制信号并触发头枕卡位机构的电磁铁；所述电源模块的输入端分别与车载电源的正负端连接，电源模块的输出端分别与单片机、电磁铁驱动放大电路的电源输入端连接，用于为控制器提供电源。

作为进一步优选，所述电磁铁驱动放大电路是由光电耦合器、三极管放大电路和续流二极管连接而成。

一种汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置的控制方法，包括如下步骤：

1)将计数变量i设置为零；

2)通过控制器读取碰撞传感器测得的碰撞强度加速度信号P和红外测距传感器测得的距离信号h；

3)由所述控制器执行判断碰撞强度加速度信号P是否大于加速度阈值P₀，同时判断距离信号h是否小于距离阈值h₀，如果否则返回该方法第1)步，如果是则进行下一步；

4)将阈值P₀、h₀分别设置为测得的数据P、h值，使阈值P₀、h₀更新，并将所述变量i加1，之后判断变量i是否小于3，如果变量i小于3，则返回第2)步；如果变量i大于等于3，则进行下一步；

5)由所述控制器发出控制信号，控制电磁铁A断电释放头枕固定钩，电磁铁B通电吸附头枕固定钩，使头枕固定钩前端与头枕连接钩脱离，头枕在快速释放机构的作用下向前翻转一角度后停靠在头枕支座上；

6)通过所述控制器控制启动安全气囊点火装置，使安全气囊迅速充气膨胀弹出，实现主动防护。

本发明的有益效果是：

1、该头枕装置通过碰撞传感器能够有效地检测汽车车顶受到碰撞时的碰撞强度，通过红外测距传感器能够检测车顶到座椅的距离，从而自动检测出车顶所受的碰撞剧烈程度，若发生剧烈变形，则通过控制器能够快速控制头枕防护机构的头枕向前倾斜转动，并自动迅速释放安全气囊，可瞬间在人体头部上方形成防护装置，有效抵挡来自上方的冲击，维持乘员生存空间，增加乘员生存几率；能够有效抵御大货车侧翻倒压在小汽车或大货车所载货物跌落在小汽车上致使车顶坍塌变形而对乘员造成的伤害，最大限度降低由事故引起的小汽车乘员伤亡率。

2、该头枕装置将头枕与安全气囊巧妙地结合起来，使头枕发挥更大的保护作用；头枕能够向前快速翻转一定角度，能够有效增大保护范围；可移植性好，可以安装在不同的车辆上。

3、该头枕装置的控制方法通过多次读取碰撞传感器和红外测距传感器的数据信号，能够有效避免传感器干扰信号使控制装置误动作的现象发生，确保该头枕装置为乘员提供准确有效的保护。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明头枕的保护状态示意图。

图3是本发明的头枕防护机构的结构示意图。

图4是图3中头枕释放后的示意图。

图5本发明电控系统的组成框图。

图6本发明控制方法的控制流程框图。

图中：座椅1，头枕支座2，安全气囊3，碰撞传感器4，车顶板5，头枕6，头枕支柱7，红外测距传感器8，头枕转轴9，转轴支架10，磁铁座11，电磁铁B12，头枕固定钩13，凸起1301，复位弹簧14，电磁铁A15，头枕连接钩16，扭转弹簧17，金属骨架18，单片机19，电源模块20，车载电源21，光电耦合器22，三极管放大电路23，SRS电脑24，控制器25。

具体实施方式

如图1-图2所示，本发明涉及的一种汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，包括头枕防护机构和相应的电控系统。所述头枕防护机构包括设在座椅1上方的头枕6，头枕6固定连接在头枕支柱7上端并通过头枕支柱7铰接在头枕转轴9上，所述头枕转轴9通过转轴支架10固定在座椅1内部的金属骨架18上；在头枕6内前部嵌入并安装有安全气囊3，安全气囊3由头枕海绵和皮革覆盖，事故发生时通过SRS电脑24控制其爆破展开用于保护乘员头部。在座椅1内位于头枕支柱7后面与座椅1内部金属骨架18之间设有头枕卡位释放机构，用于对头枕支柱7卡位使头枕6处于竖直状态，在事故发生时执行释放头枕支柱7动作，并使头枕6快速翻转。在座椅1内部金属骨架18上且位于头枕支柱7前面焊接有头枕支座2，头枕支座2上设有一凸台且凸台外端面与垂直平面的夹角为30度，用于对头枕支柱7的翻转进行限位。

如图3、图4所示，所述头枕卡位释放机构是由头枕卡位机构和快速释放机构组成。所述头枕卡位机构包括固定焊接在头枕支柱7后面的头枕连接钩16，在座椅1内部靠背处的金属骨架18上铰接有头枕固定钩13并在头枕固定钩13的上、下两侧分别焊接有磁铁座11，在两个磁铁座11的前端相对面上分别固定安装有电磁铁A15和电磁铁B12，初始状态时所述头枕固定钩13中部与位于其下面的电磁铁A15吸合，且头枕固定钩13前端与头枕连接钩16相互咬合。在头枕固定钩13与位于其下方的磁铁座11之间设有复位弹簧14，所述复位弹簧14为拉簧，用于防止汽车熄火后电磁铁A15断电失去吸附力导致头枕防护机构受振动冲击后意外触发。在头枕固定钩13的中部上、下端均设有圆柱形凸起1301，以便于头枕固定钩13分别与两侧的电磁铁A、B吸附接触。位于头枕固定钩13上方的电磁铁B12下端面为斜面，以便于与摆动后的头枕固定钩13充分吸附接触。

作为优选，所述快速释放机构为设在头枕支柱7与座椅1内部金属骨架18之间的扭转弹簧17，扭转弹簧17的一端固定在所述座椅1内部金属骨架18上、另一端紧靠在头枕支柱7的外表面平面上。事故发生时当通过二个电磁铁控制头枕固定钩13摆动与头枕连接钩16脱离后，所述头枕支柱7在扭转弹簧17的作用下快速向前翻转一个角度。

作为另一种方式，所述快速释放机构也可为一压力弹簧且设在头枕支柱7与座椅1内部金属骨架18之间。

如图1和图5所示，所述电控系统包括碰撞传感器4、红外测距传感器8和控制器25。所述碰撞传感器4通过螺纹连接在车顶板5上并由汽车内饰板覆盖，用于检测车顶的碰撞程度；红外测距传感器8固定安装在座椅1上端后部，用于检测座椅1到车顶的距离；所述控制器25用于接收碰撞传感器4和红外测距传感器8的数据信号，并根据事先编好的头枕控制程序对所述头枕卡位释放机构和安全气囊3进行控制。

所述控制器25包括单片机19、电磁铁驱动放大电路和电源模块20。其中单片机19用于接收碰撞传感器4和红外测距传感器8的数据信号，存储事先编好的头枕控制程序并输出控制信号，所述单片机19可选用多种型号的单片机，作为非限制性的优选，本实施例选用型号为74HC154。所述电磁铁驱动放大电路用于接收单片机19输出的控制信号并触发头枕卡位机构的电磁铁；所述电源模块20的输入端分别与车载电源21的正负端连接，电源模块20的输出端分别与单片机19、电磁铁驱动放大电路的电源输入端连接，用于为控制器25提供电源。

如图5所示，红外测距传感器8的Vcc、VOUT、GND引脚分别与单片机19的Vcc、GND引脚相连接，碰撞传感器4的Vcc、VOUT、GND引脚分别与单片机19的Vcc、GND引脚相连接。所述电磁铁驱动放大电路是由光电耦合器22、三极管放大电路23和续流二极管VD连接而成，三极管放大电路23由一个三极管VT和二个电阻R1、R2连接而成。作为非限制性的优选，所述光电耦合器22选用型号为TIL117，三极管VT选用型号为9013，续流二极管VD选用型号为IN4001。光电耦合器22的发光二极管输入端与单片机19的Vcc引脚相连，光电耦合器22的发光二极管输出端通过电阻R3与单片机19的引脚相连，光电耦合器22的光敏三极管的集电极与单片机19的Vcc引脚相连，光电耦合器22的光敏三极管的发射极通过电阻R1连接所述三极管VT的基极。电阻R2一端与电阻R1并接在三极管VT的基极，电阻R2另一端和三极管VT的发射极接地；三极管VT的集电极与电磁铁A、B的公共输出端并接在续流二极管VD的输入端，电磁铁A15的输入端串接一个非门后与电磁铁B12的输入端和续流二极管VD的输出端并接在电源模块20的12V输出端。单片机19的Vcc、GND引脚分别连接电源模块20的5V输出端和GND端。

所述控制器25通过控制SRS电脑24实现对所述安全气囊3的控制。所述SRS电脑24的数据输入端INPUT通过电阻R4连接单片机19的输出端引脚，SRS电脑24的电源输入端和接地端分别与电源模块20的12V输出端和GND端相连接。

如图6所示，该汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置的控制方法，包括如下步骤：

1、通过控制器25的单片机19读取加速度阈值P₀、h₀和i；

2、将计数变量i赋初值为零；

3、通过控制器25的单片机19读取碰撞传感器4测得的碰撞强度加速度信号P和红外测距传感器8测得的距离信号h；

4、由所述单片机19执行判断碰撞强度加速度信号P是否大于阈值P₀，同时判断距离信号h是否小于阈值h₀，如果否则返回该方法第1步，如果是则进行下一步；

5、将测得的所述信号数据P、h值分别赋给阈值P₀、h₀，使阈值P₀、h₀更新，并将变量i加1，之后判断变量i是否小于3，如果变量i小于3，则返回第3步重新读取数据信号；如果变量i大于等于3，则进行下一步；

6、由所述控制器25的单片机19发出控制信号，通过电磁铁驱动放大电路控制电磁铁A15断电释放头枕固定钩13，电磁铁B12通电吸附头枕固定钩13，使头枕固定钩13前端与头枕连接钩16脱离，头枕6在扭转弹簧17的作用下向前翻转一角度后停靠在头枕支座2上；

7、通过所述单片机19控制SRS电脑24启动安全气囊点火装置，使安全气囊3迅速充气膨胀弹出，实现主动防护。

本发明通过碰撞传感器4，可以有效地检测汽车车顶受到碰撞时的碰撞强度P，通过红外测距传感器8可以检测车顶到红外测距传感器8或座椅1的距离h。控制器25读取红外测距传感器8和碰撞传感器4测得的距离信号和碰撞加速度信号后与实际存储的阈值进行比较，为防止因为车体振动造成的微小形变而意外使装置触发。控制器25在不断替换新阈值后连续判断三次是否超过阈值，如果连续三次超过阈值，说明车顶处在不断地变形当中。单片机19输出电磁铁通电和气囊引爆指令，使电磁铁A15断电，电磁铁B12得电吸附，头枕固定钩13松开，在扭转弹簧17的作用下迅速推动头枕支柱7和头枕6绕头枕转轴9向前转动30度角，使头枕6固定在扭转弹簧17和头枕支座2之间，防止头枕6被弹回或者进一步转动。同时，控制器25输出信号给SRS电脑24，SRS电脑24接到指令后控制引爆安全气囊3，最后形成如图2所示的保护效果。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，其特征是：包括头枕防护机构和相应的电控系统；所述头枕防护机构包括：

头枕，其通过头枕支柱铰接在头枕转轴上，所述头枕转轴通过转轴支架固定在座椅内部金属骨架上；

安全气囊，其嵌入并安装在头枕内，事故发生时爆破展开用于保护乘员头部；

头枕卡位释放机构，设在座椅内位于头枕支柱后面与座椅内部金属骨架之间，用于对头枕支柱卡位使头枕处于竖直状态，在事故发生时执行释放头枕支柱动作，并使头枕快速翻转；

头枕支座，设在座椅内部金属骨架上且位于头枕支柱前面，用于对头枕支柱的翻转进行限位；

所述电控系统包括：

碰撞传感器，其设在车顶板上，用于检测车顶的碰撞程度；

红外测距传感器，其设在座椅上端，用于检测座椅到车顶的距离；

控制器，用于接收碰撞传感器和红外测距传感器的数据信号，并对所述头枕卡位释放机构和安全气囊进行控制。

2.根据权利要求1所述的汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，其特征是：所述头枕卡位释放机构是由头枕卡位机构和快速释放机构组成。

3.根据权利要求2所述的汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，其特征是：所述头枕卡位机构包括固定在头枕支柱上的头枕连接钩，在座椅靠背处的金属骨架上铰接有头枕固定钩并在头枕固定钩的上、下两侧分别设有磁铁座，在两个磁铁座的前端相对面上分别设有电磁铁A和电磁铁B，初始状态时所述头枕固定钩中部与位于其下面的电磁铁A吸合，且头枕固定钩前端与头枕连接钩相互咬合。

4.根据权利要求3所述的汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，其特征是：在头枕固定钩与位于其下方的磁铁座之间设有复位弹簧，用于防止汽车熄火后电磁铁A断电失去吸附力导致头枕防护机构受振动冲击后意外触发。

5.根据权利要求3或4所述的汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，其特征是：位于头枕固定钩上方的电磁铁B下端面为斜面，以便于与摆动后的头枕固定钩充分吸附接触。

6.根据权利要求3或4所述的汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，其特征是：在头枕固定钩的中部上、下端均设有圆柱形凸起，以便于头枕固定钩分别与两侧的电磁铁吸附接触。

7.根据权利要求2所述的汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，其特征是：所述快速释放机构为设在头枕支柱与座椅内部金属骨架之间的扭转弹簧，扭转弹簧的一端固定在所述座椅内部金属骨架上、另一端紧靠在头枕支柱的外表面平面上。

8.根据权利要求1所述的汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，其特征是：所述控制器包括单片机、电磁铁驱动放大电路和电源模块；其中单片机用于接收碰撞传感器和红外测距传感器的数据信号，并输出控制信号；所述电磁铁驱动放大电路用于接收单片机输出的控制信号并触发头枕卡位机构的电磁铁；所述电源模块的输入端分别与车载电源的正负端连接，电源模块的输出端分别与单片机、电磁铁驱动放大电路的电源输入端连接，用于为控制器提供电源。

9.根据权利要求8所述的汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置，其特征是：所述电磁铁驱动放大电路是由光电耦合器、三极管放大电路和续流二极管连接而成。

10.一种汽车车顶坍塌变形主动防护气囊式头枕装置的控制方法，包括如下步骤：

1)将计数变量i设置为零；

2)通过控制器读取碰撞传感器测得的碰撞强度加速度信号P和红外测距传感器测得的距离信号h；

3)由所述控制器执行判断碰撞强度加速度信号P是否大于加速度阈值P₀，同时判断距离信号h是否小于距离阈值h₀，如果否则返回该方法第1)步，如果是则进行下一步；

4)将阈值P₀、h₀分别设置为测得的数据P、h值，使阈值P₀、h₀更新，并将所述变量i加1，之后判断变量i是否小于3，如果变量i小于3，则返回第2)步；如果变量i大于等于3，则进行下一步；

5)由所述控制器发出控制信号，控制电磁铁A断电释放头枕固定钩，电磁铁B通电吸附头枕固定钩，使头枕固定钩前端与头枕连接钩脱离，头枕在快速释放机构的作用下向前翻转一角度后停靠在头枕支座上；

6)通过所述控制器控制启动安全气囊点火装置，使安全气囊迅速充气膨胀弹出，实现主动防护。