CN105686526A - 乘坐运载工具所用的智能护枕 - Google Patents

Abstract

一种成本低、功耗低、接触压力测量精度高且可对异常状态发出报警信号的乘坐运载工具所用的智能护枕。其在护枕的枕芯内设有能检测该护枕受到人体对其施力时产生的加速度和压力大小的具有独立参照体系的测量系统，该测量系统包括设置在主舱内的微处理器、存储器、安全预警模块、基准传感器组和设置于枕芯前部表面上的测量传感器组；在存储器中存放有以基准传感器组为参照物并采用标准压力计对测量传感器组的信号采集点施压后获得的该施压行为的压力值与该测量传感器组的测量值的数值关系对照表。本发明利用该测量系统可以精确测量处于运动中的乘坐人对护枕产生的加速度和压力值，从而正确判断乘坐人的实时状况是否处于正常状态。

Description

乘坐运载工具所用的智能护枕

技术领域

本发明涉及一种生活用品，特别涉及一种在汽车、游轮和飞机的座椅上配置的保护人体颈部、背部或腰部的智能弹性护枕。

背景技术

目前，人们常用的保护人体颈部、背部或腰部的头枕、靠枕或腰枕(以下将头枕、靠枕、腰枕简称为护枕1)主要为枕套内部填充有弹性材质的如海棉、木棉或乳胶的普通护枕、可充气的旅行护枕及机械式的按摩护枕等。

其存在的不足是：当人们乘坐如汽车、游轮或飞机等运载工具时，配置在座椅上的所述护枕在人们依靠其时，是无法获知人们依靠它的力度大小和其间相触时接触的状态是否正常。即在所述运载工具的运行状态出现异常(如速度失控或与其它物体碰撞)或乘坐人的身体出现异常(如突然晕撅)时，坐在座椅上的乘坐人的颈部、背部或腰部与该护枕之间的接触速度和状态会发生异常。

即使护枕制造行业的技术人员，因需要有可能想到将压力测量元件安装在相关的护枕中，但仍然无法获知精准的压力测量值，其原因是：

现有设备侦测压力的手段主要采用的是应变片或流体(包括气体和液体)压力传感器，其中应变片是接触式压力直接测量传感器，其信号采集点(即传感器的感应测量点)面积小且要求直接接触测量，并不适合大尺寸柔性材质填充的护枕类产品。虽然气体压力传感器具备高精度测量的特点，能够通过气室与护枕内部弹性体枕芯的结合直接测量压力，但其成本高、耗电多，通常还需要考虑气泵和泄气阀的配合使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种成本低、功耗低、接触压力测量精度高且可对异常状态发出报警信号的乘坐运载工具所用的智能护枕。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明的乘坐运载工具所用的智能护枕，包括枕套和置于枕套内为弹性体的枕芯，在枕芯内设有能准确检测该护枕受到人体颈部、背部或腰部对其施力时产生的加速度和压力大小的具有独立参照体系的测量系统，该测量系统包括设置在枕芯后部的主舱内的微处理器、存储器、安全预警模块、基准传感器组和设置于枕芯前部表面上的至少一个与基准传感器组相同类型的测量传感器组；所述测量传感器组的信号采集点在枕芯上所设的位置为所述颈部、背部或腰部在人体正常坐姿时其上的预设部位与该护枕接触时对应的位置，所述测量传感器组和基准传感器组分别通过柔性数据总线与所述微处理器连接；在所述存储器中存放有以所述基准传感器组为参照物并采用标准压力计对所述测量传感器组的信号采集点施压后获得的该施压行为的压力值与该测量传感器组的测量值的数值关系对照表。

所述测量传感器组与基准传感器组中的传感器均为与所述微处理器相连的线性加速度传感器。

在所述测量传感器组与基准传感器组中分别设有用于检测设置在对方传感器组内磁铁磁通量的且与所述微处理器相连的磁敏传感器。

在所述测量传感器组与基准传感器组中还分别设有与微处理器相连的陀螺仪传感器。

在所述测量传感器组与基准传感器组中还分别设有与微处理器相连的地磁传感器。

在所述测量传感器组与基准传感器组中还分别设有与微处理器相连的地磁传感器。

在所述主舱内还设有可将安全预警模块发出的预警信息发送给交通监控中心或利益相关人的无线通信电路。

所述无线通信电路包括蓝牙通信模块、WIFI通信模块和移动通信模块。

在该护枕上还设有用于测量所述预设部位的温度、湿度和/或静电积累程度的温度检测传感器、湿度检测传感器和/或静电检测传感器。

所述预设部位可为所述颈部、背部或腰部的中部和/或对称的两侧部。

本发明在人们乘坐汽车、游轮或飞机时常用的护枕(包括佩带在颈部或安放于座椅上的用于保护乘坐人颈部的头枕、垫设在其后背部的靠枕和垫于腰部的腰枕)内设置由微处理器为主的控制系统和由测量传感器组与基准传感器组的结合构成的具有独立参照体系的对人体依靠该护枕时产生的速度和压力大小进行精确测量的测量系统。该测量系统利用身体贴合所述护枕致使其产生形变的特点，在其变形表面安置呈对称分布的测量传感器组，并安置一个内部参考基准传感器组建立参考坐标系，再利用压力定标校准技术手段达到精确测量身体依靠该护枕时产生的压力和压速。

当处于运动着的运载工具中的人体与所述护枕相触时，所述测量系统利用基准传感器组信息和测量传感器组信息坐标系换算可以精确测量处于运动中的乘坐人对该护枕触接时产生的相对基准传感器组的加速度值和压力值，从而可以通过其间的加速度值和压力值正确判断该乘坐人的实时状况是否处于正常状态，其包括依靠习惯、依靠速度、依靠力度、依靠舒适度等。

附图说明

图1为本发明的护枕的示意图。

图2为图1中的护枕受压后的示意图之一。

图3为图1中的护枕受压后的示意图之二。

图4为本发明出厂校准与实际测量过程框图。

附图标记如下：

护枕1、主舱2、信号采集点3、基准传感器组4、数据总线5、微处理器6。

具体实施方式

如图1所示，本发明的乘坐运载工具所用的智能护枕中的运载工具是指人们外出乘坐的汽车、游轮和飞机等移动装置，所述护枕1泛指人们乘坐该运载工具时使用的佩戴或设置于座椅上的保护颈部的头枕及分别垫衬在乘坐人后背部和腰部的靠枕和腰枕。

该护枕1的外形满足人体工程学设计要求，其由枕套和设置于枕套内的枕芯组成，在枕芯内填充有弹性体环保材料。在枕芯内设有能准确检测乘坐人的颈部、背部或腰部在与该护枕1相触时对其施加的作用力的加速度值和压力值的大小的精确测量系统，该测量系统使该护枕1感知到的所述加速度值和压力值是相对基准传感器组4的相对值，因此，该测量系统为具有独立参照体系的测量系统。

所述测量系统包括微处理器6、存储器、安全预警模块、多个包含不同功能传感器的测量传感器组和一个基准传感器组4，在该基准传感器组4中设置的传感器与测量传感器组中设置的不同功能传感器属相同类型。

在枕芯内的后部(即该枕芯中远离与乘坐人身体接触的部分为后，与身体接触的部分为前，下同)设有带有壳体的主舱2，所述微处理器6、存储器、安全预警模块和基准传感器组4安装固定在该主舱2内。所述测量传感器组安装在枕芯的前部并且其信号采集点3(即测量传感器的测量点)面对乘坐人在正常情况下以正确坐姿向后依靠该护枕1时，按照人体工学人为确定的身体与该护枕1最佳接触部位(本文简称预设部位)。

在优选方案中，所述测量传感器组和基准传感器组4中的传感器均设为线性加速度传感器(出于成本考虑的方案，本发明优选高精度MEMS三轴线性加速度传感器，其成本较低、功耗较小)，其分别通过柔性电缆承载I2C总线和电信号线与所述微处理器6相连，用于提高压力计算精度，在主舱2基准传感器组4位置处还设有永磁铁，相对的，在测量传感器组中设置有磁敏传感器(比如：线性霍尔传感器、三轴地磁传感器等对磁场强度敏感的传感器电子器件)，其用于测量所述永磁铁在测量传感器位置产生的磁场磁通量。所述基准传感器组4以大地坐标系为参照，用于测量所述主舱2相对于大地坐标系运动的变化状态，并直接用于运载工具的驾驶行为与运动状态识别；所述测量传感器组以基准传感器组4为参照物，用于测量人体依靠护枕1时，人体对护枕1施压的速度变化程度和力度，即获知测量传感器组相对基准传感器组4的相对运动变化信息换算出力度，结合基准传感器组4的感知度就可以估算出运动着的人体对护枕1施压的在基准传感器组4坐标系下的相对加速度与相对压力值信息，由此构成一个以基准传感器组4相对主舱2为静止状态的一个具有基准参照运动坐标体系的独立设置的测量系统。

测量传感器组之间可以采用信号线串联相接，每个测量传感器组均安装在一个微小的外壳中。本发明优选惯性测量传感器组为三个，分别设置于乘坐人的颈部、背部或腰部的横向中线部位和对称的两侧部位(对称分布的目的是简化计算模型同时提高识别准确度，并节约系统功耗)，如此可以构建枕芯表面在受压产生形变后仍能进行测量的系统，设置多个测量传感器组能够避免人体依靠护枕1时触接位置随机性的变化产生的测量误差。出于成本考虑，也可能省去两侧部的测量传感器组在测量精度上做出一定的妥协。

在该护枕1出厂时，事先在所述存储器中存放一个数值关系对照表，该数值关系对照表中记载的数据是：该护枕1出厂前，以基准传感器组4为参照物，采用标准压力计对设置于枕芯中的测量传感器组的信号采集点3施加压力，然后将所施加的压力值与该测量传感器组实际检测到的加速度、磁通量和压力测量值一一对应生成的校对数据。即该校对数据在生产测试环节产生，并存储与该存储器中，校对数据包含标准压力计挤压该护枕1时施加的压力数据和测量传感器组测量过程中数据读值及其计算获得的位移变化值信息。即生产环节利用标准压力测定工具挤压护枕1并实时密集跟踪纪录各个测量传感器组变化读值计算获取位移信息再与标准压力建立对照的关系表的校对数据，该校对数据反映形变量与压力的换算关系，经过微处理器6处理后存储于存储器中。在实际应用中，微处理器6将参照该校准数据与实测数据组合计算从而获得准确的实际压力和压速读值。即在存储器中建立护枕1受压后的实际压力与测量传感器组测量到的压力值之间的数值关系对照表以供微处理器6计算使用。

在存储器中还存储有基准传感器组4和测量传感器组的门限值用于预警功能的安全预警模块，相应的在所述主舱2内还设有可将安全预警模块发出的预警信息发送给交通监控中心或利益相关人的无线通信电路，比如：人体冲击护枕1的加速度过大会被判断为潜在受伤可能；基准传感器组4侦测到测向加速度过大会被判断为潜在的急转弯或测向碰撞可能等；门限值用于触发事件进一步分析的程序运行并作出安全预警处理。本发明优选的所述无线通信电路为蓝牙通信模块、WIFI通信模块和/或移动通信模块。本发明通过该无线通信电路与智能手机或互联网服务器互通，由智能手机或互联网服务器利用相关软件还可控制该护枕1矫正参数和读取基准传感器组4和测量传感器组的测量信息以及对护枕1的挤压程度、压力值和压速值等。

通过该测量系统可以准确获得测量传感器的相对位移变化程度与速度信息，即获得护枕1表面变形程度与速度的读值。再根据该变形程度，结合护枕1内部的弹性材质的校对数据计算获得人体实际挤压护枕1的压力，根据该变形速度分析人体挤压的行为。

本发明的进一步改进是在所述基准/测量传感器组中的传感器为高精度MEMS三轴线性加速度传感器的基础上，同时设置与微处理器6相连的陀螺仪传感器(本发明优选三轴陀螺仪传感器)，其用于修正所述测量传感器在运行中扭转姿态和轨迹计算，提高压力信息计算精度(该三轴陀螺仪传感器也可以为与高精度MEMS三轴线性加速度传感器集成后的复合传感器)。

增设三轴陀螺仪传感器后可以精准识别当人体依靠护枕1时对测量传感器力学作用时发生的信息采集点的三维扭动。由于测量传感器安装在枕芯的表面，其会随枕芯表面在受压后产生的法向力和切向力发生位移。即因其受到枕芯表面连接的切向约束特点，使得枕芯表面在受压后产生扭转，而线性加速度传感器并不能准确测量该扭转信息，因此陀螺仪传感器可以有效的配合线性加速度传感器对角度变化值进行跟踪测量进行记录并与对其进行矢量合并计算。因此在陀螺仪传感器的配合下，测量传感器组能更准确的记录枕芯表面扭曲形变的程度与速度特征，从而提高计算精度。

本发明的又一改进是在所述基准/测量传感器组中传感器为高精度MEMS三轴线性加速度传感器的基础上，同时设置三轴地磁传感器(即电子指南针)。该地磁传感器对地磁南北极敏感，能够准确捕捉地磁南北极指向性并利用参考地磁传感器读值获得相对于参考坐标系下的角度变化特征来辅助提高测量传感器组的测量精度。即用于修正测量中的的测量传感器对地磁角度变化情况以修正两个运动轨迹，用于提高枕芯表面扭曲形变的程度与速度特征的计算精度。

本发明的再一改进是在所述基准/测量传感器组中的传感器为高精度MEMS三轴线性加速度传感器的基础上，在测量传感器组中增设磁敏传感器，该磁敏传感器可以是线性霍尔传感器、三轴地磁传感器和其他测量磁场磁通量的磁敏电子器件，该磁敏传感器也可以是与高精度三轴线性加速度一体封装的复合传感器器件。其用于检测设置于所述主舱2表面或基准传感器组4位置的磁铁产生的磁场的磁通量。该磁敏传感器的测量值与所述数值关系对照表配合使用，计算稳态下所述信号采集点3距离主舱2的直线距离，用于修正压力信息计算和提高压力信息计算精度。

总之，在测量传感器组和基准传感器组4的测量系统中，利用测量传感器组获得相对基准传感器组4的直线位移实时变化信息，通过数学运算等获得形变的主要特征，其首先在产品生产阶段通过标准压力计做模拟人体依靠动作(参见图4)，并记录步进过程的压力读值和各个传感器读值及计算值构成压力校准数据表(即前述的数值关系对照表)。当产品在正常使用中，人体依靠时利用传感器读值的数学计算与压力校准数据表的拟合计算匹配出正确的压力读值，传感器数据采样的时间间隔越密集，其计算精度也就越高，即其原理是利用场景还原方法利用预先计算的校准数据对比当前测量拟合来得到压力值。单独使用线性加速度传感器作为测量的方法是一种最低成本的实施方案，但由于护枕1形变过程的复杂抖动和扭动等会干扰计算导致产生计算误差。而在增加磁敏传感器情况下，能够利用固定位置的永磁铁产生的空间磁场磁通量大小进行空间位置信息的补充计算，由于护枕1的形变是具备特定结构约束特征，因此能够利用该特定结构约束性可获知磁敏传感器在给定运动约束条件下所在的具体位置，该信息对加速度传感器计算位置信息的一个很有效的补充。磁通量测量基于稳态下的测量更为精准，而加速度测量是针对变化程度的测量更为精准，两者的结合构成了最优设计成本和功能并有利于工程实施的方案。而在使用基准/测量传感器组中设置有陀螺仪传感器的组合时，成本略有提高，但能够准确记录直线位移和角度位移的双重变化，利用同样预校准方法计算拟合得到实际压力值。加速度传感器和地磁传感器(电子指南针)可以利用地磁夹角特征获得角度位移的信息，主要用于反复形变中累计误差消除。而加速度传感器、陀螺仪和地磁传感器的三者配合则能够在复杂的形变中准确记录形变特征和压力信息测量。

本发明的另一改进是在该护枕1上还设有用于测量所述的预设部位和/或环境中的温度、湿度、静电积累程度的温度检测传感器、湿度检测传感器、或静电检测传感器，即利用护枕1结构特征在测量传感器组和基准传感器组4所在位置增加更多样的传感器来测量更多维度的信息提高护枕1的智能化特征。

以下结合附图对本发明进行具体说明。

如图2所示，具体说明仅为在基准/测量传感器组中设有线性加速度传感器作为测量系统时采用三个分布于表面的测量传感器组A点、B点、C点(此为测量传感器信号采集的位置，图中箭头代表X和Y的二维坐标，下同)结合一个基准传感组O点(O点代表基准传感器的二维坐标位置，下同)的测量系统。

A、B、C、O点为原始状态的测量传感器组位置，当人体的预设部位挤压护枕1致其发生形变时，其测量传感器实际位移到A1、B1、C1点位置，而基准传感器组4设置的位置作为参考坐标系固定不变，而经测量传感器组实际读值再经校对计算后获得的虚拟位置为A2、B2、C2点，由于B点在移动中少有发生扭转，因此B2点读值的校对计算值能够基本上与B1点的实际位置吻合，所以可以得到计算与实际基本一致的结论，但由于A点和C点在位移中同时由于表面切向约束产生了旋转，导致出现了一个夹角且加速度传感器难于计算获得该角度信息，从而使得实际计算结果获得的位置会短于实际位移值，出现A2点和C2点不能分别与A1点和C1点吻合结论。但由于在生产校准阶段其具备相同的特性，所以，其相对校准数据而言，利用A2点和C2点进行计算能够真实反映压力信息，可以视为校准数据也是相对A2点/C2点获得，也同样不能与A1点/C1点重合，从而将该不重合作为系统误差在拟合计算中修正，从而计算得到正确的压力值，在实际应用中，由于加速度传感器的运动不是理想的简单直线运动，且护枕1本身出于运动的交通工具当中，因此数学计算中会采用低通滤波等手段对数据进行处理来提高计算的精度。同时利用多传感器同时测量手段也是有效提高计算精度的技术手段。比如磁敏传感器可以作为距离测量的技术手段与线性加速度传感器配合获得靠枕形变发生的程度和速度信息，该信息有利于识别人员在依靠护枕1中发生的行为特征。

如图3所示，在基准/测量传感器组中引入陀螺仪传感器后，利用测量传感器组A点、B点、C点(线性加速度传感器和陀螺仪传感器)的直线位移与角位移共同计算并结合一个基准传感器组4所在的O点(线性加速度传感器和陀螺仪)的测量系统。

A、B、C、O点为原始状态的测量传感器组位置，当人体预设部位挤压护枕1发生形变时，其测量传感器组实际位移到A1、B1、C1位置，而基准传感器组4位置作为参考坐标系固定不变，实际传感器读值积分计算获得的虚拟位置为A2、B2、C2点，A、B、C点均记录有加速度和角速度，因此经由积分获得的位移将接近实际位置而使得A1、B1、C1点分别与A2、B2、C2点吻合。在生产校准阶段其具备相同的特性而产生的校准数据表，即利用测量传感器组读值与采样时间间隔积分结果和校准数据拟合，能够计算获得压力。

引入地磁传感器(电子指南针)进行静态角度校准的测量系统。

利用稳态地磁夹角信息被利用来测量对比稳态前后的角位移变化与绝对指向，这一点有别与陀螺仪传感器的特性，因此陀螺仪传感器是在运动中积分计算获得实时变化的夹角，其随着运动的持续反复会出现误差的累计而导致压力值产生偏差，而结合电子指南针能够的消除该累计误差，提高计算精度。

微处理器6和无线通信芯片能够与智能手机和互联网服务器实现通信包括设定校准参数，交换传感器信息等，其还根据测量传感器门限值用于预警状态的识别，包括过度挤压、过速挤压、头枕重度位移、交通工具发生重大行驶异常等紧急情况的预警。

本发明为智能头枕测量传感器和传感器系统，表面承载多样的传感器实现多样的信息识别和信息获取，比如体温、湿度、人体静电等等，结合智能手机应用实现安全预警等。

本发明可用于车载护枕1用途，并能够与手机配对。

智能终端或手机能够利用蓝牙和网络控制护枕1的中央处理器6对其进行校准数据设定、安全门限数据设定和传感器数据或头颈状态识别信息读取等。

本发明可用于易于安装于交通工具座椅靠背内侧或佩戴与颈部。

Claims (10)

1.一种乘坐运载工具所用的智能护枕，包括枕套和置于枕套内为弹性体的枕芯，其特征在于：在枕芯内设有能准确检测该护枕(1)受到人体颈部、背部或腰部对其施力时产生的加速度和压力大小的具有独立参照体系的测量系统，该测量系统包括设置在枕芯后部的主舱(2)内的微处理器(6)、存储器、安全预警模块、基准传感器组(4)和设置于枕芯前部表面上的至少一个与基准传感器组(4)相同类型的测量传感器组；所述测量传感器组的信号采集点(3)在枕芯上所设的位置为所述颈部、背部或腰部在人体正常坐姿时其上的预设部位与该护枕(1)接触时对应的位置，所述测量传感器组和基准传感器组(4)分别通过柔性数据总线(5)与所述微处理器(6)连接；在所述存储器中存放有以所述基准传感器组(4)为参照物并采用标准压力计对所述测量传感器组的信号采集点(3)施压后获得的该施压行为的压力值与该测量传感器组的测量值的数值关系对照表。

2.根据权利要求1所述的乘坐运载工具所用的智能护枕，其特征在于：所述测量传感器组与基准传感器组(4)中的传感器均为与所述微处理器(6)相连的线性加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的乘坐运载工具所用的智能护枕，其特征在于：在所述测量传感器组与基准传感器组(4)中分别设有用于检测设置在对方传感器组内磁铁磁通量的且与所述微处理器(6)相连的磁敏传感器。

4.根据权利要求2或3所述的乘坐运载工具所用的智能护枕，其特征在于：在所述测量传感器组与基准传感器组(4)中还分别设有与微处理器(6)相连的陀螺仪传感器。

5.根据权利要求2或3所述的乘坐运载工具所用的智能护枕，其特征在于：在所述测量传感器组与基准传感器组(4)中还分别设有与微处理器(6)相连的地磁传感器。

6.根据权利要求4所述的乘坐运载工具所用的智能护枕，其特征在于：在所述测量传感器组与基准传感器组(4)中还分别设有与微处理器(6)相连的地磁传感器。

7.根据权利要求1－3中任一项所述的乘坐运载工具所用的智能护枕，其特征在于：在所述主舱(2)内还设有可将安全预警模块发出的预警信息发送给交通监控中心或利益相关人的无线通信电路。

8.根据权利要求7所述的乘坐运载工具所用的智能护枕，其特征在于：所述无线通信电路包括蓝牙通信模块、WIFI通信模块和移动通信模块。

9.根据权利要求1中所述的乘坐运载工具所用的智能护枕，其特征在于：在该护枕(1)上还设有用于测量所述预设部位的温度、湿度和/或静电积累程度的温度检测传感器、湿度检测传感器和/或静电检测传感器。

10.根据权利要求1所述的乘坐运载工具所用的智能护枕，其特征在于：所述预设部位可为所述颈部、背部或腰部的中部和/或对称的两侧部。