CN203358278U - 交通工具内乘客厢内由乘员占有的装置 - Google Patents

Abstract

一种交通工具内乘客厢内由乘员占有的装置，包括用于测量驾驶员实际皮肤温度的皮肤温度传感器和用于测量乘客厢内环境空气的实际车厢温度的车厢温度传感器。控制模块存储目标车厢温度，其中控制模块根据目标车厢温度和实际车厢温度之间的第一误差控制HVAC系统。根据第一时间常数筛选实际车厢温度。个性化模块存储目标皮肤温度，其中个性化模块根据目标皮肤温度和实际皮肤温度之间的第二误差确定要对目标车厢温度应用的补偿。根据高于第一时间常数的第二时间常数筛选实际的皮肤温度。

Description

交通工具内乘客厢内由乘员占有的装置

技术领域

本实用新型总体上涉及用于交通工具的加热、通风及空调（HVAC）系统，具体说，涉及一种基于车辆驾驶员或乘员的皮肤温度的空调系统的个性化控制。 

背景技术

HVAC系统控制交通工具、比如汽车内的气候以保持车辆乘员的热舒适性。典型地，送风机使空气流过热交换器并将调节的空气传送至乘客厢内的不同地方。例如，可以通过加热器芯提供暖空气，该加热器芯从内燃机中流动的冷却液获取热量。可从传统的具有马达驱动的压缩机和蒸发器的空调系统获取冷空气。 

机动车辆中最简单的气候控制系统向乘员提供对加热或冷却的强度、送风机的运行速度及去往不同通风调节装置的气流的相对量的直接控制。这需要使用者不断地监测及调节气候控制设置以保持舒适性。 

自动温度控制系统已经被引入，其中，反馈控制系统监测乘客厢内的环境空气温度并自动调节送风机的速度及加热器芯或空调操作以保持所需的温度设置。在一些车辆中，已经实现了具有独立的自动温度控制的多个区域，各个目标温度设置为每个区域而设。 

前面提到的空调系统的类型仅间接地控制乘员的实际皮肤温度。因为皮肤温度能更好地表明乘员的实际舒适性，因此已研究了基于车辆乘员的皮肤温度调节空调系统操作的系统。然而，车辆内部的热动力环境是复杂的，比如多种HVAC控制设置与对不同乘员的皮肤温度的最终影响之间的关系。因此，现有的系统相对复杂且成本较高。 

实用新型内容

本实用新型获得了个性化的、为车辆内的乘员、比如驾驶员定制的气候控制。不是直接试图调节乘员的皮肤温度，而是对目标车厢温度做出一定的调节以控制HVAC系统，这样，操作响应于皮肤（也就是身体）温度仅部分地控制。为了确保稳定的系统操作，将特定的限制施加于调节。 

在本实用新型的一个方面，在由乘客厢内的驾驶员操作的交通工具中提供了一种装置，其包含用于测量驾驶员实际皮肤温度的皮肤温度传感器及用于测量乘客厢内环境空气的实际车厢温度的车厢温度传感器。HVAC系统向乘客厢内提供加热及冷却的气流。控制模块存储目标车厢温度，其中，控制模块根据目标车厢温度与实际车厢温度之间的第一误差控制HVAC系统。根据第一时间常数筛选实际车厢温度。个性化模块存储目标皮肤温度，其中，个性化模块根据目标皮肤温度与实际皮肤温度之间的第二误差确定要对目标车厢温度应用的补偿。根据高于第一时间常数的第二时间常数来筛选实际的皮肤温度。当目标车厢温度和筛选的实际车厢温度之间的第一误差大于第一阈值时补偿为零。进一步地，本发明所述的装置响应于第二误差与增益系数的乘积确定补偿。进一步地，本发明所述的装置进一步包含对应关系，其用于使对应的第一误差和第二误差的大小与增益系数的值相关联。进一步地，本发明所述的装置进一步包含用户界面，其中目标车厢温度包括通过用户界面选择的手动用户设置。 

附图说明

图1是具有自动温度控制的HVAC系统的框图。 

图2是本实用新型的HVAC系统和控制器的部分示意和原理框图。 

图3是更详实表示本实用新型的框图。 

图4是本实用新型的一种优选方法的流程图。 

图5是显示用于确定增益系数的映射的图表。 

图6示出了位于方向盘上朝向驾驶员的红外温度传感器的相对方向的第一实施例。 

图7是显示样本温度数据的图表。 

图8是示出了用于确定车辆内的乘员的皮肤温度的优选方法的流程图。 

具体实施方式

现在参考图1，其示出了现有技术中的电子自动温度控制（EATC）系统10，其用于提供交通工具的乘客厢11内的气候控制。EATC控制器12从布置在乘客厢11内的传感器13接收环境空气温度测量值。通过使用反馈控制，EATC控制器12确定送风机14、加热源15及冷却源16的操作。如现有技术中所公知的，可以根据乘客厢11内的各区域重复温度感应、送风、加热及冷却功能，以实施多区域气候控制系统。 

本实用新型通过增加用于调节EATC温度设定值的个性化功能，组建了图10的EATC系统，用以改善特定气候控制区域中的单个乘员的舒适度。所提供的个性化功能是按需的。只要该乘客单独在车辆内或具体的区域内时，可以典型地选择它。在交通工具中，很多旅行仅有驾驶员一个人。在这时候，改变EATC系统的操作以优化驾驶员的舒适性可以是高度期望的，因为这也能节省能源。 

图2更详实地显示了本实用新型的系统。在乘客厢20内，方向盘21位于驾驶员前面。典型地固定在仪表板上的用户界面22可以包括信息显示器23、调节旋钮24及功能按钮25。环境空气温度传感器26以传统方法测量车厢温度。外部温度传感器27可安装在乘客厢外部以确定车辆外部的温度。为了获得预览温度和/或作为获取外部温度的可替换装置，提供无线通信系统30和天线31，下面做进一步详述。 

为了获取驾驶员的皮肤温度测量值，一对红外温度传感器32和33安装在方向盘21上。由多个通风调节装置，包括通风调节装置35，向驾驶员提供加热的或冷却的气流。 

图3更详实地示出了用于实施本实用新型的控制装置。将驾驶员个性化功能40实施为与自动温度控制的控制模块22交互的模块。模块40可以是运行在EATC22内的同一电子可编程微控制器上的软件模块或可由独立的箱体内的设 备执行。通过选择开关41（也就是说，用于在传统提供的区域设定值温度或是使用皮肤目标指令的个性化模块之间进行选择的驾驶员操作的开关），从驾驶员个性化功能40向EATC22提供皮肤温度目标指令。如下进一步阐述，驾驶员个性化功能40向驾驶员的皮肤温度提供推荐目标。个性化功能由调节用户界面以打开或关闭功能40的驾驶员42控制。当需要个性化时，驾驶员42评估推荐目标并采用这个温度或通过用户界面输入一个不同的温度。 

驾驶员个性化功能40接收多个温度测量值，包括皮肤温度43、环境内部(也就是车厢)温度44、环境外部空气温度45、及预览温度46。基于1）机动车所驶向的目的地的当前或将来的温度测量值，或是2）机动车辆附近的短时温度预测，预览温度46可以对应于即将到来的外部温度条件。通过无线通信系统，可以从远程服务提供商接收到这些预览温度。根据个人的皮肤温度，基于公知的使各种温度条件与个人的舒适性感受相关联的模型，个性化功能40根据公知的物理/感知模型得到推荐的皮肤目标温度。 

根据图4所示方法，在一个优选实施例中，使用图3得到的目标皮肤温度修正HVAC控制系统的操作。当处在根据乘员的皮肤温度优化气候控制的个性化模式时，改进的反馈控制根据身体（也就是皮肤）温度和车厢温度继续进行。为了确保反馈控制系统的稳定性，控制器制成相对于身体温度的变化，更敏感于车厢内的温度变化。因此，在步骤50根据第一时间常数筛选车厢温度测量值。在步骤51根据比第一时间常数要长的第二时间常数筛选身体温度测量值。在步骤52，确定筛选的（也就是平均的）温度测量值与它们各自的目标温度之间的误差。在步骤53，根据误差的大小确定可调增益系数以计算应用于车厢温度目标的补偿。在步骤54更新车厢目标温度，然后使用用于车厢温度的反馈控制的修正目标继续传统的HVAC系统操作。 

图4中执行的信号处理及决策可以如下继续。根据下列方程筛选身体温度和车厢温度： 

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{CT}}_k}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{CT}}\stackrel{\‾}{{\mathrm{CT}}_{k-1}}+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CT}}){\mathrm{CT}}_k$

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{BT}}_k}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{BT}}\stackrel{\‾}{{\mathrm{BT}}_{k-1}}+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{BT}}){\mathrm{BT}}_k$

其中，CT是实际车厢温度，α_CT是位于0与1之间限定第一时间常数的筛 选增益，BT是实际皮肤温度，α_BT是限定第二时间常数的筛选增益，且k是指数。根据下式确定第一误差： 

${\mathrm{CT}}_{\mathrm{err}}\left(k\right)={\mathrm{CT}}_{\mathrm{tar}}\left(k\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{CT}}}_k$

其中，CT_err是第一误差，CT_tar是目标车厢温度（也就是说，其被EATC用作反馈目标）。根据下列公式确定第二误差： 

${\mathrm{BT}}_{\mathrm{err}}\left(k\right)={\mathrm{BT}}_{\mathrm{tar}}\left(k\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{BT}}}_k$

其中，BT_err是第二误差，BT_tar是目标皮肤温度。根据下述公式确定更新的目标车厢温度（也就是说，在指数k增加一之后）： 

CT_tar(k)=CT_tar(k-1)+K₁BT_err(k) 

其中，K₁是位于0与1之间的用于标准化增益系数的可调增益系数。如果可调标准化的K₁的范围在-1与1之间，则应用BT_err的大小以提供针对车厢温度的合适的方向性补偿。 

为增益系数K₁的数值提供一种规则库，K₁设计成在每一次迭代时限制变化的大小及防止在车厢温度误差大于阈值差别（也就是说，5°F）时的变化。 

本实用新型的规则库的一个实施例如图5所示，其为用于将误差映射到K₁值的标准化曲面图。因此，增益系数K₁的值表示成三维表面图60，其限定沿轴线61的车厢温度误差、沿轴线62的身体温度误差及沿轴线63的K₁值的多个数值的K₁值。在这个实施例中，对于在-1和1之间的标准化增益系数，根据下述公式确定输出车厢温度变化： 

CT_tar(k)=CT_tar(k-1)+K₁|BT_err(k)| 

车厢温度误差与身体温度误差的大小相对于代表阈值的1与-1之间的标准化尺度显示，在该范围内允许操作个性化功能。接近阈值时，为了防止操作个性化功能，K值为零。例如，沿表面60的区域64和区域65车厢温度误差值高时，K₁值接近零。同样，当身体温度误差接近零时，如区域66所显示的，表面60是零。当车厢温度误差接近零、但身体温度误差位于阈值下限与阈值上限之间时，如区域67和68所显示的，呈现不断增大的增益系数K₁的数值。 

不同于映射，控制器也能够可选地使用数值关系来确定增益系数。这种关 系总体上可以表示为K₁=f(CT_err,BT_err)。根据特定车辆的期望性能，设计了限制这个函数的合适方程，但将会产生类似于图5中显示的映射的增益系数。使用由这种方程产生的K₁值，通过下述计算补偿delta_CT_tar。 

delta_CT_tar(k)=K₁BT_err(k) 

对于0与1之间的标准增益系数 

delta_CT_tar(k)=K₁|BT_err(k)| 

标准化K₁的范围在-1与1之间。这样个性化功能没有削弱温度控制系统的整体性能并确保操作的稳定性，根据下述限制进一步修正补偿： 

$\mathrm{delta}\_{\mathrm{CT}}_{\mathrm{tar}}=\left\{\begin{array}{cc}0& \\ 0& \\ \mathrm{delta}\_{\mathrm{CT}}_{\mathrm{tar}}& \\ 0& \end{array}\right.\begin{array}{c}\mathrm{if}\left\{\right|{\mathrm{CT}}_{\mathrm{err}}|>{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{thres}}\\ \mathrm{if}\left\{\right|{\mathrm{BT}}_{\mathrm{err}}|>{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{thres}}\\ \mathrm{if}\{({\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{thres}}<|{\mathrm{CT}}_{\mathrm{err}}|\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{thres}})\\ \mathrm{and}\{({\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{thres}}<|{\mathrm{BT}}_{\mathrm{err}}|\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{thres}})\\ \mathrm{otherwise}\end{array}$

其中，δ_thres是CT_err的上限，β_thres是CT_err的下限，α_thres是BT_err的上限，λ_thres是BT_err的下限。这些阈值防止个性化功能在误差太小或太大的时候引入修改，因而确保稳定性及避免不需要的交互。 

如图6所示，为获得稳定的皮肤温度测量值，可以提供安装在方向盘上的红外温度传感器的检测区域。根据个人70的高度或姿势，位于具体的座椅位置（比如驾驶员的座位）的个人70使他们的面部与位于方向盘71上的温度传感器72和74相关联。对于非驾驶座椅位置，传感器72和74可位于其他便利的表面，比如可以被导向成员面部所在的期望区域的仪表板或车顶面板。红外传感器72具有探测区域73，红外传感器74具有探测区域75，这些红外传感器在稍微不同的高度并各自横向隔开地导向个人70面部的右侧和左侧。使用在稍微不同高度和稍微不同侧向区域的探测区域，增加了至少一个与未知高度的驾驶员脸部相一致的温度测量值的可能性。 

如图7所示，评估温度测量值以确保使用获取更佳皮肤温度测量值的传感 器。线条77代表在乘客厢内获取的环境空气温度测量值。线条78代表从一个红外传感器获取的温度测量值，线条79代表从另外一个红外传感器获取的温度测量值。在实质上所有相关的车内可能出现的热状况期间，不收集精确的皮肤温度测量值的红外传感器将会密切追踪由线条77和线条78的密切对应关系所显示的环境空气温度。精确地表征驾驶员皮肤温度的传感器产生明显不同于环境空气温度测量值的不同测量值。这是因为，甚至在HVAC系统达到热平衡之前，驾驶员面部的正常皮肤温度高于典型的车厢空气的目标温度且通常不同于环境空气温度。因此，通过将来自于红外传感器的第一温度测量值和第二温度测量值的每一个与实际车厢温度进行对比，可以选择背离实际车厢温度最多的温度作为实际身体的温度。 

如图8所示，在步骤80获取红外测量值。在步骤81测量环境空气温度。在步骤82，将红外测量值与环境空气测量值进行对比且选择其中背离最大的一个作为身体的温度。在步骤83，以合适的方式控制HVAC系统，通过使用合适的反馈控制类型调节身体温度。 

Claims (15)

1.一种交通工具内乘客厢内由乘员占有的装置，其特征在于，包含： 

皮肤温度传感器，其用于测量乘员的实际皮肤温度； 

车厢温度传感器，其用于测量乘客厢内环境空气的实际车厢温度； 

HVAC系统，其用于向乘客厢内提供加热的和冷却的气流； 

存储目标车厢温度的控制模块，其中，控制模块根据目标车厢温度和实际车厢温度之间的第一误差控制HVAC系统，其中根据第一时间常数筛选实际车厢温度；及 

存储目标皮肤温度的个性化模块，其中，个性化模块根据目标皮肤温度和实际皮肤温度之间的第二误差确定要对目标车厢温度应用的补偿，其中，根据高于第一时间常数的第二时间常数筛选实际皮肤温度。 

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当目标车厢温度和筛选的实际车厢温度之间的第一误差大于第一阈值时补偿为零。 

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，响应于第二误差与增益系数的乘积确定补偿。 

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，响应于对应第一误差和第二误差的大小确定增益系数。 

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，进一步包含对应关系，其用于使对应的第一误差和第二误差的大小与增益系数的值相关联。 

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，根据下述方程确定筛选的实际车厢温度： 

其中，CT是实际车厢温度，α_CT是位于0和1之间的筛选增益，其用于限定第一时间常数，且k是指数。 

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，根据下述方程确定筛选的实 际皮肤温度： 

其中BT是实际皮肤温度，α_BT是位于0与1之间的筛选增益，其限定第二时间常数，且k是指数。 

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，根据下述方程确定筛选的实际车厢温度： 

其中CT是实际车厢温度，α_CT是第一时间常数，且k是指数； 

其中，根据下述方程确定筛选的实际皮肤温度： 

其中，BT是实际皮肤温度，α_BT是第二时间常数； 

其中，根据下述公式确定第一误差： 

其中，CT_err是第一误差且CT_tar是目标车厢温度； 

其中，根据下述公式确定第二误差： 

其中BT_err是第二误差且BT_tar是目标皮肤温度；且 

其中，通过下述公式确定更新的目标车厢温度： 

CT_tar(k)=CT_tar(k-1)+K₁BT_err(k) 

其中K₁是增益系数。 

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，皮肤温度传感器由安装在车辆方向盘内及朝向乘员面部的红外传感器组成。 

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，皮肤温度传感器由分别安装在车辆方向盘内及朝向乘员面部的左侧和右侧的第一红外传感器和第二红外传感器组成，其中，个性化模块将来自于红外传感器的温度测量值与测量的实 际车厢温度进行对比以确定实际皮肤温度。 

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包含用户界面，其中目标车厢温度包括通过用户界面选择的手动用户设置。 

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包含用户界面，其中目标皮肤温度包括通过用户界面选择的手动用户设置。 

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，个性化模块计算推荐的皮肤温度，并通过用户界面来显示推荐的皮肤温度。 

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，进一步包含无线通信装置，其用于获取预览外部空气温度，其中，响应预览外部空气温度计算得到推荐的皮肤温度。 

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，控制模块和个性化模块集成在可编程的微控制器中。 

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