ES2386582B1 - Dispositivo para medir el desplazamiento del cinturón de seguridad de un vehículo. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para medir el desplazamiento del cinturón de seguridad de un vehículo, que permite determinar la posición del cinturón de seguridad y en consecuencia la posición corporal del usuario, que emplea un sensor eléctrico-opto-mecánico o encoder, acoplado en el eje del carrete retractor del cinturón de seguridad, para transformar el movimiento angular de dicho carrete retractor en una serie de impulsos eléctricos digitales; que son tratados y adecuados por un sistema de control electrónico el cual dispone de una conexión con la electrónica del vehículo.
Description
Objeto de la invención
El dispositivo de la invención, como su propio título indica, está destinado a medir el desplazamiento del cinturón de seguridad en determinados vehículos. En especial este dispositivo se emplea en vehículos descapotables y vehículos de pequeñas dimensiones como motocarros, eléctricos, etc. en los que no es posible emplear un medidor lineal para la adquisición de este dato, dado que éste tiene unas dimensiones que no permiten instalarlo en este tipo de vehículos.
La incorporación de este dispositivo junto a los sistemas existentes, quot;seat belt remainder'', sensor de peso del ocupante, sensores de posición en las guías del asiento, motor en el retractar de cinturón y sistema eléctrico en la regulación de altura del cinturón de seguridad, proporcionan la información necesaria para saber en todo momento donde está el ocupante y de ese modo una mejor protección a la hora de tener un accidente de tráfico.
Para asegurarse de que el cinturón de seguridad retiene al ocupante tan rápidamente como sea posible en un accidente, es decir, que la carga sobre el ocupante en un accidente sea lo menos violento, se han desarrollado diferentes tipos de pretensores. Los pretensores reducen las lesiones que se producen en la zona abdominal. Se usan pretensores pirotécnicos que suelen estar controlados por el mismo sistema que controla los airbag, la ECU (Unidad de Control Electrónica). Los pretensores son dispositivos que se pueden fijar en cualquier lugar en el vehículo, sin embargo, los pretensores que llevan un carrete incorporado, normalmente, van en combinación con un retractar o hebilla. Todos los sistemas se ajustan para mejorar la protección de los ocupantes.
Un retractar de cinturón de seguridad utiliza un carrete como elemento central que se une a un extremo de la cinta. El carrete en un lado tiene un muelle, que cuando sale la cinta se tensa y al dejar libre la cinta hace girar el rodete en sentido contrario, enrollando la cinta hasta su posición inicial. Si el cinturón no está colocado en su posición (perpendicular al suelo) hay una bola de metal que bloquea el carrete impidiendo dejar salir la cinta. El retractar tiene un mecanismo de bloqueo que impide la rotación del carrete cuando el vehículo está implicado en una colisión. Los retractares suelen tener dos sensores que trabajan de manera independiente sobre el mecanismo. Los sensores del vehículo detectan una repentina deceleración, activan el retractar y éste recoge la cinta.
En un accidente la mayoría de los sistemas de cinturón de seguridad modernos, empiezan apretando el cinturón con un pretensor pirotécnico activo. Esto primero elimina la holgura y hace posible liberar las correas en una etapa posterior, si la carga sobre el ocupante es demasiado alta. En un sistema tradicional, las cargas del cinturón y del airbag hacia el ocupante se suman unas a otras cuando el airbag empieza a frenar al ocupante. En el sistema de cinta inteligente (Smart Belt System) sin embargo no es tan severo y lo que hace es mantener la fuerza de retención a un nivel relativamente constante. Además, en un cinturón inteligente pueden adaptar su fuerza de contención y por lo tanto, la carga sobre el ocupante dependiendo de la gravedad del accidente. Si el vehículo está equipado con un sistema de sensor de peso en los asientos, también es posible ajustar la carga de los cinturones de seguridad individualmente para cada ocupante. Esta es una ventaja muy importante, ya que permite proteger al más pequeño de los ocupantes, así como muchas mujeres, ya que son más susceptibles a las altas cargas que el promedio de personas, ya que no necesitan la misma fuerza de retención que una persona más grande.
Actualmente existen múltiples tipos de pretensores para cinturones de seguridad; así como de sistemas integrados, donde los efectos protectores del cinturón de seguridad y el airbag están sintonizados el uno con el otro durante toda la fase de un accidente. La tarea general de un pretensor de cinturón es reducir la holgura que queda entre el cinturón y el ocupante. Este efecto se produce antes de que el ocupante se mueva hacia delante. Con la combinación y ayuda de otros componentes de seguridad como los airbag, se reduce el potencial las lesiones que un ocupante recibir.
Actualmente se utilizan sensores de para medir desplazamiento lineal de la longitud de la cinta del cinturón de seguridad desde una determinada posición. Normalmente se colocan encima del carrete, atornillados en el montante B (montante que hay entre la puerta delantera y la trasera), estos sensores son muy robustos y son limitados en su medición. Estos sensores miden el desplazamiento del cinturón cuando este se activa, es decir, en el caso de la medición realizada en un laboratorio de choque, cuando se realiza un ensayo y el cinturón actúa acompañando al ocupante hacia detrás para retener el cuerpo, normalmente lo que se quiere saber, es lo que el sistema recoge de cinta de cinturón.
Para medir el deslizamiento y la velocidad de la cinta del cinturón de seguridad de los vehículos se compara con periféricos y las velocidades de las poleas de la transmisión de la cinta. Se obtiene la velocidad del cinturón sin contacto gracias a un sensor óptico cuya señal se procesa empleando técnicas la de correlación. La invención propone diseños adecuados del sensor óptico, así como de los componentes para el procesamiento de señales del sistema para asegurar una alta precisión de los valores medidos.
El sistema de la invención se basa en evaluar velocidad de rotación de las ruedas o poleas, empleando sensores sin contacto. Una ventaja importante de este método es que en la medida los valores no se ven afectados por el deslizamiento.
Así pues, el dispositivo para medir el desplazamiento del cinturón de seguridad de un vehículo objeto de la presente invención comprende:
Un sensor eléctrico-opto-mecánico o encoder, acoplado en el eje del carrete retractar del cinturón de seguridad, que transforma el
- movimiento angular de dicho impulsos eléctricos digitales;
- carrete retractar en una serie de
- Un sistema de control electrónico que capta dicha señal, la adecua, procesa determinando la posición que ocupa en cada instante;
- 5
- Una conexión con la electrónica del vehículo, que controla la señal de disparo o activación los pretensores de los cinturones de seguridad del vehículo.
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- El sensor eléctrico-opto-mecánico es un encoder, o bien un encoder incremental o un encoder absoluto. Un encoder es un sensor eléctrico-opto-mecánico que proporciona información de la posición lineal o angular. Este tipo de sensor transforma un movimiento de traslación o angular en una serie de impulsos digitales. Estos impulsos generados pueden ser utilizados para controlar los desplazamientos de tipo angular o lineal. Las señales eléctricas de rotación pueden ser elaboradas mediante controles numéricos (CNC), controladores programables (PLC), sistemas de control, etc. Esta electrónica asociada permite captarla, adecuarla, procesarla y mostrarla.
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- El encoder incremental proporciona dos señales desfasadas entre sí 90° eléctricos, por medio de las cuales se obtiene información correspondiente a la velocidad y al sentido de rotación del carrete retractar, partiendo de una posición absoluta de cero del eje del encoder determinada cuando el dispositivo está en reposo.
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- Un encoder opera solidariamente al eje de un accionamiento (en este caso será en el eje del carrete del cinturón) cuya posición y medición se desea realizar, efectuándose la detección del movimiento en base al principio de exploración fotoeléctrica. El sistema de lectura se basa en la rotación de un disco granulado con un reticulado radial formado por líneas opacas, alternadas con espacios transparentes. Este circuito está iluminado de forma perpendicular por una fuente de rayos infrarrojos. El disco proyecta de este modo su imagen sobre la superficie de varios receptores oportunamente enmascarados por otro reticulado que tiene el mismo paso que el anterior llamado colimador. Los receptores tienen la tarea de detectar
las variaciones de luz que se producen con el desplazamiento del disco convirtiéndolas en las correspondientes variaciones eléctricas. La señal eléctrica detectada, para generar impulsos correctamente escuadrados y sin interferencias, debe ser procesada electrónicamente. Para incrementar la calidad y estabilidad de las señales, el sistema de lectura se efectúa generalmente de manera diferencial, comparando dos señales casi idénticas, pero desfasados en 180° eléctricos. Su lectura se efectúa en base a la diferencia de las dos señales, eliminando de este modo las interferencias definidas quot;de modo comúnquot; porque están sobrepuestas de igual manera en toda forma de onda.
El encoder incremental proporciona normalmente dos formas de ondas cuadradas y desfasadas entre sí en 90° eléctricos, los cuales por lo general son quot;canal Aquot; y quot;canal Bquot;. Con la lectura de un solo canal se dispone de la información correspondiente a la velocidad de rotación, mientras que si se capta también la señal quot;Bquot; es posible discriminar el sentido de rotación en base a la secuencia de datos que producen ambas señales. Está proporciona la posición absoluta de cero del eje del encoder. Esta señal se presenta bajo la forma de impulso cuadrado con fase y amplitud centrada en el canal A.
La precisión de un encoder incremental depende de factores mecánicos y eléctricos entre los cuales, el error de división del retículo, la excentricidad del disco, la de los rodamientos, el error introducido por la electrónica de lectura, imprecisiones de tipo óptico.
La unidad de medida para definir la precisión de un encoder es el grado eléctrico, éste determina la división de un impulso generado por el encoder: en efecto, los 360° eléctricos corresponden a la rotación mecánica del eje, necesaria para hacer que se realice un ciclo o impulso completo de la señal de salida. Para saber a cuántos grados mecánicos corresponden 360 grados eléctricos es suficiente aplicar la fórmula siguiente.
360° eléctricos =360° mecánicos /(N° impulsos/vuelta)
El error de división en un encoder, está dado por el máximo desplazamiento expresado en grados eléctricos, de dos frentes de onda consecutivos. Este error existe en cualquier encoder y se debe a los factores antes citados. Por lo que se refiere al desfase entre dos canales, nominalmente de 90° eléctricos, éste se aleja en ±35° eléctricos máx. que corresponden a aproximadamente ±1 0%.
Entre las ventajas de este tipo de encoder destacamos:
La simplicidad.
Es un encoder económico.
Hay muchos tipos y formas diferentes de encoder incremental, es
relativamente fácil encontrar un encoder incremental que se adecue a
nuestras necesidades.
Es el encoder mas común utilizado en la industria por la gran cantidad
de usos que abarca.
Un encoder absoluto es muy similar a un encoder incremental. Dispone de un disco que gira, con zonas transparentes y opacas interrumpe un haz de luz captado por fotorreceptores, luego éstos transforman los impulsos luminosos en impulsos eléctricos los cuales son tratados y transmitidos por la electrónica de salida. A diferencia con los encoder incrementales en los que la posición está determinada por el cómputo del número de impulsos con respecto a la marca de cero, en los encoder absolutos la posición queda determinada mediante la lectura del código de salida, el cual es único para cada una de las posiciones dentro de la vuelta. Por consiguiente los encoder absolutos no pierden la posición real cuando se corta la alimentación (incluso en el caso de desplazamientos), hasta un nuevo encendido (gracias a una codificación directa en el disco), la posición está actualizada y disponible sin tener que efectuar, como en el caso de los encoder incrementales la búsqueda del punto de cero. El código de salida que permite definir la posición absoluta es de un código binario, que puede fácilmente ser manipulado por los dispositivos de control externos para la lectura de la posición, sin tener que efectuar particulares operaciones de conversión. En vista que el código se toma directamente desde el disco (que se encuentra en rotación) la sincronización y la captación de la posición en el momento de la variación entre un código y el otro se vuelve muy problemática.
Las ventajas de estos tipos de encoder son las siguientes:
No pierde la posición cuando se corta la alimentación.
Trabaja en código viario de fácil manipulación, código GRAY Son sensores para grandes precisiones.
Proporciona una salida de datos tanto en serie como en paralelo.
No necesita un contador para determinar la posición.
El dispositivo de medición realizado de a e u e r do e o n 1as
consideraciones anteriores presenta una serie de ventajas sobre los sistemas convencionales basados en la medición del desplazamiento lineal del cinturón colocando en él un sensor que mide dicho desplazamiento:
La medición la efectúa sin contacto de la velocidad de la correa por lo que no existen errores debidos al deslizamiento de la misma.
La medición se efectúa en base a las velocidades de rotación de las poleas, con lo cual es posible procesar posterior los datos por medio de un sistema electrónico sencillo.
Los datos suministrados a la electrónica del vehículo para provocar el disparo del pretensor del cinturón de seguridad son fiables y precisos, tal y como se ha podido constatar en los ensayos previos realizados sobre un prototipo de la invención.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 una vista general de un cinturón de seguridad (1) en cuyo retractar (2) se ha acoplado un encoder incremental (3).
La figura 2 es un esquema de bloques funcionales del dispositivo de la invención.
La figura 3 muestra una gráfica de la señal de emitida por dicho encoder (3) en relación a un sensor de desplazamiento lineal, empleado en la técnica anterior.
En función del volumen, precio, peso y de la posibilidad de determinar la posición inicial, hacer un O lógico, se ha elegido un encoder incremental como sensor para realizar las medidas de posición y las medidas de desplazamiento del cinturón de seguridad. Este tipo de sensor es muy robusto y su peso y tamaño son reducidos; la facilidad en el montaje y adaptación al cinturón de seguridad nos da una alta fiabilidad de medida.
Para efectuar los cálculos y pruebas previas al desarrollo del dispositivo, se ha escogido un encoder incremental del fabricante AVAGO Technologies y para garantizar suficiente resolución en el prototipo hemos escogido un sensor de 1000 pulsos. Realizando los cálculos necesarios, se ha determinado que obtendremos una sensibilidad de 0,36°, de esta manera tendremos unos resultados más cercanos a la medida real, asegurándonos que se están tomando unas medidas correctas. Este sensor está compuesto por tres partes, un encapsulado de PVC, un lector y un disco magnético. Este encoder tiene 3 salidas eléctricas y se alimenta a 5 V DC.
El retractar (2) del cinturón de seguridad puede ser de cualquier tipo, sobre uno existente se adapta para colocarle un eje adicional a su eje central de origen, donde se fija el encoder (3), como se observa en la figura 1.
Al ser dicho encoder un sensor digital, para los primeros ensayos de un dispositivo, se ha empleado un conversor digital a analógico que va a proporcionar la medida de posicionamiento y desplazamiento del cinturón de seguridad. En este ensayo se ha actuado provocando el disparo del cinturón, partiendo de una posición inicial desde la que se comienza a efectuar la medición.
Como se puede observar en la figura 2, al actuar el cinturón se produce el movimiento y el consiguiente desplazamiento. El movimiento se realiza en décimas de milisegundo, mostrándonos que el sistema es perfectamente compatible para la medición. Como podemos observar en la grafica existe un desfase entre la medida tomada por el medidor de desplazamiento lineal y nuestro sistema que nos muestra el recorrido completo.
Se ha podido comprobar que la colocación de un encoder en el carrete de un cinturón de seguridad para la protección de los ocupantes en un vehículo motorizado, permite medir el desplazamiento de la cinta del cinturón. Como el encoder proporciona una medida angular y lo que se requiere es una medida lineal, se requiere un circuito electrónico capaz de adecuar, procesar la señal del encoder, determinando la posición que ocupa en cada instante el cinturón de seguridad. Si se comparan la gráfica con un sensor de desplazamiento lineal se observa la viabilidad de este sistema y de nuestro dispositivo.
El dispositivo de la invención, cuyo esquema se ha representado en la figura 2, comprende esencialmente los siguientes elementos:
Un sensor eléctrico-opto-mecánico o encoder (3), acoplado al eje del carrete retractar (2) del cinturón de seguridad, que transforma el movimiento angular de dicho carrete retractar en una serie de impulsos eléctricos digitales.
Un sistema de control electrónico que capta dicha señal, la adecua, procesa determinando la posición que ocupa en cada instante.
Una conexión con la electrónica del vehículo, que controla la señal de disparo o activación los pretensores de los cinturones de seguridad del vehículo.
Como se ha comentado anteriormente, el sensor eléctrico-opto-mecánico es un encoder incremental que permite obtener la velocidad y al sentido de rotación del carrete retractar, partiendo de una posición absoluta de cero del eje del encoder determinada, cuando el dispositivo está en reposo.
- Opcionalmente
- el encoder puede ser de tipo absoluto, siendo su
- funcionamiento similar al encoder incremental. Dispone de un disco que gira,
- con
- zonas transparentes y opacas interrumpe un haz de luz captado por
- fotorreceptores, luego éstos transforman los impulsos luminosos en impulsos
- s
- eléctricos los cuales son tratados y transmitidos por la electrónica de salida.
- A
- diferencia con los encoder incrementales en los que la posición está
- determinada por el
- cómputo del número de impulsos con respecto a la
- marca
- de cero, en los encoder absolutos la posición queda determinada
- mediante la lectura del código de salida, el cual es único para cada una de
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- las posiciones dentro de la vuelta. Por consiguiente los encoder absolutos no
- pierden la posición real cuando se corta la alimentación.
Claims (3)
- REIVINDICACIONES1.-Dispositivo para medir el desplazamiento del cinturón de seguridad de un vehículo, que permite determinar la posición del cinturón de seguridad y en consecuencia la posición corporal del usuario, que se caracteriza porque comprende:un sensor eléctrico-opto-mecánico o encoder, acoplado en el eje del carrete retractar del cinturón de seguridad, que transforma el movimiento angular de dicho carrete retractar en una serie de impulsos eléctricos digitales;un sistema de control electrónico que capta dicha señal, la adecua, procesa determinando la posición que ocupa en cada instante;una conexión con la electrónica del vehículo, que controla la señal de disparo o activación los pretensores de los cinturones de seguridad del vehículo.
- 2.-Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor eléctrico-opto-mecánico es un encoder incremental que proporciona dos señales desfasadas entre sí 90° eléctricos, por medio de las cuales se obtiene información correspondiente a la velocidad y al sentido de rotación del carrete retractar, partiendo de una posición absoluta de cero del eje del encoder determinada cuando el dispositivo está en reposo.
- 3.-Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor eléctrico-opto-mecánico es un encoder absoluto en el que la posición del disco giratorio queda determinada mediante la lectura del código de salida, por lo que mantiene la posición real en la que se encuentra en cada instante.
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