SK392020A3 - Volant na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča - Google Patents

Abstract

Volant na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča dopravného prostriedku sa skladá z obruče (1), ktorá je pevne spojená so stredovou časťou (2) prostredníctvom spojovacích spodných ramien (3) a spojovacích vrchných ramien (4), na ktorých sú umiestnené ovládacie prvky (5). V stredovej časti (2) je umiestnená mikroUSB zásuvka (19) na nabíjanie zdroja (16) elektrického napätia a LED diódy (20) na indikovanie správnej funkčnosti senzorického systému. Volant monitorujúci vitálne funkcie vodiča obsahuje na vonkajších stranách obruče (1) pasívne alebo aktívne EKG elektródy (6), kamerový systém s anténou (8) a alkohol-senzor (7), umiestnené vo vrchnej časti obruče (1), a pulzný oximeter (9), ktorý je ergonomicky osadený v miestach kontaktu palca ruky vodiča a obruče (1).

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka konštrukcie volantu na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča dopravného prostriedku. Vynález patrí z konštrukčného hľadiska do technickej oblasti strojárskeho priemyslu a elektrotechniky, v časti aplikácie patrí do technickej oblasti pre automobilový priemysel.

Doterajší stav techniky

Doprava, mobilita a automobilový priemysel ako taký, neustále technologicky napredujú. Ospalosť, resp. mikrospánok, vodiča patrí medzi vedúce kauzálne faktory vzniku dopravných nehôd na celom svete. Monitorovanie vodiča a sledovanie jeho bdelosti prípadne únavy, sa z hľadiska dnešnej dopravnej situácie a nárokom, akým sú vodiči vystavení stáva permanentným a stále nevyriešeným problémom, ktoiým je potrebné sa zaoberať v záujme ochrany života, zdravia a bezpečnosti na cestách. Tento problém citlivo vnímajú aj samotné automobilky, dodávatelia automobilových technológií a tiež odborná verejnosť. Pri opise doterajšieho stavu techniky sa spôsoby, akými je možné monitorovať vodiča rozdelili na tri oblasti a to na oblasť biometrie tváre a očí, fýziologických signálov vodiča, monitorovanie vozidla a jeho ovládacích prvkov. Tieto oblasti je možné ďalej rozdeliť na kontaktné a bezkontaktné metódy.

Medzi bezkontaktné môžeme zaradiť metódy využívajúce kamerové systémy, ktoré pozorujú ľudské metriky ako napríklad pohyb očí, očné viečka, počet žmurknutí, zívame a pod. Na tejto báze aplikuje asistenčné systémy do svojich automobilov napríklad švédska automobilka Volvo. Svoje technológie na princípe kamerového snímania predávajú rôzne firmy ako austrálsky startup Optalert, Harman International, Continental Automotive.

Kontaktnými metódami sa sledujú najmä íýziologické signály ako EKG, EMG, EEG, SpO2 (nasýtenie krvi kyslíkom), srdcová frekvencia, frekvencia dýchania a pod. Výhody monitorovania íýziologického signálu spočívajú v tom, že tieto signály sa začínajú meniť v štádiách, ktoré predchádzajú stavu ospalosti a mikrospánku.

Oblasť monitorovania vozidla a jeho ovládacích prvkov je sféra, ktorú automobiloví výrobcovia v súčasnosti zavádzajú do automobilov v početnej miere. V záujme bezpečnosti a ochrany zdravia sa využívajú rôzne asistenčné systémy, ktoré napríklad udržujú vozidlo v jazdnom pruhu. V prípade ak vozidlo na vozovke vykonáva neprirodzené pohyby, systém upozorňuje vodiča tým, že zasiahne do riadenia, núdzovo zastaví vozidlo alebo odporúča prestávku. Pri spomenutých systémoch existuje riziko, nakoľko tieto javy sú sekundárnou reakciou a sú spôsobené predchádzajúcou nepozornosťou či únavou vodiča, ktorá je primárnym problémom.

Účinným riešením je prepojenie čo najväčšieho množstva metrík a monitorovanie vodiča hybridným spôsobom. Mnohé navrhované systémy však nedosiahli komerčné využitie, kvôli zložitosti zberu íýziologických signálov a taktiež preto, že meracie zariadenia boli príliš veľké alebo nepohodlné na to, aby sa dali umiestniť do automobilu.

Trend vývoja naznačuje prístupy, ktoré budú využívať systémy zabudované v častiach automobilu, kde sa dosiahne priamy kontakt s vodičom, ako napr. do bezpečnostných pásov, sedadla, resp. iného inteligentného (smart) prvku ako je napríklad volant. Tieto kontaktné body sa javia ako kľúčové pre vytvorenie inteligentného riešenia na zníženie počtu dopravných nehôd vplyvom únavy a mikrospánku vodiča.

V situácii, keď tieto metriky budú hybridne prepojené s bezkontaktnými metódami snímania očí, viečok či biometriou tváre existuje veľká pravdepodobnosť nasadenia takýchto technológií s cieľom zvýšiť bezpečnosť nielen cestnej, ale i železničnej dopravy.

Nižšie uvádzame patentové dokumenty, ktoré sa čiastočne zaoberajú podobnou problematikou, ale riešia iba parciálne problémy, pričom praktická realizácia je zložitá a pre vodiča nepohodlná alebo obmedzujúca.

Podľa patentového dokumentu CN204506976U z roku 2015 je známe uloženie senzorov, ktoré pomocou odtlačkov prstov dokážu odomknúť, respektíve sprístupniť jazdu vozidlom. Ďalej v stredovej časti volantu sa nachádzajú bodové elektródy pre snímanie EKG signálu a senzory pre snímanie nasýtenia krvi kyslíkom. Koncept je vybavený modulom, ktoiý namerané hodnoty odosiela na server. Nevýhodou predmetného vynálezu je obmedzené množstvo signálov, ktoré je schopný delegovať. Z praktického hľadiska je umiestnenie elektród nedostatočné z aspektu ergonómie a variability držania volantu.

Podľa patentového dokumentu CN108765876A z roku 2018 je známe monitorovanie založené na zbere niekoľkých íýziologických signálov. Z EKG signálu je to najmä srdcová frekvencia, srdcová variabilita. Zariadenie obsahuje aj modul, ktoiý zaznamenáva údaje o natočení volantu. Naučené vzorce únavy boli porovnávané podľa konvolučnej neurónovej siete ako klasifikátora pre určenie konkrétneho stupňa únavy resp. ospalosti. Nevýhodou zariadenia je komplikovaný zber dát o natočení volantu, ktoiý navyše potrebuje prídavné zariadenie. Zariadeniu taktiež chýba snímanie nasýtenia krvi kyslíkom, komplementárny zdroj srdcovej frekvencie či informácie týkajúce sa pulznej vlny.

SK 39-2020 A3

Podľa patentového dokumentu CN105083114A z roku 2015 je známy systém, ktoiý je zabudovaný vo volante vozidla s cieľom monitorovať pozornosť vodiča, a to pomocou kamerového systému zabudovaného vo volante s príslušným zvukovým výstražným zariadením pri detekcii únavy, ktorého princíp funkcie sa odvíja od dĺžky žmurknutia či zavierania očných viečok. Systém nie je vybavený senzormi pre snímanie fyziologických signálov, ktoré predchádzajú únave.

Podľa patentového dokumentu KR101692532B1 z roku 2016 je známy kamerový systém, ktoiý je implementovaný na volant s cieľom monitorovať pozornosť a bdelosť vodiča. Toto riešenie sa zaoberá iba komplexnou biometriou tváre a to najmä v oblastí očí, nosa a úst.

Patentový dokument CN209518857 opisuje riešenie monitorovania vitálnych funkcií vodiča a zároveň snímania hladiny alkoholu vodiča pomocou dvoch fotosenzorov zabudovaných do krytu volantu, pričom tento kryt obsahuje aj obrazovku displeja, zosilňovač signálu, prevodník, anténu a v strede krytu je trojfarebné signálne svetlo, všetko napojené na dosku plošných spojov prepojenú cez vodič s autorádiom.

Patentový dokument US2014285216 (Al) opisuje systém obsahujúci najmenej jeden senzor nakonfigurovaný na detekciu najmenej jedného vitálneho signálu, pričom senzor je umiestnený blízko vodiča v sedadle vozidla, najmenej jeden kontaktný prvok nakonfigurovaný na detekciu najmenej jedného referenčného signálu, pričom kontaktný prvok obklopuje volant vozidla; a najmenej jeden odpor pripojený k aspoň jednému senzoru a nakonfigurovaný na príjem referenčného signálu z kontaktného prvku.

Patentový dokument CN103738269 (A) opisuje riešenie, kde hlavné vitálne signály vodiča sú delegované senzorom na volante, následne odosielané do prístroja na sledovanie zdravotných znakov a potom prenášané na server, na základe čoho je potom možné zo servera získať výsledok analýzy. Ak existujú zdravotné riziká, pohotovostné stredisko je informované prostredníctvom komunikačného modulu mobilnej telefónnej siete a medzitým sa do riadiaceho modulu karosérie vozidla odosielajú kontrolné informácie, aby sa spomalilo, zastavilo a rozsvietili sa dve blikajúce svetlá. Monitorovací systém vitálnych signálov vodiča usporiadaný na volante má zabrániť nebezpečenstvám spôsobeným náhlym výskytom zdravotných problémov.

V patentovom dokumente CN110171465 je opísané technické riešenie na zníženie počtu dopravných nehôd spôsobených únavou. Na vyriešenie tohto problému sa monitorovací systém únavy bežného vybavenia nazýva „Výstražný systém únavy pri jazde (BAWS)”. Je založený na fyziologickej obrazovej odozve vodiča. Skladá sa z dvoch hlavných modulov, ECU a kamery. Využíva rysy tváre vodiča, očné signály a pohyb hlavy na odvodenie únavového stavu systému včasného varovania vodiča proti únave.

Patentový dokument CN106805986A navrhuje zariadenie na detekciu únavy vodiča, ktoré obsahuje kryt detekčného zariadenia, modul na získavanie a spracovanie infračerveného signálu, kamera, multifunkčné dotykové tlačidlo, ovládač, infračervený senzor, LED displej a duálne režim Bluetooth.

Patentový dokument CN108216113A navrhuje výstražné zariadenie bezpečnostného pásu založené na detekcii signálu EKG.

Podstata vynálezu

Nevýhodou uvedených monitorovacích systémov je ich praktická realizácia, kedy vodiči musia prekonať nepríjemnosti a obmedzenia spojené s použitím nositeľných meracích zariadení. Predkladaný vynález kombinuje zber relevantných dát rôzneho typu, pričom všetky snímacie prvky sú integrované, čím odpadá potreba aplikácie senzorov na telo alebo končatiny vodiča, ich zapájanie a odpájame pri nastupovaní alebo vystupovaní z vozidla. Podstata vynálezu spočíva v hybridnej kombinácii troch spôsobov získavania dát, to znamená zber podstatných fyziologických parametrov, zber pohybových vzorcov volantu a vizuálny monitoring tváre vodiča. Vo všeobecnosti sú to vybrané fyziologické parametre vodiča najmä EKG, SpO2, množstvo exhalovaného etanolu vo vzduchu, ďalej pohybové parametre volantu, zbierané pomocou inerciálneho senzoru s cieľom sledovať mikrokorekcie vykonávané vodičom a vizuálny monitoring tváre vodiča, kde sú dáta získavané pomocou kamerového systému. Zberom dát z prostredníctvom uvedených troch spôsobov sa kompenzujú nedostatky jedného typu dát dátami získanými zo zvyšných dvoch spôsobov zberu, tzn. je možné presnejšie delegovať ospalosť a únavu vodiča.

Spojením viacefych meraní fyziologických funkcií pomocou diagnostických metód, akými sú fotopletyzmografia (PPG), pulzová oxymetria a elektrokardiografia (EKG) je možné realizovať komplexný systém, ktoiý poskytuje informáciu o srdcovej činnosti (napr. minútová srdcová frekvencia), dýcham, zmenách periférneho prietoku v cievach a nasýtení krvi kyslíkom. Tieto informácie sú nápomocné, po dodatočnom softvérovom spracovaní, pre hodnotenie nielen miery únavy, ale aj ospalosti alebo pozornosti vodiča. Merací systém môže ponúknuť i ďalšie diagnostické informácie o stave meraného subjektu, akými sú miera pružnosti artérií, ktorá môže byť spojená so závažnými civilizačnými ochoreniami, akými sú ateroskleróza a artérioskleróza. Benefitom navrhovaného systému je teda nielen oniine monitorovanie únavy vodiča, ale aj ďalšie bezpečnostné informácie, ktoré môžu varovať vodiča a odporučiť mu primerané kroky, napr. pri jazde na dlhé vzdialenosti, a to na základe diagnostiky jeho kardiovaskulárneho systému. Pridanou hodnotou monitoro

SK 39-2020 A3 vacieho systému, okrem detekcie únavy vodiča, je včasná diagnostika kardiovaskulárnych ochorení.

Podstata vynálezu je založená na nepretržitej interakcii vodiča a inteligentného volantu, kde volant definovaný svojím tvarom a uložením senzorického systému, vytvára možnosť nepretržitého monitorovania spomenutých fýziologických parametrov vodiča, najmä však EKG, SpO2, množstvo etanolu vo vzduchu a ďalších k nim pridružených sprievodných znakov. Tieto údaje sú následne odosielané bezdrôtovou technológiou Bluetooth na server, alebo do aplikácie v inteligentnom telefóne alebo tablete. Tieto dáta sú ukladané, analyzované a spracovávané v reálnom čase.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obrázku č. 1 je zobrazený volant na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča dopravného prostriedku pri pohľade spredu. Obrázok č. 2 zobrazuje pohľad na zadnú časť volantu na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča dopravného prostriedku. Na obrázku č. 3 je zobrazený volant na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča dopravného prostriedku bez stredovej časti, kde je zobrazené usporiadame komponentov vnútri vynálezu. Na obrázku č. 4 je zobrazená schéma zapojenia.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Konkrétny príklad uskutočnenia volantu na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča dopravného prostriedku zobrazený na obrázkoch 1, 2, 3 a 4 je skonštruovaný na použitie v dopravných prostriedkoch, simulačných a výskumných centrách a trenažéroch simulovanej jazdy.

Podstatou vynálezu je obruč 1, ktorej geometria a ergonómia je konštruovaná tak, aby bolo zabezpečené požadované držanie volantu na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča dopravného prostriedku umožňujúce jeho nepretržité monitorovanie. Obruč 1 je spojená so základnou platformou 21 prostredníctvom spojovacích ramien 3 spodných a spojovacích ramien 4 vrchných. Pripojovacia časť 10 je pevne spojená prostredníctvom skrutiek 11 so základnou platformou 21, pričom matica 14, ktorá je súčasťou pripojovacej časti 10, slúži na priskrutkovanie volantu k požadovanému ovládanému zariadeniu.

EKG elektródy 6 sú pevne nalisované a lepené na vonkajší obvod obruče 1 s cieľom nepretržitého kontaktu s dlaňami vodiča. Zosilňovací modul 12 EKG signálu je zapustený v obruči 1. Signál zo zosilňovacieho modulu 12 je spracovaný v EKG module 23. Pulzný oxymeter 9 je umiestnený na obruč 1 v ergonomickom mieste dotyku konca palca vodičovej ruky. Na vrchnej časti obruče 1 sa ďalej nachádza kamerový systém 8 sledujúci biometrické metriky tváre vodiča, najmä očí. Alkohol senzor 7 je tiež umiestnený na vrchnej časti obruče 1, ako na najvhodnejšom mieste pre kontrolu vydychovaného vzduchu vodiča. Na spojovacích ramenách 4 vrchných sa nachádzajú ovládacie prvky 5, ktoré zabezpečujú ovládame a kontrolu periférií dopravného prostriedku a ovládame samotného senzorického systému. Stredová časť 2 je rozoberateľné pripojená k základnej platforme 21, v stredovej časti 2 sú umiestnené LED diódy 20 indikujúce správnu funkčnosť senzorického systému a mikro USB zásuvku 19, na vnútornej strane stredovej časti 2 je fixovaný airbag 15. Na základnej platforme 21 je ďalej upevnené držadlo 18 zdroja 16 elektrického napätia a dosky 17 plošných spojov, pomocou ktorého sa pevne fixuje zdroj 16 elektrického napätia a doska 17 plošných spojov. K základnej platforme 21 je pevne upevnený aj inerciálny senzor 13, ktoiý sníma pohybové vzorce volantu pri vedení dopravného prostriedku.

Senzorický systém volantu je zložený z riadiaceho mikrokontroléra 22, ktoiý je dátovými vodičmi prepojený s inerciálnym senzorom 13 na merame ziýchlenia a uhlovej lýchlosti pohybov volantu, s EKG modulom 23, ku ktorému sú signálovými analógovými vodičmi pripojené k zosilňovaciemu modulu 12, ktoiý zosilňuje a upravuje signálový výstup z EKG elektródy 6 na snímanie elektrokardiogramu. Ďalej je mikrokontrolér 22 dátovými vodičmi prepojený s alkohol senzorom 7 na merame koncentrácie etanolu vo vydychovanom vzduchu vodičom dopravného prostriedku a s pulzným oxymetrom 9 na meranie nasýtenia krvi kyslíkom z priloženého palca ruky. Pomocou dátových vodičov je mikrokontrolér 22 spojený s bezdrôtovým komunikačným modulom 24 s anténou na zabezpečenie prenosu nameraných senzorických údajov do zobrazovacej jednotky, pričom zdroj 16 elektrického napätia, ktoiý slúži na napájame všetkých elektronických súčastí senzorického systému volantu, je pomocou napájacích vodičov pripojený k riadiacemu mikrokontroléru 22, EKG modulu 23, inerciálnemu senzoru 13, pulznému oxymetru 9, alkohol senzoru 7, bezdrôtovému komunikačnému modulu 24 s anténou a ku kamerovému systému 8 s anténou určenému na monitorovanie oblasti tváre vodiča, hlavne oblasti očí a zasielame získaných obrazových údajov do zobrazovacej jednotky na vizualizáciu a ďalšie spracovanie. Zdroj 16 elektrického napätia je pomocou obvodu 25 manažmentu nabíjania batérie napojený na mikro USB zásuvku 19 na nabíjame batérie z externého zdroja napätia.

SK 39-2020 A3

Priemyselná využiteľnosť

Vynález je možné použiť v dopravných prostriedkoch naprieč celým spektrom automobilového priemyslu, ďalej je možné ho použiť aj v iných druhoch transportnej dopravy ako napr. železničná doprava či iný 5 spôsob dopravy, kde je potrebné monitorovať vodiča. Vynález je tiež možné použiť do simulačných centier pre trenažéry simulovanej jazdy a podobne.

SK 39-2020 A3

Zoznam vzťahových značiek

- Obruč

- Stredová časť

- Spojovacie ramená spodné

- Spojovacie ramená vrchné

- Ovládacie prvky

- EKG elektródy

- Alkohol senzor

- Kamerový systém s anténou

- Pulzný oxymeter

- Pripojovacia časť

- Skrutky

- Zosilňovací modul

- Inerciálny senzor

- Matica

- Airbag

- Zdroj elektrického napätia

- Doska plošných spojov

- Držiak zdroja a DPS

- Mikro USB zásuvka

- LED diódy

- Základná platforma

- Riadiaci mikrokontrolér

- EKG modul

- Bezdrôtový komunikačný modul s anténou

- Obvod manažmentu nabíjania batérie

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Volant na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča dopravného prostriedku, vyznačujúci sa tým, že pozostáva z obruče (1), ktorá je spojená so základnou platformou (21) prostredníctvom spojovacích ramien (3) spodných a spojovacích ramien (4) vrchných, pričom so základnou platformou (21) je pevne spojená prostredníctvom skrutiek (11) pripojovacia časť (10) obsahujúca maticu (14) na priskrutkovanie volantu k požadovanému ovládaciemu zariadeniu, ďalej je k základnej platforme (21) rozoberateľné pripojená stredová časť (2), v ktorej sú umiestnené LED diódy (20) na indikovanie správnej funkčnosti senzorického systému a mikro USB zásuvka (19), pričom na vnútornej strane stredovej časti (2) je fixovaný airbag (15), ďalej je na základnej platforme (21) upevnené držadlo (18) zdroja (16) elektrického napätia a dosky (17) plošných spojov na ich fixáciu, pričom k základnej platforme (21) je pevne upevnený aj inerciálny senzor (13), pričom samotný senzorický systém volantu na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča je zložený z riadiaceho mikrokontroléra (22), ktoiý je dátovými vodičmi prepojený s inerciálnym senzorom (13) na merame zrýchlenia a uhlovej lýchlostí pohybov volantu, s EKG modulom (23), ku ktorému sú signálovými analógovými vodičmi pripojené EKG elektródy (6) na snímanie elektrokardiogramu, ktoré sú pevne nalisované a lepené na vonkajší obvod obruče (1) v miestach držania a ovládania volantu, ďalej je mikrokontrolér (22) dátovými vodičmi prepojený s alkohol senzorom (7) umiestneným na vrchnej časti obruče (1) na merame koncentrácie etanolu vo vydychovanom vzduchu vodičom a s pulzným oxymetrom (9), ktoiý je umiestnený na obruči (1) v ergonomicky vyhovujúcom mieste kontaktu konca palca vodičovej ruky na merame nasýtenia krvi kyslíkom, ďalej je pomocou dátových vodičov mikrokontrolér (22) spojený s bezdrôtovým komunikačným modulom (24) s anténou na zabezpečenie prenosu nameraných senzorických údajov do zobrazovacej jednotky, pričom zdroj (16) elektrického napätia je pomocou napájacích vodičov pripojený k riadiacemu mikrokontroléru (22), EKG modulu (23), inerciálnemu senzoru (13), pulznému oxymetru (9), alkohol senzora (7), bezdrôtovému komunikačnému modulu (24) s anténou a ku kamerovému systému (8) s anténou.
2. 2. Volant na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča dopravného prostriedku podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že na spojovacích ramenách (4) vrchných sa nachádzajú ovládacie prvky (5) na zabezpečenie ovládania a kontroly periférií dopravného prostriedku a samotného senzorického systému.
3. 3. Volant na monitorovanie vitálnych funkcií vodiča dopravného prostriedku podľa nárokov 1 a 2, vyznačujúci sa tým, že zdroj (16) elektrického napätia je pomocou obvodu (25) manažmentu nabíjania batérie napojený na mikro USB zásuvku (19) na nabíjame batérie z externého zdroja napätia.