Prezentováno na 4. mezinárodní konferenci o výzvách, příležitostech, inovacích a aplikacích v elektronickém textilu, Nottingham, Spojené království, 8.–10. listopadu 2022.
Ing. Proč. 2023, 30(1), 7; https://doi.org/10.3390/engproc2023030007
Publikováno: 20 Leden 2023
Abstraktní
Tkaný kapacitní senzor je prezentován jako nový automobilový senzor obsazení sedadel. Tkaný kapacitní senzor byl vyvinut jako odpověď na jednu z nejobtížnějších výzev, kterým automobilový sektor v posledních několika letech čelil: falešné poplachy senzoru obsazenosti sedadel. Navržený senzor demonstruje bezchybnou detekci osoby v sedě pomocí detekce změny permitivity kolem ní a umožňuje rozlišení mezi osobou a předmětem se stejnou hmotností.
1. Úvod
Automobilové senzory obsazení sedadel již řadu let používají automobilky k detekci přítomnosti sedící osoby a aktivaci zvukového alarmu bezpečnostních pásů. Silově citlivé rezistory (FSR) [1] byly nejběžnějšími senzory používanými automobilovými společnostmi k detekci přítomnosti osoby na sedadlech automobilu. FSR jsou piezorezistivní snímače, které detekují změnu tlaku na povrch sedadla vyvolávající změnu odporu. Osoba je detekována nastavením minimálního prahového tlaku, který je nastaven na senzorech, aby se zabránilo aktivaci zvukového alarmu bezpečnostního pásu světelným předmětem. Stále však existují falešné poplachy vyvolané těžkými předměty, které tento práh překračují.
V [2] je prezentován ohebný odporový snímač, který se vyrábí vrstvením různých materiálů, jako alternativa k FSR. Prezentovaný flexibilní senzor lze integrovat do tkaniny sedadla nebo těsně pod něj. Protože však pracovním principem snímače je změna odporu v důsledku změny použité síly, stále existuje možnost falešných poplachů způsobených těžkými předměty.
Byly učiněny pokusy změnit povahu snímače FSR pro kapacitní snímač. Cílem je zabránit falešné detekci vyvolané těžkými předměty. V [3] je prezentován kapacitní senzor sedadla pro detekci vícenásobného obsazení. Prezentovaný kapacitní senzor mění svou hodnotu v závislosti na vlastnostech osoby, na které sedí. Senzor se skládá z hliníkové fólie integrované na sedle. Měří se dvě kapacity: jedna se měří mezi spodní částí podvozku vozu a hliníkovou fólií a druhá se měří mezi horní částí podvozku a hliníkovou fólií. Obě měření berou v úvahu široké prostory, což by mohlo znamenat více možností produkovat falešné detekce.
V tomto článku představuje automobilový senzor krok vpřed. Kapacitní snímač je integrován do tkaniny sedadla. Protože jsou obě elektrody senzoru v textilii, je kapacita ovlivněna bližším okolím a kontaktem, čímž se zabrání měření dlouhých oblastí, které by mohly znamenat nové falešné pozitivní výsledky.
Příspěvek je organizován následovně: Část 2 pokrývá materiály, metody a podrobnosti o charakterizaci. V části 3 jsou uvedeny a diskutovány experimentální výsledky. Závěry jsou nakonec shrnuty v části 4.
2. Materiály a metody
Navrhovaný senzor obsazení sedadel v automobilech je založen na interdigitální struktuře, která je integrována do struktury tkaniny. Obrázek 1 ukazuje strukturu integrovaného senzoru. Textilní kapacitní senzor byl vyroben z komerční vodivé příze Bekaert. Příze byla vyrobena metodou prstencové příze, kdy vodivá nerezová vlákna byla smíchána s polyesterovými vlákny v poměru 40/60 %. Výsledná příze má lineární odpor 50 Ω/cm.
Pro výrobu textilního kapacitního senzoru byla interdigitální struktura postavena během procesu tkaní látky pomocí tkacího stroje Dornier LWV8/J 71 pohybovaného Jacquard Stäubli LX1600B. Některé osnovní nitě byly nahrazeny vodivými nitěmi pro přípravu vertikálních elektrod. Útkové příze byly zaváděny normálně útkovým systémem. Tkaninu tvořily bavlněné příze v osnově a směsové příze bavlna-polyester v útku.
Textilní kapacitní senzor je zabudován přes autosedačku, jak je vidět na obrázku 2. Jedna ze stran senzoru má dva západkové spoje, kde je senzor připojen k mikrokontroléru, který měří hodnotu senzoru. Mikrokontrolér provádí běžnou metodu nabíjení-vybíjení pro vyhodnocení hodnoty kapacity snímače; tato metoda byla dále vysvětlena a studována v předchozích pracích [4].
Pro studium chování textilního kapacitního senzoru nad autosedačkou byly hodnoceny tři případy: osoba, těžký předmět a láhev s vodou. Obecný postup je pro každý případ podobný. Test začíná s neobsazeným sedadlem. Poté, po stabilizační době, je studovaná osoba nebo předmět umístěn nad senzor na 10 sekund. Později se vyřadí a senzor povrchu zůstane opět volný. Autosedačka pak zůstala neobsazena dalších 10 s. Tento exponovaný cyklus byl opakován 4krát pro každý případ.
3. Výsledky a diskuse
Vyhodnocují se tři případy: lidé, těžký předmět a láhev s vodou. Obrázek 3 ukazuje experimentální výsledky pro dvě osoby.
Jak je vidět, oba případy jasně rozlišují mezi obsazeným (modré zóny) a prázdným stavem. Hodnoty prázdného stavu se pohybují kolem 10 % změny kapacity, což znamená mírný nárůst od začátku prázdného stavu. Toto zvýšení bylo způsobeno vlhkostí nebo jinými látkami zadrženými látkou po každém cyklu, který osoba provedla.
Mezitím, když osoba seděla nad senzorem, kolísání kapacity zaznamenalo výrazný nárůst a dosáhlo hodnot kolem 100 % změny kapacity. Mezi oběma lidmi existují určité rozdíly v grafu. Tyto změny by mohly souviset s fyzikálními vlastnostmi lidského těla, které by mohly ovlivnit permitivitu, ale mohly by také souviset s umístěním hýždí nad senzorem. Poslední situace byla pozorována na třetím pulzu osoby 1 (souvislá čára), kde byla odchylka kapacity nižší v důsledku nesprávného umístění jejich těla.
Nakonec byl proveden test s objektem. K měření byl připraven pytel o hmotnosti 20 kg a 2 l láhev vody. Výsledky jsou uvedeny na obrázku 4. Je důležité zdůraznit, že maximální hodnota získaná senzorem, když je detekován objekt, je 32 % z plné odchylky kapacity.
Cyklus byl proveden pro 20 kg pytel, jak je v grafu znázorněno přerušovanou čarou, ale senzor nevykazuje žádnou významnou odezvu ve srovnání s detekcí osoby. Vak o hmotnosti 20 kg byl detekován s maximální hodnotou 31% změny kapacity. Změna kapacity souvisela s rozdílem permitivity mezi tkaninou senzoru a tkaninou sáčku. V případě láhve s vodou, znázorněné souvislou čarou, pozorované hodnoty ukazují, že senzor byl schopen rozpoznat, kdy byla láhev umístěna. Voda uvnitř láhve vyvolala změnu v okolní permitivitě, která vedla k zaznamenání 20% změny plné kapacity. Jak je vidět v obou případech, hmotnost měřeného předmětu není pro změnu kapacity relevantní, protože kapacita je ovlivněna pouze permitivitou.
V případě snímání těla osoby lze pozorovat, jak se během stavu prázdnoty senzor nevrátí na výchozí hodnotu kvůli zbývající vlhkosti z těla osoby; mezitím v případě objektu tento efekt není pozorován.
Měření osob demonstruje funkčnost kapacitního senzoru přítomnosti pro rozlišení mezi obsazenými a prázdnými situacemi. Odezva pro osobu je jasně odlišitelná od předmětu, i když je na senzor umístěna láhev s vodou. Proto by tento senzor mohl vyřešit falešné poplachy vyvolané FSR senzorem v automobilových aplikacích a poskytnout nový způsob měření přímo integrovaný do čalounění.
4. Závěry
V této práci je prezentován senzor obsazení sedadel v automobilech založený na technologii e-textilie. Senzor, založený na tkaném kapacitním senzoru, řeší problém, kterým trpí FSR senzory. Senzor je schopen odlišit osobu od objektu díky rozdílům v permitivitě mezi nimi. Senzor lze integrovat také přímo do čalounění autosedačky, čímž se ušetří místo, kde by se jinak instalovaly senzory FSR.
Autorské příspěvky
Konceptualizace, M.M.-E. a R.F.-G.; metodika, M.M.-E.; validace, M.M.-E., R.F.-G.; formální analýza, M.M.-E., I.G. a R.F.-G.; vyšetřování M.M.-E.; data curation, M.M.-E.; psaní – příprava původního návrhu, M.M.-E.; psaní – recenze a úpravy, M.M.-E., I.G. a R.F.-G.; dohled, I.G. a R.F.-G.; administrace projektu, I.G. a R.F.-G.; získávání finančních prostředků, I.G. a R.F.-G. Všichni autoři si přečetli publikovanou verzi rukopisu a souhlasí s ním.
Financování
Tento výzkum byl financován španělskou vládou „Ministerio de ciencia e innovacion“ PID2021 124288OB I00 a AGAUR 2020FI-B 00028.
Prohlášení Institucionální kontrolní komise
Informované prohlášení o souhlasu
Prohlášení o dostupnosti údajů
Údaje prezentované v této studii jsou k dispozici v článku a jsou uvedeny v každém grafu. Kromě uvedených nejsou k dispozici žádné další údaje.
Střet zájmů
Autoři neuvádějí žádný střet zájmů.
Reference
- Propojit elektroniku vyrábí. Rezistory pro snímání síly Přehled technologie. p. 25. Dostupné online: https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf (přístup 15. listopadu 2022).
- Anwary, A.R.; Vassallo, M.; Bouchachia, H. Monitorování prodlouženého a asymetrického držení těla pro zlepšení chování při sezení. In Proceedings of the 2020 International Conference on Data Analytics for Business and Industry: Way Towards a Sustainable Economy (ICDABI), Sakheer, Bahrajn, 26.–27. října 2020. [Google Scholar] [CrossRef]
- Zeeman, A.S.; Booysen, M. J.; Ruggeri, G.; Lagana, B. Kapacitní senzory sedadel pro detekci vícenásobného obsazení pomocí levného nastavení. In Proceedings of the 2013 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Kapské Město, Jižní Afrika, 25.–28. února 2013; s. 1228–1233. [Google Scholar] [CrossRef] [Zelená verze]
- Marc, M.E.; Ignacio, G.; Raul, F.G. Chytrý textilní systém pro detekci úniku moči. IEEE Sens. J. 2021, 21, 26234-26242. [Google Scholar] [CrossRef]
Obrázek 1. Interdigitální struktura zavedená do struktury tkaniny.
Obrázek 1. Interdigitální struktura zavedená do struktury tkaniny.
Obrázek 2. Textilní kapacitní senzor zabudovaný přes autosedačku.
Obrázek 2. Textilní kapacitní senzor zabudovaný přes autosedačku.
Obrázek 3. Cykly testu přítomnosti pro dvě různé osoby: Osoba 1 (souvislá černá čára); Osoba 2 (přerušovaná červená čára); detekční zóny (modře stínovaná zóna).
Obrázek 3. Cykly testu přítomnosti pro dvě různé osoby: Osoba 1 (souvislá černá čára); Osoba 2 (přerušovaná červená čára); detekční zóny (modře stínovaná zóna).
Obrázek 4. Odezva senzoru přítomnosti na předměty: 2 l vody (souvislá černá čára); těžký pytel (20 kg) (přerušovaná červená čára); detekční zóny (modře stínovaná zóna).
Obrázek 4. Odezva senzoru přítomnosti na předměty: 2 l vody (souvislá černá čára); těžký pytel (20 kg) (přerušovaná červená čára); detekční zóny (modře stínovaná zóna).
Zřeknutí se odpovědnosti / Poznámka vydavatele: Prohlášení, názory a údaje obsažené ve všech publikacích jsou výhradně výroky jednotlivých autorů a přispěvatelů, nikoli MDPI a/nebo editorů. MDPI a/nebo redaktoři se zříkají odpovědnosti za jakékoli zranění osob nebo majetku vyplývající z jakýchkoli nápadů, metod, pokynů nebo produktů uvedených v obsahu.
© 2023 od autorů. Držitel licence MDPI, Basilej, Švýcarsko. Tento článek je otevřeným článkem distribuovaným za podmínek licence Creative Commons Attribution (CC BY) (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Sdílejte a citujte
Styl MDPI a ACS
Martínez-Estrada, M.; Gil, I.; Fernández-García, R. Automobilový senzor obsazení sedadel založený na technologii e-Textile. Ing. Proč. 2023, 30, 7. https://doi.org/10.3390/engproc2023030007
Martínez-Estrada M, Gil I, Fernández-García R. Automobilový senzor obsazení sedadel založený na technologii e-Textile. Inženýrský sborník. 2023; 30(1):7. https://doi.org/10.3390/engproc2023030007
Styl Chicago / Turabian
Co je kalibrace snímače hmotnosti sedadla？
Kalibrace snímače hmotnosti sedadel je proces používaný v automobilových systémech k zajištění přesných měření hmotnosti umístěné na sedadlech vozidla. Snímač hmotnosti sedadla je obvykle integrován do konstrukce sedadla a je navržen tak, aby detekoval přítomnost a hmotnost cestujících.
Je nutné kalibrovat snímač hmotnosti sedadla?
Je nutná kalibrace snímače hmotnosti sedadla. Protože odchylky v konstrukci sedadla, odpružení a další faktory mohou ovlivnit přesnost snímače.
Během procesu kalibrace jsou hodnoty senzoru upraveny tak, aby odpovídaly známému standardu hmotnosti nebo referenčnímu bodu. To zajišťuje, že senzor poskytuje přesné měření hmotnosti a může účinně aktivovat nebo deaktivovat bezpečnostní systémy, jako jsou airbagy nebo napínače bezpečnostních pásů, na základě hmotnosti cestujícího.
Jak funguje snímač hmotnosti sedadla?
Snímač hmotnosti sedadla, známý také jako snímač hmotnosti cestujících nebo systém klasifikace cestujících, je zařízení určené k detekci přítomnosti a hmotnosti cestujících sedících na sedadlech vozidla. Běžně se používá ve vozidlech vybavených pokročilými bezpečnostními systémy, jako jsou airbagy, napínače bezpečnostních pásů nebo nastavení polohy sedadel, aby se zvýšila bezpečnost cestujících.
Konstrukce a technologie se mohou u jednotlivých výrobců lišit, ale snímače hmotnosti sedadla obecně využívají jednu nebo více z následujících možností:
1. Snímání tlaku: Některé snímače hmotnosti sedadla používají prvky citlivé na tlak, jako jsou piezoelektrické snímače nebo fólie citlivé na tlak. Tyto prvky generují elektrický signál, když je aplikován tlak. Strategickým umístěním těchto senzorů v sedadle může senzor měřit rozložení tlaku a odhadnout hmotnost cestujícího.
2. Kapacitní snímání: Při této metodě používá snímač hmotnosti sedadla kapacitní desky nebo elektrody. Když je na sedadlo aplikováno zatížení, způsobí to změnu vzdálenosti mezi těmito deskami a změní kapacitu. Elektronika snímače měří tuto změnu kapacity a převádí ji na odečet hmotnosti.
3. Tenzometr: Toto je jedna z nejběžnějších technik používaných v senzorech hmotnosti sedadla. Zahrnuje použití tenzometrů, což jsou odporové prvky, které mění svůj elektrický odpor, když jsou vystaveny mechanickému namáhání nebo tlaku. Senzor je integrován do konstrukce sedadla a při působení hmotnosti na sedadlo se deformují tenzometry, což způsobuje změnu odporu. Tato změna odporu je měřena a převedena na hodnotu hmotnosti elektronickým obvodem snímače.
4. Optické snímání: Optické snímače lze také použít k detekci hmotnosti sedadla. Tyto senzory využívají světelné paprsky a optické detektory k měření průhybu nebo posunutí způsobeného hmotností cestujícího. Změny ve světelném vzoru jsou pak analyzovány za účelem stanovení hmotnosti.
Senzory hmotnosti sedadel jsou navrženy tak, aby byly vysoce citlivé a přesné, což jim umožňuje rozlišovat mezi cestujícími různých velikostí, od dětí po dospělé. To umožňuje bezpečnostním systémům vozidla přiměřeně reagovat a poskytovat optimální ochranu v případě kolize.
Jak kalibrovat snímač hmotnosti sedadla?
Kalibrace snímačů hmotnosti sedadla obvykle vyžaduje specializované diagnostické zařízení nebo postupy specifické pro výrobce. Různé značky a modely vozidel mohou vést k různým metodám kalibrace. Zde jsou obecné kroky zahrnuté v procesu kalibrace:
1. Příprava: Ujistěte se, že vozidlo stojí na rovném povrchu s vypnutým motorem a vyjmutým klíčkem ze zapalování. Je také důležité se ujistit, že na sedadle, které je kalibrováno, nejsou žádné předměty nebo další závaží.
2. Diagnostické zařízení: Pokud proces kalibrace vyžaduje diagnostické zařízení, připojte příslušné zařízení k portu palubní diagnostiky (OBD) vozidla. Postupujte podle pokynů výrobce zařízení.
3. Inicializace senzoru: Některá vozidla mohou mít automatický proces inicializace senzoru, ke kterému dochází při nastartování vozidla. V takových případech může stačit zapnout zapalování a nechat inicializovat systémy vozidla.
4. Manuální kalibrace: Je-li vyžadována manuální kalibrace, obvykle zahrnuje následování specifické sekvence činností, jako je sezení v sedadle se specifickým závažím nebo provádění specifických pohybů či úprav. Tyto akce jsou navrženy tak, aby spustily senzor a umožnily mu kalibrovat se na základě známé hmotnosti nebo referenčních bodů. Konkrétní kroky se budou lišit v závislosti na výrobci a modelu vozidla.
5. Ověření: Po dokončení procesu kalibrace je důležité ověřit přesnost snímače. To lze provést kontrolou údajů o hmotnosti na displeji vozidla nebo provedením funkčního testu, jako je nastavení polohy sedadla nebo aktivace systému airbagů, aby se zajistilo, že snímač správně reaguje.
Kalibrace snímače hmotnosti sedadla je choulostivý postup a nesprávná kalibrace může vést k nepřesným údajům o hmotnosti a potenciálně ohrozit výkon bezpečnostních systémů. Proto se doporučuje spolehnout se na autorizovaná servisní střediska nebo kvalifikované automobilové techniky, kteří mají potřebné znalosti a přístup ke správným kalibračním postupům a vybavení pro vaše konkrétní vozidlo.
Mají sedadla řidiče snímače hmotnosti?
Ano, sedadla řidiče v moderních vozidlech mají často nainstalované snímače hmotnosti nebo systémy klasifikace cestujících (OCS). Účelem snímače hmotnosti sedadla řidiče je poskytovat důležité informace bezpečnostním systémům vozidla, jako jsou airbagy, napínače bezpečnostních pásů nebo nastavení polohy sedadla, za účelem optimalizace jejich funkčnosti na základě hmotnosti řidiče.
Díky přesné detekci hmotnosti řidiče umožňuje snímač hmotnosti sedadla bezpečnostním systémům vozidla odpovídajícím způsobem upravit svou reakci. Například v případě kolize může být rozvinutí airbagu jemně vyladěno na základě hmotnosti řidiče, aby byla zajištěna optimální ochrana. Kromě toho lze napínače bezpečnostních pásů nastavit na vhodnou úroveň v závislosti na hmotnosti řidiče a zajistit tak správné zadržení při nárazu.
Snímač hmotnosti sedadla řidiče pracuje na podobných principech jako ostatní snímače hmotnosti sedadla ve vozidle. Snímač hmotnosti sedadla řidiče je spolu s dalšími snímači hmotnosti sedadla ve vozidle nedílnou součástí bezpečnostních systémů cestujících. Tyto senzory přispívají k celkové účinnosti bezpečnostních prvků a pomáhají zajistit správné nasazení a fungování bezpečnostních systémů na základě hmotnosti a přítomnosti cestujících.
Jakou hmotnost by měl mít snímač sedadla spolujezdce?
Hmotnostní práh nebo specifikace pro senzor sedadla spolujezdce se může lišit v závislosti na značce vozidla, modelu a konstrukci bezpečnostního systému. Neexistuje žádná univerzálně pevná váha, která by platila pro všechny senzory sedadla spolujezdce. Hmotnostní práh je určen výrobcem vozidla a je založen na faktorech, jako jsou bezpečnostní předpisy, požadavky na ochranu cestujících a konkrétní technické aspekty vozidla.
Chcete-li určit prahovou hodnotu specifické hmotnosti pro snímač sedadla spolujezdce, můžete se podívat do návodu k obsluze vozidla nebo se obrátit na výrobce nebo autorizované servisní středisko. Budou mít nejpřesnější a nejaktuálnější informace týkající se hmotnostních specifikací a požadavků na snímač sedadla spolujezdce ve vašem konkrétním modelu vozidla.
Hmotnostní práh je nastaven tak, aby byla zajištěna správná funkce a účinnost bezpečnostních systémů vozidla, takže je důležité dodržovat pokyny výrobce a nemanipulovat ani neupravovat systém senzorů sedadla.
