一种智能汽车座垫及其测量方法与流程

本发明涉及一种汽车用品，尤其涉及一种智能汽车坐垫及其测量方法。

背景技术：

近些年随着我国的汽车制造技术的迅猛发展，越来越多的人开始驾驶汽车或者乘坐公共汽车作为自己出行的方式。汽车作为一种快捷灵活的交通工具，为我国人民的生活带来了极大的便捷，也为我国经济发展做出了极大的贡献，但是这种交通工具的广泛使用也直接导致了很多的交通事故发生。造成车祸的原因有很多种，但是造成重大车祸以至于导致人员伤亡的原因有很大一部分是因为驾驶人员在驾驶过程中醉酒和疲劳。

目前市场上的安全驾驶科技都是集中在车辆本身的安全性能，如安全气囊、行车记录仪、碰撞预警、盲区探测等。这些技术虽然可以一定程度上提高了驾驶过程中的安全性，但是在整个驾驶过程中，驾驶人员才是整个车辆的控制核心。这些技术都不能反映出驾驶员的生理状态，一旦驾驶人员出现饮酒驾驶和疲劳驾驶的状态，整个驾驶过程中安全性将得不到保证。虽然现在无人驾驶技术发展十分快速，并且可以完全解决疲劳驾驶和酒后驾驶的问题，但是无人驾驶技术其网络安全问题、成本问题和应急事件处理能力目前还难以被大规模的使用。

驾驶人员在驾驶过程中接触最为直接的物体就是汽车的坐垫，因此把坐垫作为采集驾驶人员生理状态的介质最为合适。但是目前市场上的智能汽车坐垫大多都是制冷、制热、按摩等功能、这些功能只是提高了驾驶过程中的舒适度，不具有检测驾驶员疲劳驾驶和检测是否饮酒等功能，也不能根据驾驶人员生理状态做出恰当的反馈。例如申请号为201620112647.8的中国专利公开了一种四季通用多功能智能汽车坐垫，该坐垫具有按摩、加热、通风等功能，但是不具有人体生理状态监测功能。申请号201520831514.9的中国专利公开了一种智能汽车坐垫装置，该装置可以监控驾驶人员健康状况且有效缓解疲劳驾驶，但是该专利没有提出具体生理健康指标测量与计算方式。可以看出目前市场上这类可以检测驾驶人员的生理状态的智能坐垫还是比较稀少，这类产品具有较大的开发价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种智能汽车座垫及其测量方法，以有效地检测汽车在行驶过程中驾驶车辆人员的生理状态包括坐姿、疲劳度、是否饮酒等，提高驾驶过程中的安全性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种智能汽车坐垫，其特征是，包括坐垫主体以及依附在坐垫周围的酒精传感器；所述的坐垫主体包括由上至下依次叠置的压电薄膜层、柔性电路层和电容薄膜层，所述的压电薄膜层下表面和柔性电路层上表面之间由第一柔性绝缘胶层连接，所述的柔性电路层下表面和电容薄膜层上表面之间由第二柔性绝缘胶层连接；所述的压电薄膜层上、下表面分别设置有第一电极和第二电极，所述的第一电极和第二电极引出后与柔性电路层的信号处理电路相连接；所述的电容薄膜层上、下表面分别设有横向导电胶带和纵向导电胶带，所述的横向导电胶带和纵向导电胶带引出后与柔性电路板的信号处理电路相连接；压电薄膜呈多s弯形均匀分布在整个压电薄膜层上。

进一步地，所述的柔性电路层包括电源模块、传感器模块、信号处理模块、信号采集与分析模块和信号存储发送模块，所述的电源模块包括基准电压源、模拟电源、数字电源，基准电压源为传感器模块中的酒精传感器供电，模拟电源为传感器信号输出后的信号处理模块供电，数字电源为信号采集与分析模块和信号存储发送模块供电；所述的信号处理模块包括处理酒精传感器输出信号的电压放大电路和低通滤波电路，处理压电薄膜输出信号的电荷放大器和工频滤波电路，处理电容阵列输出信号的多路模拟开关；所述的信号采集与分析模块包括高精度adc、高速adc、多通道cdc、fpga和微处理器，所述的高精度adc、高速adc、多通道cdc分别与fpga相连接，所述的fpga与微处理器相连接，所述的微处理器还与多路模拟开关相连接；所述的信号存储与发送模块包括rom和蓝牙，所述的rom和蓝牙与所述微处理器相连接。

进一步地，所述的电容薄膜层包括多个柔性电容式压力传感器构成的多个压力传感器阵列、压力传感器阵列上表面的横向柔性导电胶带和压力传感器阵列下表面的纵向柔性导电胶带，电容薄膜层上表面的同一行的电极由导电胶带横向连接，下表面同一列的电极由导电胶带纵向连接，上下表面的导电胶带构成一个压力传感器测量矩阵；单个柔性电容式压力传感器上下表面分别有引出的两个测量电极，引出的测量电极与柔性电路层的多路模拟开关相连接。

进一步地，所述酒精传感器设置在坐垫主体的四个顶点处，其引出电极与柔性电路层的酒精传感器信号处理电路相连。

进一步地，还包括坐垫主体的保护外套，所述保护外套的材质为聚氯乙烯。在应用时，将整个智能汽车坐垫放置在聚氯乙烯保护外套内，电源线从保护外套留有的接口引出，并接通电源。保护外套四周设置有固定卡扣用于将智能汽车坐垫固定在汽车座椅上。

进一步地，所述电容薄膜层的压力传感器阵列包括三种密度的传感器阵列，分别为单位面积内9*9、5*5、3*3个数的传感器单元密度的阵列。对于人体与坐垫接触较多的区域，放置9*9密度的传感器拍排布，对于边缘区域放置3*3密度的传感器。剩余的中间区域，采用5*5的密度传感器排布。

进一步地，所述压电薄膜层的材质为pvdf。

进一步地，所述的酒精传感器为mq-3酒精气体传感器。其使用的气敏材料为在清洁空气中导电率较低的二氧化锡。当传感器存所处的环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增大而增大。所以即可根据此原理将空气中酒精浓度信号转换为电信号来进行测量。

本发明还提供了一种智能汽车坐垫的测量方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)将智能汽车坐垫固定在汽车座椅上，接通电源，智能汽车坐垫开始工作；

(2)fpga驱动压电薄膜对应的高速adc，如果检测到adc测量的电压大于vg的值，则检测到有人坐在汽车坐垫上，随后fpga开启所有测量通道，包括高精度adc通道、高速adc、和多通道cdc；

(3)fpga驱动高精度adc采集智能汽车坐垫四个引脚的酒精传感器输出电压值，然后换算成空气中的浓度值d1、d2、d3、d4，计算出平均酒精浓度为 和预设的酒精浓度预警值dg相比较，判断酒精浓度是否超标；

(4)fpga和微控制器协同工作，微控制器驱动多路模拟开关，选择被测量区域的电容，fpga驱动多通道cdc测量被选择区域的电容值记下cxy，其对应的压力值为fxy，依次扫描并测量智能坐垫所有区域的电容值，得到汽车驾驶人员在智能汽车坐垫上的压力分布模型m；建立标准坐姿的压力分布模型m'，计算标准坐姿压力分布模型m'和测量的压力分布模型m的欧氏距离d＝|m-m'|,将d作为测量的压力分布模型对标准压力分布模型的偏离程度判断依据，如果经过计算得到d超过了允许阈值d'，则认为驾驶人员坐姿不标准，则通过蓝牙模块发送信息给车身控制器，提醒驾驶员调整坐姿以减轻驾驶过程中产生的疲劳；

(5)在驾驶过程中，fpga驱动高速adc测量压电薄膜经过对应信号处理电路输出的信号，fpga将采集的信号发送给微处理器，微处理器对采集的信号进行基函数db4的小波分解，提取出经过小波分解后的心率和呼吸信号；设定每五分钟测定一次人体的疲劳状态，则t时刻的呼吸和心率频率分别为a(t)和h(t)，五分钟时间内的平均呼吸和心率频率为 和 计算出心率和呼吸的标准方差分别为 和 和 分别反映了呼吸和心率在这一段时间内的波动程度，当 和 时，认为驾驶人员出现了临界疲劳的状态，智能汽车坐垫通过蓝牙模块发送信号给车身控制器，建议驾驶人员停车休息。

进一步地，判断酒精浓度是否超标的方法为：

(1)如果 表示空气中酒精浓度较低，车内人员不存在饮酒情况，智能坐垫通过蓝牙模块发送信号给车身控制器，授予驾驶人员启动权限；

(2)如果 且 d为浓度偏移容许值，表示车内酒精浓度超过警戒值，但是测量的酒精浓度是由于其他座位上的乘客引起的，处理情形同第一种情况；

(3)如果 且 表示驾驶人员已经饮酒，智能坐垫通过蓝牙模块发送信号给车身控制器，锁定驾驶人员汽车发动点火权限，并发出警报声，提示驾驶人员已经饮酒，不适宜驾驶车辆。

本发明所达到的有益效果：本发明智能汽车坐垫，通过坐垫里面的传感器采集人体的心率、呼吸、压力分布、空气酒精浓度等信息，通过收集的信息判断驾驶人员是否饮酒、坐姿是否舒适、疲劳程度等生理状态，针对不同的情况给出对应的驾驶建议。与现有技术相比，具有以下进步：

1.压电薄膜以多s弯形可以均匀分布在坐垫上，这样的布局方式减少了用料，节省了制造成本。

2.电容薄膜的多密度布局方式符合人体结构，节省材料的同时又提高了测量精度。

3.电容薄膜设置在了最底层，不与人体直接接触，有效减小人体肌电效应对测量结果的影响。

4.整个测量过程无需驾驶人员佩戴任何特殊器件，也无需驾驶人员作出任何特殊动作，这样的非接触式测量方式减轻了被测量人的心里负担，提高了测量准确性。

5.整个智能床垫的电路以柔性电路材料制造而成，缩小产品的尺寸，套上保护套后，提升了坐垫的美观程度，产品与普通坐垫外观上无明显区别，更利于大众接受。

6.本发明所有点的反馈信息都是通过蓝牙发送到车身控制器，由车身控制器去完成反馈动作，减少了汽车坐垫的制造成本。

综上，本发明可准确检驾驶人员的生理状态，并针对性地作出一些反馈和建议，能提高了驾驶过程的舒适性和安全性。

附图说明

图1是本发明的智能汽车坐垫剖面示意图；

图2是本发明的智能汽车坐垫俯视示意图；

图3是本发明的电容薄膜层示意图；

图4是本发明的柔性电路层功能示意图；

图5是本发明的测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参考图1、图2，本发明的智能汽车坐垫：包括坐垫主体7以及依附在坐垫周围的四个酒精传感器9、12、19、21。

参考图1、图2，汽车坐垫主体包括由上至下依次叠置的压电薄膜层4、柔性电路层6、电容薄膜层16；其中压电薄膜层4下表面和柔性电路层6上表面之间由第一柔性绝缘胶层5连接，柔性电路层6下表面和电容薄膜层16上表面之间由第二柔性绝缘胶层15连接；压电薄膜层4上、下表面分别设置有第一电极2和第二电极3，第一电极2和第二电极3引出后与柔性电路层6的信号处理电路连接；电容薄膜层16上、下表面分别设有横向导电胶带14和纵向导电胶带13，横向导电胶带14和纵向导电胶带13引出后与柔性电路层6的信号处理电路连接；压电薄膜在坐垫上呈多s弯形均匀分布在整个压电薄膜层4上。

参考图4，柔性电路层6包括电源模块、传感器模块、信号处理模块、信号采集与分析模块、信号存储发送模块。其中电源模块包括基准电压源、模拟电源、数字电源，基准电压源为传感器模块中的酒精传感器供电，模拟电源为传感器信号输出后的信号处理模块供电，数字电源为信号采集与分析模块和信号存储发送模块供电；信号处理模块包括处理酒精传感器输出信号的电压放大电路和低通滤波电路，处理压电薄膜输出信号的电荷放大器和工频滤波电路，处理电容阵列输出信号的多路模拟开关；信号采集与分析模块包括高精度adc(模拟数字转换器)、高速adc多通道cdc(电容数字转换器)、fpga(现场可编程门阵列)和微处理器，高精度adc、高速adc、多通道cdc分别与fpga相连接，fpga与微处理器相连接，微处理器还与多路模拟开关相连接；信号存储与发送模块包括蓝牙和rom(只读存储器)；，rom和蓝牙与微处理器相连接。

参考图1、图3，电容薄膜层16由包括多个柔性电容式压力传感器22构成的多个压力传感器阵列23(24、25)、压力传感器阵列上表面的横向柔性导电胶带14和压力传感器阵列下表面的纵向柔性导电胶带13，电容薄膜层16上表面的同一行的电极由导电胶带14横向连接，下表面同一列的电极由导电胶带纵向13连接，上、下表面的导电胶带构成一个压力传感器测量矩阵；单个柔性电容式压力传感器22上下表面分别有引出的两个测量电极，引出的测量电极与柔性电路层6的多路模拟开关相连接。

参考图3，上述柔性电容式压力传感器在电容薄膜层呈现多密度分布，其中人体下肢、臀部和背部与坐垫接触较多的部分传感器分布密度较大，而坐垫与人体接触较小的部分密度较小。

参考图1、图2，上述智能坐垫的酒精传感器9、12、19、31分别设置在坐垫主体的四个顶点处。其引出电极1、26、27、28与柔性电路层6的酒精传感器信号处理电路相连。

本发明的智能汽车坐垫在应用时，坐垫设置在汽车座椅上，压电薄膜至电容薄膜由上至下依次设置。当存在驾驶人员坐在智能坐垫之后，智能坐垫上的压电薄膜就开始采集人的心率和呼吸信息，采集到的心率呼吸信息经过硬件和软件滤波滤除工频干扰和车载震动这些噪声之后就可以分离出来，再根据人体在正常状态和疲劳状态下的心率和呼吸规律间的差别分析出驾驶人员的疲劳度；电容薄膜用于采集驾驶人员在智能坐垫上的应力分布信息，继而根据人体在座椅上的应力分布可以判别出驾驶人员的坐姿是否舒适，进而提出坐姿调整建议。酒精传感器采集空气中的酒精浓度信息，信号由处理器分析当前驾驶人员是否饮酒，当检测到的酒精浓度超过警戒阈值时候，就会发出警报，并且锁定汽车发动机点火功能。

实施例

参考图3，本发明中，电容薄膜层的各传感器阵列单元包括三种密度的传感器阵列，分别为是单位面积内9*9、5*5、3*3个数的传感器单元密度的阵列，对于人体与坐垫接触较多的区域a，放置9*9密度的传感器拍排布，对于边缘区域c放置3*3密度的传感器。剩余的中间区域b，采用5*5的密度传感器排布。

参考图1、图2，进一步的，本发明还包括智能坐垫的保护外套8，外套材料为聚氯乙烯。在应用时，将整个智能汽车坐垫放置在聚氯乙烯保护外套8内，电源线17从保护外套留有的接口引出，为柔性电路供电。保护外套四周设置有固定卡扣10、11、18、20用于将智能汽车坐垫固定在汽车座椅上。

本发明的压电薄膜采用pvdf材料的压电薄膜。

本发明的fpga采用xilinx公司的xc3030-70芯片，微处理器采用st公司的stm32f429。

参考图5，本发明还提供了一种智能汽车坐垫的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：将智能汽车坐垫固定在汽车座椅上，接通电源，智能坐垫开始工作。

步骤二：fpga驱动压电薄膜对应的高速adc，一旦检测到adc测量的电压出现大于vg的值，就表示检测有人坐在了汽车坐垫上。随后fpga开启所有测量通道，包括高精度adc通道、高速adc、和多通道cdc。

步骤三：fpga驱动高精度adc采集智能汽车坐垫四个引脚的酒精传感器输出电压值，然后换算成空气中的浓度值d1、d2、d3、d4，计算出平均酒精浓度为 和预设的酒精浓度预警值dg相比较，判断酒精浓度是否超标，则会如下3种情况：

1.如果 表示空气中酒精浓度较低，车内人员不存在饮酒情况，智能坐垫通过蓝牙模块发送信号给车身控制器，授予驾驶人员启动权限；

2.如果 且 (d为浓度偏移容许值)，表示车内酒精浓度超过警戒值，但是测量的酒精浓度是由于其他座位上的乘客引起的，在这种情况下，处理情形同第一种情况；

3.如果 且 表示驾驶人员已经饮酒，智能坐垫通过蓝牙模块发送信号给车身控制器，锁定驾驶人员汽车发动点火权限，并发出警报声，提示驾驶人员已经饮酒，不适宜驾驶车辆。

步骤四：fpga和微控制器协同工作，微控制器驱动多路模拟开关，选择被测量区域的电容，fpga驱动多通道cdc(电容数值转换器)测量被选择区域的电容值记下cxy，其对应的压力值为fxy，依次扫描并测量智能坐垫所有区域的电容值，就得到一个汽车驾驶人员在智能汽车坐垫上的压力分布模型m。根据人体生理特点，位于盆骨下方的坐骨结构能够承受比较大的压力。因此理想的坐垫压力分布应当是最大的压力出现在座椅与坐骨节接触的部位，压力以坐骨节为中心，向四周逐渐减小，压力最低值出现在大腿与座椅前缘接触的部位，以此来建立一个标准坐姿的压力分布模型m'。计算标准坐姿压力分布模型m'和测量的压力分布模型m的欧氏距离d＝|m-m'|,将d作为测量的压力分布模型对标准压力分布模型的偏离程度判断依据。如果经过计算得到d超过了允许阈值d'就认为驾驶人员坐姿不标准，则通过蓝牙模块发送信息给车身控制器，提醒驾驶员调整坐姿以减轻驾驶过程中产生的疲劳。

步骤5：在驾驶过程中，fpga驱动高速adc测量压电薄膜经过对应信号处理电路输出的信号，fpga将采集的信号发送给微处理器，处理器对采集的信号进行基函数db4的小波分解，提取出经过小波分解后的心率和呼吸信号。设定每五分钟测定一次人体的疲劳状态，则t时刻的呼吸和心率频率分别为a(t)和h(t)，五分钟时间内的平均呼吸和心率频率为 和 计算出心率和呼吸的标准方差分别为 和 和 分别反映了呼吸和心率在这一段时间内的波动程度。一般驾驶人员在驾驶时候处于三种状态正常、疲劳和邻近疲劳状态。在正常状态下，心率、呼吸波动较大；临界疲劳状态下，呼吸和心率波动很小；疲劳状态下，心率波动平缓且有下降趋势，呼吸无明显变化。所以当 和 时候就认为驾驶人员出现了临界疲劳的状态，一旦检测到了驾驶人员临界疲劳状态，智能汽车坐垫通过蓝牙模块发送信号给车身控制器，建议驾驶人员停车休息。

本发明通过利用pvdf压电薄膜、柔性电容薄膜、以及柔性电路构成一个柔性坐垫主体，四个酒精传感器设置在坐垫主体周围，这些传感器通过与被测人员的间接接触获取人体的各项物理参数，并且利用fpga和微处理器的信号处理能力计算出被测人员的各项生理状态。

当有人坐上去的时候，由于人体腿部动脉供血和人呼吸导致会产生微弱体动，这些微弱体动会传导到压电薄膜后就会导致压电薄膜输出产生压电效应，将微弱体动信号转化成电信号，最终导致电荷放大器输出电压的变化。高速adc将这一系列的变化转换成数字信号，由于高速adc以较高的采用频率对此信号进行采样，保证了信号的完整。由于呼吸信号和心率信号的能量集中在不同的频率段，利用小波变换就可以去除外界噪声，并且分离出心率和呼吸信号。

由于人体的体重作用在了智能床垫上，导致了柔性电容薄膜产出了形变，这种形变导致了电容本身电容值的变化，由于不同的区域应力大小不同，通过扫描测量所有的电容值，就能测量人体在智能汽车坐垫上的应力分布。为了保证电容薄膜里面的不同密度压力传感器的可连接性，选取了单位面积内9*9、5*5、3*3个数这三种密度的排布方式，这样横向和纵向柔性导电胶带可以在这三种不同的密度的压力传感器阵列之间直接连接，引出导电胶带接到多路模拟开关，微控制器控制模拟开关切换选择各个电极，利用多通道的电容数字转换器测量所有的电容值。

酒精传感器分别放置智能坐垫的四个顶点，其可以测量空气中的酒精浓度，被测量人如果饮酒，由于酒精的挥发作用，其周围酒精浓度会产生变化。由于安装了四个传感器，如果饮酒的人不是在智能坐垫上，而是在汽车内其他位置，那么由于酒精挥发的中心不再四个酒精传感器之内，四个酒精传感器的输出电压就会出现比较大的不同。通过这种方式就能判别是驾驶人员饮酒还是其他乘客饮酒。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。