机车乘员感测系统

本发明涉及一种感测在机车内的乘员的位置的独特的方法和系 统，在该机车中的激光器和传感器组件连续地监测乘员在三个不同的 区域中的位置。

许多机车具有气囊系统以在一定减速情况下将乘员约束在机车 内。如果机车突然减速，比如发生了撞车，由于惯性乘员还会继续朝 前运动。在这种情况下气囊就会展开以使在乘员撞到机车的结构比如 方向盘或仪表盘之前降低他们的碰撞速度。展开气囊就会降低乘员严 重受伤的可能性。

如果机车里的乘员的位置太靠近气囊，则比较理想地降低气囊的 展开力或阻止气囊展开以防止与气囊的碰撞而伤害乘客。应用乘员感 测系统来提供使气囊的展开最优化的信息或如果乘员太靠近气囊则抑 制气囊的展开。一些系统应用传感器来确定何时安全带已经从缩进卷 筒中抽出超过正常的操作要求。其它的系统应用光信号或声信号来确 定乘员到仪表盘的接近程度，这些光信号或声信号平行于仪表盘延伸 并横向地穿过机车。另外的系统应用直接朝着机车的仪表板的发射/接 收传感器以确定何时乘员靠近或接触仪表板。

这些系统都较复杂并且较昂贵。安装这些复杂的系统很困难并费 时，并且位置测量不精确。因此理想的是提供一种简化的感测在机车 内的乘员的位置的方法和系统，并且该方法和系统容易安装和维护。 简化的系统应该紧凑并且提供连续的精确的乘员位置的读数，应用这 些乘员位置读数使气囊的展开最优化或者如果确定乘员太靠近气囊则 抑制气囊的展开。

在本发明所公开的实施例中，机车乘员感测系统包括激光器阵列 和三个传感器组件。激光器阵列安装到机车的结构中并产生指向到第 一乘员区的第一束、指向到第二乘员区的第二束和指向到第三乘员区 的第三束。第一传感器组件接收从打到位于第一区中的乘员的第一部 分上的第一束产生的反射束。第一传感器组件产生与表示出现在第一 区中的乘员量成比例的第一信号。第二传感器组件接收从打到位于第 二区中的乘员的第二部分上的第二束产生的反射束。第二传感器组件 产生与表示出现在第二区中的乘员量成比例的第二信号。第三传感器 组件接收从打到位于第三区中的乘员的第三部分上的第三束产生的反 射束。第三传感器组件产生与表示出现在第三区中的乘员量成比例的 第三信号。应用中央处理器来接收并综合第一、第二和第三信号来确 定乘员在机车内的位置。

在优选的实施例中，激光器阵列和传感器组件都密封在安装在机 车结构中的公共壳体中。一透镜安装在该壳体内以控制激光束的大小、 形状和方向。可取的是，将第一区定义为通常由乘员的上身部分所占 的区域，第二区定义为通常由乘员的身体中部所占的区域，以及第三 区定义为通常由乘员的下身部分所占的区域。透镜将第一束指向到第 一区，第二束指向到第二区，以及将第三束指向到第三区。

在进一步的优选实施例中，每束形成了至少40度宽和至少3度厚 的光幕，同时每束彼此都间隔至少10度。当传感器组件接收打到在机 车内的乘员的照明幕产生的反射光时连续地监测乘员的位置。

感测在机车内的乘员的位置的方法包括如下的步骤：产生对着第 一区的第一激光束，当第一激光束打到在第一区中的乘员部分上时接 收第一激光束的反射光，并产生表示乘员在第一区中的第一比例量的 第一信号。附加步骤包括产生对着第二区的第二激光束，当第二激光 束打到在第二区中的乘员部分上时接收第二激光束的反射光，并产生 表示乘员在第二区中的第二比例量的第二信号。进一步的步骤包括产 生对着第三区的第三激光束，当第三激光束打到在第三区中的乘员的 一部分上时接收第三激光束的反射光，并产生表示乘员在第三比例量 的第三信号。综合第一、第二和第三信号以确定乘员在机车内的位置。 应用第一、第二和第三信号来产生基于乘员在机车内的位置控制气囊 的张开的控制信号。

通过下文说明书和附图本发明的这些和其它特征将会更好地理 解，在附图后是简要描述。

附图1是安装在机车内的目标乘员感测系统的一个实施例的侧面 示意图。

附图2所示为乘员感测系统的示意图。

附图3所示为应用在目标乘员感测系统中的传感器阵列的放大的 示意图。

附图4所示为传感器单元的放大视图。

附图5所示为具有在展开位置中的气囊的机车的侧面示意图。

附图6所示为气囊和乘员感测控制系统的示意图。

附图7所示为激光束的方向和对应的人体区的侧面示意图。

附图8所示为激光束的方向和对应的人体区的前面示意图。

附图9所示为相对于人体区的传感器单元的方位的顶面示意图。

附图10所示为说明用于确定乘员位置的三角测量方法图。

在附图1中的标号10表示总的机车。机车10包括乘员感测系统， 该乘员感测系统连续地监测乘员12在机车10内的位置并产生乘员位 置信息以基于乘员12在机车内的位置控制气囊。通常，当乘员12坐 在机车10内的机车座位14上时感测系统监测他们的位置。然而，该 系统还能够监测在座位14和机车仪表板16之间的乘员12的位置，即 监测站在仪表板16和座位14之间的小孩的位置。

乘员感测系统包括传感器单元18，该传感器单元18安装在机车 的结构中。可取的是，传感器单元18安装在机车内相对较高的竖直位 置，比如在附图1中所示的后视镜20的位置。单元18可以不安装在 中央，例如可选择地安装在机车10的侧面附近的A-立柱上。

传感器单元18产生至少3束激光束24,26,28，这三束激光束 指向到在机车内的乘员12所坐的地方。如在附图1中所示，第一束24 指向到第一乘员区30，第二束26指向到第二乘员区32，以及第三束 28指向到第三乘员区34。可取的是，将第一区30定义为通常由乘员 12的上身部分所占的区域，第二区32定义为通常由乘员12的中部所 占的区域，以及第三区34定义为通常由乘员12的下身部分所占的区 域。

传感器单元18包括激光器阵列，如附图2所示以标号36总体表 示，该传感器单元18包括至少三个激光器元件36a,36b,36c。第一 激光器元件36a产生第一激光束24，第二激光器元件36b产生第二激 光束26，以及第三激光器元件36c产生第三激光束28。激光器36可 以是公知技术中的任何激光器，但可取的是包括红外频带的光发射二 极管的二极管激光器。这种激光器的实例是由EG&G Canada生产的PGA 系列激光器。激光器36安装在壳体40中，该壳体40安装在A-立柱 或后视镜20上。

第一透镜42安装在壳体40内，并设置在激光器阵列36的前面以 控制第一24，第二26和第三28激光束的形状和大小。透镜42还用 于将第一束24控制到第一区30，将第二束26控制到第二区32和将 第三束28控制到第三区34。

当激光束24,26,28照射到目标上即坐在座位14上的乘员上时， 激光束24,26,28反射到传感器单元18。传感器阵列(在附图2中 以总的标号44表示)安装在壳体40内以接收反射的激光束。第二透 镜安装在传感器阵列44的附近以控制反射束的方向和焦点。可取的是 两个透镜都是塑料透镜并包括或不包括滤去太阳光的涂层。第一透镜 42优选由EG&G Canada制造的柱面透镜，而第二透镜优选由EG&G Canada制造的圆形透镜。应用柱面透镜能够降低慢散度而同时快散度 不受影响。圆形透镜作轻微的弯曲以当反射束返回到传感器单元18时 反射在反射束中的畸变。

在附图3中更详细地示出了传感器阵列44。传感器阵列44包括 用于接收撞击到位于在第一区30中的乘员12的第一部分上的第一束 24产生的返回束的第一传感器组件48。第二传感器组件50接收撞击 到位于在第二区32中的乘员12的第二部分上的第二束26产生的返回 束。第三传感器组件52接收撞击到位于在第三区34中的乘员12的第 三部分上的第三束28产生的返回束。

第一传感器组件48产生与表示乘员12在第一区30中出现的第一 部分成比例的第一信号Sz1。第二传感器组件50产生表示与乘员12在 第二区32中出现的第二部分成比例的第二信号Sz2。第三传感器组件 52产生表示与乘员12在第三区34中出现的第三部分成比例的第三信 号Sz3。综合所有的这些信号以确定乘员在机车内的位置。

第一传感器组件48包括用于接收来自第一区30的反射束的至少 一个传感器单元54。第二传感器组件50包括用于接收来自第二区32 的反射束的至少三个传感器单元54，而第三传感器组件52包括用于 接收来自第三区34的反射束的至少五个传感器单元54。

如附图4所示，每个传感器单元54都包括两个三角形传感器56， 两个三角形传感器56彼此相邻地安装以形成平行四边形。每个传感器 56都连接到阳极58并与每个传感器组件48,50,52的传感器56联 合作用以产生表示乘员在机车内的位置的控制信号。应用该控制信号 来产生连续而且精确的乘员位置的指示，应用这种位置指示来使气囊 60的张开最优化或者如果确定乘员太靠近气囊则抑制气囊60展开， 参见附图6。

参见附图5，气囊60按照公知技术那样连接到系统控制器62。如 上文所讨论，传感器组件48,50,52产生表示乘员12的一部分在相 应的区30,32,34中的信号Sz1、Sz2、Sz3。将信号Sz1、Sz2、Sz3传送 到产生控制信号的中央处理单元(CPU)64，然后将该控制信号传送到 系统控制器62，参见附图6。控制器62基于乘员12在机车10内的 位置控制气囊60张开和/或抑制。

因为激光器阵列36和传感器组件48,50,52都安装在相同的壳 体40中，所以传感器单元18是一种很紧凑的部件，它在机车10内要 求很小的空间。这种壳体容易安装在机车10内并容易地按照公知技术 那样连接到CPU64。

传感器单元18优选定位在机车内以监测机车的乘客一边，然而， 传感器单元18还可以重新构造成监测在机车10内的司机的位置。每 个激光束24,26,28都产生指向到适当的区30,32,34的光幕。为 确保完全地覆盖乘客的座位的面积，可取的是光幕至少40度宽即穿过 乘客横向地(从左到右)延伸40度和至少3度厚。此外，第一24， 第二26和第三28彼此间隔开至少10度，参见附图7，以箭头66表 示。可选择地，激光幕应该能够覆盖1米乘65厘米的面积。

如上文所讨论，乘员感测组件18包括用于每个区30,32,34的 不同数量的传感器单元54。如在附图8和附图9中所示，传感器阵列 44包括在上身区30中的一个传感器54z1，在身体中部32中的三个传 感器54z2a-c和在下身区34中的五个传感器54z3a-e，同时所有的传感器 54都是单片的。可取的是，如附图8所示，在每个区30,32,34中 的传感器54都发射40度的扇形束α1-3。这些束优选如附图9所示的3 度厚β1-3并彼此间隔开10度Δ1-2。虽然这些结构是优选的，但是应该 理解的是其它的结构同样可以很好地使用。

由于上身区30在纵向距离上是距离仪表板16最远的，所以该区 优选的是仅有一个传感器54z1。由于下身区34最靠近仪表板16，要 求密切监视它，所以该区要求更多的传感器54z3a-e。

感测乘员在机车内的位置的方法包括如下的步骤：产生对着第一 区30的第一激光束24，当第一激光束24打到乘员12在第一区30中 的部分上时接收来自第一激光束24的反射光，并产生表示与乘员12 在第一区30中的量成比例的第一信号Sz1。进一步的步骤包括产生对 着第二区32的第二激光束26，当第二激光束26打到乘员12在第二 区32中的部分上时接收来自第二激光束26的反射光，并产生表示与 乘员12在第二区32中的量成比例的第二信号Sz2。进一步的步骤包括 产生对着第三区34的第三激光束28，当第三激光束28打到乘员12 在第三区34中的部分上时接收来自第三激光束28的反射光，并产生 表示与乘员在第三区34中量成比例第三信号Sz3。综合第一、第二和 第三信号以确定乘员在机车内的位置。应用第一、第二和第三信号Sz1, Sz2,Sz3来产生基于乘员在机车10内的位置控制气囊60的张开的控制 信号。

附加的步骤包括将第一、第二和第三激光束24,26和28彼此间 隔开至少10度，同时使每个激光束产生至少40度宽和3度厚的光幕。 传感器组件48,50,52产生激光束并接收反射束，从而连续地监测乘 员12在机车10内的位置。

给激光器阵列36输送功率以使其朝目标发射激光束。该激光束反 射回到传感器阵列44。基于初始的发射功率Pt可以计算出从反射束 所接收的功率Pr。基于下面的等式计算所接收的功率Pr：

Pr=Pt(Atc/Ab)(Aa/πr2)(ρT)，这里Pt是所发射的功率，Atc 是所捕获的目标的面积，Ab是激光束的面积，Aa是孔径面积，R是从 源到目标的距离，ρ是反射效率，T是滤光效率。所捕获的目标面积Atc 与激光束面积Ab之比(Atc/Ab)等于激光束照射到目标的效率，该 效率大致等于10％。对于白色反射效率ρ为90％，而对于黑色为3％。滤 光效率T大致等于50％。孔径面积Aa与从光源到目标的距离R乘π之 比(Aa/πr2)对于1米大致等于10-4，其大致等于反射束的效率。因 此，对于黑色Pr=Pt(.1)(.3)(.5)(10-4)，即，Pr=Pt(1.56e-6)。

按照公知的技术应用标准的三角测量计算乘员的位置。参考附图 10,D是在接收器和发射器的光轴之间的距离，Dxt是在发射器的光轴 和目标之间的距离，Dxr是在接收器的光轴和目标之间的距离，Ft是 发射器焦距，Fr是接收器焦距，Ym是在系统和目标之间的距离，Xt 是发射器距光轴之间的距离，以及Xr是接收器距光轴(所检测的轴) 的距离。通过下式确定接收器距光轴的距离Xr：

Xr=(D/Ym)-(Xt/Ft)*Fr

这个等式从下面的关系中得出：

Dxt=((Xt*Ym)/Ft)以及

Dxr=((Xr*Ym)/Fr)。

为确定在接收器和发射器光轴之间的距离，将在发射器光轴和目 标之间的距离Dxt加入到在接收器光轴和目标之间的距离Dxr中，即 D=Dxr+Dxt=Ym*((Xr/Fr)+(Xt/Ft))。因此，容易解得接收器距 光轴的距离Xr：Xr=((D/Ym)-(Xt/Ft))*Fr。

用于感测乘员在机车内的位置的独特的方法和系统提供了一种简 化的系统，这种系统容易安装和维护。主题系统还要求相对较少的部 件并且结构紧凑。这种简化的系统提供连续并且精确的乘员位置读数， 应用这种读数能够使气囊的展开最优化或如果确定乘员太靠近气囊则 抑制气囊展开。

虽然已经公开了本发明的优选实施例，应该理解的是本领域的熟 练的普通人员会认识到落在本发明的范围之内的变型。因此，下面的 权利要求用来确定本发明的真正的范围和内容。