一种驾驶室内环境主动控制系统及其控制方法与流程

本发明属于汽车驾驶室环境质量控制领域，具体涉及一种驾驶室内环境主动控制系统及其控制方法。

背景技术：

汽车在行驶过程中驾驶员常通过开启车窗换气，但是在行驶环境较差时，如进入连续隧道或者地下停车场时，车窗往往需要驾驶员手动关闭，以较小噪声和空气污染，而此时视线较暗，驾驶员如果分心，容易发生安全事故。

现有技术通常通过控制空调内外循环，忽略了对车窗的控制，如中国专利cn104149576a所述的系统通过感光模块和gps系统判断车辆行使在隧道中，继而自动控制汽车空调的内外循环切换，在车窗关闭时效果明显，但是车窗开启时驾驶室仍会有较大的噪声和空气污染。

而且由于现在很多驾驶员的经验不太充足，部分驾驶员由于在车内长期滞留而导致死亡，而现有技术仍未对极端情况下的驾驶室空气质量进行主动控制，因此现有技术的对环境的适应性尚不能完全满足用户的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术仅通过感光模块和gps系统判断车辆行使在隧道中，继而自动控制汽车空调的内外循环切换的缺陷，提供了一种驾驶室环境质量主动控制系统及其控制方法，在车窗开启时兼顾风阻和风噪。

本发明提供的技术方案为：

一种驾驶室环境质量主动控制系统，包括：

信息采集模块，其包括环境空气质量检测模块、驾驶室空气质量检测模块及车轮转速传感器，分别用于获取车外空气质量、车内空气质量以及车轮转速；

执行模块，其包括车窗玻璃升降系统、空调控制系统、报警系统以及空气质量主动优化系统；所述车窗玻璃升降系统用于控制车窗的升降，所述空调控制系统用于控制空调内外循环的切换；所述空气质量主动优化系统用于产生负离子和氧气；

中央集控器，其分别与信息采集模块和执行模块连接，用于获取信息采集模块采集的车内外空气质量参数和车轮转速，并控制车窗玻璃升降系统、空调控制系统、以及空气质量主动优化系统工作。

优选的是，所述执行模块还包括报警系统，所述报警系统包括蜂鸣器和振动器。

优选的是，所述振动器安装在驾驶员座椅处。

优选的是，所述环境空气质量检测模块包括二氧化碳传感器、一氧化碳、颗粒物浓度传感器、氮氧化物传感器、相对湿度传感器、温度传感器，分别用于检测车外空气中二氧化碳、氧气、颗粒物及氮氧化物的含量以及相对湿度和温度。

优选的是，所述驾驶室空气质量检测模块包括二氧化碳传感器、氧传感器、相对湿度传感器，分别用于检测车内驾驶室内二氧化碳、氧气含量以及相对湿度。

优选的是，还包括：

香水传感器，用于检测驾驶室内香水浓度；

香水发生器，其设置在车内副驾驶位置前面以及后排左侧乘客位置后面，所述香水发生器包括香水瓶和设置在香水瓶内的加热电丝；

其中，所述香水传感器和香水发生器分别与中央集控器连接。

优选的是，还包括：

驾驶内温度检测系统，其设置在驾驶室内，用于检测驾驶室内的温度；

脚部暖风系统，其设置在乘客脚部位置处，用于对乘客脚部进行取暖；

副驾驶暖手加热系统，其设置在车内副驾驶位置前面，用于对付副驾驶位置乘客进行手部取暖。

一种驾驶室环境质量主动控制方法，包括以下步骤：

步骤一、车外环境空气质量检测模块实时采集环境中二氧化碳浓度、一氧化碳浓度、颗粒物浓度、氮氧化物浓度、相对湿度、温度，并与预设阈值比较，当同时满足二氧化碳浓度低于预设二氧化碳阈值，一氧化碳低于预设一氧化碳阈值，氮氧化物低于预设氮氧化物阈值，颗粒物含量低于预设颗粒物阈值，相对湿度介于预设相对湿度阈值范围内，温度介于预设温度阈值范围内时，车外环境空气质量检测模块向中央集控器输出1，否则输出0；

步骤二、当中央集控器读取到环境空气质量检测模块的输出为0时，判断车窗是否开启，若开启则向车窗玻璃升降系统发出关闭指令，并向空调控制系统发出开启内循环指令，并记录此时车窗及内外循环的状态；当中央集控器读取到环境空气质量检测模块连续多次输出为1时，控制车窗和空调内外循环切换到前一个状态；

步骤三、驾驶室空气质量检测模块实时采集驾驶室内二氧化碳浓度、氧浓度和相对湿度，并与预设阈值比较，当同时满足二氧化碳浓度低于预设二氧化碳阈值，氧气浓度高于预设氧气阈值，相对湿度介于预设相对湿度阈值范围内时，驾驶室空气质量检测模块向中央集控器输出1，否则输出0；

步骤四、当中央集控器读取到驾驶室空气质量检测模块的输出为1时，则保持车窗和空调状态不变；

当中央集控器读取到驾驶室空气质量检测模块的输出为0，环境空气质量检测模块的输出为0时，控制报警系统报警，并控制空气质量主动优化系统产生负离子和氧气；

当中央集控器读取到驾驶室空气质量检测模块的输出为0，环境空气质量检测模块的输出为1时，读取车速数据，当车速大于车速阈值时，记录车速输出为1，否则为0；

当驾驶室空气质量输出为0，车速输出为1，环境空气质量输出为1时，切换到外循环；

当驾驶室空气质量输出为0，车速输出为0，环境空气质量输出为1时，开副驾驶侧对角车窗。

一种基于bp神经网络的驾驶室内环境主动控制方法，包括以下步骤：

步骤一、按照采样周期，通过车外环境空气质量检测模块测量环境中二氧化碳浓度x1、一氧化碳浓度x2、颗粒物浓度x3、氮氧化物浓度x4、相对湿度x5、温度x6、车速x7；

步骤二、依次将上述参数进行规格化，确定三层bp神经网络的输入层向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7}；其中x1为二氧化碳浓度系数、x2为一氧化碳浓度系数、x3为颗粒物浓度系数、x4为氮氧化物浓度系数、x5为相对湿度系数、x6为温度系数、x7为车速系数；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y1,y2,…,ym}；m为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层向量o＝{o1,o2,o3,o4}；o1为车窗状态信号、o2为内外循环状态信号、o3为净化器状态信号、o4为报警器信号；o1、o2、o3、o4均为逻辑变量；

步骤五、实时判断o1、o2、o3、o4的逻辑值；

当o1＝0时，控制车窗关闭；当o1＝1时，控制车窗打开；

当o2＝0时，控制空调到外循环状态；当o2＝1时，控制空调到内循环状态；

当o3＝0时，控制空气质量主动优化系统关闭；当o3＝1时，控制空气质量主动优化系统开启；

当o4＝0时，控制报警器关闭；当o4＝1时，控制报警器开启。

优选的是，步骤二中，进行规格化的公式为：

其中，xj为输入层向量中的参数，j＝1,2,3,4,5,6，；xjmax和xjmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

本发明的有益效果是：

1、本发明将在驾驶室换气时综合考虑了车窗和空调内外循环，并且能够在行驶环境变差时主动关闭车窗和切换至内循环，较好的防止了驾驶室空气质量受到污染和噪声对乘员的影响；

2、本发明通过预警系统和主动空气质量优化系统，能够实现在极端情况下提醒驾驶员并对驾驶室空气质量主动净化和加氧，较好的保障了驾驶员的生命安全；

3、本发明在车窗控制策略了综合考虑了风噪风阻以及乘员的热舒适性，控制参数能够较好的适应行车需求；

4、本发明将空气质量和温度结合起来，共用一个中央处理器，根据各自的传感器输入信号做出相应的判断。

5、本发明的系统及控制方法简单灵活，适用性较强，易于推广应用。

附图说明

图1为本发明所述的驾驶室环境质量主动控制系统结构示意图。

图2为本发明所述的驾驶室环境质量主动控制方法流程图。

图3为本发明所述的驾驶室室内温度主动控制系统及控制方法处理的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种驾驶室环境质量主动控制系统，包括信息采集模块110、中央集控器120以及执行模块130。

其中，所述信息采集模块110包括环境空气质量检测模块111、驾驶室空气质量检测模块112以及车轮转速传感器113。

所述环境空气质量检测模块111安装在空调外循环进气口处，即挡风玻璃附近，所述环境空气质量检测模块111包括二氧化碳传感器、氧气传感器、颗粒物浓度传感器、氮氧化物传感器、相对湿度传感器、温度传感器，分别用于检测车外空气中二氧化碳、氧气、颗粒物及氮氧化物的含量以及相对湿度和温度。

所述驾驶室空气质量检测模块112安装在车内驾驶员附近，所述驾驶室空气质量检测模块112包括二氧化碳传感器、氧传感器、相对湿度传感器、微粒传感器、香水传感器，分别用于检测车内驾驶室内二氧化碳、氧气含量以及相对湿度、微粒浓度以及香水浓度。

所述环境空气质量检测模块111和驾驶室空气质量检测模块112输出端均分别与中央集控器120连接，将采集的数据传递给中央集控器120。

所述执行模块130包括车窗玻璃升降系统131、空调控制系统132、报警系统133以及空气质量主动优化系统134。

所述车窗玻璃升降系统131用于控制车窗玻璃的升降，所述空调控制系统132用于控制空调系统的内外循环的切换，所述报警系统133包括蜂鸣器和振动器，所述蜂鸣器安装在驾驶员附近，所述振动器安装在驾驶员座椅处，用于在空气质量较差时向驾驶员提供警告；所述空气质量主动优化系统134包括负离子发生器和氧发生器，所述负离子发生器和氧发生器安装在空调进气道中部，分别通过两个旁通电磁阀控制开启与关闭，用于极端工况下主动杀菌净化空气和供氧；所述车窗升降系统131、空调控制系统132、报警系统133、空气质量主动优化系统144输入端均分别与中央集控器120连接。通过中央集控器120对其进行控制。

本发明还包括一套温度调节系统，所述温度调节系统包括驾驶室内温度检测系统114、脚部暖风系统135、副驾驶暖手加热系统136。

温度调节系统，驾驶员可以根据不同的季节设置舒适温度范围，温度传感器将所检测的温度跟设置温度温度范围对比，自动开启空调系统，使驾驶室内温度控制在设定温度范围内。脚部暖风系统除空调系统内包括的出风口外，额外增加空气加热设备，防止在恶劣环境下，驾驶员的脚部温度过低，影响行驶安全性。副驾驶暖手加热系统，根据实际情况需要，随时可以开启的加热系统。

本发明还提供了一种驾驶室环境质量主动控制方法，所述控制方法基于车窗与空调内外循环协调控制驾驶室空气质量，在行驶环境较差时主动关闭车窗切换内循环，在控制车窗时综合考虑了风阻和风噪，并在驾驶室和环境质量均较差时主动预警驾驶员并启动主动优化系统，智能净化和供氧，保证驾驶室空气质量；具体控制方法如下：

步骤一s210：中央集控器120判断驾驶员是否开启主动控制系统，并记录系统开启前驾驶员的操作，若开启进入步骤二，否则结束。

步骤二s220：车外环境空气质量检测模块111采集环境中二氧化碳浓度、一氧化碳浓度、颗粒物浓度、氮氧化物浓度、相对湿度、温度，并根据预设阈值判断环境空气质量，各参数的逻辑关系为与逻辑，空气质量较好时向中央集控器输出1，否则输出0，并在预设的周期内循环本步骤，逻辑关系如下表所示；

所述1是指二氧化碳浓度低于预设阈值，一氧化碳低于预设阈值，氮氧化物低于预设阈值，颗粒物含量低于预设阈值，湿度介于预设阈值范围内，温度介于15℃-30℃之间，否则为0。当二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、颗粒物、湿度、温度均输出为1时，车外环境空气质量检测模块输出1给中央集控器，否则输出0。

步骤三s230：中央集控器读取环境空气质量检测模块的输入数据，当信号为0时，判断车窗是否开启，若开启则向车窗升降系统发出关闭指令，并向空调控制系统发出切换内循环指令，并记录此时车窗及内外循环的状态；当驾驶员主动控制时，自动调节结束，按照驾驶员的操作执行相应的指令；若驾驶员无操作，重新读取环境检测模块的输入数据，当输入数据为1的次数为m(m为大于等于2的自然数)时车窗和内外循环切换到之前的状态；否则保持现在的状态。

步骤四s240：驾驶室空气质量检测模块检测驾驶室内二氧化碳浓度、氧浓度及相对湿度，并根据预设阈值判断空气质量，各参数的逻辑关系为与逻辑，空气质量较好时向中央集控器输出1，否则输出0，并在预设的周期内循环本步骤；

步骤五s250：中央集控器读取驾驶室空气质量检测模块的输入数据，当信号为0时，读取车速数据，车速数据可以通过与esc建立通信读取，并判断车速是否大于预设阈值(优选为60km/h)，车速大于阈值记录1，否则记录0，控制逻辑为：

所述报警器报警是指当驾驶室和环境质量均较差时，蜂鸣器报警，安装在驾驶员座椅下方的振动器启动，并通过信号发生器将该警示信息发到预订手机上；所述主动净化加氧是指驾驶室和环境空气较差时，负离子发生器和氧发生器的旁通电磁阀接通，负离子发生器净化空气，氧发生器增加氧气含量；微粒过滤系统，当驾驶内的微粒浓度大于设定值时，自动开启微粒过滤系统。当驾驶员有主动操作时，自动控制系统控制结束，设备遵循驾驶员的意愿运行，香水控制系统是驾驶员半自动控制系统，根据预先设定的香水浓度值，当驾驶员开启此系统时，香水瓶内部电阻丝加热，香水开始挥发，当香水传感器检测到香水浓度在在预设定值范围内时，香水瓶加热电丝自动关闭。并在预设的周期内循环上述的步骤；

驾驶室室内环境主动控制系统及控制方法，包括空气质量主动控制系统及方法和温度主动控制系统及方法。

作为一种优选的，驾驶室空气质量主动控制系统及其控制方法，步骤五中，车窗开启方式为开启副驾驶侧对角车窗，车窗开度与车速有关，保证乘员附件空气流速不高于0.5m/s，确定方法为基于流体仿真软件，确定不同的不同车速下的车窗开度，以某款车型为例，车窗开度分为四个档位，分别为20mm，15mm，10mm，5mm，对应的车速区间分别为0-30km/h，30-40km/h，40-50km/h，50-60km/h。

如图3所示，驾驶室内温度控制系统，根据温度传感器将信号输入到中央处理器，中央处理器根据开始设定的温度进行判断，当温度不在设定范围内时，自动开启空调系统，进行温度调节。脚部传感器将脚部温度传给中央处理器，若在空调系统作用下，脚部还没有达到预设温度，则脚部加热系统自动开启，对脚部空间进行加热。副驾驶暖手加热系统是手动控制，根据副驾驶的需要开启。

本发明还提供了一种基于bp神经网络的驾驶室内环境主动控制方法，

步骤一：建立bp神经网络模型。

本发明采用的bp网络体系结构由三层组成。

第一层为输入层，共n＝7个节点，对应了二氧化碳浓度、一氧化碳浓度、颗粒物浓度、氮氧化物浓度、相对湿度、温度、车速的检测信号。

第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定。

第三层为输出层，共p＝4个节点，分别表示车窗状态、内外循环状态、净化器状态、报警器状态。

该网络的数学模型为：

输入向量：x＝(x1,x2,...,xn)^t

中间层向量：y＝(y1,y2,...,ym)^t

输出向量：o＝(o1,o2,...,op)^t

本发明中，输入层节点数为n＝7，输出层节点数为p＝4。隐藏层节点数m由下式估算得出：

输入信号7个参数分别表示为：x1为二氧化碳浓度系数、x2为一氧化碳浓度系数、x3为颗粒物浓度系数、x4为氮氧化物浓度系数、x5为相对湿度系数、x6为温度系数、x7为车速系数。

由于传感器获取的数据属于不同的物理量，其量纲各不相同。因此，在数据输入人工神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。

按照采样周期，通过车外环境空气质量检测模块测量环境中二氧化碳浓度x1、一氧化碳浓度x2、颗粒物浓度x3、氮氧化物浓度x4、相对湿度x5、温度x6、车速x7。

将上述7个参数进行规格化，规格化的公式为：

xjmax和xjmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

输出信号的4个参数分别表示为：o1为车窗状态信号、o2为内外循环状态信号、o3为净化器状态信号、o4为报警器信号；o1、o2、o3、o4均为逻辑变量。

步骤二、进行bp神经网络的训练。

建立好bp神经网络节点模型后，即可进行bp神经网络的训练。根据产品的历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值wij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值wjk，隐层节点j的阈值θj，输出层节点k的阈值θk、wij、wjk、θj、θk均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正wij和wjk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

在bp神经网络中，误差信号反向传递传播。假设输出层的所有结果为dj，误差函数如下

而bp神经网络的主要目的是反复修正权值和阀值，使得误差函数值达到最小。学习规则是通过沿着相对误差平方和的最速下降方向，连续调整网络的权值和阀值，根据梯度下降法，权值矢量的修正正比于当前位置上e(w,b)的梯度，对于第j个输出节点有

假设选择激活函数为

对激活函数求导，得到

那么接下来针对wij有

其中有

同样对于bj有

通过改变神经元之间的连接权值来减少系统实际输出和期望输出的误差。

上面是对隐含层和输出层之间的权值和输出层的阀值计算调整量，而针对输入层和隐含层和隐含层的阀值调整量的计算更为复杂。假设wki是输入层第k个节点和隐含层第i个节点之间的权值，那么有

其中有

利用上述公式，根据梯度下降法，那么对于隐含层和输出层之间的权值和阀值调整如下

而对于输入层和隐含层之间的权值和阀值调整同样有

步骤三、采集运行参数输入神经网络得到调控系数。

采用训练好的bp神经网络进行调控，给定初始输出参数。

通过将输入参数规格化，得到bp神经网络的初始输入向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7}，通过bp神经网络的运算得到初始输出向量o＝{o1,o2,o3,o4}。

步骤四s240、控制输出参数。

得到初始输出向量o＝{o1,o2,o3,o4}后，即可进行速度的调控，

当o1＝0时，控制车窗关闭；当o1＝1时，控制车窗打开；

当o2＝0时，控制空调到外循环状态；当o2＝1时，控制空调到内循环状态；

当o3＝0时，控制空气质量主动优化系统关闭；当o3＝1时，控制空气质量主动优化系统开启；

当o4＝0时，控制报警器关闭；当o4＝1时，控制报警器开启。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。