使用基于红外图像成像的适应性和预测性气候控制系统的制作方法

使用基于红外图像成像的适应性和预测性气候控制系统
1.发明背景
2.本发明总体上涉及产生加热、冷却和/或通风(ventilating)效果的气候控制系统。特别地，本发明涉及一种用于交通工具(vehicle)气候控制系统的改进结构，其使用交通工具座椅的乘员的基于红外图像的成像和其他环境信息来适应性地和预测性地产生交通工具内的加热、冷却和/或通风效果。
3.大多数交通工具包括一个或更多个用于支撑其上相应乘员的座椅。典型的交通工具座椅包括座椅底部部分和座椅靠背部分，其中每一个都具有结构框架，该结构框架具有设置在其上的支撑和缓冲特征。每个结构框架通常由相对刚性的材料(例如，钢或铝)形成。支撑和缓冲特征通常包括支撑在结构框架上的一个或更多个弹簧、支撑在弹簧上的泡沫块(foam bun)以及支撑在泡沫块上的外部装饰或装饰层(upholstery layer)。这些特征使得座椅底部部分和座椅靠背部分对于乘员来说是舒适的，并且提供了具有美学上令人愉悦的外观的座椅。
4.大多数交通工具还包括气候控制系统，该系统在座椅上或座椅周围产生加热、冷却和/或通风效果，以使支撑在座椅上的乘员感到舒适。用于交通工具座椅的典型加热系统例如可以包括选择性地连接到设置在交通工具座椅上的加热垫的电能源。当电能源通电时，电流流过包含在加热垫中的导电线。由于导电线对流经其中的电流的固有阻力，导电线产生热量，该热量然后通过加热垫和交通工具座椅辐射到乘员的身体。用于交通工具座椅的典型冷却系统可以包括例如热电设备，当电压施加在该设备上时，该热电设备在其两侧产生温差。这导致热量从交通工具座椅表面被吸走(并因此从乘员身体被吸走)，并由此通过空气或流体流被传导。用于交通工具座椅的典型通风系统可以包括例如风扇，该风扇被选择性地通电以使空气移动通过设置在交通工具座椅中的一个或更多个通路。当风扇通电时，移动通过通路的空气将热量从坐在交通工具座椅上的乘员的身体带走。
5.在传统的交通工具气候控制系统中，加热、冷却和/或通风效果的操作由交通工具座椅的乘员使用可手动操作的控制设备来控制，例如操纵按钮和可旋转旋钮。尽管这些传统的加热、冷却和/或通风系统是有效的，但是期望为这种气候控制系统提供一种改进结构，其使用交通工具座椅的乘员的基于红外图像的成像和/或其他测量结果以及其他环境信息来适应性地和预测性地产生加热、冷却和/或通风效果。
6.发明概述
7.本发明涉及一种用于交通工具气候控制系统的改进结构，其使用交通工具座椅的乘员的基于红外图像的成像和/或其他测量结果以及其他环境信息以适应性地和预测性地产生加热、冷却和/或通风效果。气候控制系统包括基于红外图像的传感器，该传感器适于感测或以其他方式确定关于座椅的乘员的数据。气候控制系统还包括用于在座椅中和/或座椅周围产生加热、冷却和/或通风效果的装置。最后，气候系统包括控制器，该控制器响应于来自基于红外图像的传感器的数据，用于控制产生加热、冷却和/或通风效果的装置的操作。控制器通常以标准模式控制用于产生加热、冷却和/或通风效果的装置的操作。然而，当控制器已接收到第一数据量时，控制器以自适应模式(adaptive mode)控制用于产生加热、
冷却和/或通风效果的装置的操作。可选择地，当控制器已接收到第二数据量时，控制器以预测模式控制用于产生加热、冷却和/或通风效果的装置的操作。
8.当参照附图阅读时，根据优选实施例的以下详细描述，本发明的各个方面对于本领域技术人员将变得明显。
9.附图简述
10.图1是根据本发明的包括气候控制系统的交通工具的一部分的示意图，该气候控制系统使用交通工具座椅的乘员的基于红外图像的成像和/或其他测量结果以及其他环境信息来适应性地和预测性地产生加热、冷却和/或通风效果。
11.图2是图1所示的交通工具气候控制系统的框图。
12.图3是示出图1和图2所示的交通工具气候控制系统的操作的流程图。
13.优选实施例的详细描述
14.现在参考附图，在图1中示出了根据本发明的交通工具的一部分的示意图，该交通工具总体上以10表示，该交通工具包括总体上以20表示的气候控制系统。如下文将详细解释的，图示的气候控制系统20从交通工具10内部和周围接收交通工具座椅12的乘员11的基于红外图像的图像和/或其他测量结果以及其他环境信息，并使用这些图像和/或其他测量结果和信息以适应性地和预测性地操作气候控制系统20，以产生加热、冷却和/或通风效果，从而使交通工具10内的乘员11感到舒适。
15.所示的交通工具10本身在本领域中是常规的，且仅意图说明本发明可被使用的一种环境。因此，本发明的范围并不意图限制与图1示出的交通工具10的特定结构或与一般交通工具一起使用。相反，如以下将变得明显的，出于以下描述的目的，本发明的气候控制系统20可以在任何期望的环境中使用。
16.图示的气候控制系统20包括hvac系统21，用于在交通工具座椅12上或周围产生加热、通风和/或冷却效果，以使交通工具10内的乘员11感到舒适。hvac系统21本身在本领域中是常规的，并且可以包括一个或更多个常规机构(未示出)，这些机构可以被选择性地操作以在交通工具10内提供加热、通风和/或冷却效果，如上所述。为了实现这一点，可以提供所示的hvac系统21作为交通工具10的原始设备的一部分。然而，hvac系统21可以体现为能够提供这些功能中的一些或全部的任何期望的结构或结构的组合，并且可以被进一步操作以在交通工具10内的任一个或更多个期望的位置提供任何期望的效果或效果的组合。
17.图示的气候控制系统20还包括控制器22，用于控制hvac系统21的操作。控制器22本身在本领域中是常规的，并且可以体现为微处理器或其他常规的电子数据处理设备。如果需要，可以提供所示的控制器22作为交通工具10的原始设备的一部分。然而，控制器22可以体现为能够以下面描述的方式控制hvac系统21的操作的任何期望的结构或结构的组合。图示的气候控制系统20还包括一个或更多个交通工具状况传感器23和一个或更多个乘员状况传感器24。如下文将详细解释的，每个交通工具状况传感器23适于感测或以其他方式确定交通工具10中和/或周围的相关状况，而每个乘员状况传感器24适于感测或以其他方式确定交通工具座椅12的乘员11的相关状况。
18.图2是更详细地示出图1所示的气候控制系统20的结构的框图。交通工具状况传感器23可用于感测或以其他方式确定交通工具10中和/或周围的各种状况，包括例如：
19.·
交通工具外部的温度；
20.·
交通工具外部的湿度；
21.·
交通工具内部的温度；
22.·
交通工具内部的湿度；
23.·
交通工具发动机的温度；
24.·
一天中的时间；
25.·
日期或季节；和
26.·
交通工具的地理位置。
27.图示的交通工具10中和/或周围的状况列表仅是示例性的，并且本发明设想在交通工具10中和/或其周围的更多或更少数量的这种状况可以由交通工具状况传感器23感测或以其他方式确定。每个交通工具状况传感器23可以体现为任何传统的感测设备，其适于产生代表交通工具10中或周围的相关状况的信号。例如，交通工具状况传感器23可以体现为传统的温度计、湿度传感器、计时器(chronometer)和/或gps设备。
28.类似地，乘员状况传感器24可用于感测或以其他方式确定与交通工具座椅12的乘员11相关的各种状况，包括例如：
29.·
身份(identity)；
30.·
体重；
31.·
身体质量指数；
32.·
体表面积；
33.·
压力水平；
34.·
体力活动水平；和
35.·
热舒适区分数。
36.图示的交通工具座椅12的乘员11的状况列表仅是示例性的，并且本发明设想与交通工具座椅12的乘员11相关的更多或更少数量的这种状况可以由乘员状况传感器24感测或以其他方式确定。每个乘员状况传感器24可以体现为任何传统感测设备，其适于产生代表交通工具座椅12的乘员11的相关状况的信号。
37.例如，一个或更多个乘员状况传感器24可以体现为基于红外图像的传感器，例如图1所示的传统红外照相机。这种红外照相机可以在一个或更多个解剖位置对交通工具座椅12的乘员11的面部和/或其他身体部位的一个或更多个区域进行采样，以产生其中的像素强度的评估。这样的评估然后可以例如用于确定其中血管舒张的水平，这可以提供乘员11的比常规感测温度更好的热舒适相关性。图像或数据集内的分布式感兴趣区域(例如，鼻子、脸颊、嘴等)提供乘员11的局部血管舒张状态，其可以与热舒适区分数的一般状况或用户特定状况相关联。随着时间进行监控，这些相同的区域可以提供瞬态热特征，该瞬态热特征可以被推断(extrapolate)以提供热舒适轨迹和到达和/或离开(或在其中相交)特定和期望的热舒适区的估计时间量。此外，相同的红外照相机可以用于基于特定的面部特征点(facial landmark)和/或面部静脉(facial vein pattern)以识别交通工具座椅12的乘员11。
38.一般来说，控制器22响应于来自交通工具状况传感器23和乘员状况传感器24的信号，用于产生信号以根据预定模式或模式组控制hvac系统21的操作。为了便于实现这一点，控制器22可以包括或以其他方式连接到数据存储单元25，该数据存储单元25短期或长期存
储来自交通工具状况传感器23和乘员状况传感器24的信号。数据存储单元25还可以存储一个或更多个简档和/或其他数据，用于以一种或更多种模式控制hvac系统21的操作。控制器22控制hvac系统21的操作的具体方式将在下面详细解释。
39.图3是示出了根据本发明操作图1和图2中所示的气候控制系统20的方法的流程图，该方法总体上以30表示。方法30包括初始指令31，其中控制器22从交通工具状况传感器23和乘员状况传感器24中的任一个或两个读取信号。然后，方法30进入另一指令32，其中来自交通工具状况传感器23和乘员状况传感器24中的任一个或两个的信号和/或其他数据存储在数据存储单元25中。接下来，方法30进入初始决策点33，其中控制器22确定以标准模式、自适应模式还是预测模式来操作气候控制系统20是合适的。该确定可以例如通过分析从交通工具状况传感器23和乘员状况传感器24中的任一个或两个接收的数据来进行。可选择地，该确定可以通过分析交通工具10的乘员已经进行的定制的数量和大小来进行。然而，该确定可以以任何其他期望的方式进行。
40.如果控制器22在初始决策点33确定以自适应模式或预测模式操作气候控制系统20是不合适的，则方法30从决策点33分岔到另一指令34，其中控制器22使交通工具10的hvac系统21以标准模式操作。下面将解释这种标准操作模式的特征。此后，方法30返回到初始指令31，其中控制器22再次从交通工具状况传感器23和乘员状况传感器24中的任一个或两个读取信号，并且方法30再次以上述方式进一步执行。
41.另一方面，如果控制器22在初始决策点33确定以自适应模式或预测模式操作气候控制系统20是合适的，则方法30从初始决策点33分岔到第二决策点35，其中控制器22确定以自适应模式操作气候控制系统20是否合适。如果控制器22在第二决策点35确定以自适应模式操作气候控制系统20是合适的，则方法30从第二决策点35分岔到指令36，其中控制器22使交通工具10的hvac系统21以自适应模式操作。下面将解释这种自适应操作模式的特征。另一方面，如果控制器22在第二决策点35确定以自适应模式操作气候控制系统20是不合适的，则方法30从第二决策点35分岔到指令37，其中控制器22使交通工具10的hvac系统21以预测模式操作。这种预测操作模式的特征也将在下面解释。
42.如上所述，控制器22响应于来自交通工具状况传感器23和乘员状况传感器24的信号，用于产生信号以根据标准模式、自适应模式或预测模式控制hvac系统21的操作。标准操作模式在本领域中是常规的，并且可以通过例如调节由hvac系统21响应于一个或更多个可手动操作的控制设备的操作而产生的加热、冷却和/或通风效果来实现，该可手动操作的控制设备例如是由交通工具座椅的乘员操作的按钮和可旋转旋钮。可选择地，hvac系统21可以根据标准热模型自动操作，例如由fanger、berkeley和其他人提出的热模型。
43.自适应操作模式是一种控制方法，通过该方法，控制器22根据来自交通工具状况传感器23和乘员状况传感器24中的任一个或两个的一个或更多个信号和/或其他数据来改变hvac系统21产生的加热、冷却和/或通风效果的大小。例如，假设hvac系统21最初由交通工具座椅12的乘员11操作(使用例如一个或更多个上述按钮和/或可旋转旋钮)，以根据标准操作模式提供预定量的加热效果。然后，在一段时间之后，假设交通工具状况传感器23中的一个检测到交通工具10外部的温度已经显著降低。在自适应操作模式中，控制器22响应于感测到的交通工具10外部的温度降低，将适应性地增加由hvac系统21产生的热效应的大小。因此，尽管来自交通工具状况传感器23和乘员状况传感器24中的任一个或两个的一个
或更多个信号和/或其他数据发生变化，由hvac系统21向交通工具座椅12的乘员11提供的热舒适将相对恒定。因此，本发明的装置和方法是自适应的，因为当从来自交通工具状况传感器23和乘员状况传感器24中的任一个或两个的一个或更多个信号和/或其他数据中收集到新数据时，该新数据被提供给控制器22，控制器22自动改变hvac系统21的操作，以产生用于交通工具10的乘员11的优选舒适轨迹。
44.预测操作模式是一种控制方法，通过该方法，控制器22根据计算出的交通工具座椅12的乘员11的预期期望来改变由hvac系统21产生的加热、冷却和/或通风效果的大小。当图像(或一系列图像)与参考图像(或一系列图像)充分相关时，可以启用能够完全基于基本统计分析的预测操作模式。可选择地，可以通过使用匹配滤波器/分批匹配滤波器方案来启用预测操作模式。这将适用于当参考图像是与交通工具座椅12的特定乘员11相关联的先前热成像图案/图案组时。可以对该参考图像进行充分采样，以基于热模式和历史数据(例如，69个高度相关的图像，以产生90％的置信水平和10％的误差裕度)以可接受的误差裕度预测趋势梯度(结果的输入-输出阵列)。更复杂的机器学习结构也可以用于识别输入模式和预测热趋势，以及所施加的热变化的影响。预测操作模式的主要优点在于，它允许优化hvac系统21的当前操作，同时通过预测未来事件并相应地控制hvac系统21来优化其未来操作。因此，本发明的装置和方法也是预测性的，因为当系统从通用模式调整到用户特定模式(学习用户输入和调整、识别服装状况等)时，可以更新用户舒适区(以及，因此，到目标的时间)，其可以基于环境状况(例如季节、环境温度等)进一步变化。
45.气候控制系统20可以在没有预测输入的情况下以自适应模式操作，或者在具有预测输入的情况下以自适应模式操作。然而，如果气候控制系统20不根据标准模式操作，则它总是自适应的。基本的自适应操作完全基于实时和先前的历史主题和环境变量集(例如使用模式、热照相机模式、机舱温度等)。预测的自适应模式可以具有来自热照相机和预测模型的实时热生理反馈，该预测模型在预测热趋势时连续调节环境温度控件，以便最有效地达到和保持期望的热内稳态(thermal homeostasis)。
46.总地来说，控制器22通常控制hvac系统21的操作，以在标准操作模式下产生加热、冷却和/或通风效果，其中加热、冷却和/或通风效果是响应于一个或更多个可手动操作的控制设备的操作而产生的。然而，当控制器22已从传感器23和/或24接收到第一数据量时，控制器22以自适应操作模式控制hvac系统21的操作，其中根据由传感器23和/或24感测或以其他方式确定的数据产生加热、冷却和/或通风效果。此外，当控制器22已从传感器23和/或24接收到第二数据量时，控制器22以预测操作模式控制hvac系统21的操作，其中加热、冷却和/或通风效果根据计算出的乘员的预期期望来产生。
47.本发明的操作原理和操作模式已在其优选实施例中被解释和说明。然而，必须理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以按照与具体解释和说明不同的方式来实践本发明。