液冷服控制方法及装置转让专利
申请号 : CN202110772632.X
文献号 : CN113917954B
文献日 : 2022-04-12
发明人 : 杨义勇 , 姚奇 , 张应帅
申请人 : 中国地质大学(北京)
摘要 :
权利要求 :
1.一种液冷服系统的动态控制方法,其特征在于,所述方法包括步骤:S100,获取穿戴者的生理参数和运动参数,并根据所述生理参数和所述运动参数确定穿戴者的当前时段的实际温感;
S200,确定目标温感与所述当前时段的实际温感的差别,即当前时段的温感差别;
在当前时段内循环执行S300至S500,直至超出当前时段则返回S100:S300,根据所述当前时段的温感差别与前一时段的温感差别确定冷却液的当前时刻的目标温度;
S400,获取冷却液的实际温度;
S500,计算所述当前时刻的目标温度与所述实际温度的温度差error,根据下述方式控制冷却装置工作,以调节冷却液的温度:当所述温度差error>0时,控制所述冷却装置停止制冷;
当所述温度差error≤‑1时,控制所述冷却装置以额定功率进行制冷;
当所述温度差‑1<error≤0时,根据所述温度差error和与其连续的前两次的温度差控制所述冷却装置工作;
其中,所述S300中确定冷却液的当前时刻的目标温度,采用如下函数关系实现:‑t/τ
g(Δx)=a(Δxnow‑Δxnow‑1)·(1‑e )+aΔxnow‑1+b式中,g(Δx)代表所述当前时刻的目标温度,a和b为常数,Δxnow代表当前时段的温感差别,Δxnow‑1代表前一时段的温感差别,t为当前时刻,τ代表时间常数。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述S500中,所述冷却装置通过脉冲调制方式控制其工作,当所述温度差‑1<error≤0时,根据所述温度差error和与其连续的前两次的温度差确定当前时刻的占空比,并根据所述当前时刻的占空比确定当前时刻的功率,按照所述当前时刻的功率控制所述冷却装置工作。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述S500中,所述当前时刻的占空比采用如下公式确定:
u(k)=u(k‑1)+Δu(k)=u(k‑1)+P(error(k)‑error(k‑1))+Ierror(k)+D(error(k)‑
2error(k‑1)+error(k‑2))其中,u(k)为k时刻的占空比即当前时刻的占空比,u(k‑1)为(k‑1)时刻的占空比,Δu(k)为u(k)和u(k‑1)之间的差值,error(k)为k时刻目标温度和实际温度之间的温度差,error(k‑1)为(k‑1)时刻的温度差,error(k‑2)为(k‑2)时刻的温度差,P、I、D分别为比例积分微分控制中的比例系数、积分系数和微分系数。
4.根据权利要求1‑3任一所述方法,其特征在于,所述S100中所述生理参数包括心率,所述运动参数包括单位时间行进步数和单位时间卡路里消耗量。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述S100中所述实际温感、所述生理参数和所述运动参数均以分值形式计量;
所述根据所述生理参数和所述运动参数确定穿戴者的当前时段的实际温感,具体包括:
对所述生理参数和所述运动参数进行打分,并根据各参数的权重计算各参数的加权平均得分,所述加权平均得分即为所述当前时段的实际温感;其中,所述生理参数的权重和大于或等于各所述运动参数的权重之和。
6.一种计算机存储介质,其特征在于,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被计算机执行时,实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。
7.一种液冷服系统装置,其特征在于,所述液冷服系统装置包括:参数采集装置、液冷服、冷却装置和控制装置;其中,
所述采集装置,为便携式手环,与所述控制装置无线连接,用于采集穿戴者的生理参数和运动参数,并将其发送给所述控制装置;
所述液冷服,设置有供冷却液流通的管路;
所述冷却装置,与所述管路连接,用于对冷却液进行温度调整,并在泵送条件下使冷却液在所述管路中循环;
所述控制装置,与所述冷却装置电连接,采用如权利要求1至5中任一项所述的方法控制所述冷却装置。
8.根据权利要求7所述的液冷服系统装置,其特征在于,所述液冷服包括由外向内层叠设置的防晒层、隔热层、透气层、管路层以及吸热层,所述管路层分布有所述管路,且所述管路包括硅胶软管。
9.根据权利要求8所述的液冷服系统装置,其特征在于,所述液冷服包括液冷衣,所述液冷衣具有相互连接的前部分和后部分,所述前部分和所述后部分分布的所述硅胶软管相贯通,且所述后部分包括穴位分布密集区,当所述液冷衣被穿上时,所述穴位分布密集区与人体大椎穴、风门穴和肺俞穴相对,所述穴位分布密集区较其他区域的硅胶软管的分布密度大。
说明书 :
液冷服控制方法及装置
技术领域
背景技术
发生相应的动作,从而使得血流量增多并出现出汗现象,因此人体的体温在正常情况下变
动不大。
述工况下,人体体温调节往往会出现失衡,从而引起体温升高,如果不采取有效措施,轻则
出现眩晕、中暑现象,严重的甚至威胁生命安全。由此可见,在极端热环境中仅仅依赖人体
生理系统的体温调节是不可行的,而液冷服系统则是高温条件下的极佳选择。
不同位置的皮肤上面粘贴温度传感器,这势必会让穿戴者感到不适;更重要的是仅监测温
度不能准确表征穿戴者的真实冷热感受,实际上穿戴者在静止状态和运动状态对液冷服冷
量的需求是不同的,处于运动状态时对冷量的需求更高。
发明内容
需求的问题。
时段的实际温感;S200,确定目标温感与当前时段的实际温感的当前时段的温感差别;在当
前时段内循环执行S300至S500,直至超出当前时段则返回S100:S300,根据当前时段的温感
差别与前一时段的温感差别确定冷却液的当前时刻的目标温度;S400,获取冷却液的实际
温度;S500,计算当前时刻的目标温度与实际温度的温度差error,根据下述方式控制冷却
装置工作,以调节冷却液的温度:当温度差error>0时,控制冷却装置停止制冷;当温度差
error≤‑1时,控制冷却装置以额定功率进行制冷;当温度差‑1<error≤0时,根据温度差
和与其连续的前两次的温度差控制冷却装置工作。
刻的占空比确定当前时刻的功率,并按照当前时刻的功率控制冷却装置工作。
error(k‑1)为(k‑1)时刻的温度差,error(k‑2)为(k‑2)时刻的温度差,P、I、D分别为比例积
分微分控制中的比例系数、积分系数和微分系数。
分,并根据各参数的权重计算各参数的加权平均得分,加权平均得分即为当前时刻的实际
温感;其中,生理参数的权重和大于或等于各运动参数的权重之和。
理参数和运动参数,并将其发送给控制装置;液冷服,设置有供冷却液流通的管路;冷却装
置,与管路连接,用于对冷却液进行温度调整,并在泵送条件下使冷却液在管路中循环;控
制装置,与冷却装置电连接,采用上述第一方面公开的任一项方法控制冷却装置。
密集区与人体大椎穴、风门穴和肺俞穴相对,穴位分布密集区较其他区域的硅胶软管的分
布密度大。
静止状态还是运动状态,并根据不同状态下人体产热量的不同,确定穿戴者对应的当前时
段的实际温感,较仅监测人体温度,本申请能够更为精确的判断穿戴者的真实感受,进而更
准确的确定穿戴者在各种状态下需要提供的冷量,以满足穿戴者在不同状态下对冷量的需
求,提高穿戴者的舒适性。
申请中冷却液的目标温度是随着实际温感的变化而变化的,并非一个固定值,并根据冷却
液当前时刻的目标温度与实际温度的温度差的不同,采用不同的控制策略,尤其是当温度
差位于0到1之间时,不仅考虑当前时刻的温度差,同时还会考虑之前连续的两次的温度差
来控制冷却装置,从而更精确地确定出冷却液当前时刻希望达到的理想温度,进而使冷却
液的实际温度尽可能达到目标温度时,使穿戴者更为舒适;且本申请在对冷却液的温度进
行控制时以冷却液的实际温度为反馈,对液冷服系统进行闭环控制,控制过程中根据冷却
液的目标温度与实际温度的温度差的大小,分别生成对应不同制冷功率的控制指令,提高
了液冷服系统的控制精度,延长了穿戴者处于热中性的时间,避免在液冷服穿戴过程中出
现的“过冷”或“过热”现象,改善穿戴者的舒适度和穿戴体验。
和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
具体实施方式
态控制方法、计算机存储介质和液冷服系统。
间长度即为获取穿戴者生理参数和运动参数的周期,为一预设值,如可以预先在系统内设
置为30秒,1分钟,或其他适合的时间长度,也可以在穿戴者使用时进行设定,本发明对此不
做限定。温感可以采用分值形式计量或采用能够表示冷热程度的文字或其他形式,如采用
分值0‑4代表温感从冷到热的不同程度,或采用冷,微凉,舒适,微暖,热等文字形式,或采用
表格等形式,如可以采用类似于PH试纸的形式从左到右将温感从冷至热划分为多个格,表
格中间位置的格代表温感为舒适,从中间向左逐渐变冷,从中间向右逐渐变暖。本发明对于
温感等级的划分不做限定,对表征温感的形式也不做限定,可以根据需求或经验进行设定。
实际温感进行表征,克服了单一参数无法准确确定人体实际冷热感受的技术问题。
统中安装专门的装置进行生理参数和运动参数的采集和获取。其中,生理参数和运动参数
的采样周期可以设置为相同,以方便后续应用;当然也可以设置为不同,在两参数采样周期
不同时,则可以将各参数分别进行存储以便后续能够进行获取。例如,在两参数的采样周期
相同时,当前时段的时长可以大于、小于或等于采集设备的采样周期,在当前时段的时长等
于生理参数和运动参数的采样周期时,则直接获取当次的生理参数和运动参数;在当前时
段的时长大于或小于生理参数和运动参数的采样周期时,则获取与当前时段最近一次的采
样数据。
预先设定为穿戴者在系统设定中处于舒适状态的温感,当然在特定环境下也可以设定为在
系统设定中处于其他状态的温感,如将系统设定的微暖状态的温感确定为目标温感,本实
施例对此不做限定。需要说明的是,由于每个人对冷热的感知是有差别的,因此,目标温感
可以在温感划分的等级中任意选择,目标温感并不一定选定为舒适,也有可能为微暖或者
微凉,这可以在使用时穿戴者根据需要进行设定,也可以在程序中事先设定好。
前述PH试纸的表格形式表示时是二者在表格上所对应的两个格之间的格数,将穿戴者的当
前时段的温感差别作为液冷服系统是否进行调节的依据,用于调节液冷服系统中冷却液的
温度,以实现目标温感。
液的温度越低,穿戴者对应的温感也就越冷,反过来也就是,穿戴者的温感为热时,则需要
降低冷却液的温度以带走更多人体产热。因此,可以根据不同的温感差别和冷却液目标温
度的对应关系,具体地,结合当前时段的温感差别和前一时段的温感差别确定出冷却液的
当前时刻的目标温度。温感和冷却液温度的对应关系可以为函数形式、表格对应形式或者
其他对应形式,本实施例对此不做限定。
如可以为当前时段的时长的0.1倍或其他合适的时长。具体地,温度传感器可以安装于冷却
装置,也可以安装于液冷服,如液冷服的硅胶软管(下文详细描述)的管壁,并将获取的实际
温度作为对液冷系统进行闭环控制的反馈,来进行校正冷却液的温度。
差error≤‑1时,控制冷却装置以额定功率进行制冷;当温度差‑1<error≤0时,根据温度
差和与其连续的前两次的温度差控制冷却装置工作。
小能够代表液冷服系统需要调节的冷量大小,进而可以根据温度差error分别制定相应的
控制指令,不同控制指令对应不同的制冷功率,以保证穿戴者的舒适性,同时兼顾续航时
间。
细描述),则控制关闭半导体制冷片。
此控制冷却装置以额定功率进行制冷,以便尽快带走更多的热量。例如,液冷服系统中冷却
驱动装置为半导体制冷片,则控制冷却装置中的半导体制冷片按照额定功率(满功率)运行
制冷。
到目标温感,此时本发明根据当前时刻的温度差error和与其连续的前两次的温度差控制
冷却装置工作,如可以按照预先设定调整规律进行调整。
量的不同,确定穿戴者的当前时段的实际温感,较仅监测人体皮肤温度,本实施例能够更为
准确的判断穿戴者的真实感受,进而更准确的确定穿戴者在各种状态下需要提供的冷量,
以满足穿戴者在不同状态下的冷量的需求,提高穿戴者的舒适性。
中冷却液的目标温度是随着实际温感的变化而变化的,并非一个固定值,并根据冷却液当
前时刻的目标温度与实际温度的温度差的不同,采用不同的控制策略,尤其是当温度差位
于0到1之间时,不仅考虑当前时刻的温度差,同时还会考虑之前连续的两个次的温度差来
控制冷却装置,从而更精确地确定出冷却液当前时刻希望达到的理想温度,进而使冷却液
的实际温度尽可能达到目标温度时,使穿戴者更为舒适;且本申请在对冷却液的温度进行
控制是以冷却液的实际温度为反馈,对液冷服系统进行闭环控制,控制过程中根据冷却液
的目标温度与实际温度的温度差的大小,分别生成对应不同制冷功率的控制指令,提高了
液冷服系统的控制精度,延长了穿戴者处于热中性的时间,避免在液冷服穿戴过程中出现
的“过冷”或“过热”现象,改善穿戴者的舒适度和穿戴体验。
根据当前占空比确定当前功率,并按照当前功率控制所述冷却装置工作。在具体实施时,在
确定当前占空比后,可以通过调整电压或者电流或工作时间的方式控制冷却装置工作,使
其运行在该占空比对应的功率。
或带反馈的模糊控制等控制方法。在计算得出占空比后,根据占空比与功率之间的对应关
系即可得到相应的功率。
过占空比控制冷却装置工作,对应关系简单且现有技术中存在诸多成熟的技术,实现方便,
计算准确。
因此,在S500目标温度低于实际温度,但温度差在1℃以内,表明温度差不大,优选按照采用
增量式离散PID的控制算法实现,即采用如下公式实现:
error(k‑1)为(k‑1)时刻的温度差,error(k‑2)为(k‑2)时刻的温度差,P、I、D分别为比例积
分微分控制中的比例系数、积分系数和微分系数。
样值有关,容易获得比较好的控制效果;且增量式离散PID输出的控制增量,即对应冷却装
置的变化量,即便是误操作所引起的影响也较小,不会严重影响穿戴者工作;同时,这种调
整方式切换时冲击小。
中的一个或几个。
致监测到的人体感觉冷或者热时,体温可能并未发生明显变动,因此,选用皮肤温度作为生
理参数来体现人体的实际温感,准确度不够高。综合考虑穿戴者的舒适性、测量的便利性、
生理参数的灵敏性和可靠性,生理参数中心率受运动状态的影响较大,在静止状态下心率
能够在一定程度上反映人体的温感,实验证明在体温较高的时候人体的心率往往偏高,反
之偏低,也就是心率参数能同时反映静止状态下和运动状态下穿戴者的温感,因此,本发明
优选生理参数包括心率。
进步数和卡路里消耗量等运动参数来映射人体的运动状态,提高了运动状态的监测或识别
精度,可以知道,由于单位时间内行进的步数越多或单位时间内消耗的卡路里量越多,代表
穿戴者的运动速度越快,运动量越大,此时穿戴者的热感就越强烈,人体的实际温感就越
热。
变化做出敏锐的改变,当由运动状态转变为静止状态时,心率参数能够弥补运动参数的突
变,避免温感的误判,且三种参数均比较容易采集,采集成本低,比如,可通过手环采集后无
线传输装置获取,避免杂乱的线路影响穿戴人员的舒适性。
动参数进行打分,并根据各生理参数和运动参数的权重计算各参数的加权平均得分,加权
平均得分即为当前实际温感;其中,生理参数的权重和大于或等于各运动参数的权重之和。
级数越多,控制相对也越精准;对应的温度分值可以设置为,如0分代表温感适中,即舒适
(热中性);当温感大于0分时,穿戴者的主观感受和对应温感分值可以包括有轻微暖和(1
分)、暖和(2分)、热(3分);当温感小于0分时,穿戴者的主观感受和对应温感分值包括有轻
微凉爽(‑1分)、凉爽(‑2分)、冷(‑3分)。
生理参数的权重可以设置大于各运动参数的权重,权重的设置还需要保证各参数加权平均
得分值与温感的分值对应。
动情况和不同温感情况,将心率范围划分成不同的区间,确定区间的长度和对应的分值,例
如,可参照下表1:
2:
随目标温度变化而设置,如果要提升控制精度可以缩小区间长度,并增加区间,如果为了保
证冷却液温度变化能有效追随所确定的目标温度,则可以适当增大区间长度;并且分值的
标准也可以根据温感等级的划分进行适当调整。需要说明的是,心率的打分范围需要与温
感分值设定对应一致,因为心率的变化与温感的变化趋势一致;运动参数的打分范围也同
样与温感分值设定有关,当运动参数表示穿戴者处于静止状态时,分值应对应于温感为舒
适的分值,当运动参数表示穿戴者处于运动状态时,分值应该大于表征静止时的分值,运动
量越大、运动强度越大分值也越大,以表征运动产热。
为:
种参数的打分方式确定的分值。
时表征比较明显,因此,生理参数的权重和应大于或等于各运动参数的权重之和。例如,可
以设置c1:c2:c3=6:2:2或5:3:2或7:1:2等。
能够满足控制精度的需求,便于作为调整液冷服目标温度的依据,以实现穿戴的舒适性,提
高穿戴体验。
假定目标温感为常数M的前提下,温感差别Δx=M‑m,M为目标温感,m为实际温感,即温感差
别Δx与当前时段的实际温感呈负相关,在当前时段的实际温感比较大的情况下,当前时段
的温感差较小,此时需要调节的冷却液的温度变化量较小,因此,目标温度应设定一个较小
的值以维持穿戴者的热中性;相反,在当前时段的实际温感比较小的情况下,冷却液的目标
温度应设定一个较大的值,由此可以判定在目标温感为常数的情况下,当前时段的实际温
感与冷却液的目标温度呈负相关,进而得出冷却液的目标温度和温感差值Δx呈正相关的
结论,即当Δx取最大值时,冷却液的目标温度取最大值;当Δx取最小值时,冷却液的目标
温度取最小值。进而,可以建立函数关系,用于确定冷却液的当前时刻的目标温度。
建立目标温度与当前时段的温感差、前一时段温感差和时间常数的函数关系式,用以确定
目标温度,即通过如下公式实现:
间,通过τ的设定,使在当前时段内,前部分的目标温度能够比较缓和,后部分能够呈线性变
‑t/τ
化,如在时间5τ设定为小于0.5个当前时段的时长时,经过5个时间常数τ后e 基本接近0,
即目标温度基本更新为线性温度Tnow=aΔxnow+b,如此保证了在下个时段到来之前目标温
度已达到线性公式计算给出的线性目标温度并且以该目标温度作用了至少一半时段的时
长。
体健康,克服了直接采用线性函数关系时在识别好人体的温感后,过快设定较高或者较低
的目标水温,造成人体的冷热刺激的问题。
连接;液冷服13设置有供冷却液流通的管路;冷却装置12与管路连接,用于对冷却液进行温
度调整,并在泵送条件下使冷却液在管路中循环;控制装置11与冷却装置12电连接,与采集
装置10无线连接,该液冷服系统采用上述任一实施例公开的方法控制冷却装置12。
输,实现控制装置的参数获取。
量,cl表示前一采样时刻的总卡路里消耗量,vc为单位时间卡路里消耗量,单位为卡/分钟。
组成。冷却装置12在泵送条件中能够保证冷却液在硅胶软管中循环,以带走人体产热,然后
通过与半导体制冷片进行热交换,使冷却液尽量达到目标温度。
方法。
戴者的当前时段的实际温感,较仅监测温度等生理参数,人体温度,本申请能够更为无法准
确精确的判断穿戴者的真实感受识别运动状态,导致无法,进而更准确的确定穿戴者在各
种状态下需要提供的冷量,以满足穿戴者在不同状态下的对冷量需求的技术问题,提高穿
戴者的舒适性。
中冷却液的目标温度是随着实际温感的变化而变化的,并非一个固定值,并根据冷却液当
前时刻的目标温度与实际温度的温度差的不同,采用不同的控制策略,尤其是当温度差位
于0到1之间时,不仅考虑当前时刻的温度差,同时还会考虑之前连续的两个次的温度差来
控制冷却装置,即不同时刻冷却液的目标温度是不同的,从而更精确地确定出冷却液当前
时刻希望达到的理想温度,进而使冷却液的实际温度尽可能达到目标温度时,使穿戴者更
为舒适;且本申请在对冷却液的温度进行控制时以冷却液的实际温度为反馈,对液冷服系
统进行闭环控制,且控制过程中根据冷却液的当前目标温度与实际温度的温度差的大小,
分别生成对应不同制冷功率的控制指令,提高了液冷服系统的控制精度,延长了穿戴者处
于热中性的时间,避免在液冷服穿戴过程中出现的“过冷”或“过热”现象,同时,对应不同功
率的控制信号,能够起到一定的缓冲作用,避免了过快达到目标水温,造成人体的冷刺激,
有利于保护穿戴者的身体健康,改善穿戴者的舒适度和穿戴体验。
的作用是通过对光的反射来削弱日光造成的穿戴人员热量上升;隔热层32的热阻较高,作
用是减弱穿戴人员与热空气的热交换,从而建立一个服装包裹下的微环境;透气层33的作
用是增加透气,防止由于密封过严造成的穿戴舒适性降低;管路层分布有硅胶软管01,硅胶
软管01的作用是提供冷却液的流通通道,为穿戴者与液冷服的热交换创造条件;吸热层34
的热阻较低,目的是为了增加穿戴人员与液冷服的换热量,同时起到固定硅胶软管01的作
用。
且透气性好,提高穿戴者的穿戴体验。
衣被穿上时,穴位分布密集区37与人体大椎穴、风门穴和肺俞穴相对,穴位分布密集区37较
其他区域的硅胶软管01的分布密度大。
第二区域372对应人体的风门穴部位,第二区域373对应人体的肺俞穴部位,01为硅胶软管,
07为液冷衣,38为出水口,39为入水口。
于穴位分布密集处37的温感低于后背其他部分的温感。
顺序。本领域的技术人员能够明了,相关方法步骤的顺序,应由技术本身决定,不应因步骤
编号的存在而被不适当地限制。
换,都将包含于本发明的权利要求范围内。