基于TRIZ理论的智能汽车窗帘设计

2021-01-21朱玉杰曹嘉平高志勇

重庆理工大学学报(自然科学) 2020年12期

朱玉杰，曹嘉平，高志勇

（东北林业大学工程技术学院，哈尔滨 150040）

随着人们对驾乘舒适性要求的提高以及个人隐私保护意识的增强，汽车窗帘逐渐被人们广泛接受［1］。汽车从原来的单一代步工具转变为追求情感化和人性化驾乘体验的载体［2］。作为汽车人机交互与智能控制的载体，智能汽车窗帘的设计和研发尤为重要。目前，研究者设计出了具有特定功能的智能家具窗帘。例如，利用蓝牙通信实现无线控制［3］，以Wi-Fi技术为支持、以无线路由器通信模块为辅助调节窗帘的打开和闭合［4］，利用Zigbee技术实现对窗帘的智能控制［5］。但是现有的汽车窗帘功能较为单一，既不能完全满足乘员的个性化需求，也无法根据汽车周围的环境变化和乘员的活动状态变化进行有效的智能控制。目前，将TRIZ理论应用于汽车窗帘设计的文献较少，本文中针对这一领域进行研究，并对其中存在的矛盾进行分析，得到符合TRZI发明原理以及国家标准的设计。

Genrich SA等［6-7］提出了可解决创造性问题的理论方法和工具——TRIZ理论。TRIZ理论着重于澄清和强调系统中存在的矛盾，基于技术的发展演化规律来发明创造、解决难题并研究整个设计与开发过程。TRIZ理论应用过程的基本思路如图1所示。

TRIZ理论的核心理念之一是分析与解决矛盾。矛盾可描述为由改善方案引发的冲突，一个方案在改善系统某个参数的同时会伴随着另一个参数的恶化。利用TRIZ理论，通过问题对应的技术参数寻找矛盾，应用发明原理解决矛盾［8］。

1 汽车窗帘装置现状及问题分析

在经济高速发展和车载智能交互系统迅速兴起的大潮下，人们对驾乘体验有了更高的追求，专门的汽车窗帘随之出现并不断发展，从单纯作为保护隐私的汽车贴膜到专用于遮光的汽车窗帘，相似的装置被赋予了更多的功能。

对于在汽车内部起到遮光作用的装置，汽车窗帘总体上为薄膜状或帘状结构，目前常用的有吸盘铝箔遮阳挡、纱网式侧遮阳挡、静电贴式侧遮阳挡和遮阳帘4种类型。从功能方面考虑，合格的汽车窗帘应满足便于遮光、遮阳、保护隐私这几项要求。考虑到无人驾驶技术的蓬勃发展以及基于人工智能的车载交互系统的普及，汽车窗帘也应满足智能控制和人机交互的需求。然而，目前的装置在移动空间、智能控制、交互设计以及驱动方式方面均存在问题。

1.1 装置与移动空间

伴随着智能家居的不断普及，当今的智能窗帘系统得到了人们的认可和广泛应用。如今计算机技术、网络技术、控制技术以及通信技术的融合和发展，促使许多家庭已经实现了生活现代化［9］。智能家居是指以建筑空间为平台的固定空间内的智能装置，其控制方式与使用效果在移动空间内不能得到完全保证，在汽车移动过程中无法适应窗外快速变化的光照强度以及安全要求。

1.2 装置与智能控制

汽车在移动过程中，车窗外的光线强度迅速发生变化，尤其是在高楼林立的城市中行驶时，一旦汽车驶离建筑物遮挡区，光照强度会迅速增加，使车内乘员眼睛难以适应快速变化的光线，可能导致严重后果，而车内稳定的光照强度可有效避免眩光引起的意外。目前，市场上的汽车窗帘并没有完善的智能控制系统，不能适应移动空间外部快速变化的光照强度。此外，一直关闭窗帘来遮挡汽车窗外变化的光线可能导致视觉与前庭感觉冲突而引发晕动病［10］。

1.3 装置与交互设计

汽车作为一种代步工具，在行驶过程中，乘员必然会进行驾驶、工作、休息等不同活动，并伴有对光照强度的不同需求。对于行驶中的车辆，车窗外光照强度的变化会给车内人员的不同活动带来一定干扰，影响乘员的乘坐体验。汽车窗帘装置应便于及时与车内人员进行交互，满足乘员对光照强度的不同需求。

1.4 装置与驱动方式

为实现汽车窗帘的智能控制，为窗帘安装驱动装置。相比于智能家居中窗帘以直流或交流电机为驱动方式，汽车窗帘由于受到安装空间与安全因素的限制，无法采用传统的电机驱动方式，因此选用合适的驱动方式显得尤为重要。

2 汽车窗帘的创新设计

2.1 设计思路

结合上文所述，汽车窗帘要在移动空间、智能控制、交互设计和驱动方式4个方面进行改进［11-12］。依据TRIZ理论，采用矛盾矩阵来解决参数改善同时导致的另一方面参数恶化的冲突现象［13］。

利用TRIZ理论的矛盾矩阵解决问题，需从矛盾的来源确定矛盾。方案包含矛盾，在了解问题的过程中产生，后果包括有利方面和不利方面［12］。将有利和不利之处与39个技术参数建立联系。有利之处对应欲改善的参数，不利之处对应欲恶化的参数，每一对欲改善的参数和欲恶化的参数构成一组冲突，利用矛盾矩阵找出发明原理解决问题。汽车窗帘具体设计思路如图2所示。

2.2 冲突分析

参照《汽车内部凸出物》［13］和《客车安全结构要求》［14］，构件表面的边缘应倒角，且装在顶盖上但不属于顶盖结构的零件，凸出部分的宽度不得小于向下的凸出量；车厢内壁、内顶、内外装饰件应采用阻燃材料；在紧急情况下，可打开或击碎玻璃以供乘员撤离的侧窗和后窗；蓄电池应安装牢固，防止短路，并易于接近。考虑汽车窗帘装置现状与安装、使用过程中的实际要求，同时结合上述规定，得出下列方案：

1）移动空间方面：用百叶帘作为窗帘形式，随着光照强度的变化百叶片可以自动翻转以调节开合角度。

2）智能控制方面：引入光检测模块，进行光照强度数据采集与汇总；引入GPS定位系统，通过计算提前对光照强度做出判断。

3）交互设计方面：引入面部识别技术定位眼睛、鼻尖和嘴角位置，通过眼球追踪技术获得乘员注意力方向，并结合定位位置判断乘员活动状态［15］。

4）驱动方式方面：引入太阳能电池作为供电电源。

方案利弊分析如表1所示。

表1 方案利弊分析

利用矛盾矩阵将上述方案的利弊与39个技术参数中的改进参数、恶化参数分别进行匹配，得到表2的参数匹配情况。待改善的参数包括：①N38自动化程度：系统或物体在无人操作的情况下完成任务的能力，表现为帘体根据光照强度的变化自动调节开合角度；②N35适应能力：物体或系统响应外部变化的能力，表现为光检测模块使帘体可以检测到光照强度的变化、摄像头可以使汽车窗帘检测到乘员活动状态；③N8静止物体的体积：静止物体所占空间体积，表现为太阳能电池代替车内逆变器为电机及其驱动供电。欲恶化的参数包括：①N12形状：物体外部轮廓或系统的外貌，表现为帘体处于闭合状态时会妨碍乘员在危险时刻击碎玻璃从安全窗逃生的路径；②N37监控与测试的困难程度：部件与部件之间关系复杂使得系统的监控与测试困难，表现为光检测模块在百叶片完全闭合后将检测不到外部光照强度，GPS定位系统、摄像头测量与信息传输难度较大；③N27可靠性：系统在规定的方法及状态下完成规定功能的能力，表现为由于太阳能电池体积受限无法提供满足汽车窗帘工作所需的电能。

表2 参数匹配情况

由表1、2可以看出，汽车窗帘在设计过程中的几组冲突包括：① 百叶帘自动化调节与其外形会影响乘员安全逃生；②汽车窗帘对光照强度变化的适应能力与监控的难度增大；③ 汽车窗帘自动预判光照强度变化与检测的困难程度；④汽车窗帘对乘员不同活动的适应性和监控与测试的困难程度；⑤太阳能电池的体积与其单位时间内吸收的太阳光。

2.3 基于矛盾矩阵的设计方案

根据确定的技术参数，查阅阿奇舒勒矛盾矩阵，得到阿奇舒勒矛盾矩阵，有关元素见表3。

表3 阿奇舒勒矛盾矩阵

阿奇舒勒矛盾矩阵提供了为解决矛盾冲突建议使用的发明原理。根据汽车窗帘研制的实际需要，依次筛选出15（动态化）、13（反向功能）、1（分割与切割）、34（抛弃和修复）、25（自服务）、30（采用柔性壳体和薄膜）、6（多用性）这些发明原理解决问题。其他发明原理对设计的指导意义不大，因此不予选用。汽车窗帘设计采用的发明原理如表4所示。

表4 汽车窗帘设计研究运用的发明原理

2.3.1 移动空间

1）动态化原理。动态化原理提到如果一个物体整体是静止的，则使之移动或可动。巴士上汽车窗帘处于闭合状态，会妨碍乘员从安全窗逃生，可以利用手动与智能控制窗帘相结合的方式，在保证窗帘正常遮光的同时根据乘员需要使其手动打开，方便人们在紧急情况下从安全窗逃生。

2）反向功能原理。该原理要求以相反的方式制造或控制某一操作。传统的百叶帘横向安装百叶片，结合汽车窗户的形状、尺寸与功能特点，考虑将百叶片纵向安置，方便乘员手动操作。

如图3所示，百叶片纵向放置后，在其上部固装百叶滑块，使其能够在导轨上左右移动，带动百叶片闭合。此外，纵向设置的百叶容易与驱动滑块和丝杠机械连接，在完成设计功能的同时简化了结构。

2.3.2 智能控制

1）分割与切割原理。该原理提到要将系统分成独立的部分。对于窗帘闭合后，光检测模块检测不到车外光线变化这一问题，利用分割思想将光敏电阻安装在百叶片内外两侧，保证了无论汽车窗帘处于何种状态，光敏电阻都可以接收到汽车内外光照强度变化的信号。设置如图4中的3（外光敏电阻）和6（内光敏电阻）。

2）抛弃与再生原理。当系统中要完成的功能类似时，为了简化系统，需要抛弃多余的要素。对于汽车行进过程中对周围建筑物做出预判，以提前调整百叶片角度这一要求，GPS定位系统与摄像头完成的功能有所重复，需要抛弃其中1项。

3）自助服务原理。该原理要求物体在执行1项有益功能时必须实现自助服务。考虑到使用摄像头捕捉图像，用基于卷积神经网络的机器学习算法［16］训练摄像头，使其能够对图像进行识别。结合抛弃与再生原理，决定抛弃GPS定位系统，保留摄像头完成判断汽车侧方建筑物变化的任务。为了完成此项设计，采用放置在窗帘框架外侧的摄像头，如图4中的4，此摄像头不仅具有对车侧面外图像进行识别的功能，还可与内外光敏电阻配合判断车窗外部的光照强度的变化。

2.3.3 交互设计

分割与切割原理。乘员进行不同活动时对光照强度有不同要求，此时汽车窗帘既要通过判断车外光照强度来进行百叶片角度调节，又要结合乘员所处的活动状态进行调节，这需要摄像头进行人的面部识别以及眼动追踪。因此，根据分割原理，将摄像头安装在前方座椅的背面，及时准确地判断乘员活动状态，如图5中的2。此处摄像头正对乘客的脸部，可进行人脸识别和眼动追踪，更好地判断光照强度，进一步增强设计功能的舒适性和可实现性。

2.3.4 驱动方式

1）采用柔性壳体或薄膜原理。该原理要求使用柔性、柔韧壳体构造或薄膜取代传统组件，或者隔离物体与它所在的环境。由于受到车窗框架尺寸限制，太阳能电池板面积有限，无法保证提供汽车窗帘所需的充足的电能。非晶硅柔性薄膜太阳能电池由于依靠自身柔性可附着在其他柔性物上。依据该原理，将非晶硅柔性薄膜太阳能电池附着在帘体上，增大受光面积的同时吸收更多的太阳能。

2）多用性原理。多用性原理否认一个物体只具有单一功能。百叶片除了具有遮光隔热的功能外，还为太阳能电池薄膜提供安装空间，当窗帘闭合时，太阳能电池将有充足的面积吸收太阳能。

基于TRIZ理论设计的汽车窗帘既考虑汽车作为移动空间的特殊性，也注重汽车行驶过程中周围环境的快速变化、不同乘员的个性化需求以及汽车空间限制等问题。在实际使用时，设纵向安装百叶片的百叶帘，允许汽车窗帘根据光照强度的变化来改变百叶片角度，保障汽车内部光线适宜，同时方便乘员手动控制汽车窗帘；设有光检测模块实现汽车窗帘的光控；摄像头根据卷积神经网络的机器学习算法，实现对前方光照强度变化的预判，以提前调整百叶片方向，也可进行面部识别以及眼动追踪，判断乘员的活动状态；通过非晶硅柔性薄膜太阳能电池满足对汽车窗帘的供电需求，在移动空间、智能控制、交互设计和驱动方式这4个方面进行大量优化。

3 汽车窗帘装置的测试

3.1 对机械结构的测试

将装置进行装配，电机先不与丝杠配合，手动旋转丝杠输入端，并观察丝杠与滑块的运动情况，保证不存在由于润滑不当引起滑块卡住无法运动或噪音过大的情况；确认丝杠与滑块啮合状态正确，不存在打齿等现象。

3.2 对电机及主控板的测试

将电机与TB6600驱动模块接驳且TB6600采用共阴极接法与主控板相连。保持电机空载，在程序中屏蔽掉AD转换部分程序段并设置电机转速60 r／min测试，观察电机确保不存在由于AB项接线错误而无法正确旋转的现象。在电机工作正常且可控时，加入AD部分程序段，并通过主控板的按键更改设置的光强阈值。通过可调光源模拟环境中的光强变化，测试在不同阈值的情况下，随着光强的变化，电机是否能正确进行正反转切换。

3.3 综合测试

将电机与丝杠输入端通过联轴器进行装配，将帘体自由端与滑块固定在一起，并在程序中设置不同的电机转速进行测试，确保滑块与丝杠始终配合润滑良好，不存在电机过载导致异常发热。

3.4 实地测试

从东北地区某大学校园内招募被测者3名，并租用校园巴士1辆，将校园巴士全部窗户用帘布遮挡，仅留1面窗户安装本汽车窗帘装置。设定一段巴士校园内行驶路线，测试路线沿途经过有建筑物遮挡区和无建筑物遮挡区时帘体上摄像头是否能及时准确判断周围建筑物的变化。在巴士行驶途中，让3名被测者有意识变换自己的活动状态，以测试汽车头枕摄像头对人活动状态的判断是否准确。通过实验中被试者的反馈结果发现，2个摄像头能准确做出判断，汽车窗帘能及时调整开合角度，使车内的光照强度保持适宜，不会出现活动与光照强度不匹配、车内光照强度变化明显的现象。