Dispositivo seguro para conducción frente a situaciones de hombre muerto o dormido.

La presente invención detalla un dispositivo seguro para conducción frente a situaciones de hombre muerto o dormido que comprende mandos para control manual de vehículos o máquinas sobre los que se distribuye una red de sensores piezoeléctricos y piroeléctricos. La información de dichos sensores es gestionada por la electrónica de control con ayuda de un modelo de comportamiento para evaluación de situaciones de riesgo. Dicha electrónica permite envío de señales de mando a elementos que actúan sobre el usuario para alertarlo o bien sobre el vehículo o máquina para retornar a una situación de seguridad. Resulta especialmente útil para evitar intentos de desactivación intencionado por parte del usuario, que han sido causantes de muchos accidentes de ferrocarril

Dispositivo seguro para conducción frente a situaciones de hombre muerto o dormido.

Sector técnico

La invención se encuadra en el sector técnico de la seguridad en vehículos y máquinas. Más concretamente en el relativo a dispositivos de enclavamiento y dispositivos de "hombre muerto", que actúan deteniendo el vehículo o máquina en caso de pérdida de control o desvanecimiento del operario.

Estado de la técnica

Los interruptores o dispositivos de "hombre muerto" tienen la función de detener un vehículo o máquina en casos en los que el operario pierda el control de la misma y su diseño pretende ser siempre a prueba de fallos. Se emplean comúnmente en locomotoras, montacargas, máquinas cortacésped, tractores y otros.

El interés en estos sistemas aumentó con la aparición de tranvías y locomotoras electrificadas, ya que en las locomotoras de vapor siempre había junto al maquinista un oficial encargado de controlar el suministro de combustible al motor. Con los tranvías, metros y trenes de cercanías posteriores, el conductor se empezó a encontrar aislado en un habitáculo al que nadie podía acceder en caso de pérdida de control por desvanecimiento, lo que produjo numerosos accidentes que llevaron a la introducción de dispositivos de "hombre muerto".

Los dispositivos convencionales empleados en locomotoras presentan mandos de control que deben ser presionados de forma mantenida por el operario durante la marcha del tren. El mando de control generalmente tiene un sistema de retorno mecánico tipo resorte que, en caso de desvanecimiento del operario, lo devuelve a su posición de reposo, en la que se libera un interruptor que activa los frenos de emergencia.

Diferentes diseños basados en este sistema en los que el mando de control es un botón, una rueda, una palanca, un joystick y otros, son ampliamente utilizados a pesar de que presentan un problema de seguridad destacable. Mantener la presión sobre un mando, venciendo un sistema de retorno tipo resorte, resulta molesto para los operarios que, en numerosas ocasiones, han optado por colocar algún tipo de bloqueo mecánico (peso, cuerda o similar) para mantener presionado el mando en la posición de marcha y evitar tener que ejercer por sí mismos la presión requerida. En una situación así, el sueño, el mareo, el desvanecimiento o cualquier problema grave que afecte al conductor, lleva irremediablemente a una situación de extremo peligro, que en muchas veces ha terminado en accidentes mortales.

Otros sistemas de hombre muerto han buscado también diseños a prueba de fallos, como el empleo de:

• Pedales en sustitución de mandos manuales, pero que también pueden resultar incómodos para el operario e inducirle a colocar un peso sobre el pedal por razones de sobrecarga muscular, lo que lleva a problemas similares a los expuestos arriba.

• Sensores de contacto que permiten detectar si la mano del operario ejerce contacto sobre el mando, pero que no permiten evaluar posibles situaciones en las que el conductor se duerma, al ser sensores que no diferencian presiones.

• Sensores ópticos que también permiten detectar si la mano del operario ejerce contacto, pero que resultan también fáciles de sabotear colocando una cinta adhesiva opaca sobre el sensor.

• Interruptores de asiento, generalmente utilizados en tractores, destinados a cortar el motor si el conductor se baja o se cae del tractor. En caso de desvanecimiento, sin embargo, el tractor seguiría funcionando y podría ocasionar un accidente.

• Sensores ópticos que permiten evaluar la frecuencia de parpadeo del conductor y activar algún tipo de señal de alarma en caso de cambio notable en dicha frecuencia (generalmente disminución de frecuencia), que se produce en situaciones de sueño.

Entre las patentes encontradas relacionadas con estos sistemas destacan:

WO0018012 "Dead-man switch".- Que trata sobre un mando para vehículos que por efecto de presión es capaz de detectar situaciones de desvanecimiento del conductor y enviar una señal para desconectar la transmisión del motor.

US2006164254, DE10332823 y WO03093048.- Describen sensores capacitivos embebidos en mangos o asientos para detectar al operario de la máquina o vehículo por medio de la presión que éste ejerce.

KR20040041479 "Device for detecting seating in vehicle for outputting signals in taking seat or getting up from seat".- Trata sobre un interruptor de asiento en el que el cojín presenta un resorte destinado al cierre del interruptor sólo cuando el conductor esté sentado sobre el asiento.

US2006151227 "Automobile with vehicle seats equipped with pressure sensors".- Contiene sensores incluidos en los asientos de un automóvil para evaluar la presión ejercida en diferentes partes del asiento y actuar por medio de una unidad de control para aumentar la comodidad del usuario.

WO9805543 "Steering wheel with opto-electronic sensor".- Presenta un volante con fibra óptica incluida en su interior, por la que se hace pasar luz de forma continua. Los cambios de presión sobre el volante producen modificaciones en la transmisión de la luz a través de la fibra óptica, que correctamente evaluadas permiten programar actuaciones.

La publicación "Monitoring eye and eyelid movements by infrared reflectance oculography to measure drowsiness in drivers" describe un sistema de hombre muerto que emplea oculografia infrarroja para detección de cansancio en conductores. Se explica la realización de ensayos en un simulador de conducción, en los que se evalúa el movimiento de los párpados de los distintos participantes.

Productos comerciales como el "Angel driver nzapper" proponen detectar el sueño del paciente en función de la inclinación y movimientos de su columna vertebral. Se coloca en la oreja y detecta cualquier movimiento o inclinación de la cabeza que incite al sueño o cansancio, alertando al conductor mediante pitidos de alta frecuencia de su estado.

En muchos de los sistemas comentados, el problema radica en que el sensor permite evaluar una sola magnitud física, generalmente presión, con lo que el sistema no resulta seguro a prueba de engaños por parte de los usuarios. Resultaría conveniente disponer de una red de sensores que permitiera evaluar simultáneamente dos magnitudes y decidir las actuaciones en función de una comparación cruzada de dichas magnitudes. Se llegaría así a un sistema más fiable, tanto en casos de fallo en la detección de una de las magnitudes, como en casos de intento de sabotaje del sistema.

Existen ciertos polímeros que presentan propiedades tanto piezoeléctricas (acoplamiento electromecánico) como piroeléctricas (acoplamiento termomecánico). Responden frente a cambios de presión y/o temperatura generando una diferencia de potencial entre sus extremos, lo que los hace posibles candidatos a formar parte de una red de sensores que permitiera evaluar simultáneamente presión y temperatura, como se proponía antes para solucionar los problemas en los sistemas de hombre muerto explicados.

En el pasado estos polímeros se han empleado en el desarrollo de sensores de presión como se describe en US2004181117, JP2005201044 y US5760530. En estos sistemas, la presencia de un acoplamiento termoeléctrico adicional (el efecto piroeléctrico) era siempre una molesta fuente de ruido que falseaba la señal de presión. De hecho existen patentes como la US2006152375 "Pressure-sensitive sensor and object detector" que exponen procedimientos para compensar los efectos piroeléctricos y sólo considerar los efectos de presión.

En otros casos estos polímeros se han empleado en el desarrollo de sensores de temperatura o detectores de infrarrojos, como se describe en US2007187605 y en US2007108385, siendo en estos casos el acoplamiento electromecánico el posible causante de señales inesperadas en estos sistemas.

Lo que en dichos sistemas resultaba un problema, si se combina con un microcontrolador que disponga de un modelo de comportamiento piezoeléctrico-piroeléctrico adecuado, puede resultar decisivo en la obtención de un dispositivo de hombre muerto que permita evaluar simultáneamente la evolución de dos magnitudes (presión y tempera- tura).

Se describe con esta invención cómo llegar a un dispositivo de hombre muerto basado en las ventajas que aportan los polímeros piezoeléctricos...

1. Dispositivo seguro para conducción frente a situaciones de hombre muerto o dormido que comprende:

• uno o más mandos para control manual de un vehículo o máquina que disponen de una red o matriz de sensores piezoeléctricos y piroeléctricos distribuidos sobre la zona susceptible de contacto con las manos del operario y conectados a la electrónica de control;

• electrónica de control, con al menos batería, procesador, módulo de comunicaciones y antena, con funciones de:

• tratamiento de la información proveniente de los sensores, sobre la evolución de presiones y temperaturas, en base a un modelo de comportamiento combinado piezoeléctrico-piroeléctrico ajustado para la detección y evaluación precisa de situaciones de riesgo que opera en diferencias finitas según el modelo:

siendo:

I.- la intensidad de corriente,

U.- el voltaje a la salida del circuito equivalente,

R.- la resistencia equivalente del circuito externo,

C.- la capacidad del condensador equivalente al sensor,

F.- la fuerza aplicada,

d33.- el coeficiente piezoeléctrico transversal del sensor,

dt.- un intervalo reducido de tiempo para aplicar el cálculo por diferencias finitas a la resolución de la ecuación diferencial,

k.- la conductividad del material en el entorno del punto evaluado,

p3.- el coeficiente piroeléctrico del material del sensor,

L1•L2.- el área efectiva del sensor,

varepsilon.- la constante dieléctrica del sensor,

T.- la temperatura del punto estudiado,

ρ.- la densidad del material en el entorno del punto,

cp.- el calor específico del material en el entorno del punto,

Ti'.- la temperatura del nodo "i" en el instante "t",

Ti'.- la temperatura del nodo "i" en el instante "t + dt",

Ci.- la capacidad térmica del volumen de la celda o tramo asociado al nodo "i" y definido por Ci = Vi • ρ • cp. Con "Vi" el volumen de la celda, "cp" el calor específico del material de la celda y "ρ" la densidad del material de la celda,

qi.- la cantidad de calor (externo o interno añadida al nodo "i"),

∑limits_j.- el sumatorio en j que se extiende a todos los nodos "j" adyacentes al nodo "i",

Rij.- la resistencia térmica entre el nodo "i" y el nodo "j", dicha resistencia a la transmisión de calor, en función de la situación de los nodos y del entorno de las celdas o tramos asociados, se definirá según la forma de transmisión de calor,

x.- la dirección de propagación del calor,

frac{∂ial}{∂ial}.- La derivada parcial de una magnitud con respecto a otra,

• gestión de actuaciones mediante el envío de señales de mando a los actuadores,

• gestión de actuaciones mediante el envío de señales a los dispositivos remotos,

• recepción de señales de mando adicionales provenientes de centros de control remoto como complemento al modelo de comportamiento y de evaluación de riesgos;

• uno o más elementos actuadores con posibilidades actuación acústica, vibratoria, luminosa o combinación de las mismas, con control sobre sus intensidades y duraciones, destinados a alertar al operario;

• uno o más dispositivos remotos con posibilidades de actuación mecánica, eléctrica, neumática, hidráulica o combinación de las mismas, destinados a llevar al vehículo o máquina a una situación segura.

2. Dispositivo según reivindicación 1, en el que el elemento actuador es un dispositivo electrónico portátil con capacidades de telecomunicación.

3. Dispositivo según reivindicación 2, en el que entre los elementos actuadores están incluidos vibradores acoplados a los mandos de control para alertar al usuario por vibración.

4. Dispositivo según reivindicación 3, en el que los dispositivos remotos actúan activando un freno destinado a reducir la velocidad o parar el vehículo o máquina.

5. Dispositivo según reivindicación 3, en el que los dispositivos remotos actúan cortando la inyección del motor de combustión que acciona el vehículo o máquina.

6. Dispositivo según reivindicación 3, en el que los dispositivos remotos actúan cortando la alimentación del motor que acciona el vehículo o máquina.

7. Dispositivo según reivindicación 3, en el que los dispositivos remotos actúan sobre el sistema de dirección del vehículo para dirigirlo a una zona segura.

8. Dispositivo según reivindicación 3, en el que los dispositivos remotos actúan liberando la transmisión al eje motriz.

9. Dispositivo según reivindicación 3, en el que se emplean uno o varios repetidores de señal para facilitar la comunicación entre los distintos elementos de la invención.

10. Dispositivo según reivindicación 3, en el que la electrónica de control está integrada por una tarjeta de adquisición; para recepción, acondicionamiento y conversión A/D de la señal de los sensores, conectada a un ordenador que evalúa las situaciones de riesgo según el modelo de comportamiento y gestiona las actuaciones.

11. Dispositivo según reivindicación 3, que comprende un pulsador para activar el cambio a control manual del vehículo o máquina.

12. Dispositivo según reivindicación 1, en el que en el envío de información entre la electrónica de control, los actuadores y los dispositivos remotos se realiza por medio de tecnologías inalámbricas.