一种基于事件触发动态电压编码的电动床红外防夹系统及控制方法与流程

本发明属于智能家居、电动床功能安全及非接触式传感检测，具体涉及一种适用于电动床升降机构剪切或挤压危险区域的总线式红外防夹保护系统及其控制方法。

背景技术：

1、电动床在背部抬升、腿部抬升及复位过程中，床板、连杆、推杆与底架之间存在相对运动。若人体肢体、宠物、织物或异物进入剪切区域，易引发夹伤或机构卡滞。因此，电动床需要配备可靠的防夹保护系统。

2、现有红外防夹方案多采用星型布线，每组传感器独立线束回接主控，线材用量大、装配路径复杂，量产中易出现错插、漏插与线束干涉问题。若需识别具体遮挡区域，通常需要额外增加rs485、lin、i2c等通讯芯片，或占用大量mcu输入输出端口，硬件成本与软件维护复杂度显著上升。

3、在寻址技术方面，现有总线分压寻址技术（如cn104820653b）的核心目的是静态识别从设备物理安装位置，属于上电一次性配置技术：设备安装完成后读取一次电压值，建立地址与位置的映射关系，运行过程中电压值固定不变。该方案本质上属于数字通讯总线的附加功能，需兼容数字通讯协议，电压窗口受噪声容限严格约束，既不支持高频次动态事件检测，也无任何安全控制、失效兜底与环境补偿机制，无法直接应用于电动床人身安全级的实时防夹场景。

4、在安全机制方面，多数防夹方案仅实现遮挡即停止的基础逻辑，对总线断路或短路、传感器老化漂移、供电异常、接触不良等长期使用中的典型故障缺少分级诊断与安全兜底。部分方案故障检测仅停留在通断二元判断，无降级运行、自动标定、方向联动等场景化设计，易出现误触发、漏触发或带故障运行的安全风险。

5、在长期可靠性方面，家居环境温湿度变化大、电源电压波动、红外器件老化、电阻温漂等因素都会导致电压采样值偏移，固定阈值方案在长期使用后易出现误判。现有方案无自动标定与动态补偿机制，需人工定期校准，售后维护成本高。

6、此外，电动床置于卧室家居场景，床底剪切区域存在宠物穿行、人工清扫拖地、物品长期存放等典型活动。宠物或人快速穿越剪切区属于短暂的非危险遮挡，扫把或拖把来回掠过属于往复式的非危险遮挡，收纳箱或鞋等床底长期存放物品属于预存在的静态遮挡，而人体肢体被夹持、织物卷入机构、硬质异物卡入剪切区属于必须立即响应的危险性遮挡。现有方案均采用统一的幅值阈值进行遮挡判定，无法区分上述不同运动性质的遮挡事件，导致宠物穿行或清扫动作频繁触发误停机，用户被迫降低防夹灵敏度甚至关闭防夹功能，形成更大的安全隐患；床底预存物品还会造成上电基线遮挡，现有方案或拒绝启动，或将其与运动中新进入的危险物体同等对待，均无法适配家居床底收纳的真实使用场景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向电动床安全场景定制的事件触发式总线防夹系统及其控制方法，在不增加专用通讯芯片的前提下，实现布线极简、点位可定位、响应高速、安全兜底完备、长期运行可靠且能区分危险遮挡与无效遮挡的红外防夹功能。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于事件触发动态电压编码的电动床红外防夹系统，包括：

4、主控单元，集成有至少一路adc模拟采样通道、事件识别模块、安全状态机模块和电机安全输出接口；

5、三芯事件寻址总线，由vcc线、gnd线和sig线三根导线构成，沿电动床的静态床架布设为环形或半环形拓扑，所述三芯事件寻址总线为纯模拟事件专用总线，不承载数字通讯协议；

6、多组红外发射端，每组所述红外发射端接入所述vcc线和所述gnd线，并被配置为持续发射经载波调制的红外光束；

7、多组红外接收端，每组所述红外接收端接入所述vcc线和所述gnd线，且每组所述红外接收端的输出端串联唯一阻值的分压编码电阻后接入所述sig线；

8、其中，所述主控单元被配置为：

9、在常态空闲态下，各所述红外接收端呈高阻态，所述sig线电压维持在上拉电平对应的空闲基准电压；

10、在事件触发态下，当有一路红外光束被遮挡时，对应的所述红外接收端导通，其分压编码电阻接入sig回路，使所述sig线电压跳变至该分压编码电阻对应的电压窗口，所述主控单元通过adc采样值匹配预设的电压窗口表定位对应的遮挡点位；

11、在故障态下，所述主控单元根据所述sig线电压落入预设的故障极端窗口的状态，优先识别总线短路、总线断路或供电异常故障；

12、在事件恢复态下，遮挡物移除后，对应的所述红外接收端恢复高阻态，所述sig线电压回归所述空闲基准电压。

13、进一步地，所述主控单元还集成有防抖确认模块，所述安全状态机模块被配置为包含以下状态及流转逻辑：

14、s0常态监测态：以预设周期采样所述sig线电压，经滑动中值滤波后与所述电压窗口表比对，同时获取当前床体的运动方向、角度和速度信息；

15、s1事件预确认态：当采样值落入一个事件窗口时，进入预确认状态，连续预设次数的采样均落入同一事件窗口，且与当前床体运动方向匹配时，判定为有效遮挡事件；

16、s2安全执行态：确认有效遮挡事件后，立即通过所述电机安全输出接口输出电机停止指令，并根据当前运动方向和角度执行差异化的反向回退动作；

17、s3锁定等待态：执行安全动作后进入锁定状态，禁止对应方向的运动，若遮挡持续存在则保持锁定并输出告警，若遮挡移除则持续确认预设时长的无异常状态后进入待恢复状态；

18、s4复位恢复态：遮挡移除且确认无故障后，自动解锁运动功能并回归所述s0常态监测态。

19、进一步地，所述s2安全执行态中的差异化反向回退动作包括：

20、床背下降触发时，若当前床背角度小于30度则回退5度，若当前床背角度大于或等于30度则回退3度；

21、腿部下降触发时，若当前腿部角度小于40度则回退4度，若当前腿部角度大于或等于40度则回退2度；

22、侧边区域触发时，仅停止不回退。

23、进一步地，所述主控单元被配置为实时读取电机驱动的运动方向与角度信息，仅当遮挡事件发生在当前运动方向的危险侧时触发安全动作，非危险侧的遮挡判定为无效事件不予响应。

24、进一步地，所述主控单元还集成有分级故障诊断模块，所述分级故障诊断模块被配置为：

25、当所述sig线电压的adc采样值持续低于满量程的5%且连续10次确认时，判定为总线短路故障，切断电机使能并锁定全部运动；

26、当所述adc采样值持续高于满量程的95%且连续10次确认时，判定为总线断路故障，切断电机使能并锁定全部运动；

27、当供电电压vcc采样值超出额定电压正负15%范围时，判定为供电异常，切断动力输出并禁止升降，待供电恢复后自动重新自检；

28、当空闲基准电压漂移超过初始值的正负10%时，触发自动温漂补偿并更新电压窗口阈值；当漂移超过正负20%且补偿失败时，进入降级模式并保留基础停止功能；

29、当单路事件触发电压持续偏移且累计运行时长超过设计寿命的80%时，标记对应点位为老化状态并扩大对应窗口余量；

30、当adc采样值无规则频繁跳变且无对应运动事件时，判定为接触不良并锁定对应区域运动。

31、进一步地，所述主控单元还集成有自动标定与环境自适应补偿模块，所述自动标定与环境自适应补偿模块被配置为：

32、首次通电或触发标定后，依次选通每一路所述红外接收端并记录对应的adc采样值，自动生成每一路的电压窗口上下限，预留正负15%的余量后写入非易失性存储器；

33、每隔预设时间间隔采集环境温度，根据分压电阻与红外器件的温度系数动态修正电压窗口阈值，温度每变化10摄氏度对窗口值执行一次线性补偿；

34、每次上电时重新校准所述空闲基准电压，跟随电源电压波动对全部窗口同步按比例调整，并在累计运行过程中定期记录各点位触发电压的变化趋势以修正窗口基准。

35、进一步地，所述主控单元被配置为支持以下至少一种多点遮挡处理模式：

36、优先级模式，按预设的危险等级顺序对多路同时触发的遮挡事件排序，高优先级事件优先响应并记录所有触发点位；

37、时间片轮询模式，以预设时间片为周期轮流选通各路所述红外接收端的供电，分时检测每一路的状态，支持至少16路节点的识别。

38、进一步地，所述主控单元还被配置为：

39、在事件窗口内对连续n次adc采样值计算窗口内采样方差、符号翻转次数和趋势斜率，其中n为10至20；

40、根据所述窗口内采样方差、所述符号翻转次数和所述趋势斜率落入预设四模式判定矩阵中的模式，判定遮挡事件为有效危险事件或无效遮挡事件；

41、其中，所述四模式判定矩阵包括：静止稳定型，窗口内采样方差低于第一阈值、趋势斜率趋近于零且符号翻转次数趋近于零，判定为有效危险事件；单调渐进型，趋势斜率持续为负且符号翻转次数趋近于零，判定为有效危险事件；往复振荡型，符号翻转次数高于第二阈值且窗口内采样方差高于第三阈值，判定为无效遮挡事件；短暂脉冲型，进入事件窗口后迅速恢复基准，判定为无效遮挡事件。

42、进一步地，所述主控单元还被配置为：

43、对至少一路未触发通道的adc采样序列提取振动频率和振动幅度，形成当前运动状态的振动基线；

44、当事件窗口被触发时，检测其余未触发通道的所述振动基线的频率和/或幅度是否发生突变，若发生突变则支持有效事件判定，若无突变则倾向于无效事件判定。

45、进一步地，所述主控单元还被配置为：

46、在电机启动前10毫秒至50毫秒的时间窗口内对全部通道执行一次adc扫描，对处于事件窗口的通道记录其当前遮挡电压作为预置遮挡电压，并允许床体正常启动；

47、在床体运动过程中，对记录有所述预置遮挡电压的通道执行差分追踪，当该通道当前电压与所述预置遮挡电压的差值超过预设位移判据时，将该通道升级为动态事件并执行安全动作；当差值未超过所述预设位移判据时，跳过该通道的安全判定。

48、进一步地，n为16；所述窗口内采样方差以满量程平方归一化，静止稳定型的窗口内采样方差小于0.5%满量程平方；所述趋势斜率的绝对值小于0.02%满量程每毫秒；所述符号翻转次数小于或等于2。

49、进一步地，所述adc模拟采样通道为12位adc，系统供电为5v直流；所述分压编码电阻的阻值包括1k欧姆、2.2k欧姆、3.3k欧姆、4.7k欧姆、5.6k欧姆、6.8k欧姆和8.2k欧姆七档，相邻窗口电压差不小于200毫伏；所述主控单元以1毫秒周期采样所述sig线电压，连续3次采样落入同一事件窗口时完成防抖确认，总响应时间不大于80毫秒。

50、根据本发明的第二个方面. 提供一种基于事件触发动态电压编码的电动床红外防夹控制方法，包括：

51、构建三芯事件寻址总线，将多组红外发射端和红外接收端就近并联接入所述三芯事件寻址总线，各所述红外接收端输出端串联唯一阻值的分压编码电阻；

52、以预设周期采样sig线电压，经滤波后与预设的电压窗口表比对；

53、当采样值落入事件窗口时，经连续预设次数的防抖确认且与当前床体运动方向匹配后，判定为有效遮挡事件；

54、根据有效遮挡事件对应的遮挡点位和当前床体运动状态，执行差异化的安全响应动作；

55、遮挡移除后经确认无异常，自动解锁并回归常态监测。

56、进一步地，还包括故障诊断步骤：

57、当采样值持续低于满量程的5%且连续10次确认时，判定为总线短路故障；当采样值持续高于满量程的95%且连续10次确认时，判定为总线断路故障；均立即切断电机使能并锁定全部运动；

58、当供电电压采样值超出额定电压正负15%范围时，判定为供电异常并切断动力输出；

59、当空闲基准电压漂移超过初始值的正负10%时触发自动温漂补偿，超过正负20%且补偿失败时进入降级模式；

60、当单路事件触发电压持续偏移且累计运行时长超过设计寿命的80%时，标记老化状态并扩大对应窗口余量；

61、当adc采样值无规则频繁跳变且无对应运动事件时，判定为接触不良并锁定对应区域运动。

62、进一步地，还包括自动标定与环境自适应补偿步骤：

63、首次上电或触发标定后，依次选通每一路所述红外接收端并记录adc采样值，自动生成各路的电压窗口上下限并预留正负15%余量；

64、运行过程中每隔预设时间间隔采集环境温度，温度每变化10摄氏度对窗口值执行一次线性补偿；

65、每次上电时重新校准空闲基准电压，跟随电源电压波动对全部窗口同步按比例调整。

66、进一步地，还包括无效事件甄别步骤：

67、在事件窗口内对连续n次adc采样值计算窗口内采样方差、符号翻转次数和趋势斜率，其中n为10至20；

68、根据所述窗口内采样方差、所述符号翻转次数和所述趋势斜率落入预设四模式判定矩阵中的模式，判定遮挡事件为有效危险事件或无效遮挡事件；

69、其中，静止稳定型和单调渐进型判定为有效危险事件，往复振荡型和短暂脉冲型判定为无效遮挡事件。

70、进一步地，还包括振动基线耦合步骤：

71、对至少一路未触发通道的adc采样序列提取振动频率和振动幅度，形成振动基线；

72、在事件窗口触发时检测其余未触发通道的振动基线的频率和/或幅度是否发生突变，若发生突变则支持有效事件判定，若无突变则倾向于无效事件判定。

73、进一步地，还包括静态场景学习与差分追踪步骤：

74、在电机启动前10毫秒至50毫秒的时间窗口内对全部通道执行adc扫描，对处于事件窗口的通道记录预置遮挡电压并允许床体正常启动；

75、在床体运动过程中对该通道执行差分追踪，当当前电压与所述预置遮挡电压的差值超过预设位移判据时升级为动态事件并执行安全动作。

76、根据本发明的第三个方面，一种电动床红外防夹无效事件甄别方法，包括：

77、在遮挡事件发生期间，获取sig线电压的连续n次adc采样值，计算窗口内采样方差、符号翻转次数和趋势斜率，其中n为10至20；

78、根据所述窗口内采样方差、所述符号翻转次数和所述趋势斜率落入预设四模式判定矩阵中的模式，判定遮挡事件为有效危险事件或无效遮挡事件；

79、获取至少一路未触发通道在事件期间的振动基线，检测所述振动基线的频率和/或幅度是否发生突变，作为有效事件判定的辅助依据；

80、在床体运动启动前对全部通道执行静态场景学习，记录预置遮挡通道的预置遮挡电压，并在床体运动过程中对所述预置遮挡通道执行差分追踪，当当前电压与所述预置遮挡电压的差值超过预设位移判据时，将所述预置遮挡通道升级为动态事件；

81、其中，所述四模式判定矩阵包括：静止稳定型和单调渐进型判定为有效危险事件，往复振荡型和短暂脉冲型判定为无效遮挡事件。

82、有益效果

83、1）布线极简，成本显著降低。三芯总线并联架构替代星型布线，线材用量减少约70%，装配工时缩短约50%，单台物料成本降低约8至12元；无需额外通讯芯片，仅靠mcu自带adc即可实现点位级识别。

84、2）安全等级高，响应快速。完整的安全状态机与分级故障兜底使总响应时间不大于80毫秒，优于行业通用的200毫秒标准；差异化反向回退策略可将最大夹持力降低70%以上，满足功能安全b级要求。

85、3）长期可靠性强，维护成本低。自动标定与环境补偿机制可抵消温漂、老化与电源波动影响，平均无故障时间不低于50000小时；故障码直接定位点位，售后排查时间由平均30分钟缩短至约2分钟。

86、4）误触发率低，用户体验好。运动方向联动逻辑与多级防抖确认可将被褥、衣物、宠物快速掠过等非危险场景的误触发率降低90%以上。

87、5. 无效事件甄别精准。通过电压动态行为指纹、振动基线耦合与静态场景差分追踪，可在不增加任何额外传感器的条件下区分宠物穿行、清扫工具掠过、床底预存物与人体肢体夹持、织物卷入、异物卡入，有效降低误停机率，避免用户因误触发而关闭防夹功能。