用于在方向盘上的手检测的系统及方法转让专利
申请号 : CN201880071249.8
文献号 : CN111315631B
文献日 : 2021-04-20
发明人 : L·拉梅施
申请人 : IEE国际电子工程股份公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于在方向盘(20)上的手检测的系统(1),包括-信号线(6),其从第一点(6.1)到第二点(6.2)延伸并且沿着方向盘(20)的表面(20.1)的至少一部分设置;和
-检测单元(9),其耦合到所述第一点(6.1);
其中,所述检测单元(9)被配置为发送沿信号线(6)行进的时间相关的检测信号、接收沿信号线(6)行进的反射信号并且基于所述反射信号检测手在所述表面(20.1)上的存在。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述系统包括:-连接到地面的接地结构(8);和-设置成在第一点(6.1)和第二点(6.2)之间将信号线(6)与接地结构(8)隔离的隔离器(5)。
3.根据权利要求1或2所述的系统,其特征在于,所述第二点(6.2)连接至电端接器(16)。
4.根据权利要求1或2所述的系统,其特征在于,所述检测信号是脉冲信号、扫频信号、或伪随机信号。
5.根据权利要求1或2所述的系统,其特征在于,所述检测单元(9)被配置为基于所述反射信号确定手的位置。
6.根据权利要求1或2所述的系统,其特征在于,所述检测单元(9)被配置为基于所述反射信号确定两只手在所述表面(20.1)上的位置。
7.根据权利要求1或2所述的系统,其特征在于,所述信号线(6)以曲折形状沿着所述表面(20.1)设置。
8.根据权利要求1或2所述的系统,其特征在于,所述检测单元(9)被配置为基于所述反射信号确定在所述手与所述表面(20.1)之间的接触强度。
9.根据权利要求1或2所述的系统,其特征在于,所述检测单元(9)适于基于所述反射信号确定所述信号线(6)的完整长度。
10.根据权利要求1或2所述的系统,其特征在于,参考线(10)从第三点(10.1)到第四点(10.2)延伸并且沿着所述信号线(6)的旁边沿着所述表面(20.1)布置,其中检测单元(9)配置为在所述参考线(10)上发送与所述检测信号互补的参考信号。
11.根据权利要求10所述的系统,其特征在于,所述信号线(6)和所述参考线(10)中的至少一者被连接至用于加热方向盘的加热电源(12)。
12.根据权利要求11所述的系统,其特征在于,所述信号线(6)和所述参考线(10)中的至少一者经由去耦装置(13)连接至所述加热电源。
13.根据权利要求10所述的系统,其特征在于,所述检测单元(9)经由电容器(14、15)耦合到所述信号线(6)和所述参考线(10)中的至少一者。
14.根据权利要求3所述的系统,其特征在于,所述电端接器(16)包括并联连接至电阻器(7)的电感(17)。
15.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述伪随机信号为伪随机相移键控信号。
16.一种用于在方向盘(20)上的手检测的方法,其中信号线(6)从第一点(6.1)延伸到第二点(6.2)并且沿着方向盘(20)的表面(20.1)的至少一部分布置,所述方法包括:-发送沿所述信号线(6)行进的时间相关的检测信号;
-接收沿所述信号线(6)行进的时间相关的反射信号;和-基于所述反射信号检测手在所述表面(20.1)上的存在。
说明书 :
用于在方向盘上的手检测的系统及方法
技术领域
背景技术
的可能性。例如,可以规定,仅当驾驶员将其手放在方向盘上时才致动转向辅助系统。在大
多数国家,即使现代辅助系统在某些情况下能够安全地操作车辆,车辆在行驶时也必须由
驾驶员控制,这是强制性的。
测的阻尼效果。但是,振动会分散驾驶员的注意力或打扰到驾驶员。其它系统使用专用传感
器。一种这样的系统使用电阻传感器元件,其中两个导体在方向盘的表面下方间隔开地设
置。如果在表面上施加一定的压力,则使导体进行接触。但是,致动传感器所需的压力量会
使这种方法具有更低的可靠性。另一种方法使用电容传感器,该电容传感器通过对传感器
产生的电场的影响来检测手。虽然这些传感器更可靠,但是它们大大增加了方向盘的复杂
性。如果要检测手的位置,则尤其如此,这使得需要提供多个传感器,即每个表面位置一个
传感器,以及用于每个单独传感器的检测电路。这种复杂性增加了成本,并使系统更容易出
故障。
发明内容
于HMI应用的方向盘上的位置和运动。
路径。通常,第一点和第二点不是必须是信号线的物理端,而可以是沿信号线的参考点。信
号线沿着方向盘的表面的至少一部分设置。通常,它被设置在形成方向盘的物理表面的某
个隔离衬里的下面,该物理表面被设计为可以被使用者触摸。特别地,方向盘的沿其布置信
号线的部分可以是方向盘的外轮缘或边缘的一部分。通常,这将是被设计用于在方向盘的
正常操作期间被使用者的至少一只手触摸的表面。优选地,第一点和第二点沿方向盘的圆
周间隔开设置。方向盘当然属于车辆,通常是陆地车辆,例如汽车。然而,应用于诸如海上或
空中车辆的其它车辆也在本发明的范围内。应当理解,方向盘的形状不必一定是圆形的,而
可以例如是椭圆形的或对应整个圆的仅一部分。
上的存在。所述检测单元可以例如包括信号发生器、放大器、模数转换器、收发器、处理单元
和执行所述功能所需的其它部件。应当理解,检测单元可以至少部分地由软件实现。检测单
元耦合到第一点,这意味着它是电耦合的,但不一定是导电耦合的(conductingly
coupled)。例如,可以通过电场和/或磁场来实现耦合。无论哪种方式,检测单元都被配置为
通过信号线发送检测信号(经由第一点)。当然,下文中提到的检测信号和其它信号是电信
号。检测信号是时间相关的,即,它随时间变化,这包括在某些时间段内保持恒定的可能性。
形成沿相反方向行进的反射信号。各个信号沿信号线的传播取决于信号线的(局部)阻抗。
阻抗的任何变化都会引起反射。例如,如果使用者(驾驶员,飞行员等)的手靠近信号线,则
这会影响局部阻抗,因此一部分检测信号被反射,从而对反射信号有贡献。取决于实施例,
可以想到的是,如果不存在手,则反射信号为(几乎)零。检测单元被配置为接收反射信号
(通常经由第一点)并且基于反射信号来检测表面上的手(即,至少一只手)的存在。该检测
不应以限制的方式来解释,因为在所有情况下,检测单元都能够将手与任何其它物体区分
开。相反,这意味着,如果手在表面上,则这将由检测单元检测到。在一些实施例中,即使手
不在表面上但距表面非常短的距离,也可以检测到手。这种距离的长度,即“检测阈值”,取
决于几个因素,例如检测信号的形状、信号线的几何结构、其与方向盘的表面的距离等。以
其最简单的形式,检测单元仅被配置为检测手是否在表面上。
信号)进行比较来检测手的存在。如果实际反射信号和校准信号之间的差高于某个阈值,则
这可以解释为存在至少一只手。然而,如下面将要解释的,优选的是,对反射信号的分析更
加详细。无论如何,根据本发明的检测所需的硬件是相对简单的。特别地,信号线可以低成
本制造并且可以相对坚固。
设置在信号线的隔离基板下方的金属箔、或者它可以是物理上类似于信号线的某种导线。
可以理解,接地结构的存在通过定义“零”电势影响信号线的阻抗。接地结构(至少)在第一
点和第二点之间与信号线隔离,以防止任何短路。当然,这是指系统的正常状态,即未损坏
的状态。
它也可以称为终端阻抗。尽管有源终端在本发明的范围内,但是无源终端是优选的,因为它
可以以较低的成本和更坚固的元件来实现。例如,电端接器可以是电阻器。特别地,第二点
可以经由电端接器连接到接地结构。
沿着方向盘的圆周布置,则检测单元可以被配置为确定手的角位置。取决于检测信号的性
质,可以采用各种方法来确定位置。
也会被传输并继续向第二点行进。如果遇到阻抗中的另一个不连续,则该信号将再次分为
反射部分和传输部分。因此,总的反射信号包含有关两次反射的信息,因此也包含有关两只
手的位置的信息。
停。为了避免模糊,该暂停通常足够长,以允许检测信号从第一点行进到第二点,以及允许
反射信号再次行进回到第一点。通过测量从发送脉冲通过第一点到在第一点处接收反射脉
冲之间的时间周期(或者,换句话说,飞行时间)来确定手的位置。如果由于两只手在表面上
而发生两次反射,则测量两个时间周期。也可以考虑发送一系列脉冲,而不是单个脉冲。
可能性是使用伪随机相移键控信号(pseudo random phase-shift keyed signal)或伪随
机信号,在这种情况下,检测单元可以被配置为执行检测信号和反射信号之间的互相关
(cross correlation)。该操作与“相位雷达”中的相同,其中,相同的信号被发送和接收和
处理。
直的方式设置,则其在第一点和第二点之间的总长度可能会很短,并且同样适用于检测信
号和反射信号的飞行时间。因此,需要非常高的时间分辨率(time resolution)来准确确定
手的位置。如果信号线以曲折的形状布置,则总长度增加,因此飞行时间增加。因此,所需的
时间分辨率减少。此外,如果使用曲折形状,将手放置在靠近信号线的较大部分,那么对阻
抗(以及因此对反射信号)的影响更大。因此,可以增加检测灵敏度。
握住方向盘小。这主要是由于如下事实:在第一种情况下,只有相对小的表面部分与手直接
接触,而在第二种情况下,该部分将变大。可以理解的是,与表面的直接接触对应于最可能
接近信号线,因此对应于对阻抗的最大影响。因此,通过分析反射信号的形状和/或强度,能
够至少近似地确定接触强度。
中断也不短路的部分的长度。例如,如果信号线在第一点和第二点之间被中断,即断开,则
这种中断将导致意外的反射,该反射可以被检测单元识别。通常,反射信号的形状与由于手
的存在的反射信号不同。即使不是这样,也可以在方向盘上没有手时(例如,当驾驶员座椅
未被占用时)的时间期间进行诊断。例如通过分析反射脉冲的高度,可以检测短路。通常,由
于短路而产生的反射脉冲比由于手的存在而产生的任何反射脉冲都高。
考线可以被设计成类似于信号线,例如,两根线都可以是印刷电路板上的导线或导体路径。
如同第一点和第二点,第三点和第四点不一定是参考线的物理端,而是应理解为参考点。参
考线沿着信号线旁边(并排)设置,这意味着参考线的走向基本对应于信号线。在参考线上
发送的参考信号与检测信号互补,这意味着参考信号对应于检测信号的负值。通常,不明确
哪根线是信号线,哪根线是参考线。在该实施例中,系统在差分模式下工作。应当理解,如果
参考线的长度和走向与信号线没有明显不同,则参考信号通常会产生参考反射信号,该参
考反射信号近似为反射信号的负值。但是,如果某些外部干扰影响反射信号,则该干扰通常
以相同的方式影响参考反射信号,因此两个信号之间的差异保持不变。通过考虑两个反射
信号的差异,检测单元能够以更高的可靠性检测手的存在及其位置。另外,由于断开或短路
通常不会同时影响信号线和参考线两者,因此更容易检测断开或短路。因此,只有一条线路
的任何故障都会导致不一致的测量结果。如果使用参考线,则通常将第二点连接到第四点,
例如通过电端接器或直接地连接(在这种情况下,第二点和第四点也可以视为相同)。如果
存在这样的连接,则可能没有必要将第二点接地。
接至用于加热方向盘的加热电源。还可以说信号线和参考线中的至少一者是由方向盘的加
热导线形成的。该实施例是非常有利的,因为它相对于仅具有加热功能的“传统”方向盘需
要最小的改变。检测单元仅需要耦合到现有的加热导线。
之一工作的加热电路或芯导线之间连接去耦装置(例如共模扼流圈或两个单独的扼流圈或
线圈),可以避免这种情况。要注意的是,在差分操作模式的情况下,共模扼流圈不是正确的
去耦装置,因为它抑制了差分电流。在这种情况下,必须使用两个单独的扼流圈。此外,检测
信号和参考信号优选地经由相应的电容器耦合至相应的线。同样适用于接收到的反射信
号。可以理解,加热电流的直流分量没有被传递。
与电阻器并联连接的电感的一个实施例可以解决该问题。当然,可以使用不会过度增加电
阻的其它(有源或无源)端接器。
间相关的检测信号;接收沿信号线行进的时间相关的反射信号;以及根据反射信号检测手
在表面上的存在。当然,这些方法步骤可以由如上参考本发明的系统所述的检测单元执行。
以上已经描述了所有这些术语,因此将不再赘述。
附图说明
具体实施方式
围的扁平的传感器区2在衬里21(在图1中大部分省略了)的下面。传感器区2可以连接到一
根或两根连接线3、4,通过该连接线3、4,它联接到下面将要描述的检测单元9。应当注意,在
一些实施例中,仅一根连接线3、4是必要的,并且传感器区2被连接到接地结构8,例如方向
盘的金属框架。传感器区2是本发明的用于在方向盘上的手检测的系统1的一部分,其实施
例将参考图2至5进行描述。
6。基板5可以是柔性箔,并且信号线6可以是其表面上的导体路径。信号线6以曲折的形状从
第一点6.1延伸到第二点6.2。第二点6.2通过用作电端接器的电阻器7连接到接地结构8(例
如,方向盘30的金属框架或设置在基板5下方的金属箔)。尽管未在该示意图中示出,但是接
地结构8可以设置在基板5的下方,该基板5用于将信号线6与接地结构8电隔离。应当注意,
电阻器7和到接地结构8的连接是可选的,并且第二点6.2可以保持未连接。第一点6.1通过
连接线3连接到检测单元9。
号线6上从第一点6.1传播到第二点6.2,并且理想情况下被电阻器7吸收(如果存在)。信号
线6(连同接地结构8)可以通过电阻器7与之匹配的特征阻抗来表征。然而,如果驾驶员将手
放在表面20.1上,则其与信号线6的接近会导致特征阻抗的局部变化或不连续。这种不连续
导致一部分脉冲朝第一点6.1被反射回。该反射信号经由第一点6.1和连接线3被检测单元9
接收。
连续发射的脉冲之间的时间间隔应该比从检测单元9到第二点6.1并再次返回的脉冲的飞
行时间长。可以检测手的位置的空间分辨率受到时间分辨率的限制,可以通过该时间分辨
率测量发射脉冲和反射脉冲之间的延迟。因此,曲折形状改善了分辨率,曲折形状增加了信
号沿信号线6的飞行时间。曲折形状还有助于提高传感器区2的灵敏度,因为与直的导线相
比,手将靠近信号线6的较大部分。另外,接收到的脉冲的宽度表示手在方向盘上的抓握力。
增加飞行时间的另一种方式是将具有高的相对磁导率的材料用于基板5。
线6的完整长度。在方向盘上没有期望的手(例如,当驾驶员座椅未被占据时)的时间期间,
检测单元9可以可选地在信号线6上执行诊断。如果延迟短于对应于完整信号线6的期望值,
则这可以解释为信号线6的断开。而且,信号线6与接地结构8或其它周围的导电元件(例如,
附近的加热导线)之间的短路可以通过评估反射脉冲的高度来检测。如果脉冲的高度超过
某个阈值,则可以解释为短路。
伪随机相移键控信号或伪随机信号,在这种情况下,检测单元9执行所生成的信号与反射信
号之间的互相关。
第四点10.2之间沿着信号线6旁边延伸。与信号线6一样,第二线10可以是基板5上的导体路
径。第二线10经由连接线4连接至检测单元9。根据一种选择,连接线4(经由检测单元9)连接
到地面,这将使第二线10成为接地结构。根据另一选择,检测单元9在第二线10上发送与检
测信号互补的参考信号,即,其具有相反的极性。虽然第一种选择可以描述为单端模式,但
是第二种选择可以描述为差分模式。由于信号线6和第二线10彼此并排设置,因此手的存在
导致在线6、10两者中的反射。在正常情况下,检测单元9接收反射信号和仅极性不同的参考
反射信号。然而,如果线6、10受到外部干扰的影响,则这通常在两个反射信号中产生相等的
偏移,并且不影响两个信号的差异。因此,如果通过检测单元9评估该差异,则这使得测量结
果更可靠。图3示出了通过电阻器7连接的第二点6.2和第四点10.2。然而,使用该电阻器7作
为电端接器仅是可选的。
都是加热导线11的一部分。两根线6、10均通过连接线3、4和去耦装置13连接到加热电源12
(例如加热器ECU),去耦装置13用于使检测单元9的测量结果与加热电源12去耦。去耦装置
13例如可以是共模扼流圈。加热导线以共模运行,即,在前进和返回加热导线上存在相同的
电势。这意味着可以通过两个电容器之一完成从加热导线到检测单元的耦合。因此,检测单
元9通过相应的耦合电容器14和15耦合到第一点6.1和第三点10.1,通过这样它与加热电流
去耦。系统1被配置为单端模式。加热导线以共模运行,即,前进和返回加热导线上存在相同
的电势。这意味着可以通过两个电容器之一完成从加热导线到检测单元的耦合。应当注意,
第二和第四点6.2、10.2经由电阻器7到接地结构8的连接是可选的。最后,图4中的电路还包
括与电阻7串联的串联电容器18。实际上,电阻由一半的加热电压驱动,从而在电阻7中产生
耗散功率。如果该耗散功率太大,则需要附加的串联18电容器。
线6和参考线10中。去耦装置13再次将这些信号从加热电源12去耦,但是由于这些信号是互
补的,所以共模扼流圈会短路。可能的解决方案是使用两个单独的线圈进行去耦。
的电感17的电端接器16。