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Hintergrund
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Der ”Federal Motor Vehicle Safety”-Standard (FMVSS) spezifiziert die Anforderungen für sämtliche kraftbetriebene Schließsysteme, um die Wahrscheinlichkeit von tödlichen Unfällen oder Verletzungen infolge des unbeabsichtigten Betriebs zu vermeiden/minimieren. Kraftbetriebene Schließvorrichtungen, wie etwa kraftbetriebene Schiebetüren und kraftbetriebene Lifttore tragen enorme Massen und sehr hohe Trägheiten während sie in Bewegung sind. Der FMVSS-118 spezifiziert einen maximalen Anpressdruck für unbeaufsichtigte Schließsysteme. Es ist immer eine Herausforderung bei diesen Schließsystemen gewesen, die ”Federal-Safety”-Standards in sämtlichen Betriebsmodi zu erfüllen.
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Kraftbetriebene Schließvorrichtungen, wie etwa kraftbetriebene Schiebetüren und kraftbetriebene Lifttore, tragen enorme Massen und sehr hohe Trägheitsmonmente, wenn sie in Bewegung sind, und können Menschen oder Objekte während des unbeaufsichtigten Schließens verletzen/beschädigen. Derzeitige Technologien verwenden zumeist einen auf dem Hall-Effekt basierenden Geschwindigkeits-Steuerungsalgorithmus für die auf Berührung basierende Hindernisdetektion. Die Geschwindigkeitssteuerung steht in direkter Verbindung mit dem Moment und daher wiederum mit der Energie, die auf ein Hindernis aufgebracht wird. Für jeden vorgegebenen Bewegungsmechanismus mit einem vorgegebenen Gewicht kann die Klemmkraft, die auf ein Objekt aufgebracht wird, als eine Funktion der Geschwindigkeit berechnet werden. Es ist ein enormer Analyseaufwand in der Entwicklungsphase für die Charakterisierung des Systems bei Umgebungsveränderungen, Spannungsschwankungen, Fahrzeugneigung, usw. erforderlich, um die Hindernisdetektion zu optimieren.
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Kurze Zusammenfassung
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Der kapazitive Sensor von Flextronics (Flextronics Capacitive Sensor) hat eine Konstruktion, die in eine Bewegungssteuerung integrierbar ist, er sucht Objekte in der Schließöffnung während der Bewegung des Schließsystems und ermöglicht eine Berührungskraft oder einen Berührungsdruck von null (0). Dieses System ist in der Lage, aus nächster Nähe einen menschlichen Körper bis zu einem Finger eines Kindes und verschiedene unbewegliche Objekte aus einer definierten, programmierbaren Entfernung zu erkennen. Wenn ein Objekt vorhanden ist, sendet das System ein Hindernis-Signal an das Haupt-Mikrocontrollersystem, um die gewünschte Reaktion auszuführen. Dieses System ist schnell konfigurierbar für die berührungslose oder die auf Berührung basierende Hindernisdetektion. Die Steuerung liest kontinuierlich den Analog-/Digitalausgang des kapazitiven Sensors, um festzustellen, ob sich in der Bahn des Bewegungssystems ein Objekt befindet. Der Sensor verhindert, dass die Schließvorrichtung das Objekt berührt und bringt diese zum Halten und/oder zur Richtungsumkehr. Das Schließsystem kann das Objekt erkennen, abbremsen und das Objekt leicht berühren. An dieser Stelle kann das System in die vollständig geöffnete Position zurückkehren oder, falls das Objekt vor der Richtungsumkehr des Schließsystems entfernt wurde, auf die spezifizierte Geschwindigkeit beschleunigt wurde und den Schließzyklus komplettieren. Der kapazitive Sensor erzeugt ein elektrisches Feld. Jedes Eindringen in dieses Feld wird erfasst, sodass das Steuerungssystem ohne Kontaktierung reagieren kann. Das Feld überspannt die Schließöffnung abhängig von der Anwendung. Jedes Eindringen in dieses Feld verändert die elektrische Feldstärke. Die kapazitive Elektronik erfasst wiederum diese Veränderung des Feldes und erzeugt eine analoge/digitale Spannung proportional zur Veränderung des Feldes. Das Steuerungs-Mikrocontrollersystem tastet die Sensorspannung ab und entscheidet darüber, ob ein Objekt in der Nähe des Feldes vorhanden ist und leitet die erforderliche Aktion ein.
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Bei einer Ausführungsform umfasst ein System zur berührungslosen Detektion von Objekten einen kapazitiven Sensor und ein Steuerungssystem, wobei das Steuerungssystem ein AES-Signal (adaptives Anregungssignal) dem kapazitiven Sensor zuführt, wobei das AES-Signal (adaptive Anregungssignal) gemäß einer Umgebung, in der der kapazitive Sensor verwendet wird, konfiguriert ist, wobei das AES-Signal (adaptive Anregungssignal) konfiguriert ist, um eine Schwellenspannung von dem kapazitiven Sensor zum Steuerungssystem in der Umgebung zu erzeugen, wenn sich kein Objekt in einem Detektionsbereich des kapazitiven Sensors befindet. Optional führt der kapazitive Sensor dem Steuerungssystem eine Detektionsspannung zu, wenn sich ein Objekt in dem Detektionsbereich befindet und die Detektionsspannung von der Schwellenspannung verschieden ist. Bei einer Alternative umfasst das Steuerungssystem Anweisungen zum automatischen Konfigurieren des AES-Signals (adaptive Anregungssignals) und das Steuerungssystem ist konfiguriert, um diese Anweisungen auszuführen. Optional umfassen die Instruktionen ein Modul zum Bestimmen, ob die Schwellenspannung innerhalb einer oberen Grenzlinie und einer unteren Grenzlinie des kapazitiven Sensors liegt. Bei einer Alternative umfassen die Anweisungen ein Modul zum Einstellen des AES-Signals (adaptive Anregungssignals) gemäß der Umgebung, um eine Schwellenspannung zu erhalten. Bei einigen Ausgestaltungen ist die Umgebung eine kraftbetriebene Tür eines Fahrzeugs. Das System zur berührungslosen Objektdetektion kann weiterhin einen Modulator, der konfiguriert ist, um ein erstes Taktsignal von dem Steuerungssystem zu erhalten, wobei der Modulator mit dem kapazitiven Sensor verbunden ist, einen Synchrondemodulator zum Empfangen eines ersten Signals von dem kapazitiven Sensor, eines zweiten Taktsignals von dem Steuerungssystem, und eines dritten Taktsignals von dem Steuerungssystem, um das Signal von dem kapazitiven Sensor zu demodulieren, und einem Verstärker zum Verstärken eines zweiten Signals von dem Synchrondemodulator und zum Zuführen eines analogen Ausgangssignals dem Steuerungssystem umfassen. Das analoge Ausgangssignal ist charakteristisch dafür, ob sich ein Objekt in dem Detektionsbereich befindet. Optional umfasst der kapazitive Sensor eine Abschirmung, und die Abschirmung ist mit einer Umgebungsschutzschicht bedeckt.
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Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Detektion eines Objekts in einem Detektionsbereich eines kapazitiven Sensors, der bei einem Durchfahrtsportal für motorbetriebene Fahrzeuge oder einer Schließöffnung zum Einsatz kommt, das Zuführen eines AES-Signals (adaptive Anregungssignals) dem kapazitiven Sensor von einem Steuerungssystem. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erfassen einer Detektionsspannung, die von dem kapazitiven Sensor erzeugt wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Vergleichen der Detektionsspannung mit einer Schwellenspannung und, basierend auf dem Vergleich, das Bestimmen ob sich das Objekt in dem Detektionsbereich befindet. Das Verfahren kann weiterhin das automatische Konfigurieren der Schwellenspannung gemäß einer Anweisung, die von dem Steuerungssystem ausgeführt wird, umfassen, wobei die Schwellenspannung charakteristisch ist für die Spannung, die von dem kapazitiven Sensor erzeugt wird, wenn sich kein Objekt in dem Detektionsbereich befindet. Die Anweisungen können das Einstellen des AES-Signals (adaptive Anregungssignals) umfassen, um die Schwellenspannung zwischen einer oberen und einer unteren Basislinie für den kapazitiven Sensor einzustellen. Die Anweisung kann das Angleichen des AES-Signals (Adaptive Excitation Signal) auf eine niedrigere Frequenz umfassen, wenn die Schwellenspannung nicht niedriger als die obere Basislinie ist. Die Anweisungen können darüber hinaus das Einstellen des AES-Signals (adaptive Anregungssignals) auf eine höhere Frequenz umfassen, wenn die Schwellenspannung nicht höher als die untere Basislinie ist. Die Anweisungen können das Bereitstellen einer Indikation umfassen, dass der kapazitive Sensor fehlerhaft ist, wenn das AES-Signal (Adaptive Excitation Signal) nicht so eingestellt werden kann, dass sich eine Schwellenspannung zwischen der oberen und der unteren Basislinie ergibt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorstehenden Aufgaben, Vorteile und Merkmale sowie weitere Aufgaben und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente angeben, und in denen:
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1 eine Ausführungsform eines kapazitiven Sensors zur berührungslosen Objektdetektion (NCOD) zeigt;
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2 eine Ausführungsform eines Steuerungssystems für einen kapazitiven Sensor für die berührungslose Objektdetektion (NCOD) zeigt;
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3 ein Spannungsdiagramm für das Steuerungssystem und der zugehörigen Schaltung in 2 zeigt;
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4a und 4b ein Flussdiagramm zur Kalibrierung einer Ausführungsform eines Steuerungssystems für einen kapazitiven Sensor zur berührungslosen Objektdetektion (NCOD) zeigt;
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5 die Verteilung des elektrischen Feldes eines Flex-Cap-Sensors zeigt;
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6 das kapazitive Modell des Flex-Cap-Sensors zeigt;
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7 Versuchsergebnisse der Abschirmbreite über der Sensorempfindlichkeit zeigt; und
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8 die Wasser/Regen-Störfestigkeit des kapazitiven Sensors zeigt.
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Genaue Beschreibung
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Die spezielle Terminologie wird hierin lediglich zum Zwecke der Vereinfachung verwendet und stellt keine Beschränkung der Ausführungsformen eines kapazitiven Sensors zur berührungslosen Objektdetektion (im Folgenden als ”NCOD” abgekürzt) dar. In den Zeichnungen werden die dieselben Bezugszeichen für die Bezeichnung gleicher Elemente in den verschiedenen Figuren verwendet.
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Die Begriffe ”rechts”, ”links”, ”vorder”, und ”hinter” bezeichnen Richtungen in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Die Begriffe ”nach innen” und ”nach aussen” beziehen sich auf Richtungen in Richtung auf bzw. in Richtungen weg von dem geometrischen Zentrum des kapazitiven Sensors zur NCOD und der bezeichneten Abschnitte davon. Die Terminologie umfasst die vorstehend speziell angegebenen Begriffe sowie Ableitungen davon und Begriffe ähnlichen Ursprungs.
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder entsprechende Teile in sämtlichen Ansichten und mit spezieller Bezugnahme auf die im Folgenden beschriebenen Figuren.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines kapazitiven Sensors zur NCOD. Der kapazitive Sensor 100 umfasst eine Grundplatte 150, auf der, jedoch nicht ausschließlich, ein doppelseitiges Isolierband 140 angebracht ist. Die Grundplatte 150 kann in einem Abschnitt eines Fahrzeugs, wie etwa in einem Türrahmen oder anderen Teilen, die als eine (üblicherweise metallische und elektrisch leitende) Grundplatte verwendet werden können, integriert sein. Der Sensor des kapazitiven Sensors 100 umfasst eine Beschichtung 110, die eine elektrische Isolierung und einen Umgebungsschutz bilded. Es kann darüber hinaus eine Abschirmschicht 120 aus einer elektrisch leitenden Beschichtung enthalten sein. Das Sensorkabel 130 integriert den Sensor in das Steuerungssystem in 2. Das Sensorkabel kann eine Gesamtbreite von 1,5 mm mit einem 0,5 mm Kupferkern haben, was jedoch abhängig von der Anwendung ist und daher keine Beschränkung auf diesen Konstruktionsdurchmesser darstellt.
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Der kapazitive Sensor erzeugt ein elektrisches Feld. Jedes Eindringen in dieses Feld wird detektiert, so dass das Bewegungssystem berührungslos reagieren kann. Das Feld überspannt die beabsichtigte Schließvorrichtungsöffnung abhängig von der Anwendung. Es erstreckt sich von einer Kante des Schließvorrichtungsrahmens in Richtung auf die andere Kante des Schließvorrichtungsrahmens, wo sich die beiden Seiten treffen und eine Schließvorrichtung bilden. Bei einigen Ausgestaltungen erstreckt sich das Feld nicht über die gesammte Öffnung, wenn diese vollständig geöffnet ist, jedoch ermöglicht der Bereich eine ausreichend frühe Detektion eines Objekts für die gewünschte Reaktion der Schließvorrichtung. Jedes Eindringen eines Objetks in das Feld verändert die elektrische Feldstärke. Die kapazitive Elektronik erfasst wiederum diese Änderung des Feldes und erzeugt eine analoge Spannung proportional zur Änderung des Feldes. Der Bewegungssteuerungs-Mikrocontroller tastet die Sensorspannung ab und entscheidet darüber, ob sich in der Nähe des Feldes ein Objekt befindet, und leitet die erforderliche Aktion ein.
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Der kapazitive Sensor 100 in 1 betrifft einen Sensor, der lediglich, jedoch nicht ausschließlich, 2 oder 3 Elektroden, das Sensorkabel 130 und die Abschirmung 120, sowie als ein Drittes optional eine Erdungseinrichtung 150 benötigt. Der kapazitive Sensor 100 führt eine Synchrondemodultaion durch, wodurch eine Rauschunempfindlichkeit und ein höheres Ansprechverhalten geschaffen wird. Die Abschirmung 120 is bögenförmig gebildet und das Sensorkabel 130 ist an der Oberseite des Sensors angeformt. Der vorgeschlagene Sensor ist wassergeschützt, was für ältere Sensoren ein Obekt darstellten würde, da hierdurch der kapazitive Sensor beeinträcht wird.
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Der kapazitive Sensor 100 kann in unterschiedlichen Zusammenhängen implementiert werden. Er kann sowohl für die berührende als auch für die berührungslose Hindernisdetektion bei Fahrzeugtüren, wie etwa kraftbetriebenen Schiebetüren, kraftbetriebenen Hebetüren, kraftbetriebenen Schiebedächern, kraftbetriebenen Fenstern sowie jeder anderen kraftbetriebenen Autotür, Öffnung oder Abteileinrichtung, oder bei nicht auf den Fahrzeugbereich beschränkten Schließöffnungen verwendet werden. Der Sensor hat einen konfigurierbaren Bereich, d. h. er kann für eine Vielzahl unterschiedlicher Situationen, Anwendungen und Fahrzeuganforderungen unter Verwendung der selben Sensorkonstruktion eingestellt werden.
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Die kapazitive Sensor 100 kann dem Steuerungssystem sowohl ein digitales als auch ein analoges Signal zuführen. Das Digitalsignal ist ein pulsbreiten moduliertes Signal mit der gewünschten Frequenz. Dieses Signal verändert den Betreibszyklus abhängig von der Lage zum Objekt. Das analoge Signal liegt bei 0–5 V. Das Signal kann seine Spannung erhöhen/verringern, wenn sich das Objekt dem Sensor annähert, abhängig von der Konfiguration. Das Steuerungssystem besteht, jedoch nicht ausschließlich, aus einem mikrocontroller-basierten Steuerungssystem. Das Steuerungssystem betreibt und steuert die Schließsysteme. Das Steuerungssystem hat digitale und analoge Ein- und Ausgangsanschlüsse zum Verbinden mit anderen Sensoren, Modulen, etc..
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2 zeigt eine Ausführungsform des Steuerungssystems und der dazugehörigen Schaltung für einen kapazitiven Sensor 100. Das System umfasst ein Steuerungssystem 210, das drei Taktsignale, d. h. ein Taktsignal 245, ein Taktsignal 250 (bei 90 grad) und ein Taktsignal 245 (bei 270 grad) erzugt. Das Steuerungssystem 210 erhält ein analoges Sensor-Ausgangssignal 260 von einem Verstärker 235. Das Steuerungssystem 210 kann darüber hinaus mit dem ”Controller Area Network”-Bus bzw. CAN-Bus 240 (der jede Übertragungs-Bus-Architektur haben kann) kommunizieren, bei dem es sich um das ”Controller Area Network”-Netzwerk des Fahrzeugs handelt. Über den CAN-Bus 240 kann der Motor, der die Tür oder eine andere Einrichtung, an dem der Sensor 220 und die Abschirmung 225 angebracht sind, betätigt, die Geschwindigkeit und Position der Tür steuern, wenn ein Objekt in der Nähe ist. Das Taktsignal 245 wird dem Modulator 215 zugeführt, um das Sensorsignal zu modulieren. Der Synchrondemodulator 230 erhält das Amplitudensignal von dem Sensor 220 sowie die Taktsignale 250 und 255, die anschließend demoduliert und von dem Verstärker 235 verstärkt werden.
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3 zeigt beispielhaft ein Spannungsdiagramm für das Steuerungssystem und der dazugehörigen Schaltung in 2. Die Türrahmen 210, 315 bilden die Berührungspunkte eines Türrahmens, die ineinander geschlossen werden können, von vollständig geöffnet nach vollständig geschlossen. Bei diesem Beispiel eines Sensor-Lerndiagramms beginnt der Sensor mit einer Basislinien-Untergrenze 335 under einer Basislinien-Obergrenze 320, die bei diesem Beispiel 0,2 V bzw. 3,5 V sind. Der Sensor detektiert die an verschiedenen Positionen vorhandene Spannung und legt diese Spannung als den Basislinien-Verlauf 330 fest. Der Basislinien-Verlauf 330 ist in mehrere Zonen abhängig von der Komplexität an der Basislinie unterteilt, um einen Sensor-Sättigungspunkt zu vermeiden. In den Zonen 342, 345, 350, 355, 360 ergibt sich der Basislinien-Verlauf 325 durch das Bewegen der Tür von der vollständig geöffneten Position in die vollständig geschlossene Position. Der Schwellenwert-Verlauf 320 wird basierend auf der Hindernisempfindlichkeit in allen Zonen berechnet. In jeder Zone werden die HE-Anzahl, das Taktsignal und der Schwellenwert für die spätere Detektion von Objekten in der Sensor-Detektionszone gespeichert. Die in den Zonen 342, 345, 350, 355, 360 zu sehen ist, arbeitet das System gemäß verschiedener Abtastprotokolle abhängig davon, wie nahe die Öffnung daran ist, geschlossen zu sein. In der Zone 350 befindet sich die aufgezeichnete Basislinien-Spannung über der Basislinien-Obergrenze 320. Daher wird die Steuerfrequenz modifiziert, um die Basislinie 330 unter die Basislinien-Obergrenze 320 zu bringen. Jede Zone kann diesselben oder unterschiedliche Werte für die Steuerfrequenz, die Anzahl der Hall-Effekte und die Schwellwertgrenze haben. Sobald diese Zonen festgelegt sind, werden sie in einem EEPROM/RAM für die spätere Verwendung bei der Hindernisdetektion gespeichert. Der kapazitive Sensor erfährt während seiner gesamten Lebenzeit durch die Zyklisierung über die Zonendaten und aktualisiert diese entsprechend.
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4a und 4b zeigen einen Sensor-Kalibrieralgorithmus. Der Kalibriervorgang beginnt bei Block 410. Es ist die Aufgabe, die geeignete Abtastrate bereitzustellen und die Basislinie für den Sensor zu bestimmen. In Block 415 wird der Status der kraftbetriebenen Schiebetür PSD (Power Sliding Door (vollständig geöffnet/vollständig geschlossen-Umschaltung)) überprüft. Bei Block 420 wird bestimmt, ob die Tür vollständig geöffnet ist. Wenn nicht, wird der Vorgang bei Block 425 fortgesetzt, bei dem die Tür in einen vollständig geöffneten Zustand gebracht wird. Die Position der Tür wird anschließend bei Block 420 erneut überprüft. Bei Block 430 werden die Vsout (Ausgangssapnnung des Sensors), das Pre_Vsout (vorherige Ausgangsspannung des Sensors), der positive Kalibrierzähler (abgekürzt als ”PosCalCounter”), und der negative Kalibierzähler (abgekürzt als ”NegCalCounter”) initialisiert.
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Bei Block 440 wird, sofern das System vorher kalibriert wurde, das zuvor kalibrierte Taktsignal verwendet und der Ablauf bei Block 447 fortgesetzt. Wenn nicht, so wird ein voreingestelltes Taktsignal erzeugt, wie z. B. 50 kHz bei Block 445. Der Pfeil 450 schafft einen Übergang zwischen den 4a und 4b, die zusammen den vollständigen Algorithmus darstellen. Bei Block 452 wartet das System für 10 Millisekunden (msec), um ein konsistentes Signal einzustellen und zu empfangen. Bei Block 455 wird das Sensorsignal gemessen und auf Vsout gesetzt. Bei Block 460 wird, wenn die gemessene Spannung unter der Basislinien-Untergrenze 335 in 3 liegt, der Vorgang bei Block 462 fortgesetzt, bei dem bestimmt wird, ob die momentan gemessene Spannung größer als die vorherige Spannungsmessung ist. Wenn das zutrifft, bedeutet dies, dass durch eine Erhöhung der Taktsignalfrequenz eine Basislinienmessung möglich ist, die innerhalb der gültigen Schwellenwerte für den Sensor liegt. Der Vorgang wird bei Block 482 fortgesetzt, bei dem bestimmt wird, ob die Taktsignalfrequenz die höchste Frenquenzstufe erreicht hat. Trifft dies zu, wird der Vorgang bei Block 483 fortgesetzt, bei dem bestimmt wird, dass der Sensor fehlerhaft ist, da die Frequenz nicht weiter erhöht werden kann, um über dem unteren Schwellenwert des Sensors zu messen.
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Fortsetzend bei Block 462 wird, wenn die gemessene Spannung geringer als die vorherige Spannung ist, der Vorgang bei Block 465 fortgesetzt, bei dem der positive Kalbrierzähler um 1 erhöht wird. Anschließend wird bei Block 467 bestimmt, ob der Positiv-Kalibrierzähler größer als ein definierter Schwellenwert, in diesem Fall 5, ist. Trifft dies zu, endet bei Block 483 der Kalibriervorgang wie zuvor beschrieben. Wurde der positive Kalibrierzähler um weniger als den definierten Schwellenwert erhöht, dann wird der Algorithmus fortgesetzt, um die Frequenz zu erhöhen. Dieser Vorgang begrenzt die Anzahl der Versuche, die das System zum Kalibrieren durchführt, bevor ein Fehlerzustand erreicht wird, d. h. 5 mal. Bei Block 482 wird, wie zuvor beschrieben, bestimmt, ob die Frequenz ihre maximale Höhe erreicht hat oder nicht. Wenn dies zutrifft, endet die Kalibrierung bei Block 483. Wenn dies nicht zutrifft, wird die momentan gemessene Spannung auf Pre_Vsout (d. h. die zuvor gemessene Spannung) für die Fortsetzung der Kalibrierung gesetzt. Bei Block 480 wird die Sensor-Taktsignalfrequenz erhöht, um zu erreichen, dass die minimal gemessene Basislinien-Spannunung erhöht wird. Anschließend kehrt der Vorgang zu Block 452 zurück, um einen weiteren Kalibrierschritt durchzuführen.
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Wieder Bezug nehmend auf den Entscheidungsblock 460 wird, sofern die gemessene Spannung nicht kleienr als die minimale Spannung ist, der Algorithmus bei Entscheidungsblock 470 fortgesetzt. Bei Block 470 wird bestimmt, ob die momentan gemessene Spannung kleiner als die zuvor gemessene Spannung ist. Ist die gemessene Spannung größer, wird der Vorgang bei Block 474 fortgesetzt. Bei Block 474 wird bestimmt, ob die momentan gemessene Spannung größer als oder gleich der maximalen Spannung ist. Trifft dies nicht zu, so wird eine neue Basislinien-Kalibrierung in Gang gesetzt und der Algorithmus bei Block 475 fortgesetzt. Bei Block 475 wird die Stopp-Kalibrierung auf wahr gesetzt und die Sensorfrequenz aufgezeichnet.
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Bezugnehmend wieder auf Block 470 wird, wenn die momentan gemessene Spannung kleiner als die zuvor gemessene Spannung ist (jedoch bereits festgestellt wurde, dass sie größer als der untere Spannungsschwellenwert ist), so wird bei Block 472 der negative Kalibrierzähler um 1 erhöht. Bei Block 473 wird, wenn der Zähler nicht mehr als um den definierten Schwellenwert, in diesem Fall 5, erhöht wurde, der Vorgang bei Block 474 fortgesetzt, bei dem wiederum bestimmt wird, ob die momentan gemessene Spannung kleiner als die maximale Schwellenspannung ist. Sofern dies zutrifft, wird eine neue Schwellenspannung bei Block 475 eingestellt, wie zuvor beschrieben. Bei Block 473 wird, sofern der Zähler um mehr als den definierten Schwellenwert, in diesem Fall 5, erhöht wurde, ein Fehler festgestellt und der Algorithmus wird bei Block 483 fortgesetzt.
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Wenn bei Block 474 bestimmt wird, dass die gemessene Spannung größer als der maximale Spannungsschwellenwert ist, so wird eine untere Frequenz eingestellt. Bei Block 467 wird bestimmt, ob die momentane Frequenz kleiner als oder gleich der untersten Frequenzhöhe ist. Sofern sie geringer als oder gleich ist, kann die Frequenz nicht weiter gesenkt werden und der Algorithmus wird bei Block 483 forgesetzt, bei dem eingestellt wird, dass die Kalibrierung nicht erfolgt ist und der Sensor fehlerhaft ist (Kalibrierung ist auf fehlerhaft eingestellt).
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Wenn die Frequenz niedriger eingestellt werden kann, so wird bei Block 477 die momentan gemessene Spannung gleich der Pre_Vsout eingestellt, so dass diese in dem nächsten Zyklus des Algorithmus mit der gemessenen Spannung verglichen werden kann. Bei Block 478 wird die Sensor-Taktfrequenz verringert. Anschließend kehrt der Algorithmus zurück zu Block 452, um einen weiteren Kalibrierversuch zu unternehmen. Der zuvor beschriebene Vorgang wird fortgesetzt, bis der Sensor entweder bei Block 475 als kalibriert markiert oder bei Block 483 als nicht kalibriert markiert wird. Die Gründe, warum die Kalibrierung nicht erreicht wird, bestehen darin, dass zu viele Versuche unternommen werden, die Frequenz zu senken oder die Frequenz anzuheben, oder in der Unfähigkeit, die Frequenz aufgrund der minimalen Schwellenwerte des Sensors anzuheben oder zu senken.
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In den 4a und 4b steht HFL für Hochfrequenzlimit, wie z. B. 150 kHz, steht LFT für Niederfrequenzlimit, wie etwa 25 kHz. Der Algorithmus kann nach jedem Reset durch Einschalten, jedem Aufwachen aus dem Schlafmodus, und jedes Mal, wenn die Sensor-Basislinie außerhalb des Bereichs liegt, durchgeführt werden. Der Algorithmus kann auch nach der Objektdetektion ausgeführt werden. Der Algorithmus kann selbstverständlich auch in etwas kleineren Intervallen oder etwas größeren Intervallen ausgeführt werden.
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5 zeigt, dass das abgeschirmte elektrische Feld 520 die Fokussierung der Sensordrahtelektrik unterstützt. Das sensor-elektrische Feld 510 durchläuft eine lange Wegstrecke, bevor es bei GND 530 endet. Hierdurch wird eine Zunahme des Detektionsbereichs des Sensors unterstützt.
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6 zeigt das kapazitive Modell von Flex Capacitive Sensor für das Objekt 602.
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C0 605 – ist die Kapazität zwischen dem Sensor 610 und der Abschirmung 615. Diese ist abhängig von der Sensorgeometrie und bleibt unverändert für die gesamte Lebensdauer des Sensors. Feuchtigkeit, die in den Sensor 610 zwischen dem Sensor 610 und der Abschirmung 615 eindringt, kann diese Kapazität vergrößern. Wie in 1 zu sehen, haben die Abschirmung 610 und der Sensor 615 das selbe Potential, so dass effektiv keine aktive Kapazität zwischen dem Sensor 610 und der Abschirmung 615 vorhanden ist. Sie hat eine sehr geringe Auswirkung auf das modulierende Ausgangssignal.
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C1 620 – ist die Kapazität zwischen dem Sensor 610 und der Batterie GND 625. Dies ist die Signal-Kapazität für die Sensorelektronik. Sie hat eine sehr hohe Verstärkung (1000fach) im Vergleich zu anderen Kapazitäten. Der kapazitive Sensor von Flex kann 0,05 pF der Signalkapazität beseitigen.
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C2 630 – ist die Kapazität zwischen der Abschirmplatte 615 und der Batterie GND 625. Dies ist üblicherweise eine sehr hohe Kapazität, in dem Bereich von 1 bis 5 nF, im Vergleich zu sämtlichen der anderen diesbezüglichen Kapazitäten. Sie ist abhängig von der Sensorgeometrie, der Abschirmbreite und der Trennung zwischen der Abschirmung 615 und der Batterie GND 625. Umwelteinflüsse können diese Kapazität verändern, jedoch hat dies sehr geringe Auswirkungen auf das Ausgangssignal. Die Verstärkung der Signalkapazitäten von C0 605 und C2 630 beträgt 1/1000 des C1 620 Signals.
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C3 635, C4 636, C5 637, C6 638, C7 639 sind Kapazitäten, die auf Objektnähe basieren, wie in 1 beschrieben. C4 636, die Objekt-zu-Abschirm-Kapazität hat eine minimale Auswirkung, da diese mit der Abschirmkapazität verknüpft ist. Die anderen, C3, C5, C6 und C7 haben eine erhebliche Auswirkung, da sie den Sensorsignalen hinzugefügt werden. Das System umfasst darüber hinaus ein Anregungssignal 650, Widerstände 651, 652, 653, Kondensatoren 654, 655 und ein Demodulatorsignal 656. Die Netzsignal-Kapazität = Cnet = (C1 ∥(C5 + ((C7 + C3)∥C6)))
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4.1 Hier bezeichnet + die Reihenkombination und ∥ die Parallelkombination.
7. Versuchsergebnis: Abschirmbreite über den Sensorbereich.
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Es wurde ein Versuch entwickelt, um den Sensor-Detektiosbereich bezüglich der Abschirmbreite zu untersuchen. Die Erregungsspannung wurde konstant gehalten, die Abschirmbreite wurde von 15 mm bis 75 mm verändert und die Sensor-Ausgangsspannung wurde bei einer feststehenden Hindernisgröße in einem Abstand von 0 bis 400 mm aufgezeichnet. Die Figur zeigt, dass mit der Zunahme der Abschirmbreite die Sensorempfindlichkeit von 0 bis 100 mm signifikant zunimmt und danach sehr klein ist. Dies bedeutet, dass ein Sensor mit einer breiteren Abschirmplatte ein Objekt in einem größeren Abstand detektieren kann.
8. Regen/Wasser-Störfestigkeits-Algorithmus des kapazitiven Sensors.
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Die rote Linie zeigt die Echtzeitdaten des Sensors. Wenn Regen oder Wassertropfen an der Sensoroberfläche auftreffen, fällt die Sensorspannung ab. Dies ist ein klarer Unterschied zwischen Wasser und einem tatsächlichen Objekt. Für den Fall, dass sich irgendein Objekt vor der Sensoroberfläche befindet, nimmt die Sensorspannung zu. Die Regentropfen-Effektlinie in 8 zeigt die beiden Spannungsabfälle in Folge von Wassertropfen auf der Sensoroberfläche. Die Steuerelektronik des Sensors erfasst die Spannungsabfälle und stellt dementsprechend eine neue Frequenz ein, um den Wassereffekt zu kompensieren. Die Frequenzänderung ist abhängig von der Sensorverstärkung.
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Z. B. hat die Elektronik der gezeigten Sensoren eine Verstärkung von 50ATD-Zähler pro einem Veränderungsschritt bei der Frequenz.
Wenn V1 = Basislinienspannung bei einer bestimmten Türposition
V2 = Spannungsabfall infolge von Wasser-Regen
Dann Veränderung der Spannung = V2 – V1
Erhöhung der Frequenz, um die Wassereffekte zu kompensieren und zu erreichen, dass die Basislinie = (V2 – V1)/50 ist.
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Der zuvor angegebene Algorithmus ist beispielhaft für einen Kalibrier-Algorithmus und die Versuche, die Frequenz zu erhöhen oder zu senken, bevor die Kalibrierung auf fehlerhaft gesetzt wurde, kann von dem Entwickler nach Belieben verändert werden. Darüber hinaus variieren Aspekte wie z. B. die Anfangsfrequenz oder die obere und die untere Schwellenwertgrenzen entsprechend dem verwendeten Sensor. Typischerweise werden die Anfangsfrequenz, die Anzahl der Versuche und die Schwellenwertgrenzen vor der Installation eingestellt. Diese können selbstverständlich entsprechend der speziellen Konstruktion des Sensors variieren.
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Ein derartiger Kalibrier-Algorithmus in Verbindung mit dem beschriebenen kapazitiven Sensor kann automatisch und periodisch, auch wenn das Fahrzeugs an einen Verbraucher ausgeliefert, kalibriert werden. Dadurch ist ein maximales Maß an Sicherheit sichergestellt und es wird eine Hilfestellung bei einem Versagen des Sensors gegeben, ohne dass kostenintensive Reparatur- und Kalibrierarbeiten durchgeführt werden müssen. Darüber hinaus kann ein gewöhnlicher kapazitiver Sensor in einer Vielzahl von Situationen verwendet werden, ohne den Sensor speziell konfigurieren zu müssen, mit Ausnahme des zuvor beschriebenen Kalibrier-Algorithmus.
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Weitere Merkmale umfassen:
Mechanisches Design für physikalische Sensoren + Sensor-Richtungsabhängigkeit-Konstruktion, Wasserstöranfälligkeit, die folglich in der Konstruktion berücksichtigt ist;
Eine kapazitive Steuereinrichtung, die in die Steuerelektronik integriert ist;
Automatisches Kalibriersystem, um Umwelteinflüsse zu beherrschen;
Regen/Wasser-Störfestigkeit;
Ein auf eine Annäherung basierender Geschwindigkeits-Steuerungsalgorithmus;
Objektdetektion, Objekterkennung und Schließsystem-Anhalte/Umkehr-Algorithmus;
Intelligenter Umgebungs-Lernalgorithmus;
Das System ist konfigurierbar für die berührungslose Hindernisdetektion, die entfernungsbasierte Geschwindigkeits-Steuerung oder für das berührungsbasierte Anti-Klemmsystem – in kurzer Zeit.
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Der Sensor ist, jedoch nicht ausschließlich, einstückig oder zweistückig gebildet;
Der Sensor kann in verschiedene Zonen entlang der Länge des Sensors unterteilt werden, die gemäß der Anwendung dynamisch aktiviert/deaktiviert werden können;
Zusätzlich zu den Zonen können ”tote” Zonen (Bereiche, die mit der Abschirmung/Abschirmabschnitten abgeschirmt werden) generiert werden, wohingegen der Sensor um ein metallisches Merkmal in der Geometrie der Anwendung navigieren muss, um zu passen;
Die Sensorelektrode (CAP Sensor) kann Teile des Schließsystems aufnehmen, d. h. Türstabilisierer, Gummistoßstangen bzw. Gummieinrichtungen, und kann metallische formeingesetzte Schrauben entlang des unteren Abschnitts des Sensorkörpers umfassen.
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Wenngleich spezifische Ausführungsformen in der vorstehenden detaillierten Beschreibung detailliert beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Modifizierungen und Alternativen zu den Details vor dem Hintergrund der gesamten Lehre der Offenbarung und des breiten erfinderischen Konzepts möglich sind. Abschnitte der hierin beschriebenen Algorithmen können als Module, Anweisungen, Programmsegmente und mit anderen, dem Fachmann bekannten Begriffen bezeichnet werden. Diese Begriffe werden jedoch nur zum Zwecke der Vereinfachung der Beschreibung verwendet und erfordern keine Trennung der Funktionalität oder der Anweisungen. Die hierin beschriebenen Systeme und Algorithmen können in einem Mikroprozessor, der eine Software ausführt, in einem integrierten Schaltkreis, einem FPGA (Field Programmable Gate Array) oder einem Schaltkreis und/oder Kombinationen davon implementiert sein. Es ist daher klar, dass der Schutzbereich des kapazitiven Sensors für NCOD nicht auf die speziellen Beispiele und den offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, sondern Modifizierungen innerhalb des Schutzbereiches, wie er durch die angehängten Ansprüche und sämtliche Äquivalente davon definiert ist, abdeckt.
