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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein System zur Handerkennung auf einem Lenkrad und ein Verfahren zurr Handerkennung auf einem Lenkrad.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei modernen Fahrzeugen ist es eventuell erforderlich, zu erkennen, ob der Fahrer seine Hände auf dem Lenkrad hat (um z. B. zu ermitteln, ob der Fahrer dazu bereit ist, einen Lenkvorgang durchzuführen). Lenkassistenten können eine aktive Korrekturmöglichkeit für den Fahrer umfassen, die unter bestimmten Umständen zu verwenden ist. Es kann beispielsweise eine Vorkehrung für ein Lenkassistenzsystem derart getroffen werden, dass es nur aktiviert wird, wenn der Fahrer seine Hände auf dem Lenkrad hat. Es ist in den meisten Ländern vorgeschrieben, dass das Fahrzeug während der Fahrt unter der Kontrolle des Fahrers steht, auch wenn moderne Assistenzsysteme in der Lage wären, das Fahrzeug in bestimmten Situationen sicher zu bedienen.
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Um zu bestimmen, ob mindestens eine Hand auf dem Lenkrad positioniert ist oder nicht, wurden mehrere Konzepte entwickelt. Ein Konzept beruht auf dem EPS-System und induziert eine Schwingung mit niedriger Amplitude im Lenkrad. Wenn sich die Hände des Fahrers auf dem Lenkrad befinden, hat dies eine dämpfende Wirkung, die sich erkennen lässt. Die Schwingung kann den Fahrer jedoch ablenken oder stören. Bei anderen Systemen werden spezielle Sensoren verwendet. Bei einem solchen System werden Widerstandssensorelemente benutzt, bei denen zwei Leiter voneinander beabstandet unter der Oberfläche des Lenkrads angeordnet sind. Wenn ein bestimmter Druck auf die Oberfläche ausgeübt wird, werden die Leiter in Kontakt gebracht. Der Druckbetrag, der zur Aktivierung des Sensors erforderlich ist, macht diese Methode jedoch weniger zuverlässig. Bei einer anderen Methode werden kapazitive Sensoren verwendet, die eine Hand durch deren Einfluss auf ein vom Sensor erzeugtes elektrisches Feld erkennen. Obwohl diese Sensoren zuverlässiger sind, erhöhen sie beträchtlich die Komplexität des Lenkrads. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Position der Hand zu erkennen ist, wofür eine Vielzahl von Sensoren bereitgestellt werden muss, d. h. einer für jede Oberflächenposition zusammen mit einer Erkennungsschaltung für jeden einzelnen Sensor. Diese Komplexität erhöht die Kosten und macht das System fehleranfälliger.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur Handerkennung auf einem Lenkrad bereitzustellen, die zuverlässig sind und eine geringe Komplexität aufweisen. Eine weitere Aufgabe, die zumindest durch Ausgestaltungen der Erfindung zu lösen ist, besteht darin, die Position und Bewegungen von einer oder zwei Händen über dem Lenkrad für Anwendungen mit MMS (Mensch-Maschine-Schnittstelle) zu erkennen.
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Dieses Problem wird durch ein System zur Handerkennung auf einem Lenkrad nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Handerkennung auf einem Lenkrad nach Anspruch 15 gelöst.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung sieht ein System zur Handerkennung auf einem Lenkrad vor. „Handerkennung auf einem Lenkrad“ bezieht sich allgemein auf die Erkennung, ob mindestens eine Hand eines Benutzers sich auf einem Lenkrad befindet.
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Das System umfasst eine Signalleitung, die sich von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt erstreckt und entlang zumindest einem Abschnitt einer Oberfläche eines Lenkrads angeordnet ist. Die Signalleitung kann eine beliebige Art eines elektrischen Leiters sein, also beispielsweise ein Draht oder eine Leiterbahn auf einer gedruckten Leiterplatte oder auf einem flexiblen Substrat. Der erste und zweite Punkt müssen generell nicht die physisch vorhandenen Enden der Signalleitung sein, sind aber Referenzpunkte entlang der Signalleitung. Die Signalleitung ist entlang zumindest einem Abschnitt der Oberfläche des Lenkrads angeordnet. Sie ist normalerweise unter irgendeiner isolierenden Verkleidung angeordnet, die die physische Oberfläche des Lenkrads bildet, die von einem Benutzer berührt werden soll. Insbesondere kann der Abschnitt des Lenkrads, entlang welchem die Signalleitung angeordnet ist, Teil eines äußeren Kranzes oder Rands des Lenkrads sein. Im Allgemeinen ist dies eine Oberfläche, die derart gestaltet ist, dass sie während des normalen Betriebs des Lenkrads von mindestens einer Hand eines Benutzers berührt wird. Der erste und zweite Punkt sind vorzugsweise voneinander beabstandet entlang dem Umfang des Lenkrads angeordnet. Das Lenkrad gehört natürlich zu einem Fahrzeug, also normalerweise einem Landfahrzeug wie beispielsweise einem Auto. Die Anwendung auf andere Fahrzeuge wie beispielsweise Wasser- oder Luftfahrzeuge liegt aber auch im Schutzbereich der Erfindung. Es versteht sich, dass die Form des Lenkrads nicht kreisförmig sein muss, sondern beispielsweise oval sein oder nur einem Teil eines Vollkreises entsprechen kann.
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Das System umfasst ferner eine Erkennungseinheit, die an den ersten Punkt gekoppelt ist, wobei die Erkennungseinheit dafür konfiguriert ist, ein entlang der Signalleitung laufendes zeitabhängiges Erkennungssignal zu senden, ein entlang der Signalleitung laufendes reflektiertes Signal zu empfangen und die Anwesenheit einer Hand auf der Oberfläche auf Basis des reflektierten Signals zu erkennen. Die Erkennungseinheit kann beispielsweise einen Signalgenerator, einen Verstärker, einen Analog-Digital-Wandler, einen Sendeempfänger, eine Verarbeitungseinheit und andere Komponenten umfassen, die zur Durchführung der beschriebenen Funktionen erforderlich sind. Es versteht sich, dass die Erkennungseinheit zumindest teilweise softwareimplementiert sein kann. Die Erkennungseinheit ist an den ersten Punkt gekoppelt, was bedeutet, dass sie elektrisch gekoppelt, aber nicht zwangsläufig leitend gekoppelt ist. Die Kopplung kann zum Beispiel über ein elektrisches und/oder magnetisches Feld erzielt werden. In jedem Fall ist die Erkennungseinheit dafür konfiguriert, ein Erkennungssignal (über den ersten Punkt) über die Signalleitung zu senden. Natürlich sind das Erkennungssignal und andere nachfolgend erwähnte Signale elektrische Signale. Das Erkennungssignal ist zeitabhängig, d. h. es ändert sich im Zeitverlauf, was die Möglichkeit einschließt, dass es für bestimmte Zeiträume konstant bleibt.
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Das Erkennungssignal umfasst im Allgemeinen eine elektromagnetische Welle, die elektrodynamische Eigenschaften aufweist und durch Diskoninuitäten der Übertragungsleitungen reflektiert werden kann. Das Erkennungssignal läuft entlang der Signalleitung vom ersten Punkt zum zweiten Punkt. Generell wird ein Teil des Erkennungssignals reflektiert, womit das reflektierte Signal gebildet wird, das in die entgegengesetzte Richtung läuft. Die Ausbreitung der jeweiligen Signale entlang der Signalleitung hängt von der (lokalen) Impedanz der Signalleitung ab. Jedwede Änderung der Impedanz führt zu einer Reflexion. Wenn sich eine Hand eines Benutzers (Fahrer, Pilot usw.) zum Beispiel in der Nähe der Signalleitung befindet, beeinflusst dies die lokale Impedanz, weshalb ein Teil des Erkennungssignals reflektiert wird und somit zum reflektierten Signal beiträgt. Es ist je nach der Ausgestaltung denkbar, dass das reflektierte Signal (fast) null ist, wenn keine Hand vorhanden ist. Die Erkennungseinheit ist dafür konfiguriert, das reflektierte Signal zu empfangen (normalerweise über den ersten Punkt) und auf Basis des reflektierten Signals die Anwesenheit einer Hand (d. h. mindestens einer Hand) auf der Oberfläche zu erkennen. Diese Erkennung ist dahingehend nicht als einschränkend aufzufassen, dass die Erkennungseinheit in allen Fällen in der Lage ist, eine Hand von irgendeinem anderen Objekt zu unterscheiden. Vielmehr bedeutet dies, dass, wenn sich eine Hand auf der Oberfläche befindet, diese von der Erkennungseinheit erkannt wird. Bei einigen Ausgestaltungen kann die Hand erkannt werden, obwohl sie sich nicht auf der Oberfläche befindet, sondern in einem sehr kurzen Abstand von der Oberfläche. Die Länge eines solchen Abstands, d. h. die „Erkennungsschwelle“, hängt von mehreren Faktoren wie beispielsweise der Form des Erkennungssignals, der Geometrie der Signalleitung, deren Abstand zur Oberfläche des Lenkrads usw. ab. In ihrer einfachsten Form ist die Erkennungseinheit lediglich dafür konfiguriert, zu erkennen, ob sich eine Hand auf der Oberfläche befindet oder nicht.
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Die erfindungsgemäße Handerkennung basiert im Allgemeinen auf einer Messung mittels Zeitbereichsreflektometrie (TDR; time-domain reflectometry). Die Erkennungseinheit könnte bei einer sehr einfachen Ausgestaltung die Anwesenheit einer Hand erkennen, indem sie das reflektierte Signal mit einem „Eichsignal“ vergleicht, d. h. einem reflektierten Signal, das keiner auf dem Lenkrad positionierten Hand entspricht. Wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen reflektierten Signal und dem Eichsignal über einer bestimmten Schwelle liegt, kann dies als die Anwesenheit mindestens einer Hand interpretiert werden. Wie nachfolgend erläutert wird, wird jedoch bevorzugt, dass die Analyse des reflektierten Signals detaillierter ist. In jedwedem Fall ist die für eine erfindungsgemäße Erkennung erforderliche Hardware relativ einfach. Insbesondere kann die Signalleitung kostengünstig hergestellt werden und relativ robust sein.
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Das System umfasst gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eine mit Masse verbundene Massestruktur und einen Isolator, der derart angeordnet ist, dass er die Signalleitung zwischen dem ersten und zweiten Punkt von der Massestruktur isoliert. Die Massestruktur kann beispielsweise ein Metallrahmen des Lenkrads, eine unter einem isolierenden Substrat der Signalleitung angeordnete Metallfolie oder eine Art einer leitenden Leitung, die der Signalleitung physisch ähnlich ist, sein. Es versteht sich, dass die Anwesenheit der Massestruktur die Impedanz der Signalleitung beeinflusst, indem ein „Null“-Potential definiert wird. Die Massestruktur ist (zumindest) zwischen dem ersten und zweiten Punkt von der Signalleitung isoliert, um jedweden Kurzschluss zu verhindern. Dies bezieht sich natürlich auf den normalen, d. h. unbeschädigten Zustand des Systems.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der zweite Punkt mit einem elektrischen Abschluss verbunden. Ein solcher elektrischer Abschluss hat eine Impedanz, die zumindest der Impedanz der Signalleitung ähnlich ist, wodurch Reflexionen minimiert oder unterdrückt werden, solange keine Hand (oder ein anderes Objekt) nahe der Oberfläche vorhanden ist. Man kann sie auch als „Abschlussimpedanz“ bezeichnen. Obwohl ein aktiver Abschluss im Schutzbereich der Erfindung liegt, wird ein passiver Abschluss bevorzugt, weil er mit geringeren Kosten und mit robusteren Elementen erzielt werden kann. Der elektrische Abschluss kann zum Beispiel ein Widerstand sein. Insbesondere kann der zweite Punkt über den elektrischen Abschluss mit der Massestruktur verbunden sein.
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Es wird sehr bevorzugt, dass die Erkennungseinheit dafür konfiguriert ist, eine Position der Hand auf Basis des reflektierten Signals zu ermitteln. Mit anderen Worten: die Erkennungseinheit kann nicht nur erkennen, ob sich eine Hand auf der Oberfläche befindet, sondern auch, in welchem Teil der Oberfläche. Wenn die Signalleitung beispielsweise entlang dem Umfang des Lenkrads angeordnet ist, kann die Erkennungseinheit dafür konfiguriert werden, eine Winkelposition der Hand zu ermitteln. Je nach der Art des Erkennungssignals können verschiedene Methoden zur Ermittlung der Position angewendet werden.
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Es wird auch bevorzugt, dass die Erkennungseinheit dafür konfiguriert ist, Positionen zweier Hände auf der Oberfläche auf Basis des reflektierten Signals zu ermitteln. Dies ist möglich, weil selbst dann, wenn ein Teil des Erkennungssignals wegen der sich ändernden Impedanz an der Position einer Hand reflektiert wird, ein anderer Teil übertragen wird und weiter zum zweiten Punkt hin läuft. Wenn eine andere Diskontinuität in der Impedanz auftritt, wird dieses Signal wieder in einen reflektierten Teil und einen übertragenen Teil aufgeteilt. Das gesamte reflektierte Signal enthält demnach Informationen über beide Reflexionen und damit über die Position der beiden Hände.
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Im Allgemeinen könnte das Erkennungssignal eine beliebige Art eines zeitabhängigen Signals sein. Es kann insbesondere ein Impulssignal sein. Bei dieser Ausgestaltung sendet die Erkennungseinheit normalerweise einen einzigen Impuls, z. B. einen Rechteckimpuls, dem eine Pause folgt, bevor der nächste Impuls gesendet wird. Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, ist die Pause normalerweise lang genug, um das Erkennungssignal vom ersten zum zweiten Punkt und ein reflektiertes Signal wieder zurück zum ersten Punkt laufen zu lassen. Die Position der Hand wird durch Messen des Zeitraums zwischen dem Senden des Impulses durch den ersten Punkt und dem Empfang eines reflektierten Impulses am ersten Punkt oder, anders ausgedrückt, durch die Laufzeit ermittelt. Wenn zwei Reflexionen auftreten, weil sich zwei Hände auf der Oberfläche befinden, werden zwei Zeiträume gemessen. Es ist auch denkbar, statt eines einzigen Impulses eine Reihe von Impulsen zu senden.
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Abgesehen von der Verwendung eines Impulssignals ist auch die Verwendung eines kontinuierlichen Signals möglich. Das Erkennungssignal kann beispielsweise ein Frequenzwobbel-Sinussignal sein. In einem solchen Fall kann die Erkennungseinheit dafür konfiguriert werden, eine FFT (schnelle Fourier-Transformation; fast Fourier transformation) auf das reflektierte Signal durchzuführen. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines pseudozufälligen phasenumgetasteten Signals oder eines Pseudozufallssignals, wobei die Erkennungseinheit in diesem Fall dafür konfiguriert werden kann, eine Kreuzkorrelation zwischen dem Erkennungssignal und dem reflektierten Signal durchzuführen. Der Vorgang ist der gleiche wie beim „Phasenradar“, bei dem dasselbe Signal gesendet und empfangen und verarbeitet wird.
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Die Signalleitung ist vorzugsweise mäanderförmig entlang der Oberfläche angeordnet. Dies gilt auch, wenn lediglich eine eindimensionale Position der Hand ermittelt werden muss. Es reicht normalerweise aus, eine Winkelposition (d. h. eindimensionale Position) der Hand entlang dem Umfang des Lenkrads zu ermitteln. Wenn die Signalleitung jedoch gerade angeordnet ist, kann ihre Gesamtlänge zwischen dem ersten und zweiten Punkt ziemlich kurz sein, und das gleiche gilt für die Laufzeit des Erkennungssignals und des reflektierten Signals. Demzufolge wäre eine sehr hohe Zeitauflösung erforderlich, um die Position der Hand genau zu ermitteln. Wenn die Signalleitung mäanderförmig angeordnet ist, erhöhen sich die Gesamtlänge und somit die Laufzeit. Die erforderliche Zeitauflösung wird demnach reduziert. Wenn eine Mäanderform verwendet wird, ist darüber hinaus die Hand in der Nähe eines größeren Abschnitts der Signalleitung angeordnet, weshalb der Einfluss auf die Impedanz (und somit auf das reflektierte Signal) größer ist. Die Erkennungsempfindlichkeit kann daher erhöht werden.
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Abgesehen von der Erhöhung der Länge der Signalleitung kann die Laufzeit der Signale auch beeinflusst werden, indem man ein Material mit einer hohen relativen Permeabilität wie den oben genannten Isolator verwendet. Durch diese Maßnahme werden die Signale verlangsamt.
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Abgesehen von der Ermittlung der Position der Hand kann die Erkennungseinheit dafür konfiguriert werden, eine Intensität des Kontakts zwischen der Hand und der Oberfläche auf Basis des reflektierten Signals zu ermitteln. Wenn der Benutzer seine Hand nur locker auf das Lenkrad legt, ist die Auswirkung auf die Impedanz geringer, als wenn er das Lenkrad fest umgreift. Dies ist hauptsächlich durch die Tatsache bedingt, dass im ersten Fall nur ein relativ kleiner Abschnitt der Oberfläche in direktem Kontakt mit der Hand ist, wohingegen dieser Abschnitt im zweiten Fall größer ist. Es versteht sich, dass der direkte Kontakt mit der Oberfläche der größtmöglichen Nähe zur Signalleitung und daher dem größten Einfluss auf die Impedanz entspricht. Demzufolge lässt sich durch Analysieren der Form und/oder der Intensität des reflektierten Signals die Intensität des Kontakts zumindest annähernd ermitteln.
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Abgesehen von der Erkennung der Anwesenheit von mindestens einer Hand kann die Erkennungseinheit eine Diagnose der Signalleitung durchführen. Sie kann beispielsweise derart angepasst werden, dass sie eine intakte Länge der Signalleitung auf Basis des reflektierten Signals ermittelt. In diesem Rahmen bezieht sich die „intakte Länge“ auf die Länge des Abschnitts der Signalleitung, der weder unterbrochen noch kurzgeschlossen ist. Wenn die Signalleitung beispielsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt unterbrochen - d. h. gebrochen - ist, führt eine solche Unterbrechung zu einer unerwarteten Reflexion, die von der Erkennungseinheit identifiziert werden kann. Normalerweise unterscheidet sich die Form des reflektierten Signals von reflektierten Signalen, die durch die Anwesenheit einer Hand bedingt sind. Selbst wenn dies nicht so ist, kann die Diagnose in einer Zeit durchgeführt werden, wenn keine Hände auf dem Lenkrad zu erwarten sind, also beispielsweise, wenn der Fahrersitz nicht belegt ist. Ein Kurzschluss kann z. B. durch Analysieren der Höhe eines reflektierten Impulses erkannt werden. Der reflektierte Impuls, der durch einen Kurzschluss bedingt ist, ist normalerweise höher als jedweder reflektierte Impuls, der durch die Anwesenheit einer Hand bedingt ist.
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Eine Referenzleitung erstreckt sich gemäß einer Ausgestaltung von einem dritten Punkt zu einem vierten Punkt und ist entlang der Oberfläche neben der Signalleitung angeordnet, wobei die Erkennungseinheit dafür konfiguriert ist, über die Referenzleitung ein Referenzsignal zu senden, das komplementär zum Erkennungssignal ist. Die Referenzleitung kann ähnlich wie die Signalleitung ausgelegt sein; beispielsweise können beide Leitungen Drähte oder Leiterbahnen auf einer gedruckten Leiterplatte sein. Wie der erste und zweite Punkt sind der dritte und vierte Punkt nicht zwangsläufig die physischen Enden der Referenzleitung, sondern als Referenzpunkte zu verstehen. Die Referenzleitung ist neben der Signalleitung angeordnet, was bedeutet, dass der Verlauf der Referenzleitung generell dem der Signalleitung entspricht. Das Referenzsignal, das über die Referenzleitung gesendet wird, ist komplementär zum Erkennungssignal, was bedeutet, dass das Referenzsignal dem negativen Gegensatz des Erkennungssignals entspricht. Es ist normalerweise mehrdeutig, welche Leitung die Signalleitung und welche die Referenzleitung ist. Bei dieser Ausgestaltung arbeitet das System in einem Differenzmodus. Es versteht sich, dass das Referenzsignal generell zu einem reflektierten Referenzsignal führt, das ungefähr dem negativen Gegensatz des reflektierten Signals entspricht, wenn die Länge und der Verlauf der Referenzleitung sich nicht signifikant von der Signalleitung unterscheiden. Wenn jedoch eine äußere Störung das reflektierte Signal beeinflusst, wirkt sich diese Störung normalerweise in gleicher Weise auf das reflektierte Referenzsignal aus, weshalb die Differenz zwischen beiden Signalen unverändert bleibt. Wenn die Differenz der beiden reflektierten Signale berücksichtigt wird, kann die Erkennungseinheit die Anwesenheit einer Hand und deren Position mit höherer Zuverlässigkeit erkennen. Es kann auch einfacher sein, Brüche oder Kurzschlüsse zu erkennen, weil diese normalerweise nicht gleichzeitig die Signalleitung und die Referenzleitung beeinflussen. Demzufolge führt jedweder Ausfall von nur einer Leitung zu widersprüchlichen Messungen. Wenn eine Referenzleitung verwendet wird, ist der zweite Punkt normalerweise mit dem vierten Punkt verbunden, also zum Beispiel über einen elektrischen Abschluss oder direkt (in diesem Fall können der zweite und der vierte Punkt auch als identisch betrachtet werden). Wenn eine solche Verbindung vorhanden ist, ist es möglicherweise unnötig, den zweiten Punkt mit Masse zu verbinden.
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Bei einigen Ausgestaltungen der Erfindung ist keine spezielle Schaltung im Lenkrad erforderlich. Es ist vielmehr möglich, einen Heizdraht eines Heizsystems als Signalleitung und/oder Referenzleitung zu benutzen. Gemäß einer solchen Ausgestaltung ist mindestens eine von der Signalleitung und der Referenzleitung mit einer Heizenergiequelle zum Heizen des Lenkrads verbunden. Man könnte auch sagen, dass mindestens eine von der Signalleitung und der Referenzleitung durch einen Heizdraht des Lenkrads ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung ist dahingehend von großem Vorteil, dass sie nur minimale Änderungen gegenüber einem „herkömmlichen“ Lenkrad erfordert, das nur eine Heizfunktion aufweist. Die Erkennungseinheit muss lediglich an den vorhandenen Heizdraht gekoppelt werden.
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Zur Entkopplung ist die mindestens eine von der Signalleitung und der Referenzleitung über eine Entkopplungsvorrichtung mit der Heizquelle verbunden.
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Wenn die Signalleitung und/oder die Referenzleitung Teil eines Heizdrahts sind, könnte die Erkennungseinheit durch den Einfluss der Heizquelle beeinflusst werden, wenn sie leitend mit dem ersten oder dritten Anschluss verbunden ist. Dies kann vermieden werden, indem eine Entkopplungsvorrichtung wie beispielsweise eine Gleichtaktdrossel oder zwei separate Drosseln oder Spulen zwischen der Heizquelle und dem Heizkreis oder Heizdraht, der als eine von der Signalleitung und der Referenzleitung arbeitet, angeschlossen sind. Es ist anzumerken, dass im Falle eines Differenzbetriebsmodus eine Gleichtaktdrossel nicht die richtige Entkopplungsvorrichtung ist, weil sie Differenzströme unterdrückt. In diesem Fall müssen zwei separate Drosseln verwendet werden. Darüber hinaus werden das Erkennungssignal und das Referenzsignal vorzugsweise über einen entsprechenden Kondensator an die jeweiligen Leitungen gekoppelt. Gleiches gilt für die empfangenen reflektierten Signale. Es versteht sich, dass die Gleichstromkomponenten des Heizstroms nicht übertragen werden.
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Wenn die Signalleitung und die Referenzleitung Teil eines Heizdrahts sind, ist es normalerweise nicht möglich, den zweiten und vierten Punkt durch einen Widerstand als elektrischen Abschluss zu verbinden, weil dies den Heizstrom in unannehmbarer Weise verringern würde. Dieses Problem kann gemäß einer Ausgestaltung gelöst werden, bei welcher der elektrische Abschluss eine Induktivität umfasst, die in Parallelschaltung zu einem Widerstand angeschlossen ist. Natürlich können auch andere (aktive oder passive) Abschlüsse verwendet werden, die den Widerstandswert nicht übermäßig erhöhen.
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Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Handerkennung auf einem Lenkrad vor, wobei eine Signalleitung sich von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt erstreckt und entlang zumindest einem Abschnitt einer Oberfläche eines Lenkrads angeordnet ist. Das Verfahren umfasst Folgendes: Senden eines entlang der Signalleitung laufenden zeitabhängigen Erkennungssignals; Empfangen eines entlang der Signalleitung laufenden zeitabhängigen reflektierten Signals; und Erkennen der Anwesenheit einer Hand auf der Oberfläche auf Basis des reflektierten Signals. Natürlich können diese Verfahrensschritte von einer Erkennungseinheit wie der oben mit Bezug auf das erfinderische System beschriebenen durchgeführt werden. Alle diese Begriffe wurden oben beschrieben und werden demzufolge nicht erneut erläutert.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des erfinderischen Verfahrens entsprechen denen des erfinderischen Systems.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung von nicht einschränkenden Ausgestaltungen anhand der beigefügten Zeichnung hervor. Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht eines Lenkrads mit Komponenten eines erfinderischen Systems zur Handerkennung auf einem Lenkrad;
- 2: eine schematische Ansicht einer ersten Ausgestaltung eines erfinderischen Systems;
- 3: eine schematische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung eines erfinderischen Systems;
- 4: eine schematische Ansicht einer dritten Ausgestaltung eines erfinderischen Systems; und
- 5: eine schematische Ansicht einer vierten Ausgestaltung eines erfinderischen Systems.
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Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
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1 zeigt schematisch ein Lenkrad 20 für ein Fahrzeug, normalerweise ein Straßenfahrzeug. Eine Umfangsfläche 20.1 des Lenkrads hat eine elektrisch isolierende Verkleidung 21, die auch ästhetischen und ergonomischen Zwecken dient. Unter der Verkleidung 21, die in 1 meist weggelassen wurde, liegt ein flaches Sensorfeld 2, das teilweise um das Lenkrad 30 gewickelt ist. Das Sensorfeld 2 kann mit einer oder zwei Verbindungsleitungen 3, 4 verbunden sein, durch welche es an eine Erkennungseinheit 9 gekoppelt ist, die nachfolgend beschrieben wird. Es ist anzumerken, dass bei einigen Ausgestaltungen nur eine Verbindungsleitung 3, 4 erforderlich ist, wobei das Sensorfeld 2 mit einer Massestruktur 8, z. B. einem Metallrahmen des Lenkrads, verbunden ist. Das Sensorfeld 2 ist Teil eines erfinderischen Systems 1 zur Handerkennung auf einem Lenkrad, dessen Ausgestaltungen anhand von 2 bis 5 beschrieben werden.
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2 zeigt eine erste Ausgestaltung des Systems 1. Es ist anzumerken, dass eine wie in 2 dargestellte horizontale Position im Sensorfeld 2 einer Winkelposition in 1 entspricht. Das Sensorfeld 2 hat ein elektrisch isolierendes Substrat 5, auf welchem eine Signalleitung 6 angeordnet ist. Das Substrat 5 kann eine flexible Folie sein und die Signalleitung 6 kann eine Leiterbahn auf deren Oberfläche sein. Die Signalleitung 6 erstreckt sich mäanderförmig von einem ersten Punkt 6.1 zu einem zweiten Punkt 6.2. Der zweite Punkt 6.2 ist über einen Widerstand 7, der als elektrischer Abschluss dient, mit einer Massestruktur 8 (z. B. dem Metallrahmen des Lenkrads 30 oder einer unter dem Substrat 5 angeordneten Metallfolie) verbunden. Obwohl in dieser schematischen Darstellung nicht dargestellt, kann die Massestruktur 8 unter dem Substrat 5 angeordnet sein, das zur elektrischen Isolierung der Signalleitung 6 von der Massestruktur 8 dient. Es ist anzumerken, dass der Widerstand 7 und die Verbindung mit der Massestruktur 8 optional sind und dass der zweite Punkt 6.2 unverbunden bleiben könnte. Der erste Punkt 6.1 ist durch die Verbindungsleitung 3 mit der Erkennungseinheit 9 verbunden.
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Die Erkennungseinheit 9 sendet während des Betriebs ein zeitabhängiges Erkennungssignal über die Signalleitung 6. Das Erkennungssignal kann beispielsweise ein Impulssignal sein, d. h., dass die Erkennungseinheit 9 einen Impuls sendet, dem eine Pause folgt, bevor der nächste Impuls gesendet wird. Der Impuls breitet sich vom ersten Punkt 6.1 über die Signalleitung 6 zum zweiten Punkt 6.2 aus und wird idealerweise im Widerstand 7 (sofern vorhanden) absorbiert. Die Signalleitung 6 kann (zusammen mit der Massestruktur 8) durch eine charakteristische Impedanz, an die der Widerstand 7 angepasst ist, charakterisiert werden. Wenn der Fahrer jedoch eine Hand auf die Oberfläche 20.1 legt, bewirkt deren Nähe zur Signalleitung 6 eine lokale Änderung oder Diskontinuität bei der charakteristischen Impedanz. Diese Diskontinuität führt dazu, dass ein Teil des Impulses zum ersten Punkt 6.1 zurück reflektiert wird. Dieses reflektierte Signal wird von der Erkennungseinheit 9 über den ersten Punkt 6.1 und die Verbindungsleitung 3 empfangen.
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Durch Messen der Verzögerung zwischen dem gesendeten Impuls und dem reflektierten Impuls ermittelt die Erkennungseinheit 9 die Position der Hand. Das gleiche Prinzip gilt, wenn zwei Hände auf die Oberfläche 20.1 gelegt werden. In diesem Fall werden zwei Impulse reflektiert. Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, sollte das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden gesendeten Impulsen länger sein als die Laufzeit eines Impulses von der Erkennungseinheit 9 zum zweiten Punkt 6.21 und wieder zurück. Die räumliche Auflösung, mit der die Position der Hand erkannt werden kann, wird durch die Zeitauflösung begrenzt, mit der die Verzögerung zwischen dem gesendeten Impuls und dem reflektierten Impuls gemessen werden kann. Demnach wird die Auflösung durch die Mäanderform verbessert, die die Laufzeit der Signale entlang der Signalleitung 6 erhöht. Die Mäanderform unterstützt auch die Erhöhung der Empfindlichkeit des Sensorfelds 2, weil sich eine Hand in der Nähe eines größeren Teils der Signalleitung 6 als bei einem geraden Draht befindet. Zusätzlich dazu ist die Breite des empfangenen Impulses eine Angabe der Griffstärke der Hand auf dem Lenkrad. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Laufzeit besteht darin, ein Material mit einer hohen relativen Permeabilität für das Substrat 5 zu verwenden.
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Wenn der Widerstand 7 nicht vorhanden ist oder nicht an die charakteristische Impedanz der Kombination aus Signalleitung 6 und Massestruktur 8 angepasst ist, wird der Impuls teilweise reflektiert, selbst wenn keine Hand vorhanden ist. Durch Messen der Verzögerung zwischen dem gesendeten Impuls und diesem reflektierten Impuls kann eine intakte Länge der Signalleitung 6 gemessen werden. Die Erkennungseinheit 9 kann gegebenenfalls eine Diagnose der Signalleitung 6 während einer Zeit durchführen, in der keine Hände auf dem Lenkrad zu erwarten sind, z. B. wenn der Fahrersitz nicht belegt ist. Wenn die Verzögerung kürzer als ein erwarteter Wert ist, der einer intakten Signalleitung 6 entspricht, kann dies als Bruch in der Signalleitung 6 interpretiert werden. Auch ein Kurzschluss zwischen der Signalleitung 6 und der Massestruktur 8 oder anderen umgebenden leitenden Elementen (zum Beispiel einem nahegelegenen Heizdraht) kann durch Auswerten der Höhe des reflektierten Impulses erkannt werden. Wenn die Höhe des Impulses eine bestimmte Schwelle überschreitet, kann dies als Kurzschluss interpretiert werden.
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Das zeitabhängige Erkennungssignal muss kein Impulssignal sein und kann aber auch ein kontinuierliches Signal sein. Es kann beispielsweise eine Frequenzwobbel-Sinuswelle sein, wobei die Erkennungseinheit 9 in diesem Fall eine FFT auf das reflektierte Signal durchführt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Erkennungssignal ein pseudozufälliges phasenumgetastetes Signal oder ein Pseudozufallssignal ist, wobei die Erkennungseinheit 9 in diesem Fall eine Kreuzkorrelation zwischen dem erzeugten Signal und dem reflektierten Signal durchführt.
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3 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfinderischen Systems 1, das dem in 2 dargestellten weitgehend ähnlich ist und insofern nicht wieder erläutert wird. Zusätzlich zu der Signalleitung 6 erstreckt sich jedoch eine zweite Leitung 10 zwischen einem dritten Punkt 10.1 und einem vierten Punkt 10.2 neben der Signalleitung 6. Die zweite Leitung 10 kann wie die Signalleitung 6 eine Leiterbahn auf dem Substrat 5 sein. Die zweite Leitung 10 ist über eine Verbindungsleitung 4 mit der Erkennungseinheit 9 verbunden. Gemäß einer Option ist die Verbindungsleitung 4 mit Masse verbunden (über die Erkennungseinheit 9), was die zweite Leitung 10 zu einer Massestruktur machen würde. Gemäß einer anderen Option sendet die Erkennungseinheit 9 über die zweite Leitung 10 ein Referenzsignal, das komplementär zum Erkennungssignal ist, d. h. eine entgegengesetzte Polarität hat. Während man die erste Option als „unsymmetrischen Modus“ bezeichnen kann, kann die zweite Option als „Differenzmodus“ bezeichnet werden. Da die Signalleitung 6 und die zweite Leitung 10 nebeneinander angeordnet sind, führt die Anwesenheit einer Hand zu einer Reflexion in beiden Leitungen 6, 10. Unter normalen Umständen empfängt die Erkennungseinheit 9 ein reflektiertes Signal und ein reflektiertes Referenzsignal, die sich nur durch ihre Polarität unterscheiden. Wenn die Leitungen 6, 10 aber von einer äußeren Störung beeinflusst werden, erzeugt dies normalerweise einen gleichen Versatz in beiden reflektierten Signalen und beeinflusst es nicht die Differenz beider Signale. Wenn die Differenz von der Erkennungseinheit 9 ausgewertet wird, macht dies die Messungen demzufolge zuverlässiger. 3 zeigt den zweiten Punkt 6.2 und den vierten Punkt 10.2, die durch einen Widerstand 7 verbunden sind. Die Verwendung dieses Widerstands 7 als elektrischer Abschluss ist allerdings nur optional.
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Während bei den Ausgestaltungen in 2 und 3 spezielle Leitungen 6, 10 zur Implementierung des Sensorfelds 2 verwendet werden, zeigt 4 eine dritte Ausgestaltung, bei der ein Heizdraht 11 benutzt wird, um gleichzeitig das Lenkrad 20 zu heizen und Hände zu erkennen. Eigentlich sind sowohl die Signalleitung 6 als auch die zweite Leitung 10 Teile des Heizdrahts 11. Die beiden Leitungen 6, 10 sind über die Verbindungsleitungen 3, 4 und eine Entkopplungsvorrichtung 13, die zur Entkopplung der Messung durch die Erkennungseinheit 9 von der Heizleistungsquelle 12 dient, mit einer Heizenergiequelle 12 wie beispielsweise einem elektronischen Heizungssteuergerät verbunden. Die Entkopplungsvorrichtung 13 kann zum Beispiel eine Gleichtaktdrossel sein. Der Heizdraht wird im Gleichtakt betrieben, was bedeutet, dass am vorwärts und rückwärts geführten Heizdraht das gleiche Potential vorhanden ist. Dies hat zur Folge, dass die Kopplung von den Heizdrähten zur Erkennungseinheit durch einen von zwei Kondensatoren erfolgen kann. Die Erkennungseinheit 9 ist demzufolge über jeweilige Kopplungskondensatoren 14 und 15, durch welche sie vom Heizstrom entkoppelt wird, an den ersten Punkt 6.1 und den dritten Punkt 10.1 gekoppelt. Das System 1 ist für den unsymmetrischen Modus konfiguriert. Der Heizdraht wird im Gleichtakt betrieben, was bedeutet, dass am vorwärts und rückwärts geführten Heizdraht das gleiche Potential vorhanden ist. Dies hat zur Folge, dass die Kopplung von den Heizdrähten zur Erkennungseinheit durch einen von zwei Kondensatoren erfolgen kann. Es ist anzumerken, dass die Verbindung des zweiten und vierten Punkts 6.2, 10.2 mit einer Massestruktur 8 über einen Widerstand 7 optional ist. Schließlich umfasst die Schaltung in 4 ferner einen Reihenkondensator 18 in Reihenschaltung mit dem Widerstand 7. Eigentlich wird der Widerstand durch die halbe Heizspannung angesteuert, wodurch eine Verlustleistung im Widerstand 7 erzeugt wird. Wenn diese Verlustleistung zu groß ist, ist ein zusätzlicher Reihenkondensator 18 erforderl ich.
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Statt den Kondensator 14 zur Kopplung der Erkennungseinheit 9 an die Signalleitung 6 zu verwenden, ist es auch möglich, der Gleichtaktdrossel 13 eine dritte Wicklung hinzuzufügen und die Erkennungseinheit 9 mit dieser dritten Wicklung zu verbinden.
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5 zeigt eine vierte Ausgestaltung eines erfinderischen Systems 1, die der dritten Ausgestaltung ähnlich ist. Das System 1 ist jedoch für einen Differenzmessmodus konfiguriert. Die Erkennungseinheit 9 koppelt ein Erkennungssignal und ein Referenzsignal über Kopplungskondensatoren 14, 15 in die Signalleitung 6 und die Referenzleitung 10. Die Entkopplungsvorrichtung 13 wiederum entkoppelt diese Signale von der Heizenergiequelle 12, wobei aber, weil diese Signale komplementär sind, eine Gleichtaktdrossel einen Kurzschluss verursachen würde. Eine mögliche Lösung ist die Verwendung von zwei separaten Spulen zur Entkopplung.
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Es ist nicht möglich, den zweiten Punkt 6.2 und den vierten Punkt 10.2 nur mittels eines Widerstands 7 zu verbinden, weil dessen Widerstandswert den Heizstrom zu klein machen würde. Eine Option besteht darin, jetzt überhaupt keinen elektrischen Abschluss zu verwenden, während eine andere Option darin besteht, einen elektrischen Abschluss 16 zu verwenden, der eine Induktivität 17 umfasst, die in Parallelschaltung zu einem Widerstand 7 angeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System zur Handerkennung
- 2
- Sensorfeld
- 3, 4
- Verbindungsleitung
- 5
- Substrat
- 6
- Signalleitung
- 6.1, 6.2, 10.1, 10.2
- Punkt
- 7
- Widerstand
- 8
- Massestruktur
- 9
- Erkennungseinheit
- 10
- zweite Leitung
- 11
- Heizdraht
- 12
- Heizenergiequelle
- 13
- Entkopplungsvorrichtung
- 14, 15
- Kondensator
- 16
- elektrischer Abschluss
- 17
- Induktivität
- 18
- Reihenkondensator
- 20
- Lenkrad
- 20.1
- Oberfläche
- 21
- isolierende Verkleidung
