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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein entfaltbares Kraftfahrzeug-Rückhaltesystem
und im Spezielleren ein System und ein Verfahren zum Detektieren
einer Extremlage eines Insassen.
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Hintergrund der Erfindung
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Fahrzeuginsassenpositions-Detektionssysteme
sind nützlich
in Verbindung mit Airbags und weiteren pyrotechnisch entfalteten
Rückhalteeinrichtungen
als Mittel einer Beurteilung, ob und wie stark die Rückhalteeinrichtung
entfaltet werden soll. Idealerweise sollte das System in der Lage
sein, den Insassentyp (d. h. ein großer Erwachsener, ein kleiner
Erwachsener, ein Kind etc.) und die Position des Insassen relativ
zu dem Entfaltungspunkt des Airbags zu klassifizieren. Verschiedene
Systeme, die einen oder mehrere Infrarot- und/oder akustische Bereichssensoren
enthalten, wurden für
diesen Zweck vorgeschlagen; siehe z. B. die US-Patente 5 330 226,
5 785 347, 5 737 083 und 6 113 137. Im Allgemeinen senden solche
Systeme einen oder mehrere Strahlen von Infrarotenergie aus, um
eine entsprechende Anzahl von Gesichtsfeldern zu definieren, und
detektieren die empfangene Energie, um eine Anwesenheit und eine
Position eines Fahrers innerhalb der Gesichtsfelder zu bestimmen.
Unglücklicherweise
sind solche Systeme meist sehr kostspielig und sind im Umfeld eines
Autos schwierig unterzubringen. Darüber hinaus ist eine relativ
schnelle Ansprechgeschwindigkeit erforderlich, sodass eine Entfaltung korrekt
verhindert oder zugelassen wird, wenn sich die Position eines Insassen
schnell ändert,
möglicherweise
unter Vorwegnahme eines bevorstehenden Zusammenstoßes. Demgemäß besteht
Bedarf an einem kosten günstigen
System, das genau und schnell ein Eindringen eines Insassen in einen
definierten Extremlagenbereich kennzeichnet, um zu entscheiden,
ob oder wie stark eine entfaltbare Rückhalteeinrichtung im Fall
eines schweren Unfalls entfaltet werden soll.
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Das
Dokument
US 5 482 314 offenbart
den Oberbegriff von Anspruch 1.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Das
Ziel der Erfindung besteht in einem verbesserten Infrarot(IR)-Insassendetektionssystem, das
kostengünstig
ist und eine genaue und verlässliche
Information über
ein Eindringen eines Insassen bei einer Geschwindigkeit bereitstellt,
die ausreichend ist, um eine Entfaltung von Insassen-Rückhalteeinrichtungen
rechtzeitig zu verhindern oder anderweitig zu steuern. Ein Array
von IR-Emissionsquellen wird selektiv aktiviert, um ein vorbestimmtes
Muster von IR-Strahlen in einem Bereich zwischen dem Beifahrersitz
und dem Entfaltungspunkt der Rückhalteeinrichtung
auszusenden, und die reflektierte IR-Energie wird von einem lichtempfindlichen
Empfänger detektiert
und analysiert, um zu bestimmen, ob sich ein Insasse in einer Extremlage
für eine
Entfaltung der Rückhalteeinrichtung
befindet. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Intensität der empfangenen
Strahlenenergie und die Position des entsprechende Strahls verwendet,
um eine Tabelle von individuellen Eindringfaktoren zu erstellen,
und ein zusammengesetzter Eindringfaktor auf der Basis der individuellen
Eindringfaktoren wird nach der Größe kategorisiert, um eine Angabe
eines Insasseneindringungsniveaus zu bilden, die wiederum verwendet wird,
um zu bestimmen, ob und wie stark die Rückhalteeinrichtung im Fall
eines schweren Unfalles entfaltet werden soll.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1A und 1B veranschaulichen
eine Seitenansicht bzw. eine Ansicht von oben eines Abschnitts des
Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs, das mit einer entfaltbaren Rückhalteeinrichtung
und einem Infrarot-Extremlagendetektionssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgestattet ist.
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2 ist
ein Blockdiagramm des Systems von 1,
das eine mikroprozessorbasierte Steuereinheit umfasst.
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3 und 5 sind
Flussdiagramme, die Softwareroutinen darstellen, die von der mikroprozessorbasierten
Steuereinheit von 2 periodisch ausgeführt werden. 3 zeigt
eine Routine zur Aktivierung einer IR-Emissionsquelle und zum Empfangen
eines reflektierten IR-Signals. 5 zeigt
im Detail einen Abschnitt der Routine von 3, der eine Eindringbewertung
der empfangenen Signale betrifft.
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4 veranschaulicht
eine Extremlagentabelle, die von der Softwareroutine von 3 gemäß der Erfindung
erzeugt wird.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Unter
Bezugnahme auf die Fig. und insbesondere auf die 1A und 1B bezeichnet
die Bezugsziffer 10 allgemein den Fahrgastraum eines Fahrzeugs,
das mit einem Insassen-Extremlagendetektionssystem gemäß der Erfindung
ausgestattet ist. In der veranschaulichten Auführungsform ist das Extremlagendetektionssystem
als ein einzelnes Modul 12 mechanisiert, das in einem Dachhimmel-
oder Dachverkleidungsbereich 14 über einem Beifahrersitz 16,
unter Umständen
in einer Mittelkonsole, montiert ist. Es ist offensichtlich, dass
auch andere Package-Anordnungen oder Montagepositionen möglich sind,
wobei jedoch die veranschaulichte Position allgemein bevorzugt wird,
da sie am wenigsten intrusiv ist und der kompakte Zusammenbau einfach
ist. Selbstverständlich
kann das Fahrzeug einen bankartigen Sitz anstelle des veranschaulichten
Schalensitzes 16 aufweisen; in jedem Fall definiert der
Fahrzeughersteller die normalen Insassenpositionen auf den Sitzen.
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Im
Allgemeinen ist das Extremlagendetektionssystem der Erfindung hierin
im Kontext mit einem ansonsten herkömmlichen entfaltbaren Zusatzrückhaltesystem
beschrieben, das einen Airbag 18, der in dem Armaturenbrett 20 vor
dem Beifahrersitz 16 eingebaut ist, und ein Erfassungs- und Diagnosemodul (SDM) 22 zum
elektrischen Entfalten des Airbags 18 über eine Leitung 24 im
Fall eines schweren Unfalls umfasst. Das Modul 12 wirkt
mit dem Rückhaltesystem
zusammen, indem es eine Extremlagenzone 26 zwischen dem
Sitz 16 und dem Entfaltungspunkt des Airbags 18 abtastet
und über
eine Leitung 26 ein Extremlagensignal an das SDM 22 liefert.
Das Abtasten beinhaltet die selektive Aktivierung von IR-Quellen in dem Modul 12,
um Strahlen von IR-Energie an vorbestimmten Punkten in der Extremlagenzone
zu leiten, wie durch die Punkte 28 in 1A und
die Strahlen 30 in 1B dargestellt
ist, und ein Empfangen und Bewerten der zu dem Modul 12 zurück reflektierten IR-Energie.
In der veranschaulichten Ausführungsform
beinhaltet die Bewertung das Erstellen einer Tabelle von individuellen
Eindringfaktoren auf der Basis der reflektierten Energie von jedem
einer Anzahl von Punkten in der Extremlagenzone 26, die
Bildung eines zusammengesetzten Eindringfaktors auf der Basis der
individuellen Eindringfaktoren und die Kategorisierung des zusammengesetzten
Eindringfaktors nach der Größe, um das
an das SDM 22 gelieferte Extremlagensignal zu bilden. Das
Extremlagensignal gibt das Ausmaß des Eindringens eines Insassen
in die Extremlagenzone 26 an und das SDM 22 verwendet
das Signal, um zu bestimmen, ob oder wie stark der Airbag 18 im
Fall eines schweren Unfalls entfaltet werden soll. Selbstverständlich liegen
die Kriterien zum Bestimmen, ob oder wie stark der Airbag 18 entfaltet
werden soll, außerhalb
des Umfangs der Erfindung und sind im Allgemeinen durch den Fahrzeughersteller
oder durch gesetzliche Bestimmungen definiert.
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2 ist
ein Blockdiagramm von Komponenten und der Schaltungsanordnung, die
in dem Modul 12 von 1B beherbergt
sind, umfassend eine IR-Emissionsquelle 40, eine Ansteuerschaltung 42 zur
Aktivierung der Emissionsquelle 40, einen IR-Emfänger 44,
eine Empfängerschaltung 46 zur Verarbeitung
der von dem Empfänger 44 erzeugten Ausgangssignale,
um ein Strahlintensitätssignal
zu bilden, und einen Mikroprozessor 48 zur Aktivierung der
Ansteuerschaltung 42, zum Empfangen des Strahlintensitätssignals
von der Empfängerschaltung 46 und
zur Regelung der Verstärkungen
der Ansteuer- und der Empfängerschaltung 42, 46.
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Die
Emissionsquelle 40 umfasst ein zweidimensionales Array 50 von
IR-LEDs, die in
einem rechteckigen Gitter mit einer Breite von mehreren Spalten
und einer Länge
von mehreren Reihen, sodass eine einzelne LED des Arrays 50 aktiviert
wird, indem an die entsprechenden Reihen- und Spalten-(Anoden- und
Kathoden)-Ansteuerleitungen 52 und 54 eine Spannung
angelegt wird. Die Emissionsquelle 40 umfasst auch ein
Linsensystem mit einem asphärischen
Element 56 zum Bündeln
des von dem Array 50 ausgesendeten IR-Lichts und eine symmetrische
Sammellinse 58 zum Fokussieren des Lichts auf der vorgesehenen
Bestrahlungsfläche.
In ähnlicher
Weise umfasst der Empfänger 44 ein
zweidimensionales Array 60 aus Photodioden sowie ein Linsensystem
mit einem IR-Filter 62, einem asphärischen Element 64 zum
Abbilden des empfangenen IR-Lichts und eine symmetrische Sammellinse 66 zum
Fokussieren des abgebildeten Lichts auf dem Array 60. In
der veranschaulichten Ausführungsform umfasst
das Array 60 eigentlich zwei Unterarrays mit einer Überlappungszone
einer Abdeckung, wobei ein Array derart abgestimmt ist, dass es
hauptsächlich auf
Objekte in der Nähe
des Moduls 12 anspricht und ein Intensitätsausgangssignal
auf einer Leitung 68 erzeugt, und das andere Array derart
abgestimmt ist, dass es hauptsächlich
auf Objekte anspricht, die von dem Modul 12 relativ weit
entfernt sind, und ein Intensitätsausgangssignal
auf einer Leitung 70 erzeugt.
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Im
Allgemeinen signalisiert der Mikroprozessor 48 der Ansteuerschaltung 42,
ein LED-Element des Emissionsquellen-Arrays 50 über eine
Auswahl (SEL)-Leitung 72 zu aktivieren, steuert die Empfängerschaltung 46,
sodass sie die reflektierte Signalintensität synchron detektiert und erfasst,
und bewertet das an seinem A/D-Port 74 empfangene Strahlintensitätssignal.
Das ausgewählte
LED-Element des Arrays 50 wird mit einem Impuls eines Sinusstromes mit
hoher Frequenz aktiviert, um einen intensitätsmodulierten IR-Lichtstrahl
zu erzeugen, der auf einen zugeordneten Bereich der in den 1A–1B veranschaulichten
Extremlagenzone 26 fokussiert wird. Die Frequenz des Aktivierungsstromes
ist fix, ihre Größe wird
jedoch von dem Mikroprozessor 48 über eine Leitung 76 gesteuert,
um Schwankungen der Stärke
des empfangenen Signals wie unten stehend erklärt auszugleichen. Ein Dekoder 78 empfängt einen
Auswahleingang auf der SEL-Leitung 72 und aktiviert Halbleiter-Schaltelemente
in den Anoden- und Kathodenansteuerschaltungen 80 und 82 entsprechend
der Reihe-für-Spalte-Adresse
des ausgewählten
LED-Elements. Die Anodenansteuerschaltung 80 verbindet
die entsprechende Reihenansteuerleitung 52 mit einer programmierbaren
Stromquelle 84, die einen sinusförmigen Ansteuerungsstrom mit
der von dem Mikroprozessor 46 über die Leitung 76 vorgeschriebenen
Größe bildet
und ausgibt. Die Kathodenan steuerschaltung 82 verbindet die
jeweilige Spaltenansteuerleitung 54 mit dem allgemeinen
System oder mit Masse.
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Wenn
die Emissionsquelle 40 einen IR-Lichtimpuls erzeugt, wird
ein reflektierter Lichtimpuls mit der gleichen Frequenz (Intensitätsmodulation)
an den Empfänger 44 zurück geleitet
und die Fotodioden-Unterarrays 60 erzeugen die Stromsignale für die nahe
Zone und die entfernte Zone auf den Leitungen 68 und 70.
Die Empfängerschaltung 46 extrahiert
die relevanten Signalkomponenten, die dem reflektierten IR-Lichtimpuls
entsprechen, indem sie die Array-Stromsignale mit I/U-Wandlerschaltungen 86, 88 in
Spannungssignale umwandelt und die Spannungssignale mit dem Bandpassfilter
und den Verstärkerschaltungen 90, 92 bandpassfiltert
und verstärkt.
Die Komponenten der Fotodiodenstromsignale, die dem reflektierten
IR-Lichtimpuls entsprechen, besitzen eine charakteristische Frequenz,
die der Intensitätsmodulation
des ausgesendeten IR-Lichtimpulses (d. h., der Frequenz der Stromquelle 84)
entspricht, und die Bandpassfilter 90, 92 lassen
nur die gewünschten
Komponenten der entsprechenden Spannungssignale durch und verwerfen
alle anderen Komponenten als Rauschen. Die extrahierten und verstärkten Intensitätssignale
werden dann kombiniert und von einem Gleichrichter 94 gleichgerichtet und
dann von einem Verstärker 96 mit
programmierbarer Verstärkung
verstärkt,
der verstärkte
Eingangsspannungen an eine Abtast- und Halteschaltung (S/H-Schaltung) 98 liefert.
Wie unten stehend erklärt, wird
die Verstärkung
des Verstärkers 96 mit
programmierbarer Verstärkung
von dem Mikroprozessor 48 über eine Leitung 100 gesteuert,
um Schwankungen der Amplitude des empfangenen Intensitätssignals auszugleichen.
Der Mikroprozessor 48 löst
die S/H-Schaltung 198 über
eine Leitung 102 synchron mit den LED-Aktivierungsimpulsen
aus und die erfassten Signalwerte werden als Eingänge an die
Mittelungsschaltung 104 geliefert, die wiederum das Strahlintensitätseingangssignal
an den A/D-Port 74 des Mikroprozessors liefert. Die Mittelungsschaltung 104 wird
benötigt,
da der Mikroprozessor 48 die S/H-Schaltung 98 für eine verbesserte
Genauigkeit typischerweise zweimal oder öfter hintereinander auslöst.
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Die
Flussdiagramme der 3 und 5 stellen
Softwareroutinen dar, die von dem Mikroprozessor 48 während der
Durchführung
der oben beschriebenen Steuerfunktionen ausgeführt werden. 3 ist
eine Routine, die periodisch ausgeführt wird, um eine ausgewählte LED
des Arrays 50 zu aktivieren und das reflektierte Signal
zu empfangen und zu bewerten und 5 zeigt
im Detail den Abschnitt der Routine, der die Bewertung einer Extremlage
betrifft. 4 zeigt schematisch eine Tabelle
von Eindringfaktoren, die durch die Routine von 3 gebildet
wird.
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Unter
Bezugnahme auf 3 werden nacheinander die Blöcke 110, 112, 114, 118, 120 und 122 ausgeführt, um
ein ausgewähltes
LED-Element des Arrays 50 zu aktivieren und ein Signal
abzutasten, das der reflektierten IR-Energie in der Abtast- und Halteschaltung 98 entspricht.
Der Block 110 wählt
die zu aktivierende LED aus, bevor die ausgewählte LED jedoch bei Block 120 aktiviert
wird, werden die Blöcke 112, 114, 116 und 118 ausgeführt, um
die Empfänger-
und Emissionsquellenschaltungs-Verstärkungen auf
der Basis des zuvor für
diese LED empfangenen Strahlintensitätssignal einzustellen. Wenn
das vorhergehende Strahlintensitätssignal
kleiner als ein unterer Schwellenwert LT1 war, erhöht der Block 112 die
Verstärkung
des Verstärkers 96 mit
programmierbarer Verstärkung,
wogegen der Block 114 die Verstärkung des Verstärkers 96 mit
programmierbarer Verstärkung
verringert, wenn das vorhergehende Strahlintensitätssignal
größer als
ein oberer Schwellenwert UT1 war. Wenn das vorhergehende normalisierte
Strahlintensitätssignal
kleiner als ein unterer Schwellenwert LT2 war, erhöht der Block 116 den
Aktivierungsstrom der programmierbaren Stromquelle 84,
wogegen der Block 114 den Aktivierungsstrom der programmierbaren
Stromquelle 84 verringert, wenn das vorhergehende normalisierte
Strahlintensitätssignal
größer als
ein oberer Schwellenwert UT2 war. Wie unten stehend unter Verweis
auf Block 130 erwähnt,
ist das normalisierte Strahlintensitätssignal ein Strahlintensitätssignal,
das für
Schwankungen des befohlenen LED-Aktivierungsstromes
normalisiert ist.
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Sobald
das bei Block 110 ausgewählte LED-Element durch Block 20 aktiviert
wird, werden die Blöcke 122 und 124 wiederholt
wie angegeben ausgeführt,
um eine gewünschte
Anzahl von Abtastungen des von dem Verstärker 96 mit programmierbarer
Verstärkung
erzeugten Strahlintensitätssignal zu
erfassen. Wenn die gewünschte
Anzahl von Abtastungen erfasst wurde, liest der Block 126 das
neue Strahlintensitätssignal,
der Block 128 stellt das neue Signal für die DC-Ausgleichsspannung
des LED-Aktivierungsstroms
ein und der Block 130 normalisiert den eingestellten Signalwert,
um die befohlene Amplitude des LED-Aktivierungsstromes auszugleichen. Dann
bestimmen die Blöcke 132, 134, 136 und 138 einen
Eindringfaktor auf der Basis des normalisierten und eingestellten
Signalwerts und speichern das Ergebnis in einer Eindringtabelle,
wie in 4 schematisch gezeigt ist. Jede Position der Eindringtabelle entspricht
einem individuellen LED-Element des Arrays 50 und seinem
zugehörigen
Bestrahlungspunkt innerhalb der Extremlagenzone 26 und
speichert den Status eines BEAM-Flags (BF) und den Wert eines Eindringfaktors
(IF) für
dieses LED-Element. Der Block 132 bestimmt eine Schwellenwertintensität durch
eine Tabellensuchoperation auf der Basis der Position des ausgewählten LED-Elements
innerhalb der Extremlagenzone 26 und Block 134 bestimmt,
ob der normalisierte und eingestellte Signalwert mindestens so groß wie der
Schwellenwert ist. Wenn Block 134 negativ geantwortet wird,
löscht
Block 136 das BEAM-Flag und den Eindringfaktor für die ausgewählte LED;
im anderen Fall setzt der Block 138 das BEAM-Flag und berechnet
einen neuen Eindringfaktor für
das ausgewählte
LED-Element. Im
Allgemeinen ist der Eindringfaktor proportional zu dem Betrag, um
den der normalisierte und eingestellte Signalwert den entsprechenden
Schwellenwert überschreitet und
umfasst vorzugsweise auch einen Wichtungs- oder Verstärkungsfaktor,
der für
die kritischeren Positionen (d. h., die Positionen mit der größten Bedeutung
für die
Entfalten-/Nicht-Entfalten-Entscheidung durch das SDM 22)
innerhalb der Extremlagenzone 26 höher ist. In ähnlicher
Weise ist der bei Block 132 bestimmte Schwellenwert abhängig von
der Position des ausgewählten
LED-Elements innerhalb
der Extremlagenzone 26; die kritischeren Positionen besitzen
einen niedrigeren Schwellenwert als die weniger kritischen Positionen,
um die kritischste Extremlagenzoneninformation hervorzuheben. Wie
bei Block 140 angezeigt, wird das oben beschriebene Verfahren
für jedes
der LED-Elemente des Arrays 50 wiederholt, wonach der Block 142 die
Ausführung
der Eindringbewertungsroutine von 5 signalisiert.
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Unter
Bezugnahme auf 5 beinhaltet eine Eindringbewertung
die Bestimmung eines zusammengesetzten Eindringfaktors (CIF) auf
der Basis der in der Tabelle von 4 gespeicherten
individuellen Eindringfaktoren und die Bildung eines Extremlagensignals
auf der Basis des bestimmten CIF-Werts. Somit wird der CIF-Wert
bei Block 150 bestimmt, indem die Tabellendaten, die eine
Anzahl empirisch abgeleiteter Regeln verwenden, die den Grad des
Eindringens eines Insassen in die Extremlagenzone 26 quantifiziert,
charakterisiert werden. Die Regeln sind eher von heuristischer Natur
und zusammen genommen erzeugen sie einen CIF-Wert, der den Wahrheitsgrad
dafür darstellt,
dass ein Insasse in solch einem Ausmaß in die Extremlagenzone 26 eingedrungen
ist, dass eine Airbagentfaltung deaktiviert werden sollte.
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Beispielsweise
können
die Zellen der Eindringfaktorentabelle, für die das BEAM-Flag gelöscht wird,
ignoriert werden und die verbleibenden Zellen können auf der Basis des zusammenhängenden
Bereiches des detektierten Eindringens wie auch des Ausmaßes des
Eindringens charakterisiert werden. Wenn der bestimmte CIF-Wert
kleiner oder gleich einem minimalen Schwellenwert THRmin ist, wie
bei Block 152 bestimmt, wird der Block 154 ausgeführt, um
das Extremlagensignal (EXTREMLAGEneu) auf Null zu setzen. Wenn der
bestimmte CIF-Wert THRmin überschreitet,
vergleicht der Block 156 den CIF-Wert mit aufeinanderfolgenden
höheren
Schwellenwerten THR1, THR2, THR3 etc., die verschiedene Eindringniveaus
definieren, und setzt EXTREMLAGEneu auf einen Wert auf der Basis
des Niveaus, in das der CIF-Wert fällt. Die Blöcke 158 und 160 geben dann
das Extremlagensignal an das SDM 22 aus; wenn sich EXTREMLAGEneu
von seinem vorhergehenden Wert (EXTREMLAGEalt) unterscheidet, wird der
neue Wert EXTREMLAGEneu an das SDM geliefert.
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Zusammengefasst
sieht die vorliegende Erfindung ein verbessertes Infrarot-Insassen-Eindringdetektionssystem
und -verfahren vor, das kostengünstig
ist, und genaue und zuverlässige
Insasseneindringinformationen mit einer Geschwindigkeit bereitstellt,
die ausreicht, um eine Entfaltung von Insassenrückhalteeinrichtungen rechtzeitig
zu verhindern oder sonst wie zu steuern. Wie oben dargelegt, soll die
veranschaulichte Ausführungsform
beispielhaft sein und es ist zu erwarten, dass dem Fachmann verschiedene
Abwandlungen zusätzlich
zu den oben erwähnten
einfallen werden. Zum Beispiel ist die vorliegende Erfindung auf
andere Sitze als den veranschaulichten Beifahrersitz anwendbar.
Es kann auch ein/e andere/s Anzahl oder Muster von IR-Strahlen verwendet
werden, etc. Demgemäß wird einzusehen sein,
dass Systeme und Verfahren, die solche Abwandlungen beinhalten,
in den Umfang der Erfindung fallen können, welcher durch die beiliegenden
Ansprüche
definiert ist.