CN102939718A

CN102939718A - 电容性传感器系统

Info

Publication number: CN102939718A
Application number: CN2011800281029A
Authority: CN
Inventors: P·桑德; F·克拉松
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2013-02-20
Also published as: BR112012030047A2; SE1050581A1; EP2577868A4; EP2577868A1; KR20130041830A; RU2012157294A; SE538226C2; WO2011155893A1

Abstract

一种用于车辆的电容性传感器系统，所述系统包括信号发生器、信号检测器以及处理设备。所述传感器系统还包括接地天线，所述接地天线适于用作所述系统的虚拟外部接地，电连接到所述信号发生器，并且所述接地天线在所述车辆上设置为与所述车辆的底盘电绝缘、具有预定尺寸并位于距地面预定距离处。所述系统包括至少两个电容性传感器元件，每一所述电容性传感器元件界定检测区域并设置为与所述车辆的底盘电流隔离；以及选择器设备，所述选择器设备意在根据基于施加到所述选择器设备的控制信号的预定检测配置来连接所述电容性传感器元件。所述信号发生器适于产生具有频率和幅度的传感器信号，并适于将所述传感器信号施加在每一连接的电容性传感器元件与所述虚拟外部接地之间，并且所述信号检测器适于检测并确定所述每一连接的电容性传感器元件与所述虚拟外部接地之间的电压的测量量，并适于基于此产生传送到所述处理设备的测量信号。所述处理设备适于处理所述测量信号，并将所处理的测量信号传送到报警系统，所述报警系统适于基于所处理的测量信号产生一个或多个报警信号。

Description

电容性传感器系统

技术领域

本发明涉及用于检测例如车辆附近的行人和骑车人的系统。该技术基于电容性传感器元件的使用，该电容性传感器元件能够在车辆的外部创建不可见区域，使得在该不可见区域中对行人和骑车人的检测成为可能。本发明也适用于利用提高的车辆监控区域实现外壳保护。

背景技术

重型车辆与受保护的道路使用者之间的事故是主要的社会问题。在涉及卡车的所有致命事故中有30%属于该范畴。各个汽车制造商近来已提出各种系统来对未受保护的道路使用者进行检测并警告驾驶者。这些系统主要使用基于相机的解决方案，由此图像处理算法识别相机图像中的乘客和骑车人，并计算他们的距离、方向以及运动的速度。还存在使用其它传感器技术（例如，雷达、激光、超声波、无源和有源IR传感器等）的系统。然而，在重型车辆的情况下，情形完全不同，并且当前市场上很少有适合于卡车的系统。已在各种主要基于相机和超声波的研究项目中测试了这些系统。

密切相关的领域是卡车、拖车以及半拖车的闯入和盗窃，由于当前由道路运输的贵重货物的相对未受保护的方式，从而造成现在卡车、拖车以及半拖车的闯入和盗窃已成为主要问题。这种盗窃和闯入导致了货运承运人与保险公司的主要成本。它们还导致当驾驶员在卡车中睡觉时感觉不安全。锁闭系统和报警系统普遍用于保护车辆免遭闯入和盗窃，但现今的系统具有难以实现令人满意的保护的局限性。

当前并没有用于监控卡车、拖车以及半拖车周围所选区域的好的解决方案。拖车和半拖车的问题在于：它们需要装配用于监控的传感器，并且它们必须与牵引机单元的监控系统成为一体。对于该问题的已知解决方案参照WO-2008/1210141，其涉及用于车辆，尤其是用于长车辆的监控和通信系统。给车辆上的诸如警告灯和位置灯的灯单元设置监控传感器和通信单元，以将来自传感器的输出信号无线地传送至中央单元。每个传感器界定了用于检测监控区域内的目标或运动的监控区域。该传感器例如可以是超声传感器、多普勒传感器或雷达传感器。

WO-2008/121041适用于解决用于监控车辆的传感器彼此之间如何通信的问题，尤其在长车辆的情况下，并且该解决方案涉及使用无线网络，该无线网络易于由例如位于半拖车上的另外的灯单元来补充。根据WO-2008/121041的解决方案的缺点在于需要适合于牵引机单元的监控系统的部件和技术相对昂贵。

US-2006/0250230适用于一种用于操作停放的车辆的监控和报警设备的方法。该设备包括用于确定活动区域内的车辆与接近目标之间的距离的传感器单元、以及连接到控制单元且在目标开始接近车辆时被激活的反应设备。将活动区域划分为至少外部第一子区域和内部第二子区域。与关于第二子区域中的数量、类型、密度和/或次序的其激活相比，该反应设备关于第一子区域中的数量、类型、密度和/或次序被渐进地激活。

US-2007/0205775适用于一种用于通过多个分布在表面上的电容性探针电容性地确定目标的位置并意在确定目标相对于表面的位置的设备。根据该设备，每一探针经由耦合电容连接到电压源，并且可以采用电源电压供电，并且提供评估设备且将该评估设备连接到探针，以将探针信号转换为用作测量目标位置的输出信号。

电容性近距离传感器是在称作检测目标而无需接触它们的近距离传感器的传感器范畴内。其它近距离传感器是光电和电感性近距离传感器。该电容性近距离传感器基于其介电特性检测目标，并具有许多利用该特性的应用领域。

电容性近距离传感器的主要部件是电容器极板，即，电容器的一半。

简言之，电容器包括由介电材料分开的两个导电极板。施加到这些极板的电压差在介电材料的两端产生电场。该电场存储电荷，并且如果将能量源切断，电场将会衰弱，并以电压的形式释放其能量，该电压从其初始电平朝向零渐近地下降。

电容器存储电荷的能力称作电容并以法拉来测量，电容量取决于电容器极板的截面面积、电容器极板之间的距离、以及介电材料的介电常数。水具有大约80的非常高的介电常数，而空气具有大约1的低常数。大部分材料的常数在这些值之间。

因此，电容性传感器是电容器的一半，即电容器极板。通过极板前面的目标用作第二电容器极板和介电材料这两者，并且电容性传感器测量由该情况产生的电容。至少在短距离可以检测任何这种介电常数不同于空气的常数的目标。随后可以提供测量设备以测量电容的变化，并可以例如基于目标与极板之间的距离设定预定阈值。

电容性传感器的典型应用是在期望检测食品容器是否填满的食品工业中。

电容性近距离传感器可以基于目标开始充电的能力来检测目标。由于即使非导电材料也可以开始充电，因此可以采用该类型的传感器来检测所有目标。

图1示意性地示出了电容性传感器设备的示例，该电容性传感器设备包括施加了DC电压并将AC电流经由电流传感器输送到电容器极板的振荡器。由于当极板已经被正向充电时，负电荷被吸引到第二极板，仍然使更多正电荷可以被供应到第一极板，所以电容器极板可以保持电荷。假定提供两个极板并彼此接近，非常难以使它们中的一个携载大量电荷。

因此，电容性传感器仅包括极板之一，并且如果在附近存在可以具有相反电荷的另一极板，则AC电流仅能够将电流供应到该极板，或携载电流离开该极板。待检测的目标用作第二极板。如果目标足够接近传感器极板以受该传感器极板的电荷影响，则其将获得相反的电荷，并且电流可以被供应到传感器极板和被携载离开传感器极板，并可以由电流传感器测量。

当电容性传感器用于检测车辆周围的目标时，这些传感器的一些缺点变得不太重要，例如它们在方向上不灵敏的事实。实际系统将具有许多沿着车辆外部规律间隔分布的传感器。这意味着将总是存在靠近目标的传感器，因此相对有限的范围将是足够的，并且目标可以一直由传感器以及由检测该目标的传感器的位置来定位。

由于缺乏方向灵敏性，所以电容性传感器从一直存在且因此不相关的环境中的目标测量特定的电容。当将传感器安装在车辆上时，其检测车辆自身以及外部接地（external earth）。当该背景电容增大时检测未知目标。然而，在一米的距离，电容的变化比背景电容小10的多次幂，从而远小于该背景电容。必须确定该背景电容，以使得可以从测量中将其减去。

由于背景电容相对于目标的电容是主要的，并且也受到偏移，因此使用传感器来检测环境的变化比检测未知目标的绝对存在或不存在要简单得多。背景电容的变化幅度取决于环境的稳定程度。

在检测变化的使用模式中，传感器不应被视为存在的检测器，而应被视为存在的变化的检测器。

本发明的目的是提出一种传感器系统，该传感器系统能够简单且廉价地安装在卡车和公共汽车上，并且尤其是因为提高了检测车辆附近的人、骑车人以及行人的概率，因此提高了安全性。

发明内容

采用由独立权利要求限定的本发明来实现上述目的。

由从属权利要求限定优选实施例。

因此，本发明包括用于车辆的电容性传感器系统，所述系统包括信号发生器、信号检测器以及处理设备。所述传感器系统还包括接地天线，所述接地天线适于用作所述系统的虚拟外部接地，电连接到所述信号发生器，并且所述接地天线在所述车辆上设置为与所述车辆的底盘电绝缘、具有预定尺寸并位于距地面预定距离处。所述系统还包括至少两个电容性传感器元件，每一所述电容性传感器元件界定检测区域并设置为与所述车辆的底盘电流隔离，

以及选择器设备，所述选择器设备意在根据取决于施加到所述选择器设备的控制信号的预定检测配置来连接所述电容性传感器元件，

并且所述信号发生器适于产生具有频率和幅度的传感器信号，并适于将所述传感器信号施加在每一连接的电容性传感器元件与所述虚拟外部接地之间。所述信号检测器适于检测并确定所述每一连接的电容性传感器元件与所述虚拟外部接地之间的电压的测量量，并适于基于此产生传送到所述处理设备的测量信号。所述处理设备适于处理所述测量信号，并将所处理的测量信号传送到报警系统，所述报警系统适于基于所处理的测量信号产生一个或多个报警信号。

根据本发明的电容性传感器系统尤其适合于检测接近卡车或半拖车且从而相对于地产生增大的电容的道路使用者、骑车人或行人。结果是增大的电压分离（voltage split）以及来自检测道路使用者的传感器元件的测量信号的随之发生的变化。

电容性传感器系统还能够检测传感器元件在车辆周围创建的区域中的侵入。例如，传感器系统可以连接到车辆监控系统，该车辆监控系统例如借助于光或声音或经由远程信息处理产生报警。该技术保护了连同安装有传感器元件的任意拖车或半拖车的车辆的部分。

本发明提供了各种优点：

传感器元件不仅可以用于确定骑车人/行人的位置，而且还可以用于车辆周围的所选择的区域中的外壳报警和运动报警。

警告信号可以适于满足不同的区域和距离的需要。

这是一种廉价且稳定的解决方案，并且对灰尘、天气和风不敏感。

附图说明

图1示意性示出了电容性传感器设备的示例；

图2是在其上实施本发明的具有半拖车的卡车的示意图；

图3是根据本发明的电容性传感器系统的框图；

图4是示出根据本发明的测量信号的视图；

图5示出了设置有根据本发明的传感器元件的卡车的正面；

图6是示出根据本发明受影响的各个测量区域的卡车的示意图。

具体实施方式

图2是在其上实施本发明的具有半拖车的卡车的示意图。电容性传感器系统包括共同表示为附图标记1的信号发生器、信号检测器和处理单元，其连接到至少两个传感器元件7（图中为三个），并经由接地天线4连接到虚拟接地3。车辆的底盘接地为车辆底盘的任意期望的接地点。在视图中，用虚线表示接地天线和传感器元件对地面的电容性连接。

例如，接地天线4定位为接近地（外部接地）的极板或电缆。

根据优选实施例，接地天线适于安装在车辆的下面，并例如包括具有平坦表面的金属极板，并且该金属极板水平地安装在车辆的下面（例如，该车辆燃料箱下面）是必要的。以该形式的天线尺寸必须至少为大约1m²，以实现期望的系统灵敏度，尤其是在具有半拖车的卡车上实施时。车辆下面的其它位置当然也是可行的。接地天线也可以包括多个电连接在一起的极板。根据另一实施例，接地天线采取车辆燃料箱的至少一部分或整个的形式。当然需要该箱的一部分或整个与底盘接地绝缘。底盘接地对卡车的电容为数nF量级，而天线极板（接地天线4）对地的电容可以是要小10的2次幂的量级，即10pF（0.01nF）的量级。接地天线4对地的电容应当优选为尽可能的大。接地天线的表面至少为1m²，并优选为1.5m²。

来自处理单元的输出信号是通过测量相应的传感器元件7与外部接地3之间的电位差ΔV所产生的基准值，并且其电位在目标5（例如，人）接近时发生变化。通过检测电位差及其如何变化，从而能够检测目标是否处于传感器元件附近。目标越接近，电位差变得越大，使得能够检测出例如行人接近车辆的程度，或侵入程度，即目标接近车辆的程度。

处理设备随后将道路使用者的接近度或侵入（例如电或无线地）通信到车辆监控系统6（或报警系统），车辆监控系统6触发适合于所检测的情形的报警。

以下参照图3来描述本发明，图3为根据本发明的电容性传感器系统的框图。

因此，用于车辆的电容性传感器系统包括信号发生器、信号检测器以及处理设备。该系统还包括接地天线，该接地天线适于用作系统的虚拟外部接地，电连接到信号发生器，并且该接地天线在车辆上设置为与车辆底盘电绝缘、具有预定尺寸并且位于距地面在0.3-0.8m范围内的预定距离处。

设置至少两个电容性传感器元件，每一个界定了检测区域（区域1、区域2.....区域n），并设置为与车辆底盘电流隔离。将相应的传感器元件1-n相对于外部接地表示的电容指定为C21、C22、C23至C2n。

提供选择器设备，多路复用器（MUX），并且该选择器设备意在根据取决于施加到选择器设备的控制信号的预定检测配置来连接所述电容性传感器元件。例如，可以由高级控制系统（未示出）产生控制信号。

信号发生器适于产生具有频率和幅度的传感器信号，并适于将该传感器信号应用在每一连接的电容性传感器元件与虚拟外部接地之间。

信号检测器还适于检测和确定每一连接的传感器元件与虚拟外部接地之间的电压的测量量，并适于基于此产生传送到处理设备的测量信号。

处理设备适于处理测量信号，并适于将所处理的测量信号传送到报警系统（或监控系统），该报警系统自身适于基于所处理的测量信号产生一个或多个报警信号。

信号发生器适于产生频率优选在2-20kHz范围内且幅度在2-20V范围内的传感器信号，更优选为频率约为10kHz且幅度约为10V的传感器信号。当然可以使用频率和幅度在这些值之外的传感器信号。为了以尽可能好的信噪比做出测量，优选实施例涉及所谓的跳频技术，即，频率根据特定模式变化。

根据一个实施例，处理单元通过确定信号的导数来处理来自每一传感器元件的测量信号，并且根据另一实施例，处理单元通过产生信号的绝对值来处理信号。根据又一实施例，处理单元通过放大测量信号并产生该测量信号的绝对值来处理该测量信号。根据一个实施例，处理单元通过确定测量信号的变化的导数来处理该测量信号。更复杂形式测量信号的处理也是可行的，例如，可以确定信号的两个不同滑动平均值（sliding mean value）之间的电平差，即，适于外部环境的慢滑动平均值及测量信号自身的快滑动平均值。

在图4中呈现了具有慢滑动平均值和快滑动平均值的测量信号的示例。对于具有慢滑动平均值（连续线）的信号而言，测量通常基于在一秒或多秒期间检测的值。在快滑动平均值（虚线）的情况下，在1ms或多达50ms的多毫秒期间做出测量。在视图中，由双箭头表示幅度（A）上的差值，并且每一信号的导数。通过将同一时间点的幅度差值和/或导数差值与合适的阈值相比较，来产生快速且可靠的检测。

因此，报警系统适于对测量信号或取决于测量信号的参数进行比较，并且适于基于该比较产生一个或多个报警信号，其中对测量信号或取决于测量信号的参数进行比较例如根据将来自每一传感器元件的幅度差和/或导数差与对于相应的传感器元件是唯一的一个或多个阈值电平相比较的上述方法。

一个或多个报警信号应作一般的解释，并且根据一个应用，该所产生的一个或多个报警信号可以表示使驾驶员意识到在所指示的特定位置处接近车辆的行人或骑车人。根据另一应用，当传感器系统用作外壳保护时，该一个或多个报警信号可以表示未授权的人在车辆停放时靠近车辆，还可以表示他/她从由特别地监控某一方向的传感器元件所指示的该特定方向靠近。

因此，连接电容性传感器元件涉及根据检测配置连接它们的选择器设备的使用。检测配置包括连接相应的传感器元件的时间点和持续时间。这优选以在20-100Hz范围内的频率实现，即，每一传感器元件在10-50ms范围内被连接。当然能够根据在本发明范围内相关的特定应用来采用该范围之外的连接频率，即，低于20Hz和高于100Hz的频率。

根据另一实施例，不同传感器元件的连接时间的持续时间的长度可以不同。而且，可以更经常地连接某些传感器元件，其可能是位于车辆前部的那些传感器元件。所有这些均可经由检测配置来改变和设定。

因此，电容性传感器元件必须与车辆底盘电流绝缘，并且根据优选实施例，可以采用以例如环路设置的绝缘电导体的形式，以形成有效的检测器表面。

对于给定数量的环路而言，如果环路彼此相对接近地设置，则传感器元件的范围变得更大，但由其所覆盖的区域变得比环路更远地彼此分离的传感器元件的所覆盖区域更窄，但环路更远地彼此分离的传感器元件从而具有较短的范围。

根据另一实施例，一个或多个传感器元件可以采取车辆零件的形式，例如，与车辆底盘电流绝缘的前部的部分、保险杠的整个或部分、或沿着车辆的侧面安装以防止任何东西进入车辆下面的所谓的防钻撞保护。

根据一个实施例，一个或多个传感器元件可以设置在期望被保护的车辆的特定部分上，例如接近车辆的燃料箱、电池、疝气灯、额外灯、或驾驶室的部分。

传感器元件通常由导电材料制成，例如普通电缆或导电涂料，该导电材料例如可以设置在期望保护的驾驶室外部上的塑料零件的内部。传感器元件的理想形状是与车辆底盘绝缘的金属平盘。

这里所描述的各种类型的传感器元件均需要通过绝缘电缆电连接到信号发生器和信号检测器。必须屏蔽电缆的某些部分，例如，电缆通过车辆底盘的部分的地方。为了实现关于信噪比的最佳测量结果，优选地应当屏蔽整个电缆。

图6是示出由根据本发明的电容性传感器系统创建的各个示意性地示出的测量区域Z1-Z6的卡车的示意图。

测量区域Z1包括车辆前面的区域，并优选具有多达约两米的量级的范围。在车辆右侧上的测量区域Z2和Z3在特定应用中可以设定为以比左侧上的区域更高的灵敏度来检测。原因在于在车辆右侧驾驶者的视野受限，这例如表示在向右的弯道上（在右侧通行且驾驶者坐在车辆左侧的情况下）可能与行人和骑车人发生交通事故情形。

通过根据适用于每一单独车辆的需求改变检测配置，易于使测量适于所出现的特定愿望，例如，关于提高某些区域的检测灵敏度。图6示出了六个不同的测量区域，但并不阻止增加区域的数量，以在确定车辆附近的道路使用者的位置方面实现更高的分辨率。

本发明并不局限于上述优选实施例。可以使用各种替换、修改及等同形式。因此，上述实施例不应被视为限制由所附权利要求限定的本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于车辆的电容性传感器系统（1,4,6,7），所述系统包括信号发生器、信号检测器以及处理设备；其特征在于：

所述传感器系统包括接地天线（4），所述接地天线适于用作所述系统的虚拟外部接地，电连接到所述信号发生器，并且所述接地天线在所述车辆上设置为与所述车辆的底盘电绝缘、具有预定尺寸并位于距地面预定距离处；

所述系统还包括至少两个电容性传感器元件（7），每一所述电容性传感器元件界定检测区域并设置为与所述车辆的底盘电流隔离，

以及选择器设备，所述选择器设备意在根据基于施加到所述选择器设备的控制信号的预定检测配置来连接所述电容性传感器元件；

并且信号发生器适于产生具有频率和幅度的传感器信号，并适于将所述传感器信号施加在每一连接的电容性传感器元件与所述虚拟外部接地之间，并且所述信号检测器适于检测并确定所述每一连接的电容性传感器元件与所述虚拟外部接地之间的电压的测量量，并适于基于此产生传送到所述处理设备的测量信号；

所述处理设备适于处理所述测量信号，并将所处理的测量信号传送到报警系统（6），所述报警系统适于基于所处理的测量信号产生一个或多个报警信号。

2.根据权利要求1所述的电容性传感器系统，其中，所述检测配置包括连接相应的电容性传感器元件的时间点和持续时间。

3.根据权利要求1或2所述的电容性传感器系统，其中，所述选择器设备适于以20-100Hz范围内的频率连接传感器元件，即每一传感器元件在10-50ms范围内被连接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的电容性传感器系统，其中，所述报警系统适于对来自每一传感器元件的所述测量信号与对所述相应的传感器元件是唯一的一个或多个阈值电平进行比较，并且基于所述比较产生一个或多个报警信号。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的电容性传感器系统，其中，所述信号发生器适于产生频率在2-20kHz范围内并且幅度在2-20V范围内的传感器信号。

6.根据权利要求5所述的电容性传感器系统，其中，所述信号发生器适于产生频率为10kHz并且幅度为10V的传感器信号。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的电容性传感器系统，其中，所述传感器元件采取以环路设置的绝缘电导体的形式，以形成有效的检测器表面。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的电容性传感器系统，其中，所述传感器元件采取车辆零件的形式。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的电容性传感器系统，其中，一个或多个传感器元件适于定位为接近所述车辆的前部。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的电容性传感器系统，其中，一个或多个传感器元件适于定位为接近所述车辆的燃料箱。