CN103620148A - 电容式传感器阵列以及在汽车上检测操控姿势的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在汽车上检测用户的接近和运动姿势的传感器阵列，包括电容式传感器阵列（2，3）和至少一个与所述传感器阵列耦合的控制装置（5），所述控制装置检测所述传感器阵列的电容变化。所述传感器阵列具有至少两个布置在所述汽车上的空间偏移位置上的传感器电极阵列（2，3），其中，所述传感器电极（2，3）被构造成长条形电极阵列且以相同的空间定向进行布置。所述控制分析装置设计用于以可变的、因电极而异的脉冲率对所述传感器电极进行同步控制和分析。

Description

电容式传感器阵列以及在汽车上检测操控姿势的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在汽车上检测用户的接近和运动姿势的电容式传感器阵列以及一种相关方法。

电容式传感器阵列与控制装置耦合，该控制装置检测传感器阵列相对于基准电位的电容变化。传感器阵列包括至少两个布置在汽车上的空间偏移位置上的传感器电极阵列，其中，传感器电极被构造成长条形电极阵列且以相同的空间定向进行布置，控制分析装置设计用于以规定的时间间隔对传感器电极进行同步控制。

背景技术

上述类型的电容式传感器阵列例如公开自美国专利5,730,165或相应的专利说明书DE19681725B4。DE102010000271也是描述相应的阵列。

传感器电极往往被用来操控汽车的门，例如后盖。为此可以使用传感器电极来检测人体部位的接近，例如腿部摆动到保险杠下方，并且向汽车内的控制装置传输打开或关闭后盖的命令。DE102009025212揭示一种用于这类阵列的分析方法，其非接触式关闭装置具有正好包含两个电极的电容式传感器。这样就能相对地测量这两个电极的电容。而不需要设置附加的参比电容并相对于该参比电容地来测量电极电容。相比包含两个以上电极的关闭装置，这能降低能耗。但问题是（前述公开案也存在这样的问题），周期性轮询在较长时间内会产生大量能耗，给车载供能系统造成负担。

发明内容

本发明的目的是提供一种可靠的、能够在确保识别精度不变的情况下降低能耗的传感机构。

本发明用以达成上述目的的解决方案为一种具有权利要求1所述特征的电容式传感器阵列和一种具有权利要求7所述特征的方法。

本发明的解决方案需要至少两个布置在汽车上的空间偏移位置上的传感器电极阵列。控制分析装置设计用于以规定的时间间隔对传感器电极进行同步控制。

本发明的要点不在于传感器电极的设计或构造。每个电极都可以被构造成金属线式电极、平面电极或薄膜式电极，其中金属线或薄膜构成电容式传感器的传感器电极。传感器电极可以分段延伸过汽车保险杠的部分宽度或整个宽度。传感器电极可以是保险杠的组成部分，或者粘贴于或用固定件固定于保险杠内侧。此外，传感器电极可以在用于制造保险杠的注射成型过程中已经得到处理。其中，电容式传感器在保险杠内部可以空间分离布置，即第一电容式传感器位于保险杠的竖向延伸区域，第二电容式传感器则优选安装于后保险杠的下部区域。

本发明的要点在于，用于控制和分析传感器电极的控制分析装置采用电极特定的可变脉冲率。

与现有装置不同的是，所述检测装置的传感器电极的轮询频率是电极特定的，也就是可以针对每个电极或至少两组电极来进行个别确定和更改。亦即，传感器阵列中的一或多个电极的脉冲/频率（例如每隔30ms）可以高于其他电极（例如每隔90ms）。

减小轮询频率能直接产生降低能耗的效果。在脉冲减小、而又未在较长时间内中断轮询的情况下，即使在脉冲频率较低的情况下也能确保电极随时得到校准。这种校准是电容式传感器用来改善识别精度的一项措施，它将汽车周围的外部条件（例如温度、空气湿度、降水等等）常常发生变化这一情况考虑在内。据此，本发明这样来选择降低频率的轮询，使得外部区域出现变化的时间长于每个电极的两次测量之间的时间。但为此可能出现数十毫秒至好几秒的测量间隔。

每个电极（即也包括轮询脉冲减小的电极）轮询时提供值，以校准为目的对这些值进行时间性分析，例如求滑动平均值（视情况利用时间性权重）。检验信号时将这个关于已过去时间段的平均值例如作为偏差值予以扣除。这样能随时保持待检测事件的检测灵敏度。在此情况下确定与滑动平均值的明显偏差。

本发明不仅可以针对不同电极规定不同的电极轮询频率，还能在运行过程中更改电极轮询频率。当需要进行时间性临界检测时，根据任意事件/起因提高单个电极的轮询脉冲。在未发生相应事件的情况下减小脉冲率。

本发明通过所述控制装置使其中一电极以高于其余电极的脉冲进行工作并得到分析，即便在其他电极以减小频率运行的情况下也是如此。当这个电极被触发时，其他电极可以较高脉冲工作。也就是说，这个被称作主电极或唤醒电极的电极用于以较低脉冲工作的其余电极的触发器。另一方面，如果在规定时间内未检测到一或多个电极受到操控，这些电极就可以较低频率工作。其中，每个电极均可以根据其在车辆上的布置方式具有不同的节能运行（经济模式）频率和唤醒运行（提示模式）频率。

传感器电极的分析方式可任意选择，要点在于检测传感器电极的电容变化。可以通过以下方案来实现这一检测：控制电路以规定频率为传感器电极周期性充放电，并且对与第一传感器电极的周期性充放电有关的电流特性曲线或电压特性曲线的至少一个参数进行分析以检测电容变化。控制电路实施周期性充放电的方式例如是，控制电路以规定频率将传感器电极周期性地反复与规定电位（例如工作电压电位）耦合。所述电压特性曲线例如可以是第一传感器电极的接头上的电压特性曲线。所述参数例如可以是在收集电荷的电容器上测得的电压，或者是在第一传感器电极上测得的电压超过开关阈值之前的一定的充放电周期数。

本发明的阵列和相关方法可以使用传感器电极来监测不同的、视情况相重叠的空间区域。为此，传感器电极可以采用相同设计，或者也可以采用不同设计。

所述传感器电极阵列例如布置在后保险杠中，以便监测保险杠后方和保险杠下方的区域。反复轮询第一传感器电极的信号模式和其他传感器电极阵列的信号模式（例如作为对无钥匙进入系统检测到ID发送器的反应）。用户的规定姿势（例如朝保险杠下方做假踢动作）应当引发打开或关闭过程。为此检测传感器电极的信号序列并且与表明装置受到明确操控的信号序列进行比较。

但从中可以看出，没有必要对所有检测区域都进行连续的高频轮询。这是因为，只有在多个电极的数据一致（例如不同电极的信号序列相配）时才能检测操控。最初感应到用户身体部位（例如脚部）的检测区域只从属于电极的一个子组。该脚部在继续运动时进入其他检测区域。通过本发明可以较高频率轮询电极的一个组。当在这些电极上记录到可能的操控时，将处于节能模式的其他电极唤醒并提高其轮询频率。借此将这部分电极的能量需求减小至既能实现节能又能确保这部分电极随时得到校准（这一点是切断操作无法实现的）的程度。至于哪个电极以高于其余电极的频率进行工作，这取决于电极在车辆上的布置方式和具体的检测需要。可以将一个电极用作高频唤醒电极，由其作为第一个检测到用户接近的电极，但是如果正在接近的人根本无意实施操作（路过的行人），就会频繁地发生误唤醒。另一方面可以将某一传感器电极同步成唤醒电极，用其监测可及性较差的区域，例如车辆下方。这能减少误激活次数或减少提高其余电极脉冲的次数，但会造成延时，甚至会错过操控。但是，用户或养护人员可以通过车载系统来设定期望的运行方式。举例而言，如果想要达到最大节能度，就可以使电极阵列在一段规定时间（例如数小时）后转入节能模式，而只让一个电极在唤醒或高频模式下工作。其他电极减慢若干个数量级，例如减慢3倍、10倍或50倍。如果将这样的车辆连续多日停放于某一场所（例如机场），可以大幅减小能量需求。但所有电极均随时保持已校状态，即使在频率较低时也是如此。但用户返回后可能需要将运动姿势实施两次，因为脉冲减小的电极无法进行分辨率足够高的时间分辨检测。但是，唤醒电极检测第一姿势并且使其他电极进入唤醒状态，以便能正常检测到第二运动姿势。如果唤醒过程进行得够快，也能检测到第一操控过程。

本发明的装置能实现不同的分析方式，一方面是通过两个电极的信号强度，另一方面是通过信号序列。尤其是可以监测哪个电极是第一个对状态变化产生反应的电极。通过已知的关于电极的空间布置方案，可以实现区分。

根据本发明的优选实施方案，所述控制分析装置根据其他电极的分析结果改变单个电极的控制和分析的脉冲率。

使单个电极的脉冲变化与其他电极的检测产生关联，这能改善能效。如前所述，可以将持续高脉冲的唤醒电极作为同步化其他电极的标准。在此情况下，这些其他电极的脉冲率减小，这一点不受这些其他电极的检测影响。亦即，不但减小无信号电极的脉冲频率，也可以将反复提供信号的电极转换至节能模式。这在唤醒电极布置于可及性较差的监测区域以监测车辆保险杠下方区域的情况下特别有益。如此一来，即使在热闹环境（例如频繁有行人往来的停车楼）中也能通过唤醒电极达到节能目的，因为行人即便穿越其他电极的检测区域，也不会触发唤醒电极。

本发明一个特别优选的技术方案是，当对主传感器电极（唤醒电极）的分析结果表明在一段规定时间内没有操控时，利用所述控制分析装置来减小副电极的控制脉冲率。

电极脉冲率的减小与全部电极或相关电极未提供检测结果有关，而对唤醒电极的检测结果是进行简单的时间监测。如果在规定时间（数小时）内未检测到明显的信号变化，就减小其他电极的检测频率。这种时间监测也可以分多阶段进行，在一或多天无检测结果后可进一步减小其他频率的脉冲。也可以一段规定时间后将唤醒电极的脉冲减小至较低的值。此外，本发明的任何一项技术方案均可以使节能模式的切换与其他车辆参数（例如车辆闭锁）产生关联。

根据本发明的技术方案，与（脉冲减小的）副传感器电极相比，唤醒传感器电极与被监测的检测区域的距离更近。

这项技术方案的重点在于随时都能进行可靠的检测，而不必重复实施操控来激活全部电极（见上）。这个方案的节能潜力不大，因为检测区域的作用范围较大，其误触发唤醒电极的概率高于检测区域可及性较差的电极。但也可以通过在车载系统中进行设置来将这个方案作为上述模式的替代模式。

本发明在汽车上检测用户的接近和运动姿势的方法对上述类型的电容式传感器阵列和至少一个与该传感器阵列耦合的控制装置加以利用。作为传感器阵列的组成部分，将至少两个传感器电极布置于车辆的不同位置上。监测传感器阵列相对于基准电位的电容变化。通过以第一脉冲率对第一传感器电极进行同步控制和轮询，为第一传感器电极充放电并记录电流特性曲线或电压特性曲线。分析该电流特性曲线或电压特性曲线以检测第一传感器电极的电容变化。

如果分析结果为没有明显的信号响应（即可以表明用户实施操作的信号响应），就检验第一电极上已有多长时间没有检测。如果在规定的最短时间（时间段Mt）内未获得过明显的信号响应，就将传感器阵列中其他传感器电极的控制脉冲率减小至减小的脉冲率。

但如果获得了明显的信号响应，就提高传感器阵列中这些此前以减小的脉冲率受到控制的其他传感器电极的控制脉冲率。

有益和/或优选实施方式包含于从属权利要求的特征部分。

下面参照附图详细说明本发明。

附图说明

图1a为本发明传感器阵列的第一实施方式在汽车上的布局；

图1b为图1所示布局的俯视示意图；

图1c为图1a和图1b所示布局的俯视示意图，同时示出检测区域；

图2为两个传感器电极的信号序列示意图。

具体实施方式

图1a示出车辆1的尾部。后保险杠区域装有传感器电极阵列2。传感器电极阵列2下方（即距离地面较近处）设有其他传感器电极3。传感器电极2和3分别与控制分析装置5连接（见图1B）。该控制分析装置又与中央车辆控制单元4耦合，该中央车辆控制单元控制车辆后盖的打开并使其能够被打开。电极由装置5充电，电极在物体（例如用户的身体部位）接近时会发生电容变化，可以通过荷电分析来检测该电容变化。这种电容式传感器原理在汽车技术领域属于已知技术。

传感器电极阵列3大体平行于电极2。电极2和3在此从头至尾具有大体恒定的灵敏度。也可以将其中一个电极或者这两个电极都构造成检测灵敏度沿纵向变化的分段式电极，即在保险杠的延伸方向上具有若干检测灵敏度变化的区域。

当有操作意向时，用户可以将其小腿摆动到保险杠下方。这个动作和这一接近既被电极阵列2又被传感器电极3检测到，因为电容变化在时间上被反复轮询并且被加以分析。通过反复轮询测定每个电极的电容。在本实施例中，所有电极的轮询频率最初都为30Hz。但上述操作将在每个电极中引发在时间和量上不同的信号响应。

对分析装置5所收集的电容值时序进行分析以检测操作姿势的特征。如果电极2的信号序列和电极3的信号序列都显示出特征值，就向控制单元4发送信号。该控制单元记录操作姿势并启动授权轮询。在授权轮询过程中对车辆周围被授权用户所携带的ID发送器进行轮询。如果测定这样的具有进入授权的ID发送器并轮询成功后，就触发行李箱盖的打开。

但是，如果车辆被闭锁并且在较长时间内（在本实施例中超过六小时）未记录电极3的信号响应（该信号响应表明这个电极受到操作），控制分析装置5就会转入第一节能模式。在这个第一模式下，继续以30Hz的频率轮询电极3，而仅以5Hz的频率轮询电极2。这个减小的频率能降低这个电极的必要供能，却能确保控制分析装置5每秒钟从这个电极获得五个值。在这部分值的基础上可以对这个电极进行连续追踪式校准。当泊着的汽车周围开始下雨时，电极的电容值将会发生变化，但变化速度缓慢到可以毫无问题地进行校准追踪。例如通过在最后检测到的25个值（5秒）上求滑动平均值来进行校准。可以将这个平均值作为偏差从当前测量值中扣除。

如果在明显更长的时间（例如三天）内未在电极3上检测到操作（并且车辆也未通过其他访问手段（例如经由驾驶侧门）被解锁），就可以进一步减小电极3和电极2的检测频率。例如将电极3的轮询频率减小至10Hz，电极2的频率保持在5Hz。但是在这种情况下，在未预先通知车辆（例如通过ID发送器）而实施操作时，可能需要多次实施某一操作姿势，因为首先必须唤醒电极阵列。但电极随时处于已校状态，即使在检测脉冲减小的情况下也是如此。

图1C是从另一视角绘制的布局图。此处示出电极3的检测区域3a和电极2的检测区域2a。用户的小腿6为象征性示出。从图中可以看出，用户已位于检测区域2a，但未位于检测区域3a。如果用户6是路过的行人，则这一接近还不会唤醒传感器电极，因为电极3在本实施例中被构造成唤醒电极或触发电极，它的偶然或意外触发概率低于电极2。然而至于将哪个电极用作高脉冲触发电极，这可以通过在车辆的车载系统中确定不同的轮询模式来加以规定，具体是看想要达到最高节能率还是最大识别度。如果选用电极2作为唤醒电极，图中所示的接近就会唤醒所有的传感器电极，其中随时处于已校状态的电极即刻进入检测备用状态。

图2示出包含两个传感器电极的传感器阵列的可能的信号序列摘录。信号强度或电容沿时间轴t示出。

视图背景部分（较淡的阴影线）为电极3的信号，前景部分（较深的阴影线）为电极2的信号。

首先以相同频率轮询这两个电极。到时间点t1时，在闭锁车辆后已经过去一段等待时间Mt，电极2的轮询频率被减小至电极3的频率的三分之一。借此降低系统能耗。

到时间点t2时阵列的环境条件发生变化，例如开始下雨。两个电极的偏差值都变大，但这将两个电极的连续校准都考虑在内。由于电极2也受到轮询（虽然以较低频率），因此也一并得到校准，偏差值随时得到更新以便能检测操控。随时为两个电极计算滑动平均值，这些滑动平均值示范性示出。

如图所示，到时间点t3时电极2中出现明显的信号变化。但这个电极不是唤醒电极并且在电极3上未检测到明显变化，因此电极3保持脉冲减小模式。从车辆旁边经过的路人可能引发这个过程。

到时间点t4时电极3出现明显变化，这表明可能受到操控。电极2的轮询脉冲立即提高，以便能检测操控。轮询成功时，在中央控制装置的控制下打开行李箱。

Claims (7)

1.一种用于在汽车上检测用户的接近和运动姿势的传感器阵列，包括：

电容式传感器阵列（2，3）和至少一个与所述传感器阵列耦合的控制装置（5），所述控制装置检测所述传感器阵列的电容变化，

所述传感器阵列具有至少两个布置在所述汽车上的空间偏移位置上的传感器电极阵列（2，3），其中，所述传感器电极（2，3）被构造成长条形电极阵列且以相同的空间定向进行布置，

其中，所述控制分析装置设计用于以规定的时间间隔对所述传感器电极进行同步控制，

其特征在于，所述用于控制和分析所述传感器电极的控制分析装置采用可变的、因电极而异的脉冲率。

2.根据权利要求1所述的传感器阵列，其中，所述控制分析装置根据其他电极的分析结果改变单个电极的控制和分析的脉冲率。

3.根据权利要求1或2所述的传感器阵列，其中，其中一所述电极作为主传感器电极可由所述控制分析装置以第一脉冲率进行控制和分析，至少一个副电极可根据所述主传感器电极的信号分析结果以较低的第二脉冲率加以控制。

4.根据权利要求3所述的传感器阵列，其中，所述控制分析装置设计用于在对所述主传感器电极的分析结果表明在规定时间内没有操控的情况下减小所述副电极的控制脉冲率。

5.根据权利要求3或4中任一项权利要求所述的传感器阵列，其中，与所述副传感器电极相比，所述主传感器电极与被监测的检测区域的距离更近。

6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的传感器阵列，其中，至少一个所述传感器电极布置在汽车的保险杠中。

7.一种在汽车上检测用户的接近和运动姿势的方法，其中设有电容式传感器阵列（2，3）和至少一个与所述传感器阵列耦合的控制装置（5），所述控制装置检测所述传感器阵列的电容变化，其中，至少两个传感器电极阵列（2，3）布置在所述汽车上的空间偏移位置上，其中所述传感器电极（2，3）被构造成长条形电极阵列且以相同的空间定向进行布置，

具有以下步骤：

以第一脉冲率对第一传感器电极进行同步控制和轮询，其中为所述第一传感器电极充放电并记录电流特性曲线或电压特性曲线，

分析所述电流特性曲线或电压特性曲线以检测所述第一传感器电极的电容变化，

在分析结果为没有明显的能表明用户接近检测区域的信号响应的情况下，

如果在规定的最短时间内未获得过明显的信号响应，就将所述传感器阵列中其他传感器电极的控制脉冲率减小至减小的脉冲率；

如果获得了明显的信号响应，就提高所述传感器阵列中还以减小的脉冲率受到控制的其他传感器电极的控制脉冲率。

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