CN104136941A - 用于非接触对象检测的电容式传感器、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
非接触对象检测系统包括电容式传感器和控制系统，该控制系统提供AES(适应性兴奋信号)给电容式传感器，该AES(适应性兴奋信号)根据电容式传感器开发的环境进行配置，该AES(适应性兴奋信号)用于当对象不在电容式传感器的检测区域中时，在该环境下产生电容式传感器到控制系统的阈值电压。
Description
背景技术
联邦机动车辆安全标准(FMVSS)指定要求所有电源操作关闭系统避免/减小因为意外操作导致的死亡或伤害。例如动力滑动门和动力提升门的电源关闭，在运行期间承载了非常大量和巨大的惯性。FMVSS-118指定了无人关闭系统的最大的接触压力。在这些系统的运行模式下要求这些系统达到联邦安全标准一直是一个挑战。
例如动力滑动门和动力提升门的电源关闭，在运行期间承载了非常大量和巨大的惯性，可以在无人值守关闭时伤害人或对象。目前的技术大多采用基于霍尔效应的速度控制算法，用于基于接触的障碍检测。速度控制直接与动量相关，转而与传递给障碍物的能量相关。对于具有给定重量的任一给定运行机制，传递给对象的挤压力可以以速度的函数计算。在描述环境变化、变压变化、车辆斜坡等情况下的系统时，需要进行大量的描述工作，以优化障碍检测。
发明内容
伟创力电容式传感器是一个与动力控制器集成的设计，该设计寻找关闭系统运动期间封口中的对象，且提供0接触力/压力。该系统能够检测人的身体和小孩手指或者和各种无生命的对象的密切接近，从自定义的可编程的距离。如果存在对象，该系统发送障碍信号到主微处理器以执行期望的反应。该系统用于基于障碍检测的在飞行中的非接触或接触。该控制器持续读取电容式传感器模拟/数字输出，以确定在运动系统的路径中是否存在任何对象。该传感器阻止该关闭系统接触该对象，并停止或以它的方向反转。该关闭系统可以检测到该对象，降低速度，并轻微地接触该对象。在该点上，该系统可以反转至它的全开位置，或者该对象先于反转移除，该关闭系统可以加快它的特定速度并完成该关闭周期。该电容式传感器产生电场。在允许运动系统无接触地相互作用的情况下，可以检测到该电场受到的干扰。该电场覆盖取决于应用的封口。电场的任何干扰会改变电场的强度。电容式电子器件依次感应到电场的变化，并产生电场中模拟电压比例的变化。控制微处理器采样传感器电压，并确定电场附近对象的存在，并采取必要的措施。
在一个实施例中，非接触对象检测系统包括电容式传感器和控制系统，所述控制系统提供适应性兴奋信号AES给所述电容式传感器，所述AES根据所述电容式传感器所在的环境配置，所述AES用于当对象不在所述电容式传感器的检测区域时，在所述环境中，产生从所述电容式传感器到所述控制系统的阈值电压。可选地，当对象位于所述检测区域时，所述电容式传感器提供检测电压给所述控制系统，所述检测电压不同于所述阈值电压。在一种替代方式中，所述控制系统包括自动配置所述AES的指令，以及所述控制系统用于执行所述指令。可选地，所述指令包括用于确定所述阈值电压是否位于所述电容式传感器的基线上限值和基线下限值之内的模块。在一种替代方式中，所述指令包括用于根据环境调节所述AES的模块。在某些实施例中，所述环境为车辆的动力关闭门。所述非接触对象检测系统进一步包括调制器，用于接收来自所述控制系统的第一时钟信号，所述调制器与所述电容式传感器相互连接，同步解调器，用于接收来自所述电容式传感器的第一信号，来自所述控制系统的第二时钟信号，以及来自所述控制系统的第三时钟信号，以及解调来自所述电容式传感器的信号，以及放大器，用于放大来自所述同步解调器的第二信号，以及提供模拟输出信号给所述控制系统。所述模拟输出信号指示对象是否位于所述检测区域。可选地，所述电容式传感器包括保护层，所述保护层由环境保护涂层覆盖，所述环境保护涂层使所述传感器防水。
在一个实施例中，一种检测动力车辆自动入口或封口中的电容式传感器的检测区域中的对象的方法，包括：提供适应性兴奋信号AES给控制系统中的所述电容式传感器。所述方法进一步包括感应所述电容式传感器产生的检测电压。所述方法进一步包括将所述检测电压与阈值电压进行比较；以及基于所述比较，确定所述对象是否位于所述检测区域。所述方法可以进一步包括根据所述控制系统执行的指令，自动配置所述阈值电压，所述阈值电压表示当当前没有对象位于所述检测区域时，由所述电容式传感器产生的电压。所述指令可包括调节所述AES，以设置所述阈值电压位于所述电容式传感器的基线上限和下限之间。所述指令可包括如果所述阈值电压不小于所述基线上限，调节所述AES到更低的频率。所述指令可包括如果所述阈值电压不大于所述基线下限，调节所述AES到更高的频率。所述指令可包括如果所述AES不能调节以提供位于所述基线上限和下限之间的阈值电压，提供所述电容式传感器错误的指示。
附图说明
参考下面的描述和附图，前面的对象、优势和特征，以及其它对象和优势会更清晰，在这里，同样的数字表示同样的元件：
图1示意了用于非接触对象检测(NCOD)的电容式传感器的实施例；
图2示意了用于NCOD的电容式传感器的控制系统的一个实施例；
图3示意了图2中的控制系统和相关电路的电压框图；
图4a和4b示意了用于NCOD的电容式传感器的控制系统的一个实施例的校准流程图；
图5示意了费雷克斯电容式传感器的电场分布；
图6示意了费雷克斯电容式传感器的电容模型；
图7示意了保护层宽度对传感器灵敏度的试验数据；以及
图8示意了电容式传感器的防水性。
具体实施方式
这里仅为方便采用了一些术语，并非作为对非接触对象检测(这里及之后简称为“NCOD”)的电容式传感器的实施例的限制。在图中，整个多个附图中同样的标号指代同样的元件。
词“右”、“左”、“前”和“后”指示作为参考的附图中的方向。词“内在”和“外在”分别指方向指向和偏离用于NCOD的电容式传感器和它的指定部分的几何中心。术语包括以上特别提到的词、它们的衍生词和类似意义的词。
相同的标号指代整个多个视图中类似或一致的部件，且下面描述的每附图具有特定的标号。
图1示意了用于NCOD的电容式传感器的一个实施例。电容式传感器100包括接地面150，其双面都被特定的绝缘胶带围绕，不限于是绝缘胶带，140安装在上面。接地面150可以集成到车辆的一部分，如能用作接地面(通常是金属和导电的)的门框或其它部分。电容式传感器100的传感器包括涂层110，其提供电气绝缘和环境保护。也可以包含导电涂层的保护层120。传感器线缆130将该传感器集成到图2的控制系统。传感器线缆可以是整长为1.5mm、具有0.5mm铜芯的线缆，当然不限于该结构直径，取决于具体应用。
电容式传感器产生电场。在允许运动系统无接触地相互作用的情况下，可以检测到该电场受到的干扰。该电场覆盖期望的取决于应用的封口。从关闭框架的一边朝关闭框架的另一边延伸，两边相遇并形成一个闭环。在一些实施例中，当封口全开时，电场可能不能延伸覆盖整个开口，但是覆盖的范围可以提供封口期望的相互作用的对象的尽早的检测。干扰电场的任何对象可以改变电场强度。电容式电子器件依次感应到电场的变化，并产生电场中模拟电压比例的变化。运动控制微处理器采样传感器电压，并确定电场附近对象的存在，并采取必要的措施。
图1所示的电容式传感器100包括仅需2或3个(不限于)电极的传感器、传感器线缆130和保护层120，可选的，还可包括接地面150(取决于安装场地)。电容式传感器100提供用于防噪音和增加灵敏度的同步解调。保护层120是成弧形的，传感器线缆130形成在传感器的顶部。提供的传感器是防水的，首先，传感器可能会被作为对象干扰电容式传感器。
电容式传感器100可以在各种场景下实施。它可用于车门如动力滑动门、动力提升门、动力车天窗、动力窗、以及任何动力驱动的车门、开口、或隔室、或封口但不限于车辆的接触和非接触障碍检测。传感器具有可配置的范围，这意味着它可以采用同样的传感器设计，在各种情况、应用和车辆需求下调整。
电容式传感器100可提供数字和模拟信号给控制系统。数字信号是期望频率的脉冲宽度调制信号。该信号基于对象接近度改变它的工作比。模拟信号为从0-5V。该信号可以当对象接近传感器时增大/减小它的电压，取决于配置。控制系统包括但不限于基于控制系统的微处理器。该控制系统驱动和控制关闭系统。该控制系统具有数字、模拟输入和输出以与其它传感器、模块等相互作用。
图2示意了电容式传感器100的控制系统和相关电路的一个实施例。该系统包括控制系统210，该控制系统210产生三个时钟信号，时钟信号245、时钟信号250(位于90°)和时钟信号255(在270°)。控制系统210从放大器235接收传感器模拟输出信号260。控制系统210也可以与控制器区域网络总线240(可以是任意的通信总线架构)(这里及之后称“CAN-Bus”)相互作用，该网络是车辆的控制器区域网络。通过CAN-Bus240，驱动传感器220和保护层225附着的门或其它系统的引擎，当对象接近时能够控制门的速度和位置。时钟信号245提供给调制器215以调制传感器信号。同步解调器230接收来自传感器220的振幅信号以及时钟信号250、255，然后该时钟信号250、255被解调和被放大器235放大。
图3示意了控制系统和图2的相关电路的示例性电压框图。门框架310、315表示一个门框架与另一个门框架合闭的接触点，从全开到全闭。在该传感器学习框图的举例中，传感器开始于基线最低限335，并具有基线上限320，在该举例中，基线最低限335和基线上限320分别是0.2V和3.5V。传感器检测各个位置的电压，并设置该电压为基线轮廓330。根据基线上的复杂性将该基线轮廓330划分为多个区域，以避免传感器饱和点。在区域342、345、350、355、360，通过移动门从全开位置到全闭位置，建立该基线轮廓325。基于所有区域的障碍敏感度计算阈值轮廓320。在每个区域，记录霍尔效应计数器、时钟和阈值，用于传感器检测区域的后续的对象检测。在区域342、345、350、355、360中可以看出，取决于开口如何关闭，该系统根据不同的采样协议运行。在区域350中，读出的基线电压超出了基线上限320。因此，修改控制频率以使基线330位于基线上限320的下面。每个区域可以具有相同或不同的控制频率值、霍尔效应计算值和阈值。一旦这些区域建立，它们被存储在EEPROM/RAM中，以用于后续的障碍检测。电容式传感器通过周期性变化，在其跨度内学习区域数据并相应地进行更新。
图4a和4b示意了传感器的校准算法。校准的流程开始于块410。目标是提供适当的采样率和确定传感器的基线。在块415中，检测PSD(动力滑动门(全开/全闭切换))的状态。在块420中，确定门是否全开。如果不是，程序进行到块425，其中，门进入全开状态。在块420中，再次检测门的位置。在块430中，对Vsout(表示传感器的输出电压)、Pre-Vsout(表示传感器的前一个输出电压)、正校准计数器(简称“PosCalCounter”)和负校准计数器(简称“NegCalCounter”)进行初始化。
在块440中，如果系统先前已被校准，则采用先前的校准时钟信号，且流程进行到块447。如果不是，则生成一个默认的时钟信号，例如块445中的50kHz。箭头450表示图4a和4b之间的流程，它们整体表示该完整的算法。在块452中，系统等待10毫秒(ms)，以调节和接收一致的信号。在块455中，读传感器信号并设置为Vsout。在块460中，如果读出的电压低于图3中的基线下限335，则该流程进行到块462，其中，确定当前读出的电压是否高于先前读出的电压。如果是，则意味着提高时钟频率用于提供给读出的基线，该基线在传感器的有效阈值内。流程进行到块482，其中，确定时钟频率是否在最高的频率水平。如果是，流程进行到块483，其中，确定传感器是错误的，因为频率不能再提高以高于传感器的低阈值。
从块462继续，如果测量的电压小于先前的电压，这意味着流程进行到块465，其中，正校准计数器加1。然后，在块467中，确定正校准计数器值是否大于定义的阈值，在该实施例中该阈值为5。如果是这样，在块483中，校准终止，如前面所描述的。如果正校准计数器增加后的计数值小于定义的阈值，则算法进行到提高频率。该流程设置在达到错误条件例如5次前，系统进行校准尝试次数的一个极限值。如前面描述的块482中，确定频率是否达到最高水平。如果是，则在块483中校准终止。如果否，测量的当前电压设置为Pre-Vsout(测量出的先前电压)，以继续校准。在块480中，提高传感器时钟频率以试图增加测量到的基线电压最小值。然后，流程返回块452，以进行另一个校准循环。
参考回到决定块460，如果测量的电压不小于最小电压，则算法进行到决定块470。在块470中，确定测量出的当前电压是否小于先前测量出的电压。如果测量出当前电压更大，则流程进行到块474。在块474中，确定测量出的当前电压是否大于或等于最大电压。如果否，则建立新的基线校准，且算法进行到块475。在块475，停止校准，且记录传感器的频率。
回到块470，如果当前测量出的电压小于先前测量出的电压(但是已经确定大于低电压阈值)，则在块472中，负校准计数器加1。在块473中，如果计数值没有增加到大于定义的阈值，在该实施例中阈值为5，则流程进行到块474，其中，再次确定当前测量出的电压是否小于最大阈值电压。如果是，如前面所描述的，在块475中设置新的阈值电压。在块473中，如果计数值增加到大于定义的阈值，在本实施例中阈值为5，则检测到错误，且算法进行到块483。
如果在块474中确定测量出的电压大于最大电压阈值，则设置更低的频率。在块476中，确定当前频率是否小于或等于最低频率水平。如果小于或等于，则频率不能设置得更低，且算法进行到块483，其中，设置校准没有发生，且传感器是错误的(校准设置为错误的)。
如果频率可以设置得更低，则在块477中，当前测量出的电压设置等于Pre-Vsout，因此，在算法的下一个周期中，它可以与测量出的电压相比较。在块478中，降低传感器时钟频率。然后，算法回到块452，作另一个校准尝试。以上流程继续进行直至传感器在块475中被标记为已校准或在块483中未校准。未达到已校准的原因是在降低频率或提高频率上进行太多次尝试或由于传感器的最小阈值不能提高或降低频率。
在图4a和4b中，HFT代表高频率极限，例如150kHz，LFT代表低频率极限，例如25kHz。在每个电源重启、每个睡眠模式唤醒、以及每个传感器基线超出范围发生后，可以执行该算法。该算法也可以在检测到对象后执行。该算法当然也可以以更小一些间隔或更大一些间隔地执行。
图5示意了电场保护层520帮助促使传感器电线导电。传感器电场510在终结于接地面530前经历了一段长的旅程。这有助于增加传感器检测范围。
图6示意了用于对象602的费雷克斯电容式传感器的电容模型。
C0605—这是传感器610和接地面615之间的电容。它取决于传感器的几何形状，且在传感器的整个跨度内保持固定。水分渗漏进传感器610和接地面615之间的传感器610，可以增加电容值。可以从图1看出，接地面610和传感器615处于相同的电位，因此，在传感器610和接地面615之间没有有效的电容。它在调制输出信号上具有非常小的作用。
C1620—传感器610和电池地625之间的电容。这是传感器电子器件的信号电容。它相比其他电容具有非常高的增益(1000次)。费雷克斯电容式传感器可以达到0.05pF的信号电容。
C2630—接地面615和电池地625之间的电容。相比其他所有相关的电容，它通常具有非常高的电容值，范围在1-5nF之间。它取决于传感器的几何形状、保护层宽度、以及接地面615和电池地625之间的间隔。环境因素可以改变电容值，但是它对输出信号具有最小的作用。相比C1620信号，C0605和C2630信号电容具有1/1000的增益。
C3635，C4636，C5637，C6638，C7639基于电容值的对象接近度如图1中所解释的。C4636，保护层电容的对象具有最小的影响，因为它与保护层电容相关。其它的C3，C5，C6，C7具有非常大的影响，因为它增加到了感应信号。该系统也包括兴奋信号650，电阻651,652,653，电容654,655，以及解调器信号656。
净信号电容＝Cnet＝(C1‖(C5+((C7+C3)‖C6)))4.1
这里，+表示串联组合，‖表示并联组合
图7试验结果：保护层宽度对传感器范围
设计试验以相对于保护层宽度，研究传感器检测范围。保持兴奋电压为常值，从15mm到75mm改变保护层宽度，记录尺寸为从0-400mm的距离的固定的障碍物的传感器输出电压。该图示意了增加保护层宽度，传感器灵敏度从0-100mm显著增加。这意味着具有较宽保护层面板的传感器可以检测较长距离的对象。
图8电容式传感器防水算法。
红线示意了来自传感器的实时数据。当雨滴或水滴着落在传感器表面，传感器电压降低。这在水和实际障碍物之间具有清晰的区别。位于传感器表面前的任何对象的情况中，传感器电压升高。图8中的雨滴作用线示意了由于传感器表面的雨滴导致的两个电压降。传感器控制电子器件检测该电压降，并相应地调整到新的频率以补偿水的影响。频率的改变取决于传感器增益。
例如，表示频率的每一步变化，传感器电子器件具有50ATD计数值的增益。
如果V1＝特定门位置的基线电压
V2＝雨水导致的电压降
则电压变化＝V2-V1
补偿水的影响和达到基线的增加的频率＝(V2-V1)/50。
前面的算法是校准算法的一个举例，在设置校准错误前，提高或降低频率的尝试可以根据传感器设计者的喜好改变。进一步地，某些方面例如初始频率或上限阈值和下限阈值可以根据采用的传感器而改变。通常，一旦安装，该初始频率、尝试次数和阈值极限会先于安装设置。它们当然可以根据传感器的具体设计变化。
一旦车辆提供给消费者，这种与描述的电容式传感器相关的校准算法可以自动和周期性校准。它确保最大水平的安全性，以及提供传感器错误时的援助，而无需提供大规模修复和校准。进一步地，开发出用于各种情况的通用的电容式传感器，无需特殊配置传感器，除上述校准算法之外。
其它特征包括：
物理传感器的机械设计+传感器方向性设计，因此包含在设计中的防水性；
集成到控制电子器件的电容式驱动器；
适应环境变化的自动校准系统；
防雨/水；
基于接近度的速度控制算法；
对象检测，识别和停止/反转算法关闭系统；
灵敏的环境学习算法；
用于非接触障碍检测的系统，基于接近度的速度控制或基于接触的防夹系统—在飞行中；
传感器不限于是1块或2块；
沿着传感器的长度，传感器可以划分为不同的区域，根据应用这些区域可以动态地被激活/去激活；
除了区域，可以创建“死”区(被保护层/部分保护的区域)，其中，传感器必须确定应用适合的几何形状的金属特性；
传感器电极(盖式传感器)可与关闭系统附件即门稳定器、橡胶缓冲器/类似功能配合，传感器电极可保护沿传感器本体的底部的成模的金属制插入螺钉。
尽管具体的实施例已在前面的详细描述中描述，以及在附图中阐示，本领域技术人员应该理解，借助披露的整体启示及其宽泛的发明构思，可以对那些细节作出各种改动和替代。这里描述的算法部分可以指模块、指令、程序段和本领域技术人员了解的其它术语；然而，这些术语仅用于方便描述，并不意味着要求功能或指令的分离。这里描述的系统和算法可以在微处理器执行软件、集成电路、FPGA(现场可编程门阵列)、其它电路和/或它们的结合中实施。因此，可以理解的是，用于NCOD的电容式传感器的范围不限于具体的举例和这里披露的实施例，而试图覆盖权利要求书和任何和所有等同物定义的精神和范围内的改动。
Claims (20)
1.一种非接触对象检测系统，包括：
(a)电容式传感器；以及
(b)控制系统，所述控制系统提供适应性兴奋信号AES给所述电容式传感器，所述AES根据所述电容式传感器所在的环境配置，所述AES用于当对象不在所述电容式传感器的检测区域时，在所述环境中，产生从所述电容式传感器到所述控制系统的阈值电压。
2.如权利要求1所述的非接触对象检测系统，其中，当对象位于所述检测区域时，所述电容式传感器提供检测电压给所述控制系统。
3.如权利要求1所述的非接触对象检测系统，其中，所述控制系统包括自动配置所述AES的指令，以及所述控制系统用于执行所述指令。
4.如权利要求3所述的非接触对象检测系统，其中，所述指令包括用于确定基线电压是否位于所述电容式传感器的基线上限值和基线下限值之内的模块。
5.如权利要求4所述的非接触对象检测系统，其中，所述指令包括用于根据环境/关闭位置调节所述AES的模块，所述环境/关闭位置为使期望的基线轮廓达到上限/下限之内的环境/关闭位置。
6.如权利要求5所述的非接触对象检测系统，其中，所述环境为动力关闭系统。
7.如权利要求1所述的非接触对象检测系统，其中，所述系统是防止水影响传感器特性的。
8.如权利要求6所述的非接触对象检测系统，其中，所述非接触对象检测系统集成到所述动力关闭系统。
9.如权利要求8所述的非接触对象检测系统，其中，所述动力关闭系统包括基于接近度的速度控制算法。
10.如权利要求8所述的非接触对象检测系统，其中，所述动力关闭系统包括对象检测、识别和关闭中断/逆转系统。
11.如权利要求8所述的非接触对象检测系统，其中，所述动力关闭系统包括基于接触的防夹系统。
12.如权利要求2所述的非接触对象检测系统，进一步包括：
(c)调制器，用于接收来自所述控制系统的第一时钟信号，所述调制器与所述电容式传感器相互连接；
(d)同步解调器，用于接收来自所述电容式传感器的第一信号，来自所述控制系统的第二时钟信号，以及来自所述控制系统的第三时钟信号，以及解调来自所述电容式传感器的信号；以及
(e)放大器，用于放大来自所述同步解调器的第二信号，以及提供模拟输出信号给所述控制系统，所述模拟输出信号指示对象是否位于所述检测区域。
13.如权利要求1所述的非接触对象检测系统，其中，所述电容式传感器包括保护层，所述保护层由环境保护涂层覆盖，所述环境保护涂层使所述传感器防水。
14.一种检测闭环中电容式传感器的检测区域中的对象的方法，所述方法包括：
提供适应性兴奋信号AES给控制系统中的所述电容式传感器；
感应所述电容式传感器产生的检测电压；
将所述检测电压与阈值电压进行比较；以及
基于所述比较，确定所述对象是否位于所述检测区域。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：
根据所述控制系统执行的指令，自动配置所述阈值电压，所述阈值电压表示当当前没有对象位于所述检测区域时，由所述电容式传感器产生的电压。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述指令包括调节所述AES，以设置所述阈值电压位于所述电容式传感器的基线上限和下限之间。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述指令包括如果所述阈值电压不小于所述基线上限，调节所述AES到更低的频率。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述指令包括如果所述阈值电压不大于所述基线下限，调节所述AES到更高的频率。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述指令包括如果所述AES不能调节以提供位于所述基线上限和下限之间的阈值电压，提供所述电容式传感器错误的指示。
20.一种提供电容式传感器防水性的方法：
(a)检测由于电容式传感器上的水滴导致的电压降；
(b)调节所述电容式传感器和传感器控制电子器件，使所述电容式传感器具有一个新的频率，以补偿水滴的影响，所述新的频率取决于传感器增益。
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