CN116490419A - 基于相对测量系统的鲁棒的“方向盘上手”分类 - Google Patents
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Abstract
一种操作电容式感测装置(10)的方法，所述电容式感测装置(10)包括：至少一个电容式传感器，具有至少一个感测电极(12)；测量信号源(14)，用于向所述至少一个感测电极(12)提供具有至少三个固定预定义信号频率的交变电测量信号；以及阻抗测量电路(16)，用于根据对所提供的电测量信号的响应来确定所述至少一个感测电极(12)的未知复阻抗。所述方法包括要针对每个预定义信号频率执行的以下步骤：确定(202)关于未知复阻抗的多个所确定的瞬时的统计量和信号参数；从所确定的瞬时值中消除(214)上至预定义手触摸移动下限频率的频率部分，并消除从预定义高频界限下至预定义手触摸移动上限频率的频率部分以获得其余确定的瞬时值；从确定的瞬时值排除(206)统计异常值；并使用所消除的频率部分，来计算(216)未知复阻抗的瞬时参考值。所述方法还包括以下步骤：基于包括所述未知复阻抗的所述瞬时参考值的条件来确定信号分类(400)；以及产生(412)表示信号分类结果的输出信号。
Description
技术领域
本发明涉及操作电容式感测装置的方法、被配置为自动执行该方法的电容式感测装置、包括该电容式感测装置的车辆方向盘以及用于控制该方法的自动执行的软件模块。
背景技术
在汽车传感器应用领域中，已知将传感器用于所谓的脱手检测(HOD)系统，其中一个或多个传感器提供关于驾驶员的手是否在车辆的方向盘上的信息。此信息可作为输入被提供给自动驾驶辅助系统(ADAS)(诸如自适应巡航控制(ACC))，该系统可以基于提供的传感器信号警告驾驶员并提醒他或她再次控制方向盘。特别是，该HOD系统可以用于支持满足《维也纳公约》的要求，即驾驶员必须始终保持控制车辆。HOD系统也可以用于驻车辅助系统或配置为高速评估驾驶员活动的ADAS中。
还知道在车辆HOD系统中采用电容式传感器。电容式传感器和采用电容式传感器的电容式测量和/或检测装置具有广泛的应用，包括用于检测天线电极附近的导电体或体部分的存在和/或位置等应用。
如本文所使用的，术语“电容式传感器”指示响应于所感测物(人、人身体的一部分、宠物、物体等)对电场的影响而产生信号的传感器。电容式传感器通常包括至少一个天线电极，在传感器操作时，该天线电极被施加振荡电信号，并由此向靠近天线电极的空间区域中发射电场。传感器包括至少一个感测电极，感测电极可以与发射天线电极相同或不同，在该感测电极处检测物体或生物对电场的影响。
例如，WO 2016/096815 A1提出了一种平面柔性载体，用于方向盘加热和/或感测方向盘上是否存在驾驶员的手(一个或多个或多个)。可用于安装在方向盘的轮辋上而不产生褶皱的平面载体包括具有两个纵向侧和两个横向侧的大致矩形形状的平面柔性箔的部分。横向侧的长度B为轮辋的周长的0.96至1.00倍。在每个纵向侧上每单位长度提供N个切口，其中一侧的切口相对于相对侧上的相对切口部分以交错方式定位。描述了切口的最佳形状和尺寸的确定。进一步描述了热载体、加热和/或感测装置及其制备方法。
在一些(所谓的“加载模式”)电容式传感器中，至少一个天线电极同时用作感测电极。在这种情况下，测量电路响应于施加给至少一个天线电极的振荡电压来确定流入该至少一个天线电极的电流。电压与电流的关系产生该至少一个天线电极和地电位之间的复阻抗。在电容式传感器的替代版本(“耦合模式”电容式传感器)中，发射天线电极(一个或多个或多个)和感测电极(一个或多个)彼此分离。在这种情况下，测量电路确定当至少一个发射天线电极操作时在感测电极中感生的电流或电压。
J.R.Smith等人在IEEE Computer Graphics and Applications(18(3):54-60,1998)上发表的例如题为“用于图形界面的电场感测(Electric Field Sensing forGraphical Interfaces)”的技术论文中解释了不同的电容式感测机制，于此通过引用将该文整体并入，对允许通过引用合并的司法管辖区有效。
该论文描述了用于进行非接触三维位置测量的电场感测的概念，并且特别是用于感测人手的位置，以向计算机提供三维位置输入。在电容式感测的一般概念中，作者在其称为“加载模式”、“分流模式”和“发射模式”的区别的机制之间进行了区分，“加载模式”、“分流模式”和“发射模式”对应于各种可能的电流路径。在“加载模式”中，向发射电极施加振荡电压信号，从而建立对地的振荡电场。待感测物体修改发射电极和地之间的电容。在“分流模式”(其替代地被称为“耦合模式”)中，向发射电极施加振荡电压信号，建立对接收电极的电场，并且测量在接收电极处感生的位移电流。测量的位移电流取决于被感测的身体。在“发射模式”中，发射电极通过直接电连接或通过电容式耦合与用户的身体接触，用户的身体相对于接收器成为发射器。
可以例如通过向天线电极施加交流电压信号并通过测量(在加载模式下)从天线电极流向地或(在耦合模式下)流入第二电极的电流来确定电容式耦合强度。该电流可以通过跨阻放大器测量，该跨阻放大器连接至感测电极，并将流入感测电极的电流转换为与此电流成比例的电压。
一些电容式传感器被设计为具有单个感测电极的仅感测电容式传感器。此外，通常使用电容式传感器，其包括感测电极和所谓的“保护电极”，所述感测电极和所谓的“保护电极”靠近布置并且彼此相互绝缘。这种“保护”技术在本领域中是公知的，并且经常用于有意地进行掩蔽并由此对电容式传感器的灵敏度区域进行整形。为此，保护电极保持与感测电极相同的交流电位。结果，在感测电极和保护电极之间的空间不存在电场，并且保护感测电容式传感器在感测电极和保护电极之间的方向上不灵敏。
还知道在电容式传感器的感测电极和车辆座椅加热器部件或车辆方向盘加热器部件之间布置这样的保护电极。作为加热器部件，例如加热器导线，在许多情况下电连接到车辆地，它们可能对要测量的电容式传感器信号具有大的影响。因此，故障(诸如中断的加热器导线(双中断)或断开连接的加热器部件)可能会对测量具有影响，使得无法排除任何检测和/或误分类。使用保护电极作为感测电极下面的第二层可以避免感测电极和加热器部件之间的直接耦合，并且因此可以至少减轻加热器故障对电容式传感器系统的检测和/或分类能力的影响。
本领域已知多区域HOD电容式传感器系统，其包括沿方向盘的多个区别且独立的感测区域。这些HOD电容式传感器系统能够区分驾驶员握住车辆方向盘的各种方式(一只手、两只手、角度位置)。
例如，欧洲专利EP 1 292 485 B1描述了用于车辆的方向盘，其包括转向环、轮毂和连接转向环和轮毂的至少一个辐条。在转向环上，传感器沿转向环的圆周以分布方式布置，延伸至转向环的整个长度之上。传感器可以被配置为在电阻、电容或电感基础上操作。传感器被细分为多个段，该多个段在转向环的纵向方向上一个接一个地布置。传感器的两个段彼此之间在转向环的纵向方向上的间距小于指宽，其中在转向环的纵向方向上，传感器的段短于指宽。这样，可以可靠地区分手的拇指和手指彼此，并实现高空间分辨率。
设想要满足特定的成本要求，特别是在汽车应用中使用时，的电容式感测装置的其他挑战是尽可能低的电磁干扰(EMI)敏感度以及对环境条件的变化的低敏感度。
WO 2017/129533 A1中提出了一种对于EMI的解决方案，应用于电容式座椅占用检测和分类系统。系统包括阻抗测量电路和控制评估单元。阻抗测量电路被配置为向具有N个不同基频的电容式传感器提供周期性电测量信号，其中N是至少3的自然数，并且从电容式传感器中的每个确定的感测电流确定复阻抗。控制和评估单元被配置为针对在至少N个不同基频处确定的复阻抗中的每一个复阻抗确定座椅占用类别，并确定由所确定的座椅占用类别中的多数决定导出的最终座椅占用类别。在电容式座椅占用检测和分类系统的安装状态下，由于寄生电感和电容而可能存在的共振很可能仅干扰不同基频的一小部分。
根据US 2018/0032200 A1，已知一种电容式开关装置，特别是用于车辆中，其可实现组合电容测量。参考值反映在传感器电极处获得的电容值，以反映发生人体触摸的信号衰减状态，从而可以实现更精确的触摸检测。电容式开关装置包括触摸感测单元，该触摸感测单元包括：设置在基底上的感测电极和发射电极；以及设置在基底上的触摸控制模块，并且触摸控制模块被配置为基于来自触摸感测单元的感测信号来确认操纵者的接触操纵状态并输出触摸输出信号。发射电极响应于来自触摸控制模块的发射控制信号输出发射信号。感测电极响应于来自触摸控制模块的感测控制信号检测信号，以应用于触摸控制模块的应用。触摸控制模块根据预设模式激活感测电极和发射电极。
对于使用两个电极的单个按钮，以时分方式同时或选择性地测量自电容和互电容。当测量自电容时，激活发射传感器以提取通过融合互电容和自电容获得的组合信号。分析通过提取而获得的信号的波形变化图案，以确定是否触摸人体，从而避免由于外部环境影响而导致的错误操作。电容式开关装置允许将在传感器电极处获得的电容值设置为以恒定周期连续地由参考值(即基线)反映，并且识别和处理一致地出现的恒定图案，直到人体与传感器接触并与传感器分离，从而最小化外部环境影响。
发明内容
发明目的
因此，本发明的目的是提供一种电容式感测装置和操作该电容式感测装置的方法，特别是用于检测驾驶员的手相对于车辆方向盘的状态，其中，电容式感测装置显示了改进的检测可靠性，具有减少数量的错误分类事件，并增强了对环境条件变化的鲁棒性，并且优选尽可能低的EMI敏感性。
该目的通过操作根据权利要求1所述的电容式感测装置的方法和根据权利要求10所述的电容式感测装置来实现。
发明概述
在本发明的一个方面中，通过操作电容式感测装置的方法来实现该目的。电容式感测装置包括：至少一个电容式传感器，具有至少一个感测电极；测量信号源，其被配置为至少向所述至少一个感测电极提供包括至少三个固定预定义信号频率的交变电测量信号；以及阻抗测量电路，其被配置为根据对所提供的电测量信号的响应来确定所述至少一个感测电极相对于参考电位的未知复阻抗。
所提出的方法至少包括要针对每个预定义信号频率执行的以下步骤：
-确定所述未知复阻抗的预定义数量的瞬时值；
-确定关于所确定的瞬时值的统计量和信号参数；
-从所确定的瞬时值中消除上至预定义手触摸移动下限频率的频率部分；
-从所确定的瞬时值中消除从预定义高频界限下至预定义手触摸移动上限频率的频率部分，以获得其余确定的瞬时值；
-如果至少一个确定的统计量超过预定义临界阈值，则排除相应的确定的瞬时值；以及
-使用上至所确定的瞬时值的所述下限频率的所消除的频率部分，来计算所述未知复阻抗的瞬时参考值。
所述方法还包括以下步骤：
-通过检查包括所述未知复阻抗的所述瞬时参考值的至少一个预定义条件的满足，使用所述其余确定的瞬时值来确定信号分类；以及
-产生表示检查所述至少一个预定义条件的满足的步骤的结果的输出信号。
本申请中使用的短语“被配置为”应特别理解为被具体编程、布局、提供或布置。
未知复阻抗的所确定的瞬时值可响应于相对于所述至少一个感测电极的物体移动，例如沿车辆方向盘的驾驶员的手的移动。这些瞬时值可能会受到测量期间存在的电磁干扰和/或环境条件(诸如温度和/或湿度)的变化的影响，通过这些变化，电容式感测装置中或周围的材料的电性能可以发生变化。
本发明的一个见解是，电磁干扰通常发生在比人类手的最快可能移动快得多的时间尺度上，并且环境条件的变化通常发生在比人类手的最慢预期移动慢得多的时间尺度上，并且这两个效应可以从所确定的瞬时值中分离，以便从物体和至少一个感测电极之间的相对移动获得更清晰的信号。
此外，本发明的另一见解是，所确定的瞬时值的消除部分可用于计算瞬时参考值(该瞬时参考值表示远离可能接近的物体的至少一个感测电极的虚拟配置)，而且此外，该计算的瞬时参考值可有益地用于对未知复阻抗的确定的瞬时值进行分类的检查程序的预定条件中。
因此，可提供操作电容式感测装置的方法，其具有改进的检测可靠性和减少数量的错误分类事件。利用所提出的方法，可以实现电容式感测装置对于环境条件变化和/或电磁干扰的增强鲁棒性。
所提出的方法尤其可以以有利的方式与用于汽车应用(诸如车辆方向盘上的电容式手位置检测)的电容式感测装置一起应用。本专利申请中使用的术语“汽车”应特别理解为适用于包括乘用车、卡车、半挂卡车和公共汽车在内的车辆。
可以执行所提出的方法的步骤，使得确定信号分类的步骤可以使用从所有预定义信号频率获得的其余确定的瞬时值。然而，在本发明的范围内还可以设想，所提出的方法的步骤可以针对每个预定义信号频率独立地执行，直到并且包括确定针对每个相应的预定义信号频率的信号分类的步骤。在这种情况下，产生输出信号的步骤可以基于包括为每个预定义信号频率确定的信号分类的附加预定义条件的满足。附加预定义条件可包括信号分类中的多数决定，类似于前述WO 2017/129533 A1中提出的通过在为在不同基频下确定的复阻抗中的每一个复阻抗确定的座椅占用类别中进行多数决定来确定最终座椅占用类别的方法。
在该方法的优选实施例中，从所确定的瞬时值中消除从预定义高频界限下至预定义手触摸移动上限频率的频率部分的步骤还包括对所获得的其余确定的瞬时值的幅度进行平均的后续步骤，它可以减少测量的统计误差。
在该方法的优选实施例中，从确定的瞬时值中消除频率部分的步骤均包括计算未知复阻抗的连续确定的瞬时值的幅度的时间导数的在先步骤，并且其中消除的步骤至少基于使用计算的时间导数。以这种方式，可以容易地检测未知复阻抗的确定的瞬时值中的不连续性，其原因可以是例如电容式感测装置中的布线故障。
在例如通过使用采样技术不连续地确定瞬时值的情况下，时间导数可以通过差商来近似。
在该方法的优选实施例中，检查至少一个预定条件的满足的步骤包括检查其余确定的瞬时值的幅度和未知复阻抗的瞬时参考值的幅度之间的绝对差是否超过该幅度的预定义阈值。这样，电容式感测装置能够容易且可靠地验证诸如人手的物体是否靠近该至少一个感测电极，该至少一个感测电极例如可以安装在车辆方向盘中。
在该方法的优选实施例中，检查至少一个预定义条件的满足的步骤包括检查在预定义时间段内其余确定的瞬时值的连续发生的信号变化的幅度之和是否超过信号变化的幅度之和的预定义阈值。
在预定义时间段内计算的连续发生的信号变化的幅度之和可以用作接近该至少一个传感器电极的物体的指示器。例如，在驾驶车辆期间，假定驾驶员的手触摸或抓住车辆的方向盘，由此可以导出预定义时间段内信号变化的幅度之和的预定义阈值。以这种方式，可以分别监视电容式感测装置附近的物体的存在和不存在，或者二者的比率。
对于用于在车辆方向盘处进行手定位检测的电容式感测装置的示例，如果在预定时间段内连续发生的信号变化的幅度之和降到预定义阈值以下，则故障模式以高概率存在。此类故障模式的示例包括但不限于：由于过载，测量范围处于饱和状态；将诸如充电电缆的导电物体放置在方向盘中的感测电极附近；以及驾驶员因困倦或昏昏欲睡而不注意驾驶。
优选地，确定未知复阻抗的预定义数量的瞬时值的步骤包括以位于0.1ms和100ms之间的采样周期进行采样。以这种方式，电容式感测装置能够检测可能影响正确确定未知复阻抗的快速事件。
在优选实施例中，该方法还包括在满足包括未知复阻抗的连续确定的瞬时值的幅度的时间导数的至少一个条件时，立即调整瞬时参考值的步骤。以这种方式，可以应对意外事件，诸如电容式感测装置内的电气上的地连接的突然变化，因为快速变化导致幅度的时间导数的大的值。可通过用最新确定的瞬时参考值替代在先确定的瞬时参考值来执行瞬时参考值的调整。替代地，可以通过将在先确定的瞬时参考值改变与最新确定的瞬时参考值的差的主要部分来执行瞬时参考值的调整。
在操作在汽车应用中使用的电容式感测装置的方法的优选实施例中，该方法包括在车辆的驾驶周期中执行一次的步骤。所述步骤包括在至少一个电容式传感器处的环境温度上升或环境湿度上升分别超过环境温度上升或环境湿度上升的预定义阈值的条件满足时调整瞬时参考值，其中，调整的量分别根据至少一个电容式传感器的至少一个感测电极附近的材料的先验已知温度依赖性或湿度依赖性确定。例如，调整的量可以由统计估计器确定。
通过以所提出的方式调整瞬时参考值，可以利用电容式感测装置实现减少数量的错误分类事件。
在本发明的另一方面中，提供一种电容式感测装置，所述电容式感测装置包括：
-至少一个电容式传感器，具有至少一个感测电极；
-测量信号源，其被配置为至少向所述至少一个感测电极提供包括至少三个固定预定义信号频率的交变电测量信号；
-阻抗测量电路，其被配置为根据对所提供的电测量信号的响应来确定所述至少一个感测电极相对于参考电位的未知复阻抗；以及
-电子评估和控制单元，其被配置为自动执行本文公开的方法的可能实施例的步骤。
在所提出的操作电容式感测装置的方法的上下文中描述的益处也完全适用于电容式感测装置。
当在车辆方向盘中用于电容式手位置检测和/或分类时，所提出的电容式感测装置尤其有利。
在本发明的又一方面中，提供了一种用于控制本文公开的方法的实施例的步骤的自动执行的软件模块。
要进行的方法步骤被转换为软件模块的程序代码，其中该程序代码可在电容式感测装置的数字数据存储单元中实现，并且可由电容式感测装置的处理器单元执行。优选地，数字存储单元和/或处理器单元可以是电容式感测装置的电子评估和控制单元的数字存储单元和/或处理单元。处理器单元可以替代地或补充地是被特别分配来执行至少一些方法步骤的另一处理器单元。
该软件模块可以使得能够实现该方法的鲁棒和可靠的自动执行，并且能够允许快速修改方法步骤。
根据下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见，并将参考下文描述的实施例说明本发明的这些和其他方面。
应当指出，在前述描述中单独详细描述的特征和措施可以以任何技术上有意义的方式彼此组合，并且示出本发明的进一步实施例。本说明书特别结合附图对本发明进行了特征描述和具体说明。
附图说明
参考附图，根据以下非限制性实施例的详细描述，本发明的进一步细节和优点将显而易见，其中：
图1示意性地示出了具有电容式手位置检测的车辆方向盘，其包括根据本发明的电容式感测装置；
图2示出了根据本发明的操作根据图1的电容式感测装置的方法的概览框图；
图3示出了根据图2的方法的框细节图；
图4示出了根据图2的方法的另一框细节图；
图5示出了根据图2的方法的另一框细节图；以及
图6示出了根据图2的方法的另一框细节图。
在不同的附图中，相同的部分总是分别具有相同的参考符号或数字。因此，它们通常只描述一次。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有电容式手位置检测，特别是脱手检测(Hands OffDetection，HoD)的车辆方向盘38，其包括根据本发明的电容式感测装置10。车辆可设计为乘用车。车辆方向盘38可以包括连接至外轮辋42的三个辐条40。电容式感测装置10包括电容式传感器，该传感器具有感测电极12，该电极作为层放置在车辆方向盘38的外轮辋42处。
感测电极12可以设计为沿车辆方向盘38的外轮辋42周向布置在面向驾驶员的正面表面处的圆环，并且主要围绕外轮辋42延伸。如本领域所知，感测电极12可以形成为附接在柔性膜载体上的印刷金属电极。
车辆方向盘38包括皮革饰件(未示出)，该饰件覆盖外轮辋42的大部分，且隐藏并保护感测电极12不受外部影响。感测电极12的宽度设计为覆盖车辆方向盘38外轮辋42的外表面主要量。
电容式感测装置10还包括具有测量信号源14的阻抗测量电路16。测量信号源14被配置为向感测电极12提供包括三个固定预定义信号频率的交变电测量信号。阻抗测量电路16被配置为根据对所提供的电测量信号的响应来确定感测电极12相对于参考电位(可以是车辆底盘地)的未知复阻抗。为此，阻抗测量电路16还包括包括电流测量构件的电流测量电路18。未知复阻抗表示物体(在这种情况下是驾驶员的手(一个或多个))相对于感测电极12的位置。
电流测量构件可以包括一个或多个跨阻放大器(TIA)，其功能是将复电流转换成与所确定的电流成比例的输出电压。电流测量构件可替代地包括与具有先验已知值的阻抗并联连接的模数转换器。原则上，可以采用似乎适合于本领域技术人员的任何其他电流测量构件。
电测量信号可以形成为具有三个区别的信号频率的三个正弦电测量电压的叠加。测量信号源14还可以被配置为一次一个地提供三个区别的信号频率的电测量电压之一。在其他可能的实施例中，测量信号源14可被配置为产生具有三个不同基频且信号形状(诸如方形波形)不同的电测量信号。
此外，阻抗测量电路16包括远程可控配电箱20，用于选择性地提供感测电极12、测量信号源14和电流测量电路18之间的适当连接。
配电箱20例如可以包括诸如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的半导体开关。也可以采用似乎适合于本领域技术人员的任何其他切换部件。
此外，阻抗测量电路16包括信号处理单元22，信号处理单元22被配置为接收来自电流测量电路18的输出信号并用于根据接收的输出信号计算复阻抗。
电容式感测装置10还包括电子评估和控制单元30。电子评估和控制单元30由微控制器形成，微控制器包括数字数据存储单元34、具有对数字数据存储单元34的数据访问的处理器单元32、用于控制配电箱20的开关远程控制单元24和控制接口36。控制接口36可以设计为CAN(控制器域网(Controller Area Network))接口。
电子评估和控制单元30连接到信号处理单元22，用于接收表示根据阻抗测量电路16提供的输出信号确定的复阻抗的数据信号。电子评估和控制单元30还被配置为自动控制配电箱20，并且用于评估在测量周期期间从信号处理单元22接收的复阻抗。提供适当的控制/数据线26。
阻抗测量电路16和电子评估与控制单元30安装在车中，远离车辆方向盘38。电子评估和控制单元30是与车辆的ADAS 44数据链接的。
在下文中，将参考图1和图2描述操作根据图1的电容式感测装置10的方法的实施例，其中提供了方法的概览框图。在准备操作电容式感测装置10时，应理解所有相关单元和装置处于操作状态并且如图1所示地配置。
为了能够自动且周期性地执行该方法，电子控制单元30包括软件模块28(图1)。将要进行的方法步骤被转换为软件模块28的程序代码。程序代码在电子控制单元30的数字数据存储单元34中实现，并且可由电子控制单元30的处理器单元32执行。替代地，软件模块28也可以驻留在车辆的另一控制单元中并且可以由车辆的另一控制单元执行，并且电子评估和控制单元30与车辆控制单元之间建立的数据通信构件将用于实现相互数据传输。
操作电容式感测装置10的方法以及因此也是软件模块包括四个主框100、200、300、400。第一框100包括关于测量和传感器数据处理的步骤。第二框200包括关于数据分析和评估以及将数据分别分配给驾驶员的手位置或移动和外部效应(诸如电磁干扰)的步骤。分配给环境条件变化的传感器数据用于推导和跟踪第三方法框300中未知复阻抗的瞬时参考值。在第四方法框400中，基于相对于未知复阻抗的参考值的其余确定的传感器数据执行手位置信号分类。
将针对每个预定义信号频率执行以下步骤。电子控制单元30被配置为以周期性方式控制步骤的自动重复。
图3示出了根据图2的方法的框细节图，其包括传感器数据分析和评估。
在该方法的步骤102中，确定未知复阻抗的预定义m数量的瞬时值。为此，在步骤104中，对于信号频率f1到f3中的每一个，由模数转换器(ADC)施加多重采样。步骤104包括以可以位于0.1ms和100ms之间的采样周期进行采样，以便捕获可能影响未知复阻抗的测量的快速效应。
在另一步骤202中，确定关于所确定的瞬时值的统计量和信号参数。统计量和信号参数的示例可以是所确定的复瞬时值的幅度的最小值、最大值、标准偏差和方差。
在信号滤波步骤204中，可以对三个信号频率f1到f3中的任意一个在未知复阻抗的m数量的瞬时值中识别小频带EMC干扰。如果一个信号频率的复阻抗值似乎受到干扰，意味着它们是统计异常值，其表现为超过预定义临界阈值的确定统计量，则在步骤206中排除相应的确定的瞬时值。
在第二类滤波中，评估对ADC采样值的电磁噪声干扰。在一些噪声环境中，所确定的瞬时值会受到宽带噪声的干扰。由于受影响的瞬时值不应影响分类过程，因此也需要将此类值从分类中排除。在相应的(according)步骤208中，从确定的瞬时值中消除从预定义高频界限下至预定义手触摸移动上限频率的频率部分，以获得其余确定的瞬时值。在另一步骤210中对所获得的其余确定的瞬时值的幅度进行平均，并将其提供用于进一步的信号处理。
图4示出了根据图2的方法的另一框细节图，其包括分别将确定的瞬时值分配给驾驶员的手位置或移动以及环境条件的变化。
根据所获得的其余确定的瞬时值的平均幅度，在该方法的步骤212中计算未知复阻抗的连续确定的瞬时值的幅度的时间导数，其中时间导数由差商近似。
步骤214基于使用计算出的时间导数，从确定的瞬时值中消除上至预定义手触摸移动下限频率的频率部分。因此，不以直接方式将超出典型的手移动范围的所有确定的瞬时值用于分类。
然而，在另一步骤216中，使用上至所确定的瞬时值的下限频率的消除的频率部分来计算未知复阻抗的瞬时参考值。在电容式感测装置10的本实施例中，未知复阻抗的瞬时参考值表示驾驶员的手未触及的车辆方向盘38的虚拟配置的瞬时电容。
图5示出了根据图2的方法的另一框细节图，其包括分类步骤。
在这些分类步骤中，其余确定的瞬时值用于通过检查包括未知复阻抗的瞬时参考值的若干预定义条件的满足来确定信号分类。
在分类的第一步骤402中，检查其余确定的瞬时值的幅度与未知复阻抗的瞬时参考值的幅度之间的绝对差是否超过该幅度的预定义阈值。如果绝对差超过预定义阈值，则验证了车辆方向盘38未被触摸或为空。如果绝对差降到预定义阈值以下，则在步骤404中确定将表示脱手配置的分类。
在分类的另一步骤406中，检查在预定时间段内其余确定的瞬时值的连续发生的信号变化的幅度之和是否超过信号变化的幅度之和的预定义阈值。在预定义时间段内其余确定的瞬时值的连续发生的信号变化的幅度之和可被视为“手移动指示器”值，并可在下文中被称为这样的值。如果驾驶员的手沿着车辆方向盘38以典型的人类的方式移动，则手移动指示器值的预定义阈值将被超过，并且在步骤408中确定“未脱手(Hand On)”分类。如果“手移动指示器”的值小于或等于手移动指示器值的预定义阈值，则在步骤410中确定表示“脱手”配置的信号分类。
在另一步骤412中，电子评估和控制单元产生表示检查若干预定义条件的实现的步骤的结果的输出信号作为分类结果(图1)。
图6示出了根据图2的方法的另一框细节图，其包括用于跟踪未知复阻抗的瞬时参考值的步骤。具体地，在这些步骤中使用从预定义高频界限下至预定义手触摸移动上限频率的消除频率部分和上至确定的瞬时值的预定义手触摸移动下限频率的消除频率部分。
在该方法的步骤302中，在满足关于未知复阻抗的连续确定的瞬时值的幅度的时间导数的条件时，立即调整瞬时参考值。诸如电容式感测装置10内的电气上的地连接的突然改变的非预期事件导致幅度的时间导数的大的值。如果满足未知复阻抗的连续确定的瞬时值的幅度的时间导数超过预定义阈值的条件，则立即调整瞬时参考值，这将产生表示“脱手”配置的手位置分类，因为其余确定的瞬时值的幅度与未知复阻抗的瞬时参考值的幅度之间的绝对差(来自步骤402)降到幅度的预定义阈值以下。
值得注意的是，只有当未知复阻抗的连续确定的瞬时值可用时，才立即调整瞬时参考值。
在用于跟踪未知复阻抗的瞬时参考值的另一步骤304中，在满足瞬时参考值的幅度小于未知复阻抗的最新在先计算的瞬时参考值的幅度的条件时，立即调整瞬时参考值。这发生的条件可以是系统启动时触摸到了车辆方向盘38，并且然后驾驶员松了开方向盘38。
用于跟踪未知复阻抗的瞬时参考值的另一步骤306将在车辆的驾驶周期中(即在车辆启动和关闭之间的时间段中)执行一次。步骤306包括在满足电容式传感器的感测电极12处的环境温度上升超过环境温度上升的预定义阈值的条件时调整瞬时参考值。调整的量根据电容式传感器的感测电极12附近的材料的先验已知温度依赖性确定。确定的步骤可由形成软件模块的部分的统计估计器执行。
温度变化对车辆方向盘38的杂散电容有直接影响。由于温度是缓慢变化的条件，所以每个驾驶周期，变化主要在一个方向上。起动处于相对较低的温度，且车辆方向盘38将加热至舒适状态，或者起动处于相对较高的温度，且车辆方向盘38将在空调装置冷却车辆内部时冷却。因此，将在驾驶周期中对温度变化进行一次评估，并且仅需在下一个驾驶周期中执行确定的调整量。
如果在驾驶周期期间车辆内部的温度下降，则车辆方向盘38的杂散电容将减小，并且将很可能在步骤304中已经调整了未知复阻抗的瞬时参考值。如果未知复阻抗的确定的瞬时值始终大于瞬时参考值，则统计估计器可在另一步骤308中相对于校准参数缓慢降低瞬时参考值。
如果在另一个驾驶周期中，车辆内部的温度升高，则杂散电容升高。需要针对此变化调整未知复阻抗的瞬时参考值，以避免“错误的手触摸”。如果方向盘38一直被触摸并且被分类为“未脱手”，则未知复阻抗的瞬时参考值隐藏在确定的瞬时值以下。
在这种情况下，执行步骤310，其中统计估计器与温度变化相关地重新计算车辆方向盘38的杂散电容。输出将用于调整未知复阻抗的瞬时参考值。
如果未知复阻抗的确定的瞬时值被分类为“脱手”，但是“手移动指示器”值超过用于信号变化的幅度的总和的预定义阈值，则在步骤312中还使用估计器来重新计算瞬时参考值。仅在由“手移动指示器”检测到的连续发生的信号变化的幅度之和小于相应的阈值的情况下，在步骤314中，瞬时参考值才将被调整并由确定的瞬时值替代。
在该方法的其它实施例中，可另外或替代地实施类似的步骤序列，以在满足环境湿度升高超过环境湿度升高的预定义阈值的条件(这将导致车辆方向盘38的杂散电容的增大)时调整瞬时参考值。要执行的步骤与用于车辆内部的温度增大的步骤相对应。
此外，在本发明的范围内还设想修改该方法，使得使用包括三个固定预定义信号频率的测量信号来确定未知复阻抗的瞬时值，以及通过评估未知复阻抗的确定的瞬时值的变化和信号噪声来独立地对每个测量信号频率数据集执行分析步骤。然后，将执行三个测量信号频率数据集之间的比较的附加步骤。如果所考虑的参数与三个测量信号频率数据集的类似，则可以认为未知复阻抗的瞬时值有效。然后可以在上述方法的实施例的每个步骤中进行参数的比较。
虽然在附图和前述描述中已经详细地说明和描述了本发明，但是该说明和描述将被认为是说明性的或示范性的，而不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。
本领域技术人员在实践所声称的发明时，通过对附图、本发明和所附权利要求的研究，可以理解和实现公开的实施例的其他变化。在权利要求中，“包含”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除复数，复数表示至少两个的量。某些措施在相互不同的从属权利要求中陈述这一事实并不意味着不能将这些措施的组合用于有利之处。权利要求书中的任何参考符号不应被解释为限制范围。
参考符号列表
10 电容式感测装置
12 感测电极
14 测量信号源
16 阻抗测量电路
18 电流测量电路
20 远程可控配电箱
22 信号处理单元
24 开关远程控制单元
26 控制线
28 软件模块
30 电子评估和控制单元
32 处理器单元
34 数字数据存储单元
36 控制接口
38 车辆方向盘
40 辐条
42 外轮辋
44ADAS
方法步骤：
100 测量和传感器数据处理
200 数据分析与评估
300导出/跟踪参考值
400手位置分类
102确定未知复阻抗的瞬时值
104通过ADC多重采样
202确定统计量/信号参数
204 信号滤波
206 排除统计异常值
208消除从高频界限下至手触摸移动上限频率的信号部分210对其余瞬时值的的幅度进行平均
212计算连续瞬时值的时间导数
214消除上至手触摸移动下限频率的信号部分
216 计算瞬时参考值
302 立即调整瞬时参考值
304 立即调整瞬时参考值
306检测到温度上升时调整瞬时参考值
308相对于校准参数降低瞬时参考值
310重新计算车辆方向盘的杂散电容
312重新计算瞬时参考值
314用确定的瞬时值替代瞬时参考值
402检查瞬时值和瞬时参考值之间的绝对差
404确定脱手配置
406检查一段时间内连续发生的信号变化的幅度之和
408确定“未脱手”分类
410确定“脱手”分类
412产生输出信号
Claims (13)
1.一种操作电容式感测装置(10)的方法，所述电容式感测装置(10)包括：
-至少一个电容式传感器，具有至少一个感测电极(12)；
-测量信号源(14)，其被配置为至少向所述至少一个感测电极(12)提供包括至少三个固定预定义信号频率的交变电测量信号；
-阻抗测量电路(16)，其被配置为根据对所提供的电测量信号的响应来确定所述至少一个感测电极(12)相对于参考电位的未知复阻抗；
所述方法至少包括要针对每个预定义信号频率执行的以下步骤：
-确定(102)所述未知复阻抗的预定义数量的瞬时值；
-确定(202)关于所确定的瞬时值的统计量和信号参数；
-从所确定的瞬时值中消除(214)上至预定义手触摸移动下限频率的频率部分；
-从所确定的瞬时值中消除(208)从预定义高频界限下至预定义手触摸移动上限频率的频率部分；以获得其余确定的瞬时值；
-如果至少一个确定的统计量超过预定义临界阈值，则排除(206)相应的确定的瞬时值；
-使用上至所确定的瞬时值的所述下限频率的所消除的频率部分，来计算(216)所述未知复阻抗的瞬时参考值；
并且还包括以下步骤：
-通过检查(402、406)包括所述未知复阻抗的所述瞬时参考值的至少一个预定义条件的满足，使用所述其余确定的瞬时值来确定信号分类(400)；以及
-产生(412)表示检查所述至少一个预定义条件的满足的步骤的结果的输出信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中，从所确定的瞬时值中消除从预定义高频界限下至所述预定义手触摸移动上限频率的所述频率部分的步骤(208)还包括对所获得的其余确定的瞬时值的幅度进行平均的后续步骤(210)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，从所确定的瞬时值中消除频率部分的步骤(208、214)均包括计算所述未知复阻抗的连续确定的瞬时值的幅度的时间导数的在先步骤(212)，并且其中，消除(208、214)的步骤至少基于使用所计算的时间导数。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，检查至少一个预定义条件的满足的步骤包括检查(402)所述其余确定的瞬时值的幅度与所述未知复阻抗的所述瞬时参考值的幅度之间的绝对差是否超过所述幅度的预定义阈值。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，检查(406)至少一个预定义条件的满足的步骤包括检查在预定义时间段内所述其余确定的瞬时值的连续发生的信号变化的幅度之和是否超过信号变化的所述幅度之和的预定义阈值。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定(102)所述未知复阻抗的预定义数量的瞬时值的步骤包括以位于0.1ms和100ms之间的采样周期进行采样。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在满足包括所述未知复阻抗的连续确定的瞬时值的幅度的时间导数的至少一个条件时，立即调整所述瞬时参考值的步骤(302)。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在满足所述瞬时参考值的幅度小于所述未知复阻抗的最新在先计算的参考值的幅度的条件时，立即调整所述瞬时参考值的步骤(304)。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括步骤(306)，其将在车辆的驾驶周期中被执行一次，并且在至少一个电容式传感器处的环境温度上升或环境湿度上升分别超过所述环境温度上升或所述环境湿度上升的预定义阈值的条件满足时，调整所述瞬时参考值，其中，分别根据所述至少一个电容式传感器的所述至少一个感测电极(12)附近的材料的先验已知温度依赖性或湿度依赖性来确定调整的量。
10.一种电容式感测装置(10)，包括：
-至少一个电容式传感器，具有至少一个感测电极(12)；
-测量信号源(14)，其被配置为至少向所述至少一个感测电极(12)提供包括至少三个固定预定义信号频率的交变电测量信号；
-阻抗测量电路(16)，其被配置为根据对所提供的电测量信号的响应来确定所述至少一个感测电极(12)相对于参考电位的未知复阻抗；以及
-电子评估和控制单元(30)，其被配置为自动执行如前述权利要求中任一项所述的方法的步骤。
11.一种具有电容式脱手检测的车辆方向盘(38)，包括如权利要求10所述的电容式感测装置(10)。
12.如权利要求10所述的电容式感测装置(10)在车辆方向盘(38)中的用途，用于电容式脱手检测和电容式手位置检测中的至少一种。
13.一种软件模块(28)，用于控制如权利要求1至9中任一项所述的方法的自动执行，其中，要进行的方法步骤被转换为所述软件模块(28)的程序代码，其中，所述程序代码能够在如权利要求10所述的电容式检测装置的数字数据存储单元或单独的控制单元中实现，并且能够由如权利要求10所述的电容式检测装置的处理器单元或单独的控制单元执行。
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