DE102005020847A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Positionsbestimmung von Körperteilen von Lebewesen im Kraftfahrzeug - Google Patents

Vorrichtung zur berührungslosen Positionsbestimmung von Körperteilen von Lebewesen im Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung von biometrischen Merkmalen und Vitalfunktionen von Passagieren in einem Kraftfahrzeug, insbesondere des Herzschlags und der Atmungsaktivitäten. DOLLAR A Diese Merkmale und die räumliche Position signifikanter Körperteile im Körperinneren der Passagiere werden genutzt, um diverse Komfort- und Sicherheitssysteme im Fahrzeug zu steuern, wie z. B. Müdigkeitserkennung, Identifizierung/Personalisierung, Out-of-Position Detektion (Airbagsteuerung), Sitzbelegungserkennung (Airbagsteuerung), Insassenklassifikation (Airbagsteuerung), automatische Kopfstützeneinstellung, medizinische Herzüberwachung, Diebstahlwarnanlage.

Description

  • Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung von biometrischen Merkmalen und Vitalfunktionen von Passagieren in einem Kraftfahrzeug, insbesondere des Herzschlags und Atmungsaktivitäten.
  • Diese Merkmale und die räumliche Position signifikanter Körperteile im Körperinneren der Passagiere werden genutzt, um diverse Komfort- und Sicherheitssysteme im Fahrzeug zu steuern, wie z.B. Müdigkeitserkennung, Identifizierung/Personalisierung, Out-of-Position Detektion (Airbagsteuerung), Sitzbelegungserkennung (Airbagsteuerung), Insassenklassifikation (Airbagsteuerung), Automatische Kopfstützeneinstellung, Medizinische Herzüberwachung, Diebstahlwarnanlage, etc.
  • Für den Fahrzeuginnenraum sind vielfältige Verfahren bekannt zur Detektion einer Person auf den Fahrer und/oder Beifahrersitz, so. z.B.
    • • Gewichtsbasierte Systeme o Gewichtsverteilung o Absolutgewicht der Person
    • • Kapazitive Systeme
    • • Video basierte Systeme
  • Besonders die Systeme, die auf der Klassifikation der Insassen eines Kraftfahrzeugs auf Bildverarbeitung basieren (maschinelle Videoanalyse), versprechen in der nahen Zukunft eine Vielzahl von innovativen Anwendungen
    • • Personendetektion/Sitzbelegungserkennung (Sitz belegt/Sitz leer)
    • • Insassenklassifikation (Kindersitz/kleine oder grosse Person) zur optimierten Airbagsteuerung
    • • Out-of-position Detektion (OOP) zur optimierten Airbagsteuerung
    • • Personenidentifikation/Personalisierung (Fahrer/Beifahrer A oder B)
    • • Müdigkeitserkennung des Fahrers zur Unfallvermeidung
  • Kaum ein System (oder auch Sensor) ist derart flexibel in der Anwendung im Innenraum eines Kraftfahrzeugs wie optische Systeme. Insbesondere Systeme, die auf der Auswertung von digitalen Bildern (maschinelle Bildverarbeitung) basieren, eröffnen neue Anwendungsgebiete. Jedoch speziell optische Systeme weisen hierbei vielfältige Probleme im autonomen Fahrzeug auf, z.B.
    • • Extreme Lichtverhältnisse (Lichtintensitäten, Lichtdynamik und Schwankungen)
    • • Verdeckung der Optik durch Fremdobjekte
    • • Verdeckung zur Klassifizierung und Identifizierung essenzieller Merkmale der Objekte und Personen auf den Sitzen (Kindersitze, Personen) durch Accessoires wie z.B. Decken, Brillen, Bärte, Hüte, spezielle Kleidung, etc.
  • Diese Probleme führen zu gesteigerten Systemkosten, die insbesondere im Kfz. zu minimieren sind, durch z.B. den Einsatz optimierter Hardware, wie z.B. hochdynamischen Bildsensoren, leistungsstarker Beleuchtung, etc.
  • Zudem ist für eine Vielzahl der genannten Anwendungen jeweils ein spezieller Bildsensor in einer optimierten Einbauposition im Innenraum eines Fahrzeugs nötig.
  • Aufgrund der Geometrie eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs, z.B. Automobil, ist es nach aktuellem Entwicklungsstand notwendig, z.B. zur Personenidentifikation ein Kamerasystem zu verwenden, das einen möglichst frontalen, ungetrübten und hochauflösenden Blick auf das Gesicht des Fahrers ermöglicht, um z.B. die für ihn gespeicherten Komforteinstellungen (Sitzposition, Radio, Telefoneinstellungen, etc.) zu aktivieren.
  • Zur optimierten Airbagsteuerung der bis zu einem Dutzend im Fahrzeug verbauten Airbags und weiterer Rückhaltesysteme, ist jedoch eine eher zentrale Position im Innenhimmel des Fahrzeugs optimal.
  • Die Literatur beschreibt eine Lösung dieses Problems, wobei insbesondere die Nachteile einer optischen Lösung, insbesondere der Verdeckung und diversen Einbaupositionen, adressiert werden.
  • Radar basierte Sensoren zur Detektion von Personen in Gebäuden oder unter Schuttbergen sind bekannt. Je nach Trägerfrequenz dringt Radar-Modulation durch Zeitungen, sogar durch Wände und kleinere Geröllhaufen.
  • Die Verwendung von Radar basierten Sensoren zur Airbagsteuerung ist ebenfalls in Patentschriften beschrieben.
  • In Patent WO0242124 wird ein UWB-Radar verwendet, um eine Kontur der Objekte auf dem Beifahrersitz zu erstellen und diese dann zu Klassifizieren. Diese Klassifizierung (Person, Kindersitz, etc.) dient zur adaptiven Steuerung des Air bag. Das UWB-Radar wird vorzugsweise am Armaturenbrett des Fahrzeugs montiert, um eine möglichst komplette Sicht auf den Sitz zu haben.
  • Die signaltechnische Unterscheidung einer Kontur eines Kindersitzes von beliebig aufgestapelte Objekte auf dem Beifahrersitz ist jedoch sehr fehleranfällig und für ein Sicherheitssystem daher kritisch. Es ist kaum absehbar, welche Arten von Kindersitzen mit diversen Ausführungsformen auf der Welt bereits produziert wurden, oder im Laufe eines Fahrzeuglebens noch produziert werden. Alle diese Sitze müssten einem Kontur basierten Klassifizierungssystem eingelernt werden. Ebenso verhält es sich mit der Bekleidung, Accessoires und Körperhaltung von erwachsenen Personen. Auch hier ist die äußere Erscheinung (Kontur) sehr variabel.
  • Ein prägnantes Merkmal von Passagieren im Fahrzeug hingegen sind deren Vitalfunktionen, insbesondere der Herzschlag und die Atmung.
  • Dies Merkmal wurde in den Patentschriften US20010042977 , US20030136600 und DE10259522 adressiert, die die Anordnung eines Radar basierten Geräts dargestellen, die die Bewegung des Brustbereichs auf geringe Bewegungsmuster analysiert, die typisch sind für Herz- und Atmungsaktivitäten von Lebewesen.
    •
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorgestellt Erfindung unterscheidet sich primär dadurch zu dem Stand der Technik, das nicht die Kontur der Objekte und Personen auf den Sitzen ausschlaggebend ist für die Airbagsteuerung, sondern die exakte Position und Signatur eines eventuell vorhandenen Herzschlags oder anderer oder anderer signifikanter Körperteile im Körperinneren der Passagiere.
  • Der elektromagnetische Transiver wird nicht wie bisher vorgeschlagen im Bereich des Armaturenbretts, Instrumententafel oder Innenhimmel platziert, sondern in den Sitz integriert. Durch die Anordnung des Transivers in den Sitzen des Fahrzeugs, vorzugsweise in der Sitzlehne, kann die Variation der relativen Bewegung zwischen Fahrgastzelle und Passagier bedingt durch Sitzhöhen- und Positionsverstellung vernachlässigt werden.
  • Weiterhin ist der potentielle Abstand zwischen Transiver und Torso eines Passagiers (mit den sich kontinuierlich bewegenden Organen Herz, Lunge) in einer aufrechten Sitzposition minimiert, sodaß die Signalqualität und damit Signalauflösung maximiert wird. Hierdurch ist es möglich mit vergleichsweise geringer Sendeleistung qualitativ hochwertige Signaturen des Herzschlags oder anderer signifikanter Körperteile im Inneren des Fahrzeuginsassen zu erhalten und eine Vielzahl von Applikationen im Fahrzeug mit einem einzigen, kostengünstigen Sensor zu realisieren:
    • • Müdigkeitserkennung
    • • Identifizierung/Personalisierung durch die Signatur des Herzschlags oder weiterer signifikanter Körperteile im Inneren des Insassen
    • • Out-of-Position Detektion (Unterstützung der Airbagsteuerung)
    • • Sitzbelegungserkennung (Unterstützung der Airbagsteuerung)
    • • Insassenklassifikation (Unterstützung der Airbagsteuerung)
    • • Automatische Kopfstützeneinstellung,
    • • Müdigkeitserkennung
    • • Medizinische Herzüberwachung
    • • Übermittlung von Vitalfunktionen an Rettungskräfte
    • • Diebstahlwarnanlage
  • Die Vorteile gegenüber eines Video basierten Systems mit aktiver Beleuchtung sind:
    • • Keine Verdeckung durch Objekte, wie z.B. Zeitungen, etc.
    • • Kein direkter Blick in die Kamera notwendig
    • • komplette berührungslos (kein Fingeradruck, etc.)
    • • Kostengünstig, falls z.B. durch UWB Technik ausgeführt
    • • Geringerer Leistungsverbrauch (Diebstahlwarnanlage)
  • Aus der Relation der Position der Sitzfläche zur Position des Herzens des Insassen können grobe Rückschlüsse über die Sitzposition, Größe und Statur des Insassen gewonnen werden. Diese Informationen können genutzt werden, um diverse Einstellungen im Fahrzeug zu optimieren, oder um eine automatisierte, personenabhängige Grundeinstellung zu realisieren, z.B. für Sitz-, Innen- und Außenspiegeleinstellungen.
  • Weiterhin kann der Sensor dazu eingesetzt werden, um gleichzeitig zur Detektion der Belegung eines Sitzes mit einem Lebewesen, eine Personalisierung anhand der Signatur der aufgenommenen Vitalfunktionen der Passagiere (Herzschlag, Atmung, etc.) der sich im Fahrzeug befindlichen Personen durchzuführen.
  • Die durch die Personalisierung gewonnenen Informationen können dazu genutzt werden, Zugriff auf verschiedene Informationen oder Einstellmöglichkeiten des Fahrzeugs zu gewähren.
  • Die Erkennung der Herzposition kann auch rein passiv erfolgen ohne den Einsatz von Radar oder einem ähnlichen Sensor, z.B. rein Akustisch durch die Verwendung einer Ansammlung von Richtmikrofonen, die ebenfalls die Position des Herzens eines Passagiers im Fahrzeug detektiert, oder anderer Körperteile im Inneren eines Fahrzeuginsassen, die signifikant Körperschall erzeugen.
    •
  • Anhand der Zeichnung 1 soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden.
  • Im Sitz des Fahrers oder Beifahrers wurde ein UWB-Radar implementiert, das durch Bewegungsdetektion die Eigenbewegungen der Herzkammern des Insassen detektiert und die räumliche Position, relativ zur Sitzlehne an eine übergeordnete Datenverarbeitung weiterleitet. Anhand der An- oder Abwesenheit eines detektierten Herzschlags wird die Belegung des Sitzes festgestellt. Anhand der Signatur eines eventuell festgestellten Herzschlags (oder Atmungsaktivitäten), in Verbindung mit der detektierten Position wird die Person klassifiziert:
    • (1) leerer Sitz
    • (2) Kind im Kindersitz
    • (3) Kleine Person (5-percentile Frau)
    • (4) Mittlere Person (50-percentile Mann)
    • (5) Große Person (95-percentile Mann)
  • Hierbei werden folgende Entscheidungshilfen angewendet:
    • (1) Die Signatur des Herzschlags eines Kleinkindes unterscheidet sich von der Signatur eines Erwachsenen (Frequenz, Amplitude, etc.).
    • (2) Die Position eines detektierten Herzschlags eines Kleinkindes in einem Rückhaltesystem (Kindersitz, Babyschale, etc.) unterscheidet sich signifikant von der Position des Herzens eines Erwachsenen in aufrechter Sitzposition.
    • (3) Die räumliche Position eines Herzen relativ zur Sitzlehne lässt auf die Größe der Person, bzw. deren Statur schließen, wodurch die Einteilung in kleine, mittlere und große Personen erfolgt.
    • (4) Die Auswertung der Historie und der Prediktion der Bewegungsbahn des detektierten Herzens lässt eine frühzeitige Detektion des Eintretens eines Passagiers in kritische Zonen im Fahrzeug (z.B. vor der Austrittsöffnung des Airbag) zu.
  • Diese Klassifizierung wird an eine übergeordnete Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet und dem Modul zur Airbagsteuerung übergeben, die anhand dieser Daten die Auslösecharakteristika der Rückhaltesysteme im Fahrzeug optimieren kann. Dieser Vorgang erfolgt beim Start des Systems, sowie zyklisch während des Betriebes des Fahrzeugs.
  • Die detektierte Position des Herzen im Inneren des Insassen und die daraus gefolgerte Größe und Statur wird weiterhin dazu genutzt, die Sitzeinstellungen automatisch, oder auf Wunsch des Insassen, in eine für diese Größe im Vorfeld definierte Position zu verfahren und weitere Einstellungen des Fahrzeugs bezüglich der Größe des Insassen vorzunehmen. Dies wären u.a. die elektrische Ausrichtung der Kopfstütze, Aussenspiegel, sowie des Lenkrads und weiterer Bedienelemente des Fahrzeugs.
  • Die Signatur der Vitalfunktionen (z.B. Herzschlag oder Atmung) wird durch digitale Signalverarbeitung analysiert, um den derzeitigen Fahrzeugnutzer mit einem bereits dem Fahrzeug bekannten Nutzer abzugleichen. Hierdurch können Komforteinstellungen wie z.B. personenbezogene Radioeinstellungen, Kommunikationseinstellungen (Adressenliste, Navigationsziele, Telefon- und Internetzugriffsrechte), etc. freigeschaltet werden. Auch der Zugriff auf Fahrzeugfunktionen wie z.B. das Starten des Motors oder die automatische Zuordnung von Fahrern und gefahrene Wegstrecke (elektronisches Fahrtenbuch), ist denkbar.
  • Sobald das Fahrzeug in eine Parkposition gebracht wurde und die Alarmanlage aktiviert wird, wird die Empfindlichkeit der Bewegungsdetektion des UWB-Radar auf die Detektion gröberer Bewegungen umgeschaltet. Durch den nun aktivierten breiteren Sende- und Empfangsbereich des Radars werden Bewegungen detektiert, die üblicherweise beim unberechtigten Eindringen in den Fahrzeuginnenraum auftreten. Bei einem unautorisierten Eindringen in den Fahrzeuginnenraum wird entweder ein lauter, abschreckender Alarm ausgelöst oder die Information an eine Leitzentrale weitergeleitet. Dies Prinzip kann sowohl für geschlossene als auch offene Kraftfahrzeuge angewendet werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie im vorgehenden Abschnitt beschrieben, erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
  • Die Merkmale der Patentansprüche können im wesentlichen frei miteinander und untereinander kombiniert werden, unbeachtet ihrer Reihenfolge, sofern sie unabhängig voneinander sind.

Claims (13)

  1. Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Detektion von Vitalfunktionen und zur Ermittlung der räumlichen Lage des Herzen oder anderer signifikanter Körperteile im Körperinneren der Passagiere eines Kraftfahrzeug (im folgenden Sensoreinheit genannt), dadurch gekennzeichnet, das die ermittelten Informationen zur Steuerung von Sicherheits- und Komfortfunktionen im Kraftfahrzeug genutzt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Implementierung der Sensoreinheit vorzugsweise im Sitz der Insassen erfolgt, jedoch auch in anderen Teilen des Fahrzeuginnenraums, wie z.B. Instrumententafel, Innenhimmel oder Lenkrad erfolgen kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das anhand der durch die Sensoreinheit ermittelten Anwesenheit und räumlichen Lage des Herzen oder anderer signifikanter Körperteile im Körperinneren der Passagiere durch eine elektronische Datenverarbeitungseinheit auf die Art der Belegung des Sitzes geschlossen wird (z.B. von einem Lebewesen mit Vitalfunktionen belegt/unbelegt, Kind, Kleinkind oder Säugling in einem Rückhaltesystem oder erwachsener Passagier) und das anhand dieser Informationen die Rückhaltesysteme des Fahrzeugs gesteuert werden (Airbag, Gurtstraffer, etc.).
  4. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, das die Daten der Sensoreinheit mit den Informationen einer gewichtssensitiven Messeinheit und/oder eines optischen Sensors zur Klassifizierung der Passagiere kombiniert werden können.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Signatur der aufgenommenen Körperfunktionen (z.B. Herzschlag, Atmung) ausgewertet wird, um anhand dieser Signatur und Intensität der Vitalfunktionen zwischen erwachsenen Personen und Kleinkindern, z.B. in Kindersitzen, zu unterscheiden.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die durch die Sensoreinheit aufgenommene Signatur der Körperfunktionen (z.B. Herzschlag, Atmung) ausgewertet wird, um anhand dieser Signatur der Vitalfunktionen zwischen verschiedenen Fahrzeugnutzern zu unterscheiden.
  7. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, das die Unterscheidung verschiedener Fahrzeugnutzer zur Identifikation einzelner Personen genutzt wird, um individuelle Komfortfunktionen zu automatisieren oder auch Zugriffsrechte zu autorisieren (z.B. individuelle Adressenliste, Radiosenderliste, Telefon- und Internetzugriff).
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das anhand der durch die Sensoreinheit ermittelten räumlichen Lage des Herzen oder anderer signifikanter Körperteile im Körperinneren der Passagiere auf die Größe und Statur der Passagiere geschlossen wird und somit Komforteinstellungen im Fahrzeug wie z.B. Verstellung der Kopfstützen, Lenkradposition, Rückspiegel und Sitzhöhe automatisch erfolgen kann.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Sensoreinheit durch ein aktives Verfahren, z.B. durch Aussenden einer elektromagnetischen Welle oder Impuls (Radar), realisiert werden kann, die Bewegungen der relevanten Körperteile im Inneren des Passagiers detektiert, oder das der Messaufnehmer ein passiver Sensor, wie z.B. ein akustischer Messaufnehmer (Mikrofon) sein kann, der den durch relevante Körperteile im Inneren des Passagiers hervorgerufenen Körperschall detektiert und analysiert.
  10. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, das die Ausführung der Sensoreinheit durch räumlich getrennte Sende- und Empfangsmodule (Receiver + Transmitter) oder in einem Modul vereint (Transiver) erfolgen kann.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der verwendete Messaufnehmer ein UWB-Radar sein kann. 12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das das Radar als Einzelantennen-Element oder Antennen-Array ausgeführt werden kann.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Messbereich und die Empfindlichkeit der Sensoreinheit automatisch derart variiert werden kann, das es nicht nur zur Detektion der geringen Bewegungen und/oder Körperschwingungen, hervorgerufen durch Bewegungen von Körperteilen im Körperinneren, sondern auch als Diebstahlwarnanlage genutzt werden kann und grobe Bewegungen im Fahrzeug detektiert.
  13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Vorrichtung und das Verfahren sowohl für geschlossene als auch offene Kraftfahrzeuge angewendet werden kann.
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