DE102006026705A1

DE102006026705A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erkennen einer Sitzbelegung in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102006026705A1
Application number: DE102006026705A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Ante; Stephan Heinrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: DE102006026705B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Sitzbelegung in einem Fahrzeug und eine entsprechend ausgebildete Vorrichtung. Um ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung der eingangs genannten Art unter Vereinfachung bei Erhöhung seiner Zuverlässigkeit weiterzubilden, wird vorgeschlagen, dass eine durch Gewichtsbelastung bewirkte Verbiegung mindestens eines in einer Sitzfläche 5 des Sitzplatzes 2 integrierten piezoelektrischen Elementes 13 aufgenommen, an eine Elektronik 14 weitergeleitet und dort zur Ermittlung einer Größenabschätzung A ausgewertet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Sitzbelegung in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6 und eine entsprechend ausgebildete Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind diverse Vorrichtungen und Verfahren zum Insassenschutz in einem Fahrzeug bekannt. So ist insbesondere bekannt, dass in dem Fall, dass sich eine Person mit normaler Größe und durchschnittlichem Gewicht auf einem Sitz in einem Fahrzeug befindet und das Fahrzeug in einen Unfall gerät, ein Airbag zum Schutz dieser Person ausgelöst bzw. gezündet wird. Auch ist bekannt, dass der Airbag nicht ausgelöst werden darf, wenn sich ein Kindersitz auf dem betreffenden Sitzplatz befindet. Hierzu sind in einigen Fahrzeugen separate, mechanisch zu betätigende Abschalter für den betreffenden Airbag vorgesehen. Wenn nun eine sehr kleine Person, z. B. eine so genannte 5%-Frau oder ein großes Kind, auf einem Sitzplatz sitzt und das Fahrzeug gerät in einen Unfall, so ist die Wucht eines normal aufgeblasenen Airbags für eine Person des vorstehend spezifizierten Personenkreises zu stark. Eine Person mit den angegebenen Merkmalen erleidet dann möglicherweise durch den Airbag mehr Schaden, als der Unfall verursacht hätte. Daher sind moderne Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, mit zweistufigen Airbags ausgestattet, die je nach Bedingung, wie beispielsweise Unfallschwere, Personengröße und/oder Gewicht sanfter bzw. abgeschwächt mit nur einer Stufe oder aber voll mit beiden Stufen ausgelöst werden können. Derartige Systeme erfordern eine Sitzbelegungserkennung, damit die Airbagsteuerung eine angemessene Airbagentfaltung berechnen und auslösen kann. In den USA fordert die Richtlinie "Motor vehicle safty standard" FMVSS-208 die Ausrüstung bestimmter Fahrzeuge mit einem Sys tem, das eine zu starke oder schädliche Airbagzündung verhindert.
Zur Sitzbelegungserkennung über eine Gewichtsmessung sind in einem Kraftfahrzeugsitz verschiedene Lösungsvorschläge bekannt geworden:

– Es wird eine Kontaktfolienmatte im Bereich der Fläche angeordnet, wobei die Zahl der zu schließenden Kontakte abhängig von dem auf der Kontaktmatte lastenden Gewicht ist. Eine derartige Kontaktfolienmatte ist in bestimmten Fällen nicht ausreichend genau. Zudem kann durch Abnutzung diese Messungenauigkeit bis hin zu einem Ausfall der Messvorrichtung anwachsen.
– Eine Abschätzung des Gewichts einer auf einem Sitzplatz sitzenden Person auf Basis einer Gurtkraftmessung wurde als weiterer Ansatz vorgeschlagen. Eine derartige Gurtkraftmessung allein ist im praktischen Einsatz jedoch zur Gewichtsbestimmung oder zur Abschätzung einer Größenklasse nicht ausreichend.
– Ferner ist eine gelgefüllte Matte zur Integration in eine Sitzfläche vorgeschlagen worden, die mit einem Drucksensor druckfest verbunden ist. Bei einer derartigen Anwendung quasi-fluider Stoffe ist deren Langzeitstabilität und auch Langzeit-Dichtigkeit eines mattenförmigen Blasen-Körpers sicherzustellen.
– Schließlich sind auch Ansätze zur Personenerkennung und Abschätzung von Größen- und Gewichtsklassen unter Verwendung von Kameras mit Bilderkennungs- und Auswertesoftware bekannt geworden. Eine Personenklassifizierung aus Kamerabildern heraus ist jedoch immer noch sehr aufwändig und daher noch nicht marktfähig.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung der eingangs genannten Art unter Vereinfachung bei Erhöhung seiner Zuverlässigkeit weiterzubilden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß zeichnet sich eine in einem Sitzplatz integrierte Vorrichtung zur Sitzbelegungserkennung durch eine Gewichtsabschätzung dadurch aus, dass in einer Sitzfläche mindestens ein piezo-elektrisches Element integriert ist, das unter Belastung durch einen auf der Sitzfläche sitzenden Insassen in Abhängigkeit eines jeweiligen Gewichtes unterschiedlich stark auf Biegung beansprucht wird. Vorzugsweise ist das piezo-elektrische Element als so genannter Piezofilm ausgebildet, wobei in einer Ausführungsform der Erfindung eine Folie aus Polyvinylidenfluorid bzw. PVDF verwendet wird.
Bevorzugt wird ein filmförmiges piezo-elektrisches Element unter dem Polsterstoff einer Sitzfläche, jedoch über der eigentlichen Polsterung des Sitzes, so angeordnet, dass es bei Deformation des Polstermaterials unter dem Gewicht eines Insassen entsprechend gebogen wird. Wird ein piezo-elektrisches Element gebogen, so erzeugt es eine Ladungsverschiebung, die nach außen hin als Spannung gemessen werden kann. Derartige Signale sind in der Regel auch so stark, dass sie für eine möglichst unverfälschte Übertragung an eine Auswerteinheit auch keiner Zwischenverstärkung bedürfen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden durch Beschleunigungen des Kraftfahrzeuges selber und insbesondere Beschleunigungen um die Hochachse des Kraftfahrzeuges hervorgerufene Messabweichungen berücksichtigt. Derartige Fahrzeugbeschleunigungen in Hochachsenrichtung entstehen u. a. durch Fahrbahnunebenheiten oder sonstige Fahrvibrationen. Zu deren messtechnischer Berücksichtigung sind ein seismisches Element und insbesondere ein Biegegeber vorgesehen, der diese Hochachsen-Fahrzeugbeschleunigungen separat aufnimmt. Vorzugsweise werden hier sehr einfache und preiswert herstellbare Biegegeber als Beschleunigungssensoren verwendet, die ebenfalls unter Verwendung piezo-elektrischer Elemente aufgebaut sein können. In einem nachfolgenden Auswerteschritt einer Auswertereinheit wird eine Amplitude des Beschleunigungssensors mit einer Ausgangsamplitude des in der Sitzfläche integrierten piezo-elektrischen Elements verglichen. Aus einem über die Zeit ermittelten Verhältnis beider Größen erhält man eine Abschätzung für die Masse, die die Sitzfläche belastet. Diese Abschätzung kann mit ausreichender Genauigkeit zu einer Unterscheidung zwischen Kindersitz, 5%-Frau oder normaler erwachsener Person verwendet werden. Dementsprechend kann auf dieser Entscheidung aufbauend eine Airbagsteuerung dann je nach Unfallschwere, Unfallrichtung und Personenklasse die Auslösung eines Airbags, z. B. in Stufen von 0%, 50% oder 100% ansteuern.
In dem Fall, dass ein Kraftfahrzeug steht, wird in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kein Signal generiert. Für diesen Fall muss eine Kontrolllogik die zuletzt ermittelte Personenklasse annehmen, um bei einem Unfall einen Startwert zu haben.
Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung unter Bezugnahme eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1: eine seitliche Schnittdarstellung eines Fahrzeugssitzes;
2a und 2b: eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Biegegebers und
3: ein Blockdiagramm eines Messverfahrens für den Fahrzeugsitz gemäß 1.
Über die Abbildungen hinweg werden gleiche Bestandteile und Verfahrensschritte einheitlich mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Abbildung von 1 zeigt eine vereinfachte seitliche Schnittdarstellung eines bekannten Fahrzeugssitzes 1 mit darin integrierter Vorrichtung 2 zur Sitzbelegungserkennung durch eine Gewichtsabschätzung. Der Fahrzeugssitz 1, hier ein Vordersitz, umfasst einen Rahmen 4 mit nicht weiter dargestellten Federelementen. Der Rahmen 4 ist in eine Sitzfläche 5 und eine Rückenlehne 6 geteilt, die gegeneinander über eine nur angedeutete Mechanik 7, z.B. zur Einrichtung eines jeweils gewünschten Sitzwinkels etc., verstellbar sind. Dabei ist der tragende Teil der Sitzfläche 5 selber über eine ebenfalls nicht weiter dargestellte weitere Mechanik mit einem Fahrzeugboden über ein Schienensystem verschieblich sowie stufenlos arretierbar und/oder komplett lösbar verbunden.
Weiter sind die beiden Teile des Rahmens 4 in bekannter Weise mit einem Schaumstoff-Unterpolster 9 und nach außen hin schließlich mit einem Oberpolster 10 mit Sitzbezug 11 umgeben.
Zwischen dem Schaumstoff-Unterpolster 9 und dem Oberpolster 10 der Sitzfläche 5 ist als flächiges piezo-elektrisches Element 13 ein PVDF-Piezofilm angeordnet. Dieser Piezofilm 13 erstreckt sich im Wesentlichen über den Bereich, der im Zuge einer Belegung des Fahrzeugsitzes 1 die wesentliche Deformation des Polsters 11, 10, 9 aufweist. Durch die Deformation des vorstehend bezeichneten Polstermaterials unter einem Ge wicht G eines Insassen wird der Piezofilm 13 gebogen, wie in der Abbildung von 1 in gestrichelter Darstellung im Vergleich zu einer in durchgezogener Linie dargestellten Normalposition angedeutet. Aufgrund seiner piezo-elektrischen Eigenschaft erzeugt jede Biegung dieses Folienkörpers eine Ladungsverschiebung, die nach außen in einer Elektronik 14 verarbeitet wird.
Sitzt eine Person auf dem Fahrzeugsitz 1, so entsteht abhängig von dessen Gewicht im Zuge der Deformation der Folie 13 ein Ausgangssignal a₁. Bei jeder Fahrzeugbeschleunigung wird der Gewichtskraft in Richtung einer Hochachse y gemäß der Gleichung F = m·a ein Signal überlagert, dass das eigentlich erwünschte Gewichtssignal verfälschen würde. Die auslösenden Fahrzeugbeschleunigungen in Richtung der Hochachse entstehen u. a. durch Fahrbahnunebenheiten oder sonstige Fahrvibrationen. Um eine Verfälschung des Messergebnisses des Piezofilms 13 weitgehend auszublenden, ist im Bereich der Elektronik 14 in der Ausführungsform von 1 ein separater seismischer Biegegeber 15 vorgesehen. Gemäß der prinzipiellen Darstellung der 2a besteht der seismische Biegegeber aus einem einseitig eingespannten Piezoelement 17, das an seinem freien Ende 18 ein aufgenietetes Gewicht 19 trägt. Infolge jeglicher Form von Fahrvibration wird dieser Biegegeber in der vorstehend angedeuteten Art und Weise in Schwingung versetzt. Diese Deformation des Piezoelementes erzeugt wiederum Ladungsverschiebungen, die über einen Kabelanschluss als Ausgangssignal a₂ abgreifbar sind. In 2b ist eine entsprechende Draufsicht auf den Biegegeber mit der an seinem freien Ende befestigten Masse sowie einem Einspannbereich sowie zwei Signalkabeln dargestellt. Bei diesem Element handelt es sich um ein Serienbauteil, wie es beispielsweise von der Firma MSI und anderen Herstellern als kleinbauendes Bauteil preiswert bezogen werden kann.
Wie in dem vereinfachten Blockschaltdiagramm von 3 angedeutet, werden im Zuge eines Messverfahrens die Ausgangs signale des Piezofilms 13 sowie des seismischen Biegegebers 15 über getrennte Signalleitungen in der Elektronik 14 aufbereitet. Dabei werden die Amplitudensignale a₁, a₂ des Biegegebers 15 und die des Ausgangssignals des Piezofilms 13 in der Elektronik miteinander verglichen. Aus einem über die Zeit gemittelten Verhältnis beider Größen wird als Ausgangssignal A der Elektronik eine Abschätzung für die auf den Fahrzeugsitz 1 lastenden Masse M ermittelt und an eine nicht weiter dargestellte Airbag-Steuervorrichtung zur Einstellung einer jeweiligen Auslösestufe weitergeleitet. Diese Abschätzung A kann zur Unterscheidung zwischen einem auf dem Fahrzeugsitz 1 angeordneten Kindersitz, einer 5%-Frau oder einer normalen erwachsenen Person verwendet werden. In nach dem Stand der Technik bekannter Art und Weise kann nachfolgend die Airbag-Steuerung dann aus Unfallschwere, Unfallrichtung und der so abgeschätzten Personenklasse die Airbagauslösung bewirken, so dass zwischen einer elektronischen Airbagabschaltung, einer 50%- und einer 100%-Auslösung wählbar ist.
Da die Anordnung des Piezofilms 13 von einer mechanischen Auslegung als mindestens ein Kunststoffstreifen mit entsprechenden elektrischen Anschlüssen sowie Integration in die Polsterschichten 9, 10, 11 des Fahrzeugsitzes 1 in denen der bekannten Kontaktfolienmatten ähnlich und auch einem Einbau von gelgefüllten Sitzmatten vergleichbar. Damit ist eine Integration eines oder mehrerer Piezofilm-Elemente auch in bestehende Prozesse zur Herstellung von Fahrzeugsitzen vergleichsweise einfach realisierbar. Zudem sind die in vorstehend beschriebener Weise verwendeten Piezofilm-Elemente insbesondere aus dem Material PVDF bereits kommerziell erhältlich, oder sie können unter Formanpassung auf die vorliegenden Einsatzfälle vergleichsweise preiswert angepasst werden. Ferner handelt es sich bei dem Material PVDF um ein langzeitstabiles Kunststoffmaterial, das sich mit einem Schmelzpunkt von ca. 160°C und ausreichender chemischer sowie mechanischer Beständigkeit allgemein für einen Einsatz in Automobilen eig net. Zudem liefern PVDF-Folien ausreichend hohe Ausgangsspannungen, so dass die entsprechenden Ausgangssignale leicht übertragen und ausgewertet werden können.
PVDF-Folien sind relativ steif, aber biegelastisch. Damit ist auch im praktischen Einsatz in einer Sitzfläche 5 eines Fahrzeugssitzes 1 kein Verrutschen einer PVDF-Folie zu erwarten, so dass eine Integration derartiger piezo-elektrische Elemente 13 in die Polsterung 9, 10, 11 einer Sitzfläche 5 zur Ermittlung einer Gewichtsklasse einer auf die Sitzfläche 5 einwirkenden Belastung G problemlos möglich ist.

1: Fahrzeugssitz/Sitzplatz
2: Vorrichtung zur Sitzbelegungserkennung
4: Rahmen
5: Sitzfläche
6: Rückenlehne
7: Verstell-Mechanik
9: Schaumstoff-Unterpolster
10: Oberpolster
11: Sitzbezug
13: piezo-elektrisches Element
14: Elektronik/Auswerte-Einrichtung
15: seismischer Biegegeber
17: Piezoelement
18: freies Ende
19: Masse/Gewicht
a₁: Ausgangssignal von 13
a₂: Ausgangssignal von 15
A: Ausgangssignal von 14
G: Gewichtskraft
y: Hochachse

Claims

Vorrichtung zur Sitzbelegungserkennung durch eine Gewichtsabschätzung, die in einem Sitzplatz integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Sitzfläche des Sitzplatzes (1) mindestens ein piezo-elektrisches Element (13) integriert ist, das unter Belastung durch einen auf der Sitzfläche (5) sitzenden Insassen in Abhängigkeit eines jeweiligen Gewichtes (G) unterschiedlich stark auf Biegung beansprucht ist und das mindestens eine piezo-elektrische Element (13) mit einer Auswerte-Einrichtung (14) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezo-elektrische Element (13) flächig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezo-elektrische Element (13) als Piezofilm oder Piezofolie ausgebildet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das piezo-elektrische Element (13) aus Polyvinylidenfluorid bzw. PVDF besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezo-elektrische Element (13) unter dem Sitzbezug (11) einer Sitzfläche (5) des Sitzplatzes (1), jedoch über einer eigentlichen Polsterung (9) des Sitzes (1), so angeordnet ist, dass es bei Deformation des Polstermaterials (10, 11) unter dem Gewicht (G) eines Insassen entsprechend gebogen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein seismisches Element und insbesondere ein Biegegeber (15) zur messtechnischer Berücksichtigung von Beschleunigungen des Kraftfahrzeuges selber und insbesondere von um die Hochachse (y) des Kraftfahrzeuges wirkenden Beschleunigungen vorgesehen ist, der mit der Auswerte-Einrichtung (14) separat verbunden ist.
Verfahren zur Sitzbelegungserkennung, bei dem eine Abschätzung einer auf einen Sitzplatz einwirkenden Gewichtskraft (G) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch Gewichtsbelastung bewirkte Verbiegung mindestens eines in einer Sitzfläche (5) des Sitzplatzes (1) integrierten piezo-elektrischen Elementes (13) aufgenommen, an eine Elektronik (14) weitergeleitet und zur Ermittlung einer Größenabschätzung (A) ausgewertet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beschleunigungen um die Hochachse (y) des Kraftfahrzeuges hervorgerufene Messabweichungen dadurch berücksichtigt werden, dass diese Hochachsen-Beschleunigungen von einem seismischen Element und insbesondere einem Biegegeber (15) separat aufgenommen, aufbereitet und mit einer Ausgangsamplitude (a₁) des in der Sitzfläche (5) integrierten piezo-elektrischen Elements (13) verglichen werden.