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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer
Sitzposition eines Insassen in einem Fahrzeug aufgrund einer Betätigung
eines Bedienelements des Fahrzeugs, ein entsprechendes Bedienelement
sowie ein Bediensystem mit einem derartigen Bedienelement. Die Erfindung
betrifft insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein Insasse,
welcher das Bedienelement betätigt, auf einem Fahrersitz
oder einem Beifahrersitz des Fahrzeugs sitzt.
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In
modernen Fahrzeugen, wie z. B. Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen,
werden zunehmend mehr technische Systeme verwendet, die den Fahrer
beim Führen des Fahrzeugs unterstützen oder den
Insassen des Fahrzeugs ein komfortables und sicheres Reisen ermöglichen.
Viele dieser Systeme benötigen Bedienelemente zur Einstellung
und Konfiguration der Systeme. Dadurch steigt die Anzahl der Bedienelemente
in einem Fahrzeug rapide an. Es gibt eine Vielzahl von Gründen,
die Anzahl der Bedienelemente in einem Fahrzeug auf ein Minimum zu
reduzieren. Gerade in der Serienfertigung bedeutet jedes verbaute
Teil Kosten. Schon eine Einsparung im Centbereich eines Einzelteils
wirkt sich bei der Herstellung eines Massenprodukts aus. Weiterhin
gilt es, die steigende Anzahl im Fahrzeug verbauter Komponenten
bedienbar zu machen, ohne Einbußen bei Übersicht,
Bedienkomfort und Design in Kauf nehmen zu müssen. Eine
große Anzahl an Bedienelementen im Cockpit des Fahrzeugs
verschlechtert die Übersichtlichkeit. Dies führt
zu Komforteinbußen und es ist daher notwendig, die Anzahl
der im Fahrzeug vorhandenen Bedienelemente zu reduzieren.
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Eine
Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen ist, redundante Bedienelemente
im Fahrzeug zu vermeiden. Bei modernen Fahrzeugen gibt es viele
Systeme, welche für Fahrer und Beifahrer zur Verfügung stehen
und an denen sich für beide Insassen getrennt spezifische
Einstellungen vornehmen lassen. Dies betrifft beispielsweise eine
Sitzheizung, eine Sitzverstellung, Fensterheber sowie eine Einstellung einer
so genannten Zweizonenklimaanlage, welche eine individuelle Einstellung
für die Fahrer- und Beifahrerseite bereitstellt. Für
jede dieser Bedienelemente sind üblicherweise eigene Bedieneinheiten
für Fahrer und Beifahrer vorgesehen. Die zwei Bedieneinheiten
für Fahrer und Beifahrer könnten jedoch durch
eine ge meinsame Bedieneinheit ersetzt werden, wenn beim Bedienen
der Bedieneinheit festgestellt wird, ob der Fahrer oder der Beifahrer
das Bedienelement betätigt.
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In
dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, um zu
unterscheiden, ob ein Bedienelement von dem Fahrer des Fahrzeugs
oder dem Beifahrer des Fahrzeugs betätigt wird.
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Die
DE 43 01 160 A1 offenbart
eine Einrichtung, bei welcher im Fahrersitz und im Beifahrersitz und
in dem Bedienelement elektrische Koppelelemente vorgesehen sind,
die bei Berührung des Bedienelements über die
auf dem jeweiligen Sitz befindliche Person einen Weg für
ein Signal bilden, welches einer Auswerteschaltung zuführbar
ist und welches anzeigt, welche Person das Bedienelement berührt. Derartige
Einrichtungen werden jedoch von vielen Fahrzeugbenutzern als kritisch
angesehen, da Fahrer und Beifahrer kontinuierlich einem elektromagnetischen
Feld ausgesetzt sind. Darüber hinaus kann eine derartige
Einrichtung durch elektromagnetische Strahlungen von in dem Fahrzeug
verbauten Komponenten gestört werden und ermöglicht
keine zweifelsfreie Erkennung, wenn sich Fahrer und Beifahrer zum Zeitpunkt
der Bedienung berühren.
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Die
DE 10 2007 031 377
A1 offenbart ein Bediensystem zur Erfassung nutzerbezogener
Eingaben. Gemäß einer Ausführungsform
umfasst das Bediensystem eine Nutzeridentifizierungseinrichtung, die
eine berührungslos messende 3D-Positionsbestimmungseinheit
ist. Bei Verwendung einer solchen Nutzeridentifizierungseinrichtung
ist es beispielsweise möglich, zuverlässig zeitlich
voneinander getrennt vorgenommene Betätigungen des Bedienelements zu
unterscheiden. So können beispielsweise optische Sensoren
eine Nutzeridentifizierung anhand einer Annäherungsrichtung
des jeweiligen Betätigungselements vornehmen. Hierzu umfassen
solche Systeme mehrere optische Sensoren, mit deren Hilfe eine Triangulation
zur Ermittlung der Position des Betätigungselements ausführbar
ist. Derartige Systeme fordern jedoch eine Vielzahl kostspieliger
Sensoren, insbesondere optischer Sensoren oder Ultraschallsensoren,
was zu einer Erhöhung der Gesamtkosten des Fahrzeugs führt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges
Verfahren bereitzustellen, welches eine Unterscheidung ermöglicht,
ob ein Bedienelement von einem Fahrer des Fahrzeugs oder einem Beifahrer
des Fahrzeugs betätigt wird. Aufgabe der Erfindung ist
es weiterhin, dass bei dem Verfahren kein elektrisches Signal durch
den Körper des Benutzer geleitet wird, welches von dem
Benutzer als schädlich erachtet werden könnte.
Darüber hinaus sollte das Verfahren kostengünstig
realisierbar sein und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben durch ein Verfahren
zum Bestimmen einer Sitzposition eines Insassen in einem Fahrzeug nach
Anspruch 1, ein Bedienelement für ein Fahrzeug nach Anspruch
12, ein Bediensystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 14
und ein Fahrzeug nach Anspruch 16 gelöst. Die abhängigen
Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Sitzposition
eines Insassen in einem Fahrzeug bereitgestellt. Bei dem Verfahren
wird eine Annäherungsinformation einer Annäherung
eines Körperteils des Insassen an ein Bedienelement des
Fahrzeugs erfasst. In Abhängigkeit dieser Annäherungsinformation
wird dann automatisch die Sitzposition desjenigen Insassen, welcher
sich dem Bedienelement nähert, bestimmt. Die Sitzposition
des Insassen in dem Fahrzeug kann beispielsweise eine Position auf
einem rechten Vordersitz oder eine Position auf einem linken Vordersitz des
Fahrzeugs umfassen. Das Bestimmen der Sitzposition des Insassen
in dem Fahrzeug kann daher ein Unterscheiden umfassen, ob der Insasse
auf dem rechten Vordersitz oder dem linken Vordersitz des Fahrzeugs
sitzt. Somit ermöglicht das Verfahren eine einfache Unterscheidung,
ob das Bedienelement von dem Fahrer des Fahrzeugs oder dem Beifahrer
des Fahrzeugs betätigt wurde. Dementsprechend kann eine
Bedienfunktion, welche für Fahrer und Beifahrer individuell
einstellbar ist, wie z. B. eine Heizungseinstellung oder eine Sitzeinstellung,
mit dem Bedienelement in Abhängigkeit der bestimmten Sitzposition verändert
werden. Dadurch kann die Anzahl der Bedienelemente in einem Fahrzeug
verringert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform umfasst die Annäherungsinformation
eine Richtungsinformation, welche die Richtung angibt, aus der sich
das Körperteil an das Bedienelement annähert.
Die Richtungsinformation kann beispielsweise anzeigen, ob sich das Körperteil
aus Richtung der Beifahrerseite des Fahrzeuges annähert
oder nicht. Die Annäherungsinformation kann beispielsweise
mit Hilfe eines oder mehrerer kapazitiver Sensoren an dem Bedienelement erfasst
werden. Wird eine Annäherung des Körperteils aus
Richtung der Beifahrerseite erkannt, so wird aufgrund einer Betätigung
des Bedienelements eine Einstellung einer Einstellfunktion für
die Beifahrerseite des Fahrzeugs durchgeführt. Wird hingegen
keine Annäherung des Körperteils aus Richtung
der Beifahrerseite erkannt, so wird aufgrund einer Betätigung
des Bedienelements eine Einstellung einer Einstellfunktion für
die Fahrerseite des Fahrzeugs durchgeführt. Dadurch kann
eine zuverlässige Zuordnung der Betätigung des
Bedienelements zu entweder dem Fahrer oder dem Beifahrer durchgeführt werden.
Da die Annäherungsinformation mit Hilfe eines kapazitiven
Sensors an dem Bedienelement erfasst wird, ist es nicht notwendig,
dass ein Signal durch den Körper der Bedienperson geleitet wird. Dies
führt zu einer Erhöhung der Akzeptanz eines derartigen
Systems durch den Benutzer und Käufer des Fahrzeugs. Eine
Einwirkung eines kapazitiven Signals von dem kapazitiven Sensor
auf das Körperteil des Insassen betrifft nur einen sehr
kleinen Teil des Körpers des Insassen, wie z. B. die Finger
oder die Hand, und wirkt auch nur für eine sehr kurze Zeit während
der Bedienung des Bedienelements auf der Insassen ein. Daher werden
derartige kapazitive Sensoren von Benutzer im Allgemeinen als unschädlich
eingestuft und besitzen eine hohe Akzeptanz, wie beispielsweise
die Verbreitung von Mobiletelefonen mit berührungssensitiven
Oberflächen, wie z. B. Touchscreens, zeigt.
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Gemäß einer
Ausführungsform umfasst das Bedienelement einen zylinderförmigen
Drehsteller und beim Erfassen der Annäherungsinformation
wird ein Griffmuster an dem zylinderförmigen Drehsteller erfasst,
wobei das Griffmuster eine Berührung oder Annäherung
mehrerer Finger des Insassen an einen Umfang des Drehstellers darstellt.
Aufgrund der Sitzposition eines Insassen in dem Fahrzeug wird ein
an einer vorgegebenen Position des Fahrzeugs angeordneter Drehsteller
von einem Insassen üblicherweise mit entweder der rechten
oder linken Hand betätigt. Ein Drehsteller, welcher beispielsweise
in der Mittelkonsole angeordnet ist, wird üblicherweise
von einem Fahrer des Fahrzeugs, welcher auf der linken Seite des
Fahrzeugs sitzt, mit der rechten Hand betätigt, wohingegen
derselbe Drehsteller von einem Beifahrer, welcher auf der rechten
Seite des Fahrzeugs sitzt, üblicherweise mit der linken
Hand betätigt wird. Aufgrund der Betätigung mit
der rechten oder linken Hand ergeben sich unterschiedliche Griffmuster
bei der Berührung oder Annäherung der Finger des
Insassen an den Drehsteller. Somit kann auf einfache Art und Weise
durch Untersuchen des Griffmusters die Sitzposition desjenigen Insassen,
welcher sich dem Bedienelement nähert, bestimmt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform kann die Auswertung des erfassten Griffmusters
mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzes durchgeführt werden.
Bei Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzes zur
Auswertung des Griffmusters können beispielsweise eine
Vielzahl von Griffmustern, welche bei Testreihen mit Testpersonen
aufgezeichnet wurden, verwendet werden, um das neuronale Netz anzulernen.
Dadurch ist es auf einfache Art und Weise möglich, eine
Vielzahl von unterschiedlichen Griffmustern von unterschiedlichen
Personen richtig zu klassifizieren.
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Das
Griffmuster kann beispielsweise mit Hilfe mehrerer kapazitiver Sensoren
erfasst werden, welche parallel zu dem Umfang des zylinderförmigen Drehstellers
in Längsrichtung, d. h. in Richtung der Zylinderachse,
des Drehstellers innerhalb des Drehstellers angeordnet sind. Dadurch
ergeben sich besonders charakteristische Sensorwerte, wenn ein Benutzer
den Drehsteller mit mehreren Fingern der rechten oder der linken
Hand berührt. Durch Anordnen der kapazitiven Sensoren innerhalb
des Drehstellers sind die Sensoren vor einer direkten Berührung
geschützt, wodurch eine Verschmutzung der Sensoren vermieden
werden kann und somit die Zuverlässigkeit der Sensoren
erhöht wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform werden mehrere zeitlich aufeinanderfolgende
Griffmuster bestimmt und eine Drehung des Drehstellers in Abhängigkeit
der mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Griffmuster bestimmt.
Durch Analyse mehrerer aufeinanderfolgender Griffmuster kann einerseits die
Zuverlässigkeit einer Unterscheidung der rechten und linken
Hand erhöht werden und andererseits eine Drehung des Drehstellers
erfasst werden, ohne dass zusätzliche Sensoren zur Erfassung
der Drehung des Drehstellers benötigt werden. Dadurch können
die Kosten für den Drehsteller weiter verringert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Bestimmen
einer Sitzbelegung des Fahrzeugs, beispielsweise mit Hilfe von Sitzbelegungssensoren,
welche üblicherweise im Zusammenhang mit Airbagvorrichtungen
ohnehin in den Sitzen verbaut sind. Das Bestimmen der Sitzposition
desjenigen Insassen, welcher sich dem Bedienelement nähert,
wird dann zusätzlich in Abhängigkeit der Sitzbelegung
durchgeführt. Ist beispielsweise der Beifahrersitz nicht
belegt, so kann unabhängig von der erfassten Annäherungsinformation
grundsätzlich bestimmt werden, dass eine Betätigung
des Bedienelements durch den Fahrer des Fahrzeugs erfolgt. Dadurch
kann die Zuverlässigkeit des gesamten Verfahrens erhöht
werden.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Bedienelement für
ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Bedienelement umfasst einen Sensor
zum Erfassen einer Annäherungsinformation einer Annäherung
eines Körperteils eines Insassen an das Bedienelement und
eine Verarbeitungseinheit, welche mit dem Sensor gekoppelt ist.
Die Verarbeitungseinheit bestimmt im Betrieb eine Sitzposition desjenigen Insassen,
welcher sich dem Bedienelement nähert, in Abhängigkeit
der Annäherungsinformation des Sensors. Das Bedienelement
kann somit beispielsweise eine Einstellfunktion, welcher individuell
für die Fahrer- und Beifahrerseite einstellbar ist, in
Abhängigkeit der erfassten Sitzposition desjenigen Insassen,
welcher sich dem Bedienelement nähert, einstellen. Dadurch
kann die Anzahl von Bedienelementen im Fahrzeug verringert werden.
Darüber hinaus kann das Bedienelement zur Durchführung
des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet sein.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Bediensystem für
ein Fahrzeug mit dem zuvor beschriebenen Bedienelement bereitgestellt.
Bei dem Bediensystem werden Ein stellfunktionen des Bediensystems
in Abhängigkeit der Sitzposition desjenigen Insassen, welcher
das Bedienelement betätigt, und einer Betätigung
des Bedienelements eingestellt. Die Einstellfunktion des Bediensystems
kann eine für Fahrer- und Beifahrerseite individuell einstellbare
Einstellfunktion einer Klimaanlage, einer Sitzverstellung, einer
Sitzheizung oder eines Fensterhebers des Fahrzeugs umfassen. Ein
derartiges Bediensystem benötigt daher weniger Bedienelemente
und trägt daher zu einer Verbesserung der Übersichtlichkeit
des Fahrzeuginneren bei.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert.
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1 zeigt verschiedene Griffmuster, wie
sie bei einer Betätigung eines Bedienelements gemäß der
vorliegenden Erfindung auftreten.
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2 zeigt einen kapazitiven Sensor gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine Anordnung mehrerer kapazitiver Sensoren an einem Bedienelement
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
ein Bedienelement gemäß der vorliegenden Erfindung
mit mehreren kapazitiven Sensoren.
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5 zeigt
eine Trägerplatine für ein Bedienelement gemäß der
vorliegenden Erfindung mit kapazitiven Sensoren.
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6 zeigt
eine weitere Trägerplatine für ein Bedienelement
gemäß der vorliegenden Erfindung mit kapazitiven
Sensoren.
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7 zeigt
eine Struktur eines künstlichen neuronalen Netzes gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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8 zeigt
Ergebnisse von Testreihen mit Bedienelementen gemäß der
vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Anzahlen von Sensoren und
verschiedenen Netztopologien des neuronalen Netzes.
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9 zeigt
schematisch ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Bestimmen einer Sitzposition eines Insassen.
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10 zeigt
ein Ablaufdiagramm zum Bestimmen einer Sitzposition eines Insassen
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Bestimmen
einer Sitzposition eines Insassen in einem Fahrzeug beschrieben.
Bei dem Verfahren wird unterschieden, ob der Insasse auf einer Fahrerseite
des Fahrzeugs oder auf einer Beifahrerseite des Fahrzeugs sitzt.
Bei der vorliegenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass sich
die Fahrerseite des Fahrzeugs auf der linken Seite des Fahrzeugs
befindet und die Beifahrerseite des Fahrzeugs auf der rechten Seite
des Fahrzeugs befindet. Bei Fahrzeugen mit Rechtssteuerung gilt entsprechendes
spiegelverkehrt. Die Sitzposition des Insassen in dem Fahrzeug wird
während einer Bedienung eines Bedienelements bestimmt.
In Abhängigkeit davon, ob das Bedienelement von einem Insassen
auf dem Fahrersitz oder dem Beifahrersitz betätigt wurde,
wird dann eine entsprechende Einstellfunktion für die Fahrerseite
oder für die Beifahrerseite mit Hilfe des Bedienelements
eingestellt. Die Einstellfunktion kann beispielsweise eine Einstellung
einer Temperatur einer Klima- oder Heizungsanlage des Fahrzeugs
umfassen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das
Bedienelement ein zylinderförmiges Bedienelement, wie z.
B. ein Drehsteller, welcher beispielsweise in einer Mittelkonsole
des Fahrzeugs angeordnet ist. Ein derartiger Drehsteller in der
Mittelkonsole des Fahrzeugs wird üblicherweise von einem
Fahrer des Fahrzeugs mit der rechten Hand betätigt und üblicherweise
von einem Beifahrer des Fahrzeugs mit der linken Hand betätigt.
Dementsprechend ergeben sich unterschiedliche Griffmuster bei der
Berührung des Drehstellers von einem Fahrer oder Beifahrer
des Fahrzeugs.
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1a zeigt
die Griffmuster, wenn ein Drehsteller 1 mit einer linken
Hand bzw. einer rechten Hand betätigt wird, wobei der Drehsteller 1 in
dem in 1a gezeigten Beispiel mit allen
fünf Fingern der jeweiligen Hand berührt wird.
Die Berührpositionen der einzelnen Finger sind in 1a dargestellt,
wobei D die Position des Daumens, Z die Position des Zeigefingers,
M die Position des Mittelfingers, R die Position des Ringfingers
und K die Position des kleinen Fingers bezeichnet. Bei der Berührung
des Drehstellers 1 mit allen fünf Fingern kann
somit, wie aus 1a ersichtlich ist, anhand des
Griffmusters eine Unterscheidung zwischen linker Hand und rechter Hand
durchgeführt werden, da sich die unterschiedlichen Griffmuster
von linker Hand und rechter Hand durch die Position des Daumens
deutlich unterscheiden.
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1b zeigt
den Drehsteller 1, welcher von einer linken Hand bzw. einer
rechten Hand betätigt wird, wobei jedoch jeweils nur der
Daumen D, der Zeigefinger Z und der Mittelfinger M zur Betätigung verwendet
werden. Auch in dem in 1b gezeigten Beispiel ist eine
eindeu tige Unterscheidung zwischen linker Hand und rechter Hand
aufgrund der Position des Daumens gegenüber dem Zeigefinger
und dem Mittelfinger zuverlässig möglich.
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1c zeigt
eine Bedienung des Drehstellers 1 mit nur zwei Fingern,
dem Daumen und dem Zeigefinger. In diesem Fall ist keine eindeutige
Unterscheidung zwischen linker Hand und rechter Hand anhand des
Griffmusters möglich, da der Abstand zwischen den Fingern
ungefähr gleich ist und diese sich gegenüber liegen.
Für diesen Fall sind daher weitere Informationen notwendig,
um die Sitzposition des Insassen, welcher den Drehsteller 1 betätigt,
bestimmen zu können. Dies wird später im Zusammenhang
mit 5 und 6 beschrieben werden.
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Zur
Bestimmung des Griffmusters, wie es bei einer Betätigung
des Drehstellers 1 auftritt, sind beispielsweise kapazitive
Sensoren geeignet. In 2 ist schematisch
die Arbeitsweise derartiger kapazitiver Sensoren dargestellt. Ein
kapazitiver Sensor basiert auf einer Veränderung eines
elektrischen Feldes am Sensor. Der Sensor besteht beispielsweise
aus einer Kupferfläche oder Sensorfläche 2,
welche von einer Massefläche 3 umgeben ist. Die
Feldlinien zwischen der Sensorfläche 2 und der
Massefläche 3 sind bestrebt, sich immer entlang
des Weges mit dem geringsten Widerstand auszubreiten. Im Falle eines Sensor
im Ruhezustand schließen sie sich zur nächstgelegenen
Massefläche, wie in 2a gezeigt.
Daraus ergibt sich eine Grundkapazität des Sensors. Gelangt
nun ein Objekt, wie z. B. ein menschlicher Finger, in die Nähe
des Sensors, verformt sich das elektrische Feld und die Kapazität
verändert sich. 2b zeigt
den geänderten Verlauf der elektrischen Feldlinien zwischen
der Kupferfläche 2 und den Masseflächen 3 wenn
ein Finger 4 in die Nähe der Kupferfläche 2 geführt
wird. Aufgrund der Veränderung des Dielektrikums zwischen
der Kupferfläche 2 und der Massefläche 3 verformt
sich das elektrische Feld und somit eine gemessene Kapazität
an der Kupferfläche 2. Da der menschliche Körper zu
einem Großteil aus Wasser besteht, erhöht sich die
Dielektrizitätszahl und damit die Kapazität. Die Different
zwischen der Kapazität im Ruhezustand und der Kapazität
bei Annäherung kann ausgewertet werden, um eine Annäherung
eines Körperteils, wie z. B. eines Fingers, zu erfassen.
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Um
die Griffmuster beim Betätigen des Drehstellers, wie in 1 gezeigt, zu erfassen, kann beispielsweise
eine Sensormatrix unterhalb des Drehstellers 1 in einer
Ebene senkrecht zur Drehachse des Drehstellers angeordnet werden. 3 zeigt eine
derartige Anordnung von oben mit dem Drehsteller 1 und
64 kapazitiven Sensoren 5, welche in einer Matrixanordnung
von 8×8 Sensoren unterhalb des Drehstellers 1 beispielsweise
auf einer Halteplatte des Drehstellers 1 angebracht sind.
Bei einer Betätigung des Drehstellers 1 oder einer
Annäherung an den Drehsteller 1 wird ein Griffmuster
der Finger 4, welche dem Drehsteller angenä hert
werden, erfasst. Anhand des so erfassten Griffmusters kann dann
bestimmt werden, ob es sich um eine rechte Hand oder linke Hand
handelt und daraus die Sitzposition der bedienenden Person abgeleitet
werden. Die in 3 gezeigte Ausführungsform
der kapazitiven Sensoren zur Erfassung einer Annäherung
oder Berührung des Drehstellers 1 ist auch für
anders geformte Bedienelemente, wie z. B. Schieber oder Joystick-ähnliche
Bedienelemente, geeignet, welche üblicherweise mit mehreren
Fingern gleichzeitig betätigt werden. Die in 3 gezeigte
Ausführungsform erfordert jedoch eine hohe Anzahl von kapazitiven
Sensoren, um eine ausreichend hohe Auflösung bei der Erfassung
des Griffmusters bereitzustellen. Für den speziellen Fall
eines Drehstellers zeigt 4 eine weitere Ausführungsform,
welche eine erheblich geringere Anzahl von kapazitiven Sensoren
benötigt.
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4 zeigt
einen Drehsteller 1, welcher an einer Trägerplatine 6 angebracht
ist. Der Drehsteller 1 umfasst einen Kunststoffdom 7,
eine Abdeckkappe 8 und mehrere streifenförmige
Kupferflächen 9, welche als kapazitive Sensoren
dienen. Der Kunststoffdom 7 ist an der Trägerplatine 6 angebracht
und an einem Außenumfang des Kunststoffdoms 7 sind
die Kupferstreifen 9 in Längsrichtung, d. h. in
axialer Richtung des Kunststoffdoms 7, angebracht. Die
einzelnen Kupferstreifen 9 sind entlang der Umfangsfläche
des Kunststoffdoms 7 äquidistant angebracht. In dem
in 4 gezeigten Beispiel sind 20 Kupferstreifen 9 angebracht.
In der Mitte des Kunststoffdoms 7 befindet sich eine drehbare
Achse 10, die als Aufnahme für die transparente
darüberliegende Abdeckkappe 8 dient. Die Abdeckkappe 8 dient
dem Schutz der Kupferstreifen bzw. Sensoren 9 vor mechanischer Beschädigung
und dem Nutzer als haptisches Element. Um den Verkabelungsaufwand
gering zu halten werden alle Sensoren 9 über kurze
Leiterbahnen mit einem auf der Trägerplatine 6 angebrachten
Verarbeitungschip direkt verbunden. Dies hat den Vorteil, dass durch
die kurze Leiterbahnlänge die Gefahr von Störeinstrahlungen
sinkt. Damit außer dem Griffmuster auch eine Drehrichtung
und ein Drehwinkel der Abdeckkappe 8 bestimmt werden können,
besitzt die Achse 10 im Kunststoffdom 7 eine Aufnahme
für einen Drehencoder, welcher in der 4 jedoch
nicht gezeigt ist. Somit können Griffmuster, wie in 1 dargestellt, mit Hilfe der Sensoren 9 erfasst
werden, wenn ein Benutzer die Abdeckkappe 8 berührt
und dreht. Mit Hilfe der so erfassten Griffmuster kann unterschieden
werden, ob der Drehsteller 1 von einer rechten oder von
einer linken Hand betätigt wird und daraus kann wiederum
eine Sitzposition des Insassen, welcher den Drehsteller 1 betätigt,
bestimmt werden.
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Wie
im Zusammenhang mit 1c bereits erwähnt
wurde, ist es nicht immer möglich, anhand des Griffmusters
eindeutig zu bestimmen, ob der Drehsteller 1 mit einer
rechten oder mit einer linken Hand betätigt wird. Um auch
in diesem Fall bestimmen zu können, welcher Insasse den
Drehsteller 1 betätigt hat, werden weitere Annäherungssensoren auf
der Trägerplatine 6 angebracht, wie in 5 und 6 gezeigt
ist.
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5 zeigt
eine Ausführungsform einer Trägerplatine 6,
an welcher in der Öffnung 11 beispielsweise der
in 4 gezeigte Drehsteller 1 angebracht werden
kann oder durch welche der in 4 gezeigte
Drehsteller 1 hindurchragt. Auf der Trägerplatine 6 sind
weitere Kupferstreifen als kapazitive Näherungssensoren 13–18 angebracht.
Die L-förmigen Sensoren 17, 18 auf der
linken und rechten Seite sind Näherungssensoren, die die
Annäherungsrichtung eines Armes des Benutzers erfassen.
Mit Hilfe der L-Form kann mit wenigen Sensoren die Annäherungsrichtung
sehr genau bestimmt werden. Bei Annäherung von links reagiert
nur der linke Sensor 18 und bei Annäherung von
rechts reagiert nur der rechte Sensor 17. Nähert
sich der Bediener von unten, also beispielsweise von der Mittelarmlehne,
liefern beide Sensoren 17, 18 ungefähr
gleich starke Signale. Mit Hilfe der vier kleineren Näherungssensoren 13–16 werden
der Handballen und die Finger des Bedieners erfasst.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer Trägerplatine 6 zur
Bestimmung der Annäherung eines Bedieners an einen Drehsteller,
welcher beispielsweise durch die Öffnung 11 der
Trägerplatine 6 ragt. Die Funktionsweise der Sensoren 13–16 entspricht
der der Sensoren 13–16 in der 5.
Um eine Richtcharakteristik der Sensoren 17 und 18 zu verbessern
ist die Geometrie der Sensoren 17 und 18, wie
in 6 gezeigt, geändert. Um zu vermeiden, dass,
wenn sich der Fahrer frontal dem Drehsteller nähert, der
falsche, also der rechte, Näherungssensor 17 durch
den Handballen bzw. durch abgespreizte Finger betätigt
wird, ist die Empfindlichkeit des linken Näherungssensors 18 erhöht,
indem dieser vergrößert und weiter in die rechte
Seite eingezogen ist. Gleichzeitig ist der rechte Näherungssensor
verkleinert. Durch die Asymmetrie wird der rechte Näherungssensor
nur dann aktiviert, wenn die bedienende Hand tatsächlich
von rechts kommt. Da es in vielen Fällen ausreichend ist,
festzustellen, ob eine Annäherung von rechts erfolgt oder
nicht, kann der in 6 gezeigte linke Näherungssensor 18 auch
vollständig entfallen. Um die Richtcharakteristik des rechten
Näherungssensors 17 schärfer zur linken Seite
hin abzugrenzen, kann zusätzlich eine Massefläche
zwischen dem rechten Näherungssensor 17 und dem
Sensor 16 eingefügt werden.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform können
beide Näherungssensoren 17, 18 entfallen
und die Annäherungsrichtung des Bedieners mit Hilfe der
Sensoren 9 des Drehstellers 1 erfasst werden.
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Damit
anhand der Sensordaten des erfassten Griffsmuters eine Aussage über
die Sitzposition des Insassen, welcher sich dem Bedienelement nähert
oder es betätigt, getroffen werden kann, können die
Sensorwerte beispielsweise mit Hilfe eines so genannten künstlichen
neuronalen Netzes ausgewertet werden. Dazu wird geeignetes Netz
ausgewählt und erstellt. In einem Testbetrieb werden dann
Sensordaten zum Training des Netzes eingelesen und gespeichert.
Mit diesen Trainingsdaten kann dann das Netz angelernt werden. Ist
das Netz angelernt nimmt es im laufenden Betrieb des Drehstellers
die richtige Zuordnung vor.
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7 zeigt
ein Bespiel eines so genannten mehrschichtigen Feed-Forward-neuronalen
Netzes 22. Das Netz 22 umfasst eine Eingangsschicht
mit mehreren Eingangsknoten 19, eine oder mehrere so genannte
versteckte Schichten mit Knoten 20 und eine Ausgangsschicht
mit Ausgangsknoten 21. Jeder Eingangsknoten 19 ist
jeweils einem der Sensoren 9 des Drehstellers 1 zugeordnet
und nimmt die Sensorwerte des jeweiligen Sensors 9 auf.
Darüber hinaus können auch weitere Eingangsknoten
verwendet werden, welche den Sensoren 13–16 und/oder
den Sensoren 17 und 18 zugeordnet sind. Auf bekannte Art
und Weise werden die Sensorwerte dann in dem künstlichen
neuronalen Netz 22 verarbeitet und die Ausgangsknoten 21 zeigen
an, ob ein Griffmuster für eine rechte Hand oder ein Griffmuster
für eine linke Hand vorliegt. Für die Verarbeitung
der Sensordaten der Sensoren 9 und 13–18 sind
eine Vielzahl von künstlichen neuronalen Netzen geeignet,
beispielsweise einschichtige Netze, mehrschichtige Feed-Forward-Netze,
rekurrente Netze oder kompetitive Netze. Die Arbeitsweise der neuronalen
Netze wird üblicherweise mit Hilfe von Software, welche
auf einem Mikroprozessor abläuft, simuliert. Aufgrund der
einfachen Berechenbarkeit und hohen Leistungsfähigkeit haben
sich dabei mehrschichtige Feed-Forward-Netze als besonders geeignet
gezeigt. Künstliche neuronale Netze umfassen eine Vielzahl
von einstellbaren Parametern, welche beispielsweise im Rahmen eines
so genannten Trainings eingestellt werden. Dazu werden Trainingsdaten
an die Eingangsknoten 19 angelegt und das Ergebnis des
künstlichen neuronalen Netzes 22 an den Ausgangsknoten 21 bewertet. Bei
einer fehlerhaften Ausgabe an den Ausgangsknoten 21 werden
die Parameter des künstlichen neuronalen Netzes 22,
die so genannten Gewichte, angepasst. Bekannte Verfahren hierzu
sind die Deltaregel, das so genannte Back-Propagation-Verfahren
und das so genannte Competitive Learning. Bei mehrschichtigen Feed-Forward-Netzen
kann insbesondere das Back-Propagation-Verfahren aufgrund seiner
guten Konvergenzeigenschaften verwendet werden.
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8 zeigt
ein Diagramm der Fehlerrate für verschiedene Netztopologien
mit unterschiedlicher Sensor- und Testmusteranzahl. Es wurden unterschiedliche
künstliche neuronale Feed-Forward-Netze im Zusammenhang
mit einem Drehsteller 1 mit 20 Sensoren 9 und
einem Drehsteller 1 mit 24 Sensoren 9 untersucht.
Dabei wurden die Netze jeweils mit 2000 bzw. 4000 Testmustern, so
genannten Samples, trainiert. 8 zeigt
die Fehlerrate des trainierten Netzes. Es wurden acht verschiedene
Netztopologien 23–30 mit unterschiedlicher
Anzahl versteckter Schichten und unterschiedlicher Anzahl von Knoten
in den einzelnen versteckten Schichten untersucht. Netztopologie 23 ist
ein künstliches neuronales Netz ohne versteckte Schicht,
welches demzufolge nur die 20 bzw. 24 Eingangsknoten und einen Ausgangsknoten
umfasst, welcher anzeigt, ob das von den Sensoren erfasste Griffmuster
das Griffmuster einer rechten oder einer linken Hand ist. Die Netztopologie 23 wies
eine verhältnismäßig hohe Fehlerquote
von 15–20% auf und ist von daher für eine zuverlässige
Handerkennung ungeeignet. Netztopologie 24 umfasst eine
versteckte Schicht mit 60 Knoten, Netztopologie 25 eine
versteckte Schicht mit 80 Knoten, Netztopologie 26 eine
versteckte Schicht mit 140 Knoten, Netztopologie 27 zwei
versteckte Schichten mit einer ersten versteckten Schicht mit 80
Knoten und einer zweiten versteckten Schicht mit 60 Knoten, Netztopologie 28 umfasst
zwei versteckte Schichten mit einer ersten versteckten Schicht mit
80 Knoten und einer zweiten versteckten Schicht mit 140 Knoten,
Netztopologie 29 umfasst drei versteckte Schichten mit
einer ersten versteckten Schicht mit 80 Knoten, einer zweiten versteckten
Schicht mit 60 Knoten und einer dritten versteckten Schicht mit
weiteren 60 Knoten, und Netztopologie 30 umfasst drei versteckte
Schichten mit einer ersten versteckten Schicht mit 80 Knoten, einer
zweiten versteckten Schicht mit 140 Knoten und einer dritten versteckten
Schicht mit 80 Knoten. Eine akzeptable Fehlerquote von weniger als
1% wurde mit den Topologien 29 und 30 erreicht. Die
Topologie 30 erreichte jedoch gegenüber der Topologie 29 kaum
eine Verbesserung, erfordert jedoch aufgrund der erheblich größeren
Anzahl von Knoten in den versteckten Schichten erheblich mehr Rechenleistung.
Daher ist die Topologie 29 besonders geeignet, da sie sowohl
eine geringe Fehlerquote aufweist als auch verhältnismäßig
wenig Rechenleistung benötigt. Wie in 8 gezeigt,
konnte eine Verwendung von 24 Sensoren 9 keine deutliche
Verbesserung gegenüber der Verwendung von 20 Sensoren 9 an
dem Drehsteller 1 hervorrufen.
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Nachdem
nun im Zusammenhang mit den 1–8 die
Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Bestimmen einer Sitzposition eines Insassen, welcher sich einem
Bedienelement nähert oder es betätigt, im Detail
beschrieben wurde, wird nachfolgend im Zusammenhang mit 9 und 10 der
Ablauf des Verfahrens noch einmal zusammenfassend kurz dargestellt.
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In 9 ist
ein Drehsteller 1 schematisch gezeigt, welcher von einer
Bedienperson mit dem Daumen D, dem Zeigefinger Z und dem Mittelfinger
M betätigt wird. An dem Drehsteller 1 sind, wie
im Zusammenhang mit 4 beschrieben, mehrere kapazitive Näherungssensoren 9 angeordnet.
Ein Diagramm 24 zeigt die Messwerte der Sensoren. Auf der
X-Achse des Diagramms 24 sind die Sensoren 9 des
Drehstellers 1 und die Sensoren 13–16 der
Trägerplatine 6 als Sensoren 1–24 aufgetragen
und auf der Y-Achse jeweils der entsprechende Messwert der jeweiligen Sensoren
als ein Balkendiagramm aufgetragen. Im vorliegenden Beispiel, welches
in 9 im Diagramm 24 gezeigt ist, geben die
Sensoren 4, 5 und 6 aufgrund der Nähe
des Mittelfinger M jeweils einen Signalwert aus, die Sensoren 8, 9 und 10 jeweils
aufgrund der Annäherung des Zeigefingers Z jeweils einen
Signalwert aus und die Sensoren 15–17 jeweils aufgrund
der Annäherung des Daumens D einen Signalwert aus. Die
Sensorwerte werden in ein künstliches neuronales Netz 22,
wie es im Zusammenhang mit 7 beschrieben
wurde, eingegeben, und aufgrund der Ausgaben der Ausgangsknoten 21 wird
bestimmt, ob der Drehsteller 1 mit der rechten oder mit der
linken Hand betätigt wurde. Daraus wird bestimmt, ob der
Drehsteller 1 von dem Fahrer oder dem Beifahrer betätigt
wurde. Um dem Insassen zu signalisieren, ob der Fahrer oder der
Beifahrer als bedienende Person erkannt wurde, kann beispielsweise
der Drehsteller 1 in einer blauen Farbe für den Fahrer
und in einer roten Farbe für den Beifahrer beleuchtet werden.
Darüber hinaus kann das Ergebnis der Bestimmung an eine
weiterverarbeitende Einheit weitergegeben werden, welche in Abhängigkeit
der Bestimmung und einer Einstellung des Drehstellers 1 eine
Einstellfunktion des Fahrzeugs für eine Beifahrerseite
oder eine Fahrerseite des Fahrzeugs durchführt. So kann
beispielsweise eine Klimaanlageneinstellung, welche für
die Fahrer- und Beifahrerseite individuell einstellbar ist, mit
einem Drehsteller 1 eingestellt werden. Wird der Drehsteller 1 vom
Beifahrer betätigt, so wird eine Klimaeinstellung für
die Beifahrerseite vorgenommen. Wird der Drehsteller 1 hingegen
von dem Fahrer betätigt, so wird eine Klimaeinstellung
für die Beifahrerseite vorgenommen.
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10 zeigt
einen Ablaufplan zur Bestimmung einer Sitzposition eines Insassen,
welcher einen Drehsteller betätigt, wobei zur Bestimmung
der Sitzposition sowohl ein Griffmuster an dem Drehsteller ausgewertet
wird als auch eine Annäherung des Benutzers mit Hilfe des
Annäherungssensors 17, welcher im Zusammenhang
mit 6 beschrieben wurde, durchgeführt wird.
Zunächst werden in einem Block 25 Sensorwerte
der Sensoren 9 und 13–16, wie
sie im Zusammenhang mit den 4–6 beschrieben
wurden, eingelesen. Das Einlesen kann beispielsweise über
eine RS232-Schnittstelle erfolgen. Dann wird im Block 26 überprüft,
ob die Sensoren aktiv sind, d. h., ob die Sensoren signalisieren, dass
sich ein Körperteil in der Nähe der Sensoren befindet.
Ist keiner der Sensoren aktiv, so wird das Verfahren mit Block 25 fortgesetzt.
Ist mindestens einer der Sensoren aktiv, so wird das Verfahren mit
Block 27 fortgesetzt. Im Block 27 werden die erfassten
Sensorwerte in ein künstliches neuronales Netz (KNN) eingespeist,
wie es im Zusammenhang mit 7 beschrieben
wurde. Dann wird im Block 28 das Ergebnis des Ausgangsknotens
des künstlichen neuronalen Netzes bewertet. Üblicherweise
werden die Ausgangswerte der Knoten eines neuronalen Netzes auf einen
Bereich von 0–1 normiert und bei binären Entscheidungen,
wie im vorliegenden Fall (rechte Hand oder linke Hand), ein Schwellenwert
festgelegt, der eine Unterscheidung der beiden binären
Werte ermöglicht. Im vorliegenden Fall wird beispielsweise bei
einer Ausgabe von weniger als 0,5 bestimmt, dass eine rechte Hand
erkannt wurde, und bei einem Ausgangswert von größer
oder gleich 0,5 bestimmt, dass eine linke Hand erkannt wurde. Ist
der Ausgangswert daher kleiner als 0,5 so wird das Verfahren im
Block 29 fortgesetzt, wo bestimmt wird, dass eine rechte
Hand erkannt wurde. Da ein Bedienelement in der Mittelkonsole von
dem Fahrer üblicherweise nur mit der rechten Hand bedient
werden kann, von einem Beifahrer jedoch sowohl mit der rechten als
auch mit der linken Hand bedient werden kann, wird im Block 30 bestimmt,
ob der Näherungssensor 17 aktiv ist. Wenn der
Näherungssensor 17 aktiv ist erfolgt eine Annäherung
an den Drehsteller von der rechten Seite, d. h. also von der Beifahrerseite.
Ist der Näherungssensor 17 aktiv wird daher im
Block 31 bestimmt, dass das Bedienelement von dem Beifahrer
betätigt wird. Im Block 32 wird dementsprechend eine
rote Beleuchtung als Kennzeichnung für eine Betätigung
durch den Beifahrer eingeschaltet. Wurde dagegen im Block 30 erkannt,
dass der Näherungssensor 17 nicht aktiv ist, so
wird bestimmt, dass der Fahrer das Bedienelement betätigt
(Block 33). Dementsprechend wird im Block 34 eine
blaue Beleuchtung des Drehstellers als Kennzeichnung für
eine Betätigung durch den Fahrer eingeschaltet. Wurde im Block 28 ein
Ergebnis von größer oder gleich 0,5 als Wert des
Ausgangsknotens des künstlichen neuronalen Netzes bestimmt,
so wird bestimmt, dass das Bedienelement durch eine linke Hand betätigt
wurde (Block 35). Demzufolge wird bestimmt, dass das Bedienelement
von dem Beifahrer betätigt wurde und dementsprechend im
Block 32 eine rote Beleuchtung des Drehstellers eingeschaltet.
Abschließend wird im Block 36 die Beleuchtung
des Drehstellers ausgeschaltet, wenn festgestellt wird, dass die
Sensoren 9 und 13–18 inaktiv
sind. Danach wird das Verfahren mit Block 25 fortgesetzt.
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Weitere
Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die Sensoren 9 am
Drehsteller 1 asymmetrisch angebracht sind. Dadurch unterscheiden
sich die Griffmuster von Fahrer und Beifahrer stärker,
da z. B. beim Berühren mit der linken Hand mehr Sensoren
aktiviert werden könnten als im umgekehrten Fall. Darüber
hinaus kann die Anzahl der Sensoren und die Größe
im Drehsteller 1 variiert werden, um eine bessere Auflösung
zu erreichen. Weiterhin kann die Drehrichtung und ein Drehwinkel
des Drehstellers durch eine Auswertung einer Dynamik der Sensorwerte
der Sensoren 9 bestimmt werden, wodurch ein Drehencoder
in dem Drehsteller 1 entfallen kann, wodurch die Kosten
für den Drehsteller 1 verringert werden können.
Weiterhin kann die Bestimmung der Sitzposition des Insassen, welcher
den Drehsteller 1 betätigt, in Abhängigkeit
eines Sitzbelegungsschalters des Fahrzeugs erfolgen. Ist kein Beifahrer
anwesend wird der Fahrer als einziger Nutzer bestimmt. Außerdem
kann in diesem Fall das künstliche neuronale Netz weiter
trainiert werden, da, wenn kein Beifahrer anwesend ist, die richtige
Ausgabe des neuronalen Netzes vorgegeben ist. Erkennt das neu ronale
Netz in diesem Fall den Beifahrer, so ist klar, dass es sich um
eine Fehlinterpretation handelt und diese neue Information kann
in die Parametrierung des Netzes einfließen. Dadurch wird
die Zuverlässigkeit der Erkennung weiter verbessert.
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- 1
- Bedienelement,
Drehsteller
- 2
- Kupferfläche,
Sensorfläche
- 3
- Massefläche
- 4
- Finger
- 5
- Sensor,
Sensorfläche
- 6
- Trägerplatine
- 7
- Kunststoffdom
- 8
- Abdeckkappe
- 9
- Kupferstreifen,
Sensor
- 10
- Achse
- 11
- Öffnung
- 13–18
- Kupferstreifen,
Sensor
- 19
- Eingangsknoten
- 20
- Knoten
- 21
- Ausgangsknoten
- 22
- künstliches
neuronales Netz
- 23
- Netztopologie
- 24
- Diagramm
- 25–36
- Block
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4301160
A1 [0005]
- - DE 102007031377 A1 [0006]