DE102011083438A1

DE102011083438A1 - Sensoranordnung zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einem Untergrund

Info

Publication number: DE102011083438A1
Application number: DE102011083438A
Authority: DE
Inventors: Andreas Braun; Reiner Wichert; Pascal Hamisu
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: DE102011083438B4

Abstract

Sensoranordnung (100; 200; 300; 400) zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einem Untergrund (107; 110; 401, 402), wie beispielsweise stehend, sitzend, oder liegend, aufweisend – Elektroden (101a–101l, 102a–102l; 108a–108g, 109a–109i; 111a–111g, 112a–112g), die nebeneinander angeordnet sind und die so ausgestaltet sind, dass bei Annäherung einer Person an die Elektrode ein Signal erzeugt oder verändert wird, wobei eine Signalstärke des Signals vom Abstand der Hautoberfläche der Person zu der Elektrode abhängt, – eine Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung (103, 104), die dazu eingerichtet ist, a) die Signale zu erfassen, b) die Signalstärke der Signale mit einem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen, c) aus den Signalen einer Elektrode, deren Signalstärke über dem Schwellenwert liegt, oder aus den Signalen einer Folge benachbarter Elektroden, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, den Zustand der Person zu bestimmen, sowie Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einem Untergrund.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einer Fläche, wie beispielsweise stehend oder liegend, und wahlweise auch zur Bestimmung der Ortskoordinaten der Person auf der Fläche, sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einer Fläche und wahlweise ihrer Ortskoordinaten.
Für zahlreiche Anwendungsszenarien in intelligenten Umgebungen ist es wünschenswert, die aktuelle Position der agierenden Personen zu kennen. So kann über raumabhängige Beleuchtung Energie gespart oder über automatisch aktiviertes Licht die passive Sicherheit erhöht werden. System-Feedback kann ortsabhängig auf den dort zur Verfügung stehenden Ausgabegeräten ausgegeben werden. Ein zunehmendes Problem der älter werdenden Bevölkerung sind Stürze, welche ohne sofortige Hilfe gravierende Folgen haben können.
Aktuelle Methoden zur Personenlokalisierung mittels Druck-/Annäherungssensoren nutzen eine Vielzahl einzelner Sensoren die gleichmäßig auf der aktiven Oberfläche angebracht sind. Dies ist nur für gewisse Bodenbeläge geeignet, da meist Sensorik und Elektronik in diesen untergebracht werden muss.
WO 07143966 offenbart einen textilen Fußboden mit einer ersten Textilschicht, einer zweiten Textilschicht, mindestens einem elektronischen Bauelement, welches zwischen der ersten Textilschicht und der zweiten Textilschicht ausgebildet ist, mindestens einer in mindestens einem Randbereich der Textilschichtanordnung ausgebildeten Energieleitung zum Bereitstellen elektrischer Energie du weiteren Elementen. Der Fußboden kann eine elektrisch leitfähige Struktur als kapazitives Sensorelement enthalten.
Die Publikation „The orl active floor – Addlesee M. D., Jones A. R., Livesey F. and Samaria F. – IEEE Personal Communications, IEEE Wireless Communications, 1997” beschreibt mit Drucksensoren ausgestatte Bodenplatten die über dem eigentlichen Boden angebracht werden.
Eine Aufgabe der Erfindung war die Bereitstellung eines Sensors, mit dem der Zustand einer Person auf einem Untergrund, wie beispielsweise stehend, sitzend, oder liegend, präzise bestimmbar ist.
Als Lösung wird eine Sensoranordnung nach Anspruch 1 angegeben und ein Verfahren nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Angegeben wird eine Sensoranordnung zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einem Untergrund, wie beispielsweise stehend, sitzend, oder liegend, aufweisend

– Elektroden, die nebeneinander angeordnet sind und die so ausgestaltet sind, dass bei Annäherung einer Person an die Elektrode ein Signal erzeugt oder verändert wird, wobei eine Signalstärke des Signals vom Abstand der Hautoberfläche der Person zu der Elektrode abhängt,
– eine Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist,
a) die Signale zu erfassen,
b) die Signalstärke der Signale mit einem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen,
c) aus den Signalen einer Elektrode, deren Signalstärke über dem Schwellenwert liegt, oder aus den Signalen einer Folge benachbarter Elektroden, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, den Zustand der Person zu bestimmen.

Der Zustand einer Person bedeutet seine Körperhaltung, wie stehend, sitzend, oder liegend. Eine Detektion liegender Menschen ist insbesondere für die Sturzdetektion erforderlich. Somit kann der Zustand (Status) einer Person für weitergehende Dienste, z. B. die Detektion von Stürzen, benutzt werden. Die Sensoranordnung ermöglicht unter anderem die Registrierung der Position von mehreren Personen über geeignete Algorithmen oder die Detektion von Stürzen. Hierbei wird ausgenutzt, dass liegende Personen ein charakteristisch unterschiedliches Signal erzeugen als stehende.
Technische Anwendungsgebiete der Erfindung und ihrer speziellen Ausführungsformen sind insbesondere

– die Sturzdetektion, insbesondere im Bereich der intelligenten Umgebungen,
– das Aktivitätsmonitoring, insbesondere im Bereich der intelligenten Umgebungen
– Ortsbasierte Dienste, insbesondere im Bereich der intelligenten Umgebungen
– Die Detektion der Anzahl von Personen aktuell in einem Haushalt/Raum, insbesondere zur Adaption von Diensten im Bereich der intelligenten Umgebungen
– Aktivitätsdetektion in sicherheitsrelevanten Bereichen

Zu dem Bereich der intelligenten Umgebungen gehören beispielsweise die Bereiche Ambient Assisted Living (AAL) und Ambient Intelligence (AmI).
Der Begriff „Elektrode” und der Begriff „Sensor” werden in dieser Beschreibung austauschbar verwendet und bezeichnen dieselbe Sache.
Mit dem Begriff „Schwellenwert” ist vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, die Signalstärke gemeint, die gemessen wird, wenn keine Person in der Nähe der Elektrode ist.
Die Sensoren sind in der Lage, geeignete Körper über eine gewisse Entfernung hinweg zu registrieren.
Leitende Materialien, die in Bodenbeläge eingebracht sind, können als Elektrode für Sensoren dienen. Denkbar sind kapazitive Sensoren, wie kapazitive Näherungssensoren oder kapazitive Drucksensoren, resistive Sensoren, anderweitige (nicht kapazitive) Drucksensoren, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform ein kapazitiver Sensor, am meisten bevorzugt ein kapazitiver Näherungssensor, verwendet wird.
Insbesondere bei kapazitiven Sensoren ist es möglich, durch verschiedene Algorithmen den Zustand und die aktuelle Position einer oder mehrerer auf dem Boden befindlicher Personen zu bestimmen, um kontextsensitive Anwendungen zu realisieren.
Insbesondere mit kapazitiver Sensortechnik ist es auch möglich verschiedene Aktivitätsmuster der Personen zu unterscheiden, was z. B. eine Detektion von Stürzen ohne zusätzlich zu tragende Geräte ermöglicht.
Die Sensoren/Elektroden sind im Fall von kapazitiven oder resistiven Sensoren aus leitendem Material, vorzugsweise Metall, und können verschiedene Formen aufweisen, beispielsweise als Leiterdraht, Leiterstreifen, Drahtschleifen ausgebildet sein.
Die Elektroden der Sensoranordnung werden nebeneinander angeordnet, vorzugsweise so, dass sie eine Person an jeder Stelle der zu überwachenden Fläche detektieren können. Die Präzision der Detektion ist unter anderem abhängig von der Geometrie der Elektroden, und der Dichte ihrer Anordnung. Der Begriff „nebeneinander angeordnet” bedeutet, dass die Elektroden nebeneinander in einer Fläche, insbesondere einer Ebene angeordnet sind. Diese Fläche ist vorzugsweise gleichmäßig von dem Untergrund beabstandet, auf dem Personen detektiert werden sollen. Eine Ebene ist vorzugsweise parallel zu dem Untergrund, auf dem Personen detektiert werden sollen.
Elektroden sind vorzugsweise in einem regelmäßigen Muster nebeneinander angeordnet. Beispielsweise können langstreckte Elektroden parallel zueinander angeordnet sein.
Insbesondere sind die Elektroden auf, unter oder in einem Bodenbelag angeordnet, so dass sie Aktivitäten und/oder Anwesenheiten einer oder mehrerer Personen auf der Fläche eines Bodens oder Bodenbelags erfassen können. Der Bodenbelag ist nicht besonders beschränkt. Vorzugsweise ist der Bodenbelag aus nicht leitendem Material. Der Bodenbelag kann z. B. ausgewählt sein aus Parkett, Teppich(-boden), Linoleum, Kork, Laminat, Keramik, Estrich, Marmor, Holz. Vorzugsweise sind die Elektroden in einen Bodenbelag eingelassen, d. h. von dem Bodenbelag umschlossen.
In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung gemäß den vorigen Ausführungen einen Bodenbelag, zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einem Untergrund, wie beispielsweise stehend, sitzend, oder liegend, aufweisend Elektroden, die nebeneinander angeordnet sind und die so ausgestaltet sind, dass bei Annäherung einer Person an die Elektrode ein Signal erzeugt oder verändert wird, wobei eine Signalstärke des Signals vom Abstand der Hautoberfläche der Person zu der Elektrode abhängt.
Weiterhin kann der Bodenbelag auch die in Anspruch 1 erwähnte Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung aufweisen. Vorzugsweise sind der Bodenbelag und die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung aber voneinander getrennt. Die Trennung von passiven Materialien im Boden und Auswertungselektronik am Rand hat mehrere Vorteile:

– Die Ausstattung eines Bodens nur mit leitenden Materialien ist kostengünstig und kann unabhängig von der Sensorausstattung schon bei Hausbau/Umbau stattfinden,
– Es ist möglich derartige Aufbauten auch in fixe Bodenbeläge einzubringen, z. B. in Estrich oder unter Fliesen,
– Die Mess- und Signalverarbeitungselektronik ist bereits heutzutage sehr miniaturisiert verfügbar und kann am Rand des Bodenbelags, z. B. in Randleisten, unsichtbar untergebracht werden,
– Die Wartung wird durch einfachen Zugang zu Mess- und Signalverarbeitungselektronik deutlich vereinfacht,
– Die Mess- und Signalverarbeitungselektronik lässt sich bei Bedarf durch neuere Modelle ersetzen,
– Die Trennung ermöglicht einen deutlich günstigeren Aufbau als bei vergleichbaren, voll in den Bodenbelag integrierten Systemen,
– Das einzubringende passive Material kann auf zwei Seiten beschnitten werden und kann somit an fast jede beliebige Raumform durch Schneiden angepasst werden, ohne hierfür spezielle Formen erstellen zu müssen,
– Das System ist in der Lage Zuschnitte zu kompensieren. Werden Teile der Elektrode abgeschnitten um das System an einen Raum anzupassen, ändert sich die Messcharakteristik einer Elektrode. Dies kann über eine geeignete Konfiguration Mess- und Signalverarbeitungselektronik und/oder der Auswertungssoftware kompensiert werden.

Im Bodenbelag oder in der Sensoranordnung können eine oder mehrere Schichten (auch bezeichnet als „Lagen”) Elektroden angeordnet sein, wobei jede Schicht aus nebeneinander angeordneten Elektroden aufgebaut ist. Wie oben ausgeführt, bedeutet der Begriff „nebeneinander angeordnet”, dass die Elektroden nebeneinander in einer Fläche, insbesondere einer Ebene angeordnet sind. Somit erstreckt sich jede Schicht Elektroden in einer Fläche oder Ebene. Mehrere Schichten Elektroden sind, insbesondere wenn sich die Elektroden der einzelnen Schichten nicht berühren, vorzugsweise äquidistant zueinander. Die Schichten sind insbesondere parallel zueinander, wenn die einzelnen Schichten eben sind.
In einer Ausführungsform der Sensoranordnung ist die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, aus den Signalen einer Folge benachbarter Elektroden, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, ein Gesamtsignal zu bilden, und aus dem Gesamtsignal den Zustand der Person zu bestimmen. Das Gesamtsignal kann mit einem Referenzwert oder einem Referenzwertbereich vergleichen werden, der den Zustand einer Person, wie stehend, sitzend, liegend, angibt.
Vorzugsweise wird das Gesamtsignal durch eine Summation der Signale einer Folge benachbarter Elektroden, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, gebildet, oder durch eine Summation von Werten, die von Signalen einer Folge benachbarter Elektroden abgeleitet sind, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt.
In einer speziellen Variante der Erfindung kann mit der Sensoranordnung zusätzlich zur Bestimmung des Zustands auch zumindest eine Ortskoordinate einer Person, oder mehrerer Personen, auf dem Untergrund, bestimmt werden, wobei

– den Elektroden jeweils eine Ortskoordinate zugewiesen ist, und
– die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Ortskoordinaten der Elektroden zu erfassen, deren Signalstärke den Schwellenwert überschritten hat, um die zumindest eine Ortskoordinate der Person, oder der Personen, auf dem Untergrund zu bestimmen.

Die Ortskoordinaten sind z. B. Koordinaten in einem eindimensionalen (X) oder zweidimensionalen (X, Y) Koordinatensystem. Das Koordinatensystem deckt vorzugsweise den gesamten Bereich ab, der erfasst werden soll, also beispielsweise einen Untergrund der sich in X- und Y-Richtung erstreckt. Vorzugsweise umfasst die Sensoranordnung nebeneinander angeordnete Elektroden, denen X-Koordinaten zugewiesen sind, und nebeneinander angeordnete Elektroden, denen Y-Koordinaten zugeordnet sind. Eine Sensoranordnung ist nachfolgend noch detaillierter beschrieben und in den 1–3 gezeigt. Es ist aber auch eine Sensoranordnung offenbart und beansprucht, die nur Elektroden aufweist, denen X-Koordinaten zugewiesen sind, oder nur Elektroden, denen Y-Koordinaten zugewiesen sind. Elektroden, denen X-Koordinaten zugewiesen sind, können sich z. B. der Länge nach in eine Richtung erstrecken, die quer zur X-Richtung ist, insbesondere senkrecht dazu. Elektroden, denen Y-Koordinaten zugewiesen sind, können sich z. B. der Länge nach in eine Richtung erstrecken, die quer zur Y-Richtung ist, insbesondere senkrecht dazu.
In einer Variante der Erfindung ist die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, bei der Erfassung der Ortskoordinaten ein Interpolationsverfahren anzuwenden, wobei bei der Interpolation die Ortskoordinate jeder Elektrode mit der Signalstärke ihres Signals oder einer daraus abgeleiteten Größe gewichtet wird.
Ein Beispiel für ein Interpolationsverfahren zwischen mehreren Elektroden ist die Bildung eines gewichteten Mittelwerts der Ortskoordinate, wobei bei der Mittelwertbildung die Ortskoordinate jeder Elektrode mit der Signalstärke ihres Signals oder einer daraus abgeleiteten Größe gewichtet wird.
Alternativ zu dem vorangegangenen Interpolationsverfahren kann eine binäre Verknüpfung der Messwerte erfolgen Mit einer binären Verknüpfung ist eine direkte Zuordnung der Position des aktivsten Sensors, im Sinne der Signalstärke, zur Position der erkannten Person gemeint, vorzugsweise über verschiedene Elektrodenlagen oder -schichten, zur Bestimmung der X-Position und Y-Position. Zwischenwerte werden hier ignoriert. Hat der Sensor mit dem höchsten Signalwert beispielsweise die X-Koordinate 5, wird angenommen, dass auch die Person an X-Koordinate 5 steht.
In einer weiteren Ausführungsform ist die die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, wiederholt Signale der Elektroden auszuwerten und daraus eine Anzahl der im Erfassungsbereich der Sensoranordnung vorhandenen Personen zu ermitteln, und unter Berücksichtigung der ermittelten Personenzahl zu entscheiden, ob das Signal einer Folge benachbarter Elektroden, oder das daraus gebildete Gesamtsignal, einer Person oder einer Mehrzahl Personen zuzuordnen ist. Mit dieser Ausführungsform können Fehlinterpretationen vermieden werden, etwa wenn zwei oder mehr nebeneinander stehende Personen, die in etwa die Fläche einer liegenden Person einnehmen, für eine liegende Person gehalten werden, oder umgekehrt.
Insbesondere ist die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, wiederholt Signale der Elektroden auszuwerten und dabei mindestens eine Ortskoordinate einer Person, oder von Personen, zu ermitteln, vorzugsweise je Person zwei Ortskoordinaten (z. B. X/Y). Es kann der mögliche Aufenthaltsort von einer oder mehreren Personen aus den Aufenthaltsorten zu früheren Auswertungszeitpunkten ermittelt werden, und/oder unmögliche Aufenthaltsorte können verworfen werden. Außerdem kann aus zeitlich zurückliegenden Ortsinformationen unter Berücksichtigung der ermittelten Personenzahl entschieden werden, ob ein Signal einer Folge benachbarter Elektroden, oder ein daraus gebildetes Gesamtsignal, einer Person oder einer Mehrzahl Personen zuzuordnen ist.
In den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen werden zeitlich zurückliegende (historische) Informationen verwendet. Zum Beispiel werden die Laufwege der Personen verfolgt und aus der Historie heraus können unmögliche Koordinaten und/oder Zustände einer oder mehrerer Personen ausgeschlossen werden und unmögliche Sensorwerte verworfen werden. Eine Person kann z. B. nicht plötzlich in der Mitte des Raumes auftauchen. Sollten die Sensoren in der Mitte des Raumes ausschlagen, ohne dass vorher eine Person den Raum betreten hat ist dies ein Hinweis auf unmögliches (oder zumindest sehr unwahrscheinliches Verhalten) und dies kann verworfen oder in der Auswerteeinheit kompensiert werden, z. B. durch eine Software.
In einer weiteren Variante wird eine Sensoranordnung angegeben, bei der

– erste Elektroden sich in eine erste Raumrichtung erstrecken, wobei jeder dieser Elektroden eine Ortskoordinate, zugewiesen ist, welche die Position der Elektrode in einer zweiten Raumrichtung angibt, die quer zur ersten Raumrichtung ist,
– zweite Elektroden sich in eine zweite Raumrichtung erstrecken, wobei jeder dieser Elektroden eine Ortskoordinate zugewiesen ist, welche die Position der Elektrode in der ersten Raumrichtung angibt,
– die zweiten Elektroden quer zu den ersten Elektroden verlaufen und sich die zweiten Elektroden und die ersten Elektroden – betrachtet in einer Richtung quer zur ersten und quer zur zweiten Raumrichtung – schneiden, sodass bei jeweils zwei sich schneidenden Elektroden ein Schnittpunkt oder eine Schnittfläche gebildet ist,
– alle Schnittpunkte oder alle Schnittflächen eine zweidimensionale Matrix bilden, die sich über den Untergrund erstreckt, welcher sich in die erste und die zweite Raumrichtung erstreckt, wobei jeder Schnittpunkt oder jede Schnittfläche der Matrix durch die Ortskoordinaten der sich dort schneidenden Elektroden örtlich bestimmt ist,
– die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schnittpunkte oder Schnittflächen von Elektroden zu erfassen, deren Signal den Schwellenwert überschritten hat, um daraus die Ortskoordinaten der Person auf dem Untergrund zu bestimmen

Diese Anordnung sieht beispielsweise vor, mehrere nebeneinander, vorzugsweise parallel nebeneinander, angeordnete Elektroden in einer Schicht anzuordnen. Die ersten Elektroden sind zum Beispiel in einer ersten Schicht angeordnet und die zweiten Elektroden sind in einer zweiten Schicht angeordnet. Damit kann über geeignete Interpolationsverfahren, beispielsweise eine gewichtete Mittelwertbildung, wie hierin beschrieben, eine lineare Detektion erfolgen. Eine oder mehrere zusätzliche Schichten (auch bezeichnet als „Lagen”) mit vorzugsweise gleichartig, insbesondere parallel zueinander angeordneten Elektroden sind zur ersten Schicht rotiert angeordnet. In einer Schicht können die Elektroden beispielsweise in einer X-Richtung ausgerichtet sein und in einer zweiten Schicht in einer Y-Richtung. Eine Kombination der gewonnen Daten aus allen Schichten ermöglicht, Informationen zu gewinnen, wie beispielsweise den Status und/oder die mehrdimensionale Position einer Person. Die Mess- und Auswerteelektronik ist vorzugsweise am Rand der jeweiligen Schicht angebracht.
An den Schnittpunkten oder Schnittflächen können sich die Elektroden je nach Art des Messprinzips berühren oder nicht. Bei einem kapazitiven Näherungssensor oder einem kapazitiven Drucksensor, berühren bzw. kontaktieren die Elektroden verschiedener Schichten einander nicht.
In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Bodenbelag, zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einem Untergrund, wie beispielsweise stehend, sitzend, oder liegend, aufweisend Elektroden, die so angeordnet sind und die so ausgestaltet sind, wie in den vorigen Absätzen beschrieben.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einem Untergrund, wie beispielsweise stehend, sitzend, oder liegend, wobei bei dem Verfahren eine Sensoranordnung einsetzbar ist, wie zuvor beschrieben, die

– Elektroden, die nebeneinander angeordnet sind, wobei bei Annäherung einer Person an die Elektrode ein Signal erzeugt oder verändert wird, dessen Signalstärke vom Abstand der Hautoberfläche der Person zu der Elektrode abhängt, und
– eine Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung,

a) die Signale erfasst,
b) die Signale mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht,
c) aus den Signalen einer Elektrode, deren Signalstärke über dem Schwellenwert liegt, oder einer Folge benachbarter Elektroden, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, den Zustand der Person bestimmt.

In bevorzugten Varianten des Verfahrens führt die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung die Operationen durch, die bereits zuvor anhand der Sensoranordnung beschrieben wurden und die in den Unteransprüchen zu dem Verfahrensanspruch angegeben sind. Gemeint sind insbesondere die Bildung eines Gesamtsignals, insbesondere durch Summation, die Erfassung von Ortskoordinaten, die Anwendung eines Interpolationsverfahrens, insbesondere die Bildung eines gewichteten Mittelwerts der Ortskoordinaten, die wiederholte Auswertung der Signale zur Ermittlung von Personenanzahlen und Ermittlung und Interpretation von Bewegungsmustern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen
1 eine erste Ausführungsform einer Sensoranordnung,
2 eine zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung,
3 eine dritte Ausführungsform einer Sensoranordnung,
4 mehrere Sensoranordnungen, die in einem Raum verteilt sind,
5 die Lokalisierung einer liegenden Person mit einer Sensoranordnung,
6 die Lokalisierung mehrerer Personen mit einer Sensoranordnung,
7a, b Berechnungsbeispiele zur Ermittlung eines gewichteten Mittelwerts zur Ortsbestimmung einer Person mit einer Sensoranordnung,
8 eine Schaltung zur Messung des Signals eines kapazitiven Sensors,
Die 1 zeigt eine Sensoranordnung 100. Das Gesamtsystem besteht aus drei Komponenten:

– Elektroden 101a–101l, 102a–102l aus leitendem Material, die in einen Bodenbelag eingebracht werden können, z. B. leitende Folien unterhalb eines Teppichbodens oder isolierte Drahtstücke in Gussböden. Weitere (nicht gezeigte) Einzelsensoren sind für wichtige Regionen integrierbar.
– Ein Messsystem 103, bestehend aus mehreren Messgeräten 103a–103h regt an den Elektroden 101, 102 elektrische Felder an, misst kontinuierlich die resultierende Kapazität und leitet das Ergebnis an eine Auswertesystem 104 (s. 2) weiter.
– Ein Auswertesystem 104 (s. 2) wertet die Signale des Messsystems aus und versucht die Präsenz einer oder mehrerer Personen festzustellen und Aussagen über deren aktuellen Status zu treffen (z. B. stehend, laufend, liegend).

In der gezeigten Ausführungsform sind die Elektroden 101a–101l, 102a–102l als Einzel-Metalldrähte ausgebildet. Erste Elektroden 101a–101l erstrecken sich in eine erste Raumrichtung, hier die X-Richtung, die in dem Koordinatensystem unten in 1 eingezeichnet ist. Jeder der Elektroden 101a–101l ist eine Y-Ortskoordinate zugewiesen, welche die Position der Elektrode in der zweiten Raumrichtung, hier der Y-Richtung, angibt. Die Y-Richtung verläuft quer, in diesem Fall senkrecht zur ersten X-Richtung. Zweite Elektroden 102a–102l erstrecken sich in die Y-Richtung. Jeder Elektrode 102a–102l ist eine X-Ortskoordinate zugewiesen, welche die Position der Elektrode in der X-Richtung angibt.
Die zweiten Elektroden 102a–102l verlaufen quer zu den ersten Elektroden 101a–101l. Die zweiten Elektroden 102a–102l und die ersten Elektroden 101a–101l schneiden sich aus Sicht des Betrachters (die senkrecht ist zur X- und Y-Richtung) der 1, ohne sich dabei zu berühren oder zu kontaktieren, und bilden Schnittpunkte S, von denen nur einige beispielhaft mit einem Bezugszeichen „S” versehen sind. Zwei sich schneidende Elektroden, beispielsweise 101a und 102a, besitzen aus Sicht des Betrachters einen Schnittpunkt. Bei flächigen Elektroden anstelle von Drähten, wenn die Elektroden beispielsweise als Streifen (3) ausgebildet sind, existieren Schnittflächen.
Alle Schnittpunkte S bilden eine zweidimensionale Matrix, wobei jeder Schnittpunkt S durch die Ortskoordinaten der sich dort schneidenden Elektroden örtlich bestimmt ist. Beispielsweise wird der Elektrode 102a die X-Koordinate 1 zugewiesen und der Elektrode 101a die Y-Koordinate 1. Der Schnittpunkt S zwischen der Elektrode 101a und 102a hat dann die Ortskoordinaten X = 1/Y = 1. Als weiteres Beispiel wird der Elektrode 102g die X-Koordinate 7 zugewiesen und der Elektrode 101f die Y-Koordinate 6. Der Schnittpunkt S zwischen der Elektrode 101f und 102g hat dann die Ortskoordinaten X = 7/Y = 6.
An den Schnittpunkten oder Schnittflächen können sich die Elektroden je nach Art des Messprinzips berühren oder nicht. Bei einem kapazitiven Näherungssensor oder einem kapazitiven Drucksensor, wie in diesen Ausführungsbeispiel gezeigt, berühren die Elektroden 101a–101l die Elektroden 102a–102l einander nicht.
In der gezweigten Ausführungsform sind an eine Messeinheit drei Elektroden, d. h. drei Einzeldrähte angeschlossen. Beispielsweise sind an die Messeinheit 103a die Elektroden 101a, 102b und 101c angeschlossen.
Die von der Elektrodenanordnung abdeckbare Fläche ist in diesem Beispiel begrenzt durch die maximale Länge der Elektroden 101a–101l, 102a–102l, die eine signifikante Messung erlauben. Die gezeigte Anordnung ermöglicht Drahtlängen bis ca. 3 m, so dass bei einem quadratischen Aufbau wie in der 1 gezeigt, etwa 9 m² Boden abdeckbar sind.
Die Abstände zwischen den Elektroden 101a–101l, also der Abstand zwischen 101a und 101b, zwischen 101b und 101c, zwischen 101c und 101d usw., sind vorzugsweise so gewählt, dass in typischen Anwendungsfällen eine Person in der Regel über mindestens einer der Elektroden steht, so dass diese Elektrode ein Signal gibt. Ein beispielhafter Abstand ist 10–50 cm, vorzugsweise 10–20 cm. Entsprechendes gilt für die Abstände der Elektroden 102a–102l. Die Abstände können auch so gewählt sein, dass eine Person über mehreren Elektroden steht und mehrere Elektroden ein Signal geben.
Eine Annäherung an die Elektroden 101a–101l kann je nach Bodenbelag bereits auch detektiert werden bevor eine Person den Bodenbelag berührt, und ermöglicht so eine feinere Auflösung durch Berechnung von Zwischenwerten.
Das Messsystem 103, hier bestehend aus den Messeinheiten 103a–103h übernimmt die Aufnahme, Digitalisierung und Filterung des Signals. Die resultierenden Daten werden an ein Auswertesystem (nicht gezeigt, s. dazu 2) geschickt, welches die Lokalisierung übernimmt. Das Messsystem 103 befindet sich vorteilhafterweise nah an der zu vermessenden Fläche, um einen optimalen elektrischen Aufbau zu ermöglichen und störende Einflüsse zu vermindern. Das Messsystem 103 ist vorzugsweise geerdet, z. B. über die Stromversorgung, um Störungen zu vermeiden.
Die Hauptaufgabe des Auswertesystems 104 (s. 2) ist die Verknüpfung der einzelnen Signale aus dem Messsystem 103 zu höherwertigen Informationen, wie z. B. des Zustands einer Person, wie sitzend, stehend, gehend, liegend, und des Orts einer Person, ausgedrückt in den Koordinaten der ansprechenden Sensoren bzw. den Koordinaten der Schnittpunkte der ansprechenden Sensoren bzw. den berechneten Koordinaten zwischen verschiedenen ansprechenden Sensoren. Hierzu werden geometrische Informationen über den Aufbau der einzelnen Messeinheiten benutzt. Aus Signalen und geometrischen Informationen werden die Positionen vorhandener Personen errechnet. Zur Verbesserung der Berechnung wird auch eine Historie gespeichert, mit Hilfe derer eine Heuristik bestimmt werden kann um die Lokalisierung zu verbessern.
Die Elektroden 101a–101l, 102a–102l sind in dem Ausführungsbeispiel in einen Bodenbelag 107 (s. 2) eingebracht. Das Messsystem 103 und das Auswertesystem 104 sind nicht in dem Bodenbelag angeordnet, sondern an anderer Stelle, beispielsweise am Rand des Bodenbelags, beispielsweise in einer Sockelleiste, oder an gänzlich anderer Stelle im Raum oder Haus. Diese örtliche Trennung von Elektroden, die passiven Materialien sind, im Boden und Auswertungselektronik hat die bereits in der allgemeinen Beschreibung erwähnten Vorteile. Es ist z. B. möglich, den Bodenbelag 107 an den Rändern 105, 106 zu beschneiden und an die Raumform anzupassen, ohne hierfür spezielle Formen erstellen zu müssen. Das System ist in der Lage, Zuschnitte des Bodenbelags zu kompensieren. Werden Teile der Elektroden 101a–l, 102a–l abgeschnitten um das System an einen Raum anzupassen ändert sich die Messcharakteristik der Elektroden. Dies kann durch Konfiguration im Messsystem 103 und Auswertesystem 104 kompensiert werden, z. B. durch einen linearen oder nichtlinearen Kompensationsfaktor, der auf das resultierende Signal angewandt wird. Bei einem linearen Kompensationsfaktor wird jedes Signal mit einem bestimmten Faktor multipliziert und dadurch ein kompensiertes Signal erhalten. Bei einem nichtlinearen Kompensationsfaktor wird eine komplexere Formel angewandt. Zur Veranschaulichung anhand eines speziellen, nicht beschränkenden, Beispiels wird das kompensierte Signal folgendermaßen gebildet: kompensiertes Signal = (2·altes Signal)^2 + 0,5·altes Signal + Konstante.
Nachfolgend sind in den 2 und 3 zwei Beispiele für verschiedene Geometrien der Sensoranordnung dargestellt. Differenzen in der Geometrie werden berücksichtigt und über den Auswertealgorithmus im Auswertesystem 104 kompensiert.
Die 2 zeigt eine Ausführungsform einer Sensoranordnung 200 in Anpassung für eine rechteckige Bodengeometrie. Die 2 zeigt eine zweischichtige Anordnung aus Elektroden 108a–108g, und 109a–109i, eingelassen in einen Boden 107. Die Elektroden 108a–108g sind in einer ersten Schicht angeordnet und die Elektroden 109a–109i sind in einer zweiten Schicht angeordnet. Die Elektroden können beispielsweise in einen Flüssigbeton-Grund eingelassen sein, mit vorgesehenen Verbindungen zum Anschluss des Messsystems 103. Die Elektroden 108a–108g, und 109a–109i sind in Form von Drahtschleifen geformt, die mit am Rand des Bodenbelags angebrachten Messsystemen 103 verbunden sind. Die Messsysteme 103 sind mit dem Auswertesystem 104 verbunden.
Die Elektroden 108a–108g sind quer zu den Elektroden 109a–109i angeordnet. Die Elektroden 108a–108g erstrecken sich ihrer Länge nach in eine erste Raumrichtung, hier die X-Richtung, die in dem Koordinatensystem in 2 eingezeichnet ist. Jeder der Elektroden 108a–108g ist eine Y-Ortskoordinate zugewiesen, welche die Position der Elektrode in der zweiten Raumrichtung, hier der Y-Richtung, angibt. Durch die Schleifenform decken die Elektroden 108a–108g jeweils einen Bereich in Y-Richtung ab, der als Ortsinformation in dem Auswertesystem 104 gespeichert ist. Die Elektroden 109a–109i erstrecken sich in die Y-Richtung. Jeder Elektrode 109a–109i ist eine X-Ortskoordinate zugewiesen, welche die Position der Elektrode in der X-Richtung angibt. Durch die Schleifenform decken die Elektroden 109a–109i jeweils einen Bereich in Y-Richtung ab, der als Ortsinformation in dem Auswertesystem 104 gespeichert ist. Die Elektroden 108a–108g verlaufen quer zu den ersten Elektroden 109a–109i. Jede der Elektroden 108a–108g schneidet aus Sicht des Betrachters der 2 jede der Elektroden 109a–109i an mehreren Schnittpunkten. So haben z. B. die Elektrode 108a und 109a vier Schnittpunkte. Die Elektroden berühren sich an den Schnittpunkten nicht.
3 zeigt eine ähnliche zweischichtige Ausführung einer Sensoranordnung 300 wie in 2 für flexible Bodenbeläge, z. B. Teppiche oder PVC in nicht-rechteckigen Formen. Hier werden wiederum zwei Schichten von Elektroden unter dem Bodenbelag 110 angebracht, in diesem Falle leitende Folien 111a–111g und 112a–112g. Deren Signalleitungen werden mit Messsystemen 103 verbunden. Entsprechende Algorithmen in dem Auswertesystem 104 ermöglichen es, die unterschiedlichen Elektrodengrößen in der Messung auszugleichen. Zwischen den Elektroden 111a–111g und 112a–112g sind Schnittflächen F gebildet, von denen zwei beispielhafte schraffiert gezeichnet sind.
In der 4 sind drei Sensoranordnungen 400 gezeigt. In diesem Fall sind die Elektroden (nicht gezeigt) in Matten 401 eingelassen, die auf einem Fußboden 402 eines rechteckigen Raumes ausgelegt sind. Die Elektroden können in der Matte beispielsweise so angeordnet sein, wie in der 1 oder 2 gezeigt. Jede Matte 401 deckt einen Messbereich ab, der so groß ist, oder in etwa so groß, wie die Matte selbst. Das Auswertesystem 104 berücksichtigt die Lage jedes Messbereichs in globalem Kontext. Das Auswertesystem 104 erhält durch Nutzerkonfiguration Daten über die Lage jeder Matte 400 auf dem Fußboden 402 und kann die Koordinaten der Elektroden in die globalen Koordinaten des Raums transformieren, so dass dem Auswertesystem 104 die Lage jeder Elektrode bezüglich der X-Achse und der Y-Achse des Fußbodens 402 bekannt ist.
Nachfolgend wird ein beispielhaftes Messprinzip und Auswertungsprinzip der Sensoranordnung erläutert. Die nachfolgende Erläuterung beschreibt den Fall kapazitiver Näherungssensoren. Gewählt werden die Bezugszeichen der 1.
Bei Annäherung einer Person an eine oder mehrere Elektroden ändert sich Kapazität der Elektrode. Das Messsystem 103 regt an den Elektroden 101, 102 elektrische Felder an, misst kontinuierlich die resultierende Kapazität oder eine von der Kapazität abgeleitete Größe, z. B. eine Spannung (Erläuterung dazu anhand 8). Bezüglich der abgeleiteten Größe liefern im speziellen Beispiel die Elektroden Messwerte zwischen 0 (keine Person in der Nähe) und ca. 65000, was im speziellen Fall einer zwei-bytigen Digitalisierung der gemessenen Spannung entspricht. In spezifischen Anwendungen kann eine Normierung der Messwerte erfolgen, z. B. in ein Intervall zwischen 0 und 1, was aber nicht zwingend ist. Die Werte werden anschließend gefiltert (z. B. Mittelwert über x Werte oder Median-Filter [Sortierung und dann der mittlere Wert]). Die Werte werden dann an das Auswertesystem 104 (s. 2) weitergeleitet, vorzugsweise in digitalisierter Form, wozu ein A/D Wandler vorgesehen ist (nicht gezeigt).
In dem Auswertesystem 104 werden geometrische Informationen berücksichtigt, wie

– die Lage der einzelnen Elektroden 101, 102 relativ zueinander
– die Ortskoordinaten der Elektroden 101, 102 in einem gewählten Koordinatensystem, wie dem oben beschriebenen zweidimensionalen X/Y-Koordinatensystem
– die genaue Größe du Geometrie der Elektroden. Z. B. kann eine Elektrodevon X = 1,8 bis X = 2,2 abdecken (Siehe dazu auch 2 und 3), was vom Auswertesystem bei der Bestimmung von Ortkoordinaten einer Person, die sich der Elektroden nähert, berücksichtigt wird,
– die Größe des Messbereichs, d. h. die Fläche des Untergrunds/Bodenbelags. Eventuell vorhandene Zuschnitte ändern Messcharakteristik und müssen dem System bekannt sein, werden beispielsweise per Hand über eine Benutzerschnittstelle eingegeben.

Im Auswertesystem 104 werden die Signalstärken der Signale der verschiedenen Elektroden 101, 102 mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Der vorgegebene Schwellenwert ist beispielsweise, wie oben erwähnt, der Signalwert, wenn keine Person in der Nähe der Elektrode ist.
Aus den Signalen einer Elektrode oder einer Mehrzahl benachbarter Elektroden, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, wird anschließend der Zustand der Person bestimmt. Die Messwerte haben unterschiedliche Charakteristik für stehende, laufende, sitzende oder liegende Personen. Dieses Prinzip wird anhand der 5 erläutert. 5 zeigt sieben Elektroden, die hier mit den Ziffern 1–7 bezeichnet sind, wobei diese Ziffern eine Ortskoordinate darstellen, beispielsweise in X-Richtung (X = 1 für Elektrode 1, X = 2 für Elektrode 2 usw.). Wie erwähnt, ändert sich bei Annäherung einer Person an eine oder mehrere Elektroden im Fall eines kapazitiven Näherungssensors die Kapazität der Elektrode, was vom Messsystem erfasst wird. Die Signalstärken der Signale der Elektroden werden erfasst. Eine liegende Person befindet sich über den Elektroden 3, 4, und 5 und löst an diesen ein Signal aus, dessen Stärke über dem Schwellwert liegt. Die Elektroden 3, 4 und 5 sind eine Folge benachbarter Elektroden. Innerhalb dieser Folge ist keine Elektrode, deren Signal unter dem Schwellwert ist. Das Signal an den Elektroden 1, 2 und 6, 7 ist kleiner oder höchstens gleich dem Schwellwert. Aus den Signalen der Folge benachbarter Elektroden 3, 4, 5 kann das Auswertesystem 104 den Zustand der Person bestimmen. Eine stehende Person wird sich im nicht über eine gleich große Fläche des Bodens erstrecken wie eine liegende Person, die von den Elektroden 3, 4, und 5 erfasst wird.
Zusätzlich zu dieser Einzelbetrachtung kann auch aus den Signalen der Folge benachbarter Elektroden 3, 4, 5, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, ein Gesamtsignal gebildet werden, und aus dem Gesamtsignal der Zustand der Person bestimmt werden, indem die Signalwerte der Elektroden 3, 4, 5 summiert werden. Summiert werden können die Signalwerte, oder davon abgeleitete Werte, beispielsweise normierte oder anderweitig verarbeitete Werte. Anhand beispielhaft angenommener Signalwerte kann die Auswertung wie folgt vorgenommen werden:

– der Schwellenwert liegt bei 100.
– Eine gehende oder stehende Person erzeugt einen Gesamtwert zwischen 300 und
500.
– Eine sitzende Person erzeugt einen Gesamtwert zwischen 1000 und 1500.
– Eine liegende Person erzeugt einen Gesamtwert von mehr als 3000.
– Ein stehendes oder liegendes Haustier erzeugt einen variablen Gesamtwert, je nach Rasse Art und Größe z. B. zwischen 50 und 500. Durch Konfiguration und Betrachtung von historischen Daten können auch größere Haustiere, die Signale über dem Schwellwert erzeugen, von Menschen unterschieden werden.

Die Signalwerte sind beispielhaft. Je nach Messprinzip, Art und Geometrie der Sensoranordnung und Signalverarbeitung können die Signalwerte und ihre Verhältnisse anders sein.
Eine in der Praxis gängige Vereinfachung der komplexen Parameter des elektrischen Feldes als Erklärung für die verschiedenen Gesamtwerte ist, dass jede Elektrode, und die Anordnung benachbarter Elektroden, approximativ eine Kondensatorplatte ist und der Mensch eine zweite Platte ist. Die Kapazität ist umso höher je größer und näher die Platten zueinander sind. Eine liegende Person bedeutet gegenüber einer stehenden Person eine größere Fläche (der zweiten Platte) in geringerem Abstand.
Nach obigem Zahlenbeispiel erhält man als Gesamtsignal der Sensoren 3, 4 und 5 einen Wert von mehr als 3000 und die Auswerteeinheit 104 bestimmt den Zustand des Menschen als „liegend”. Das Messsystem 103 misst kontinuierlich die resultierende Kapazität und leitet das Ergebnis an eine Auswertesystem 104 weiter. Ändert sich über einen vorbestimmten Zeitraum, der dem Auswertesystem angegeben wird, der Zustand „liegend” nicht, dann kann daraus geschlossen werden, dass die Person gestürzt ist und nicht mehr in der Lage ist, wieder aufzustehen. In diesem Fall kann das Auswertesystem einen Alarm auslösen.
Wenn eine Anordnung von mehreren Sensormatten auf dem Boden angeordnet ist, wie in der 4 gezeigt, wird der Zustand der Person lokal auf der Matte und global über alle Matten bestimmt, da die Person auf mehreren Matten liegen könnte.
Die 6 zeigt zwei Personen auf einer Sensoranordnung mit den Elektroden 1–7. Hier würden nur die Signale der benachbarten Elektroden 1, 2 sowie der benachbarten Elektroden 6, 7 über dem Schwellwert liegen. Durch eine Signalstärke der Elektroden 3, 4 und 5 unter dem Schwellwert kann ausgeschlossen werden, dass in diesem Bereich des Bodens eine Person liegt oder steht. Das Gesamtsignal der Elektroden 1 und 2 und das Gesamtsignal der Elektroden 6 und 7 liegt jeweils, nach dem oben gewählten Beispiel, im Bereich von 300–500, so dass der Zustand beider Personen von dem Auswertesystem 104 als „stehend” beurteilt wird.
Wenn nun die Personen in der 6 aufeinander zugehen, sich in der Mitte im Bereich der benachbarten Elektroden 3, 4 und 5 treffen, muss dieser Zustand zweier nebeneinander stehender Personen von dem Zustand der 5 unterschieden werden, wo eine Person im Bereich der Elektroden 3, 4 und 5 liegt. Dies kann geschehen, wenn man trotz Abdeckung der gleichen Sensoren einen unterschiedlichen Gesamtwert erhält. Nach dem obigen Beispiel erzeugt eine stehende Person einen Gesamtwert von 300–500, zwei nebeneinander stehende Personen würden also einen Wert von 600–1000 erzeugen, wogegen eine liegende Person einen Gesamtwert von mehr als 3000 erzeugt. Bei einer liegenden Person ist der Abstand des Körpers zu den Elektroden geringer als bei einer stehenden Person.
Eine weitere Variante zur Unterscheidung ist, dass das Messsystem 103 und das Auswertungssystem 104 wiederholt Signale der Elektroden 1–7 auszuwerten und daraus eine Anzahl der im Erfassungsbereich der Sensoranordnung vorhandenen Personen zu ermitteln, und unter Berücksichtigung der ermittelten Personenzahl entscheiden, ob das Signal der Folge benachbarter Elektroden 3, 4, 5, oder das daraus gebildete Gesamtsignal, einer Person oder einer Mehrzahl Personen zuzuordnen ist. Zu einem ersten Zeitpunkt wird in diesem Beispiel der Zustand der 6 festgestellt, woraus das Auswertesystem 104 erkennt, dass sich zwei Personen auf dem Untergrund befinden, im Bereich der Ortskoordinaten 1, 2 und 6, 7. Zu einem späteren Zeitpunkt sind die Personen aufeinander zugegangen und haben sich im Bereich der Elektroden 3, 4, 5 getroffen und das Signal der Elektroden an 1, 2 und 6, 7 liegt nicht mehr über dem Schwellwert. Nun ist dem Auswertesystem 104 aus dem ersten Zeitpunkt bekannt, dass sich zwei Personen auf dem Untergrund befanden. Dem Auswertesystem Lage der Elektroden relativ zu der Türe/den Türen des Raumes bekannt. Angenommen, dass keine der Personen sich in unmittelbarer Nähe der Tür befand und den Raum verlassen haben kann, kommt das Auswertesystem zum Ergebnis, dass zum späteren Zeitpunkt zwei Personen im Bereich der Elektroden stehen und nicht nur eine Person dort liegt.
Das Auswertesystem 104 kann somit eine Historie der letzten Ortskoordinaten der festgestellten Person(en)speichern. Damit kann in einer weiteren Anwendung die Positionierung der Person(en) verbessert werden. Wenn bekannt ist, dass eine Person zum letzten Zeitpunkt an einem Punkt P war und die typische Schrittgeschwindigkeit berücksichtigt wird, müsste sie zu einem späteren Zeitpunkt an Punkt P sein. Sagen die Sensorwerte etwas anderes aus kann dies vom Auswertesystem kompensiert werden und das Auswertesystem kann unmögliche Werte verwerfen. In analoger Weise ist es auch möglich mehrere Personen zu detektieren in dem deren letzte und wahrscheinliche neue Positionen berücksichtigt werden. Eine Positionsbestimmung und Zustandsbestimmung kann somit unter Rücksichtnahme auf frühere Ergebnisse erfolgen, indem ein Rückgriff auf bereits gespeicherte vorherige Messwerte und Positionen erfolgt.
Als Beispiel für ein Interpolationsverfahren zwischen mehreren Elektroden wird anhand der 7a und 7b die Bildung eines gewichteten Mittelwerts der Ortskoordinaten erläutert (zum Zwecke der Visualisierung sind diese Grafiken nicht maßstabsgetreu), wobei bei der Mittelwertbildung die Ortskoordinate jeder Elektrode mit der Signalstärke ihres Signals oder einer daraus abgeleiteten Größe gewichtet wird. Die Mittelwertbildung erfolgt anhand der Formel
Wobei x_i die Ortskoordinate ist und v_i der Sensorwert. Die Koordinaten der am stärksten ausschlagenden Sensoren werden nach dieser Formel maximal berücksichtigt.
In der 7a sitzt die Elektrode 1 an der X-Position 1 und hat einen Signalwert von 1000. Die Elektrode 2 sitzt an der X-Position 2 und hat einen Sensorwert von 300. Nach der obigen Formel erhält man für die errechnete Position X_pos = (1·1000 + 2·300)/(1000 + 300) ~ 1,23
In der 7b hat die Elektrode 1 einen Signalwert von 100, Elektrode 2 einen Signalwert von 1500. Die Position wird also berechnet zu X_pos = (1·100 + 2·1500)/1600 ~ 1,9375
Nach diesem Prinzip kann, wie gezeigt, sehr fein eine Zwischenposition einer Person zwischen Sensoren berechnet werden.
Die 7a und 7b zeigen die Auswertung von Sensoren mit X-Koordinaten. Außerdem kann (nicht gezeigt) eine analoge Auswertung der Sensoren mit Y-Koordinaten erfolgen und die beiden Mittelwerte der X-Position und der Y-Position kombiniert werden, wodurch man die Position der Person in gewichteten X- und Y-Koordinaten erhält.
In der 8 ist eine vereinfachte Schaltung zur Messung des Signals eines kapazitiven Sensors gezeigt. Eine solche Schaltung kann z. B. Teil des Messsystems 103 sein. Die Kapazität der Elektroden wird nicht direkt gemessen. Mit der Schaltung wird eine von der Kapazität abgeleitete Spannung detektiert. Die Schaltung besteht aus einer geschalteten Kondensatorzelle 500, einem Sigma-Delta-Modulator 501 und einem Bit-Strom-Integrator 507. Das Bezugszeichen 502 bezeichnet einen Komparator, 503 einen Zähler, 504 eine Auswertelogik, 505 eine Pulsweitenmodulation und 506 eine Uhr.
Der Sigma-Delta-Modulator 501 überführt die Kapazität, die von der geschalteten Kondensatorzelle 500 erhalten wird, in eine Spannung, und überführt diese in einen Betriebszyklus. Dieser Betriebszyklus wird in einen ganzzahligen Wert transformiert, unter Verwendung einer digitalen Logik, die als Bit-Strom-Integrator 507 bezeichnet wird.
Die Schalter SW1 und SW2 werden in einer vorgegebenen Frequenz gegenläufig geschlossen. Wenn SW1 geschlossen ist, wird der Sensorkondensator C_x geladen. Wenn SW1 wieder geöffnet wird, wird SW2 geschlossen und die Ladung wird zu C_Int überführt. Der Komparator 502 wird aktiv, sobald die Spannung durch C_Int die Referenzspannung V_REF übersteigt. Dadurch wird R_dis getrennt, wodurch C_int solange entladen wird, bis die Spannung unter V_REF fällt. Die Ladung auf Cx ist proportional zur der Zeit, die der Komparator 502 aktiv ist. Um diesen Betriebszyklus in eine verwertbare Zahl zu konvertieren, wird der Bit-Strom-Integrator 507 verwendet. Die digitale Logik wird mit der gleichen Frequenz getaktet wie die Schalter SW1 und SW2 und verwendet eine Pulsweitenmodulation 505, um einen digitalen Signalzähler zu beschicken, der so lang läuft, wie der Komparator hoch ist. Der Unterschied in den anschließenden Zählerwerten ist proportional zu der detektierten Kapazität und daher durch die Logik verwertbar, die dem Schaltkreis angeschlossen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 07143966 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

The orl active floor – Addlesee M. D., Jones A. R., Livesey F. and Samaria F. – IEEE Personal Communications, IEEE Wireless Communications, 1997 [0005]

Claims

Sensoranordnung (100; 200; 300; 400) zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einem Untergrund (107; 110; 401, 402), wie beispielsweise stehend, sitzend, oder liegend, aufweisend – Elektroden (101a–101l, 102a–102l; 108a–108g, 109a–109i; 111a–111g, 112a–112g), die nebeneinander angeordnet sind und die so ausgestaltet sind, dass bei Annäherung einer Person an die Elektrode ein Signal erzeugt oder verändert wird, wobei eine Signalstärke des Signals vom Abstand der Hautoberfläche der Person zu der Elektrode abhängt, – eine Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung (103, 104), die dazu eingerichtet ist, a) die Signale zu erfassen, b) die Signalstärke der Signale mit einem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen, c) aus den Signalen einer Elektrode, deren Signalstärke über dem Schwellenwert liegt, oder aus den Signalen einer Folge benachbarter Elektroden, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, den Zustand der Person zu bestimmen.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei der die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung (103, 104) dazu eingerichtet ist, aus den Signalen einer Folge benachbarter Elektroden (3, 4, 5; 1, 2/6, 7), deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, ein Gesamtsignal zu bilden, und aus dem Gesamtsignal den Zustand der Person zu bestimmen.
Sensoranordnung nach Anspruch 2, bei der die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung (103, 104) dazu eingerichtet ist das Gesamtsignal durch eine Summation der Signale einer Folge benachbarter Elektroden (3, 4, 5; 1, 2/6, 7), deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, zu bilden, oder durch eine Summation von Werten, die von Signalen einer Folge benachbarter Elektroden (3, 4, 5; 1, 2/6, 7) abgeleitet sind, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die zusätzlich zur Bestimmung zumindest einer Ortskoordinate der Person, oder der Personen, auf dem Untergrund, eingerichtet ist, wobei – den Elektroden jeweils eine Ortskoordinate (X) zugewiesen ist, und – die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung (103, 104) dazu eingerichtet ist, die Ortskoordinaten der Elektroden zu erfassen, deren Signalstärke den Schwellenwert überschritten hat, um die zumindest eine Ortskoordinate der Person, oder der Personen, auf dem Untergrund zu bestimmen.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, bei der die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung (103, 104) dazu eingerichtet ist, bei der Erfassung der Ortskoordinaten ein Interpolationsverfahren anzuwenden, wie z. B. einen gewichteten Mittelwert der Ortskoordinaten zu bilden, wobei bei der Interpolation die Ortskoordinate jeder Elektrode mit der Signalstärke ihres Signals oder einer daraus abgeleiteten Größe gewichtet wird.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung (103, 104) dazu eingerichtet ist, wiederholt Signale der Elektroden auszuwerten und daraus eine Anzahl der im Erfassungsbereich der Sensoranordnung vorhandenen Personen zu ermitteln, und unter Berücksichtigung der ermittelten Personenzahl zu entscheiden, ob das Signal einer Folge benachbarter Elektroden, oder das daraus gebildete Gesamtsignal, einer Person oder einer Mehrzahl Personen zuzuordnen ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 4–6, wobei – erste Elektroden (101a–101l; 108a–108g; 111a–111g) sich in eine erste Raumrichtung (X) erstrecken, wobei jeder dieser Elektroden eine Ortskoordinate, zugewiesen ist, welche die Position der Elektrode in einer zweiten Raumrichtung (Y) angibt, die quer zur ersten Raumrichtung (X) ist, – zweite Elektroden (102a–102l; 109a–109i; 112a–112g) sich in eine zweite Raumrichtung (Y) erstrecken, wobei jeder dieser Elektroden eine Ortskoordinate zugewiesen ist, welche die Position der Elektrode in der ersten Raumrichtung (X) angibt, – die zweiten Elektroden (102a–102l; 109a–109i; 112a–112g) quer zu den ersten Elektroden (101a–101l; 108a–108g; 111a–111g) verlaufen und sich die zweiten Elektroden und die ersten Elektroden betrachtet in einer Richtung quer zur ersten und quer zur zweiten Raumrichtung – schneiden, sodass bei jeweils zwei sich schneidenden Elektroden ein Schnittpunkt (S) oder eine Schnittfläche (F) gebildet ist, – alle Schnittpunkte (S) oder alle Schnittflächen (F) eine zweidimensionale Matrix bilden, die sich über den Untergrund (107; 110) erstreckt, welcher sich in die erste (X) und die zweite Raumrichtung (Y) erstreckt, wobei jeder Schnittpunkt oder jede Schnittfläche der Matrix durch die Ortskoordinaten der sich dort schneidenden Elektroden örtlich bestimmt ist, – die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung (103, 104) dazu eingerichtet ist, die Schnittpunkte oder Schnittflächen von Elektroden zu erfassen, deren Signal den Schwellenwert überschritten hat, um daraus die Ortskoordinaten der Person auf dem Untergrund zu bestimmen
Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Person auf einem Untergrund, wie beispielsweise stehend, sitzend, oder liegend, wobei bei dem Verfahren eine Sensoranordnung einsetzbar ist, wie beispielsweise in den vorangehenden Ansprüchen beschrieben, die – Elektroden, die nebeneinander angeordnet sind, wobei bei Annäherung einer Person an die Elektrode ein Signal erzeugt oder verändert wird, dessen Signalstärke vom Abstand der Hautoberfläche der Person zu der Elektrode abhängt, und – eine Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung, aufweist, wobei bei Annäherung der Person die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung a) die Signale erfasst, b) die Signale mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht, c) aus den Signalen einer Elektrode, deren Signalstärke über dem Schwellenwert liegt, oder einer Folge benachbarter Elektroden, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, den Zustand der Person bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung aus den Signalen einer Folge benachbarter Elektroden, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, ein Gesamtsignal bildet, und aus dem Gesamtsignal den Zustand der Person bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung das Gesamtsignal durch eine Summation der Signale einer Folge benachbarter Elektroden bildet, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt, oder das Gesamtsignal durch eine Summation von Werten bildet, die von Signalen einer Folge benachbarter Elektroden abgeleitet sind, deren Signalstärke jeweils über dem Schwellenwert liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–10, bei dem zusätzlich zumindest eine Ortskoordinate der Person auf dem Untergrund bestimmt wird, wobei – den Elektroden jeweils eine Ortskoordinate zugewiesen wird, und – die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung die Ortskoordinaten der Elektroden erfasst, deren Signalstärke den Schwellenwert überschritten hat, und die zumindest eine Ortskoordinate der Person auf dem Untergrundbestimmt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung bei der Erfassung der Ortskoordinaten ein Interpolationsverfahren anwendet, zum Beispiel einen gewichteten Mittelwert der Ortskoordinaten bildet, wobei bei der Interpolation die Ortskoordinate jeder Elektrode mit der Signalstärke ihres Signals oder einer daraus abgeleiteten Größe gewichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–12, bei der die Mess- und Signalverarbeitungseinrichtung wiederholt Signale der Elektroden auswertet und daraus eine Anzahl der im Erfassungsbereich der Sensoranordnung vorhandenen Personen ermittelt, und unter Berücksichtigung der ermittelten Personenzahl entscheidet, ob das Signal einer Folge benachbarter Elektroden, oder das daraus gebildete Gesamtsignal, einer Person oder einer Mehrzahl Personen zuzuordnen ist.