DE102015204375B3

DE102015204375B3 - Anordnung und Verfahren zur kapazitiven Sitzbelegungserkennung für Fahrzeugsitze

Info

Publication number: DE102015204375B3
Application number: DE102015204375.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Püschmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2035-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur kapazitiven Sitzbelegungserkennung für Fahrzeugsitze (10) in einem Kraftfahrzeug, mittels eines Fahrzeugsitzes (10) und eines Steuergerätes (20), wobei der Fahrzeugsitz (10) ein elektrisch leitfähiges Sitzgestell (11) mit einer Sitzwanne (12) und mindestens eine Sensor-Elektrode (14) aufweist, wobei die Sitzwanne (12) über eine Masseverbindung mit einem Masseanschluss des Steuergerätes (20) verbunden ist und der Fahrzeugsitz (10) elektrisch von einer Fahrzeugkarosserie (16) isoliert ist, wobei in dem Steuergerät (20) mindestens ein Schwellwert (S) für eine Klassifizierung abgelegt ist, wobei das Steuergerät (20) die mindestens eine Sensor-Elektrode (14) mit einer Wechselspannung (Uref) beaufschlagt und phasengerecht eine resultierende Spannung (Ures) und einen resultierenden Strom (Ires) erfasst und daraus einen Gesamt-Kapazitätswert (C), einen Widerstandswert (R) und eine Kapazität (CY21) zwischen der mindestens einen Sensor-Elektrode (14) und der Sitzwanne (12) ermittelt, wobei in dem Steuergerät (20) eine Abhängigkeitsfunktion der Gesamtkapazität (C) vom Parameter Widerstand (R) und Kapazität (CY21) zwischen der mindestens einen Sensor-Elektrode (14) und der Sitzwanne (12) abgelegt ist, wobei die gemessene Gesamt-Kapazität (C) mittels der Abhängigkeitsfunktion kompensiert und mit dem mindestens einen kompensierten Schwellwert (S) verglichen wird, wobei in Abhängigkeit des Vergleichs eine Klassifikation erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur kapazitiven Sitzbelegungserkennung für Fahrzeugsitze in einem Kraftfahrzeug.
Solche Anordnungen sowie Verfahren dienen dazu, die Belegung eines Fahrzeugsitzes durch eine Person zu erkennen und darüber hinaus eine Klassifikation vorzunehmen, welche Art einer Sitzbelegung vorliegt. Dabei ist insbesondere die Unterscheidung von Interesse, ob sich ein Kindersitz (leer oder mit Kind) oder eine erwachsene Person auf dem Fahrzeugsitz befindet. Weitere Unterscheidungen bzw. Klassifizierungen sind denkbar und bekannt.
Solche dielektrischen Systeme bestehen in der Regel aus einer definierten Anordnung von einer oder mehreren Elektroden sowie einer Einrichtung, um eine definierte Wechselspannung an diese Anordnung anlegen zu können und dabei phasengerecht auch den fließenden Strom zu messen. Unter Wechselspannung wird dabei auch eine gepulste Spannung verstanden.
Dabei stellt häufig Wasser auf oder in den Fahrzeugsitzen ein Problem dar, da dieses eine signifikante Signaländerung zur Folge hat.
Die Fahrzeugsitze besitzen üblicherweise ein elektrisch leitfähiges Sitzgestell mit einer Sitzwanne, über der mindestens eine Sensor-Elektrode angeordnet ist. Die Sensor-Elektrode liegt dabei häufig unter dem Sitzbezug, wobei zwischen Sensor-Elektrode und Sitzwanne Schaumstoff oder ähnliches Polstermaterial angeordnet ist. Die Sensor-Elektrode ist dabei beispielsweise Bestandteil einer Sitzheizung.
Die erfassten kapazitiven Messwerte werden dabei mit Referenzwerten verglichen und das Ergebnis des Vergleichs zur Klassifizierung herangezogen.
Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE 10 2012 025 037 B3 bekannt.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Anordnung zur kapazitiven Sitzbelegungserkennung für Fahrzeugsitze zu schaffen, bei der die Klassifizierung verbessert wird. Ein weiteres technisches Problem ist das Zurverfügungstellen eines Verfahrens zur kapazitiven Sitzbelegungserkennung mit einer verbesserten Klassifizierung.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst die Anordnung zur kapazitiven Sitzbelegungserkennung für Fahrzeugsitze in einem Kraftfahrzeug einen Fahrzeugsitz, ein Steuergerät und mindestens eine Sitzbefestigung, wobei der Fahrzeugsitz ein elektrisch leitfähiges Sitzgestell mit einer Sitzwanne und mindestens eine Sensor-Elektrode aufweist. Die Sitzwanne ist über eine Masseverbindung mit einem Masseanschluss des Steuergeräts verbunden und der Fahrzeugsitz ist mittels der mindestens einen Sitzbefestigung mit einer Fahrzeugkarosserie verbunden, wobei über die Sitzbefestigung der Fahrzeugsitz elektrisch von der Fahrzeugkarosserie isoliert ist. Dabei ist in dem Steuergerät mindestens ein Schwellwert für eine Klassifizierung abgelegt, wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, dass dieses die mindestens eine Sensor-Elektrode mit einer Wechselspannung beaufschlagt und phasengerecht eine resultierende Spannung und einen resultierenden Strom erfasst und daraus einen Gesamt-Kapazitätswert, einen Widerstandswert und eine Kapazität zwischen der mindestens einen Sensor-Elektrode und der Sitzwanne ermittelt. In dem Steuergerät ist mindestens eine Abhängigkeitsfunktion der Gesamtkapazität vom Parameter Widerstand und Kapazität zwischen der mindestens einen Sensor-Elektrode und der Sitzwanne abgelegt, wobei die gemessene Gesamt-Kapazität mittels der Abhängigkeitsfunktion kompensiert und mit dem kompensierten Schwellwert verglichen wird, wobei in Abhängigkeit des Vergleichs eine Klassifikation erfolgt. Durch die Kompensation wird die Streuung der zu vergleichenden Daten erheblich reduziert, was eine bessere Separation der Insassenklassen erlaubt. Anschaulich berücksichtigt dabei der Widerstand die Abhängigkeit von der Feuchte und die Kapazität zwischen der Sensor-Elektrode und der Sitzwanne Verformungen des Fahrzeugsitzes aufgrund des Objekts. Durch deren jeweilige Kompensation wird der Einfluss von unbekannten Streukapazitäten reduziert, sodass Messwerte von verschiedenen Objekten einen größeren Abstand zueinander aufweisen und daher die Zuordnung über den Vergleich mit dem Schwellwert verbessert wird. Die Abhängigkeitsfunktion wird dabei vorzugsweise empirisch bestimmt, indem beispielsweise Referenzwerte vorab für verschiedene Objekte bei unterschiedlichen Klimabedingungen aufgenommen werden. Zwischen die Referenzwerte kann dann beispielsweise eine Kennlinie gelegt werden, die die Abhängigkeit von einem Parameter darstellt und zur Kompensation herangezogen werden kann.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Sensor-Elektrode Bestandteil einer Sitzheizung, sodass diese multifunktional genutzt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Sitzbefestigung einen Übergangswiderstand von mindestens 1 MΩ bei Gleichstrom auf. Eine sehr gute elektrische Isolation zur Fahrzeugkarosserie und somit zur Fahrzeugmasse ist wichtig, damit die Kapazität zwischen der Sensor-Elektrode und der Sitzwanne gemessen werden kann, da ansonsten das Wechselspannungssignal zusammenbricht.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Anordnung eine Einrichtung zur Erfassung des Übergangswiderstandes auf, wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, dass eine Klassifizierung des Objekts nur erfolgt, wenn der Gleichstrom-Übergangswiderstand größer einem Schwellwert ist, der beispielsweise 1 MΩ ist.
Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugsitzes,
2a ein erstes Ersatzschaltbild einer Anordnung zur kapazitiven Sitzbelegungserkennung,
2b ein erstes Diagramm zum ersten Ersatzschaltbild,
2c ein zweites Ersatzschaltbild der Anordnung zur kapazitiven Sitzbelegungserkennung,
2d ein zweites Diagramm mit Referenzwerten,
2e ein drittes Diagramm mit ersten kompensierten Referenzwerten,
2f ein weiteres Diagramm zur eindimensionalen Darstellung des Diagramms gemäß 2e,
2g ein fünftes Diagramm zur Darstellung von Referenzwerten in Abhängigkeit der Kapazität zwischen Sensor-Elektrode und Sitzwanne und
2h ein sechstes Diagramm zur Darstellung der kompensierten Referenzwerte gemäß 2g.
In der 1 ist eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil eines Fahrzeugsitzes 10 dargestellt. Der Fahrzeugsitz 10 weist ein elektrisch leitfähiges Sitzgestell 11 mit einer Sitzwanne 12 auf. Auf der Sitzwanne 12 ist ein Schaumstoff 13 angeordnet, in dem eine Sensor-Elektrode 14 angeordnet ist. Die Sensor-Elektrode 14 ist dabei parallel zur Sitzwanne 12 angeordnet. Der Fahrzeugsitz 10 ist über mindestens eine, vorzugsweise vier, Sitzbefestigung 15 mit einer Fahrzeugkarosserie 16 verbunden. Die Fahrzeugkarosserie 16 bildet dabei die elektrische Fahrzeugmasse. Die Sitzbefestigung 15 ist dabei derart ausgebildet, dass der Fahrzeugsitz 10 und damit auch die Sitzwanne 12 elektrisch von der Fahrzeugkarosserie isoliert ist, sodass sich beispielsweise ein Gleichstrom-Übergangswiderstand größer 1 MΩ einstellt.
Wird dann die Sensor-Elektrode 14 von einem in 1 nicht dargestellten Steuergerät mit Wechselspannung beaufschlagt, so baut die Sensor-Elektrode 14 in alle Richtungen elektrische Felder auf, was durch die Feldlinien 17 angedeutet ist. Objekte (z.B. ein Kindersitz oder ein Erwachsener) über der Sensor-Elektrode 14 verändern durch ihre dielektrischen Eigenschaften das elektrische Feld über der Sensor-Elektrode 14. Das elektrische Feld unter der Sensor-Elektrode 14 wird unter anderem von den Schaumeigenschaften des Schaumstoffs 13 und dessen Kompression beeinflusst. Die nicht vollständige Isolierung der Sensor-Elektrode 14 zu ihrer Umgebung ist in der 1 durch einen Übergangswiderstand 18 symbolisiert. Dabei sinkt R insbesondere mit zunehmender Feuchtigkeit im Schaumstoff 13. Die parasitäre Kapazität zwischen Sensor-Elektrode 14 und Sitzwanne 12 ist durch einen Kondensator symbolisiert.
Vereinfacht ergibt sich dabei zunächst das in 2a dargestellte Ersatzschaltbild. Dabei repräsentiert C_X den Messpfad über der Sensor-Elektrode 14 (siehe 1), der maßgeblich durch Objekte über der Sitzfläche beeinflusst wird. C_Y repräsentiert Streu-Kapazitäten, die durch die physikalischen Bedingungen in der Fahrzeugsitz-Fahrzeug-Umgebung bestimmt werden. Durch R werden die Real-Anteile dargestellt, welche ebenfalls die Umgebungsbedingungen widerspiegeln. Die Messschaltung im Steuergerät 20 stellt eine Wechselspannung als Spannungsreferenz U_ref zur Verfügung, mit der die Sensor-Elektrode 14 beaufschlagt wird. Die Messschaltung wertet dann die resultierende Spannung U_res und den resultierenden Strom I_res phasengerecht aus. Das Ergebnis der Messung ist ein kapazitiver Widerstand X_C und ein ohmscher Widerstand R, aus denen sich ein komplexer Leitwert Y ableiten lässt. Dabei gilt:
Um nun die Streuung der Streu-Kapazität C_Y zu minimieren, wird die Sitzwanne 12 über eine Masseverbindung mit der Masse M des Steuergeräts 20 verbunden. Dies legt die Sitzwanne 12 auf ein festes Potential, sodass Schwankungen aufgrund eines floating-Gates verhindert werden. Der Großteil der Streu-Kapazität C_Y wird nun durch die Kapazität C_Y21 zwischen Sensor-Elektrode 14 und Sitzwanne 12 gebildet. Dies ist in 2c als Ersatzschaltbild dargestellt, wobei C_Y1 die Streukapazität der Sitzwanne 12 aufgrund ihres eigenen Potentials, C_Y21 die Streu-Kapazität zwischen Sitzwanne 12 und Sensor-Elektrode 14 und C_Y22 die verbleibende unbekannte Streu-Kapazität ist. C_Y1 ist nun aufgrund des festen Potentials konstant. Wie in 2c dargestellt weist dabei das Steuergerät 20 zwei Schalter SW1 und SW2 auf. Für die Messung der Gesamtkapazität wird dabei SW1 geschlossen und SW2 bleibt offen. Dadurch ist die Sitzwanne 12 mit der Masse M des Steuergeräts 20 verbunden, wie dies bereits beschrieben wurde, und die Messung der Gesamtkapazität und Leitwerte kann erfolgen.
Da nun die Sitzwanne 12 über die Sitzbefestigung 15 von der Fahrzeugmasse der Fahrzeugkarosserie 16 getrennt ist, kann das Steuergerät 20 nun auch die Kapazität zwischen Sitzwanne 12 und Sensor-Elektrode 14 bestimmen. Dazu wird nun der Schalter SW1 geöffnet und der Schalter SW2 geschlossen. Damit ist die Sensor-Elektrode 14 mit der Masse M des Steuergeräts 20 verbunden und die Sitzwanne 12 wird mit der Wechselspannung U_ref beaufschlagt. Über die Messschaltung des Steuergeräts werden phasengerecht die resultierende Spannung und Strom gemessen und damit die Kapazität C_Y21 zwischen Sensor-Elektrode 14 und Sitzwanne 12 ermittelt sowie gegebenenfalls ein nicht zu vernachlässigender Widerstandswert.
Diese Informationen können nun dazu genutzt werden, um sowohl Referenzwerte als auch Messwerte zu kompensieren, was nun nachfolgend näher erläutert werden soll. Dabei sei der Einfachheit halber angenommen, es sollen nur zwei Klassen von Daten unterschieden werden, nämlich Klasse 1-Daten (z.B. Erwachsener) und Klasse 2-Daten (z.B. Kindersitz). Werden nun Referenz-Messungen bei unterschiedlichen Klimabedingungen (insbesondere Feuchte) aufgenommen, so können diese anschaulich grafisch wie in 2d dargestellt werden. Die Kapazitätswerte C sind dabei vom Parameter R abhängig. Obwohl die Absolut-Werte für die C-Werte in den Klassen schwanken, bleiben die Differenzen zwischen den C-Werten unterschiedler Klassen bei gleichen R-Werten nahezu konstant, zumindest bewegen diese sich jedoch in die gleiche Richtung. Es kann nun eine Kennlinie konstruiert werden, die die Abhängigkeitsfunktion von C zum Parameter R möglichst gut abbildet, wobei in der Darstellung die Kennlinie eine Gerade ist. Dies ist nicht zwingend, sondern die Kennlinie kann auch nicht linear sein. Mit Hilfe der Kennlinie als Abbildungsvorschrift bzw. Abhängigkeitsfunktion kann jeder C-Wert bei einem R-Wert auf einen kompensierten C-Wert bei einem festgelegten R-Referenzwert umgerechnet werden (z.B. R = 0). Das Ergebnis ist in 2e dargestellt, wobei die Kompensierten C-Werte nun nicht mehr von R abhängig sind. Es kann eine zur X-Achse waagerechte Schwelle berechnet werden und letztlich die kompensierten C-Werte eindimensional wie in 2f dargestellt werden, wobei Yt der C-Wert bei R = 0 sei. Bei Annahme einer linearen Kennlinie gilt dann: C = Yt + X1·R, wobei X1 die Steigung der Kennlinie ist. Wie in 2f zu erkennen ist, bilden die C-Werte der beiden Klassen einen Cluster, wobei durch diese Verbreitung der Abstand zur Schwelle nicht optimal ist.
Daher werden nun die R-kompensierten Yt-Werte über der Kapazität C_Y21 zwischen Sensor-Elektrode 14 und Sitzwanne 12 als Parameter aufgetragen (siehe 2g). Hier kann wieder eine Abhängigkeitsfunktion (z.B. als Gerade mit Steigung X₂) gebildet werden und auf einen C-Wert Yt‘ bei C_Y21 = 0 (und R = 0) zurückgerechnet werden. Hierdurch wird der Cluster von 2f verkleinert, sodass die Separation der beiden Klassen maximiert wird. Dabei gilt: Yt‘ = C – X₁·R – X₂C_Y21.
Der kompensierte Schwellwert S für die Trennung der kompensierten Messwerte Yt‘ kann dann mit den beiden Abhängigkeitsfunktionen im Steuergerät 20 hinterlegt sein, wobei dann die Messwerte mit diesen Abhängigkeitsfunktionen kompensiert werden. Dies erlaubt eine verbesserte Klassifikation von Objekten bei einer kapazitiven Sitzplatzerkennung.

Claims

Anordnung zur kapazitiven Sitzbelegungserkennung für Fahrzeugsitze (10) in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen Fahrzeugsitz (10), ein Steuergerät (20) und mindestens eine Sitzbefestigung (15), wobei der Fahrzeugsitz (10) ein elektrisch leitfähiges Sitzgestell (11) mit einer Sitzwanne (12) und mindestens eine Sensor-Elektrode (14) aufweist, wobei die Sitzwanne (12) über eine Masseverbindung mit einem Masseanschluss des Steuergerätes (20) verbunden ist und der Fahrzeugsitz (10) mittels der mindestens einen Sitzbefestigung (15) mit einer Fahrzeugkarosserie (16) verbunden ist, wobei über die Sitzbefestigung (15) der Fahrzeugsitz (10) elektrisch von der Fahrzeugkarosserie (16) isoliert ist, wobei in dem Steuergerät (20) mindestens ein Schwellwert (S) für eine Klassifizierung abgelegt ist, wobei das Steuergerät (20) derart ausgebildet ist, dass dieses die mindestens eine Sensor-Elektrode (14) mit einer Wechselspannung (U_ref) beaufschlagt und phasengerecht eine resultierende Spannung (U_res) und einen resultierenden Strom (I_res) erfasst und daraus einen Gesamt-Kapazitätswert (C), einen Widerstandswert (R) und eine Kapazität (C_Y21) zwischen der mindestens einen Sensor-Elektrode (14) und der Sitzwanne (12) ermittelt, wobei in dem Steuergerät (20) eine Abhängigkeitsfunktion der Gesamtkapazität (C) vom Parameter Widerstand (R) und Kapazität (C_Y21) zwischen der mindestens einen Sensor-Elektrode (14) und der Sitzwanne (12) abgelegt ist, wobei die gemessene Gesamt-Kapazität (C) mittels der Abhängigkeitsfunktion kompensiert und mit dem kompensierten Schwellwert (S) verglichen wird, wobei in Abhängigkeit des Vergleichs eine Klassifikation erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sensor-Elektrode (14) Bestandteil einer Sitzheizung ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzbefestigung (15) einen Übergangswiderstand zur Fahrzeugkarosserie (16) von mindestens 1 MΩ bei Gleichstrom aufweist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Einrichtung zur Erfassung des Gleichstrom-Übergangswiderstandes zwischen Fahrzeugsitz (10) und Fahrzeugkarosserie (16) aufweist, wobei das Steuergerät (20) derart ausgebildet ist, dass eine Klassifizierung des Objekts nur erfolgt, wenn der Übergangswiderstand größer einem Schwellwert ist.
Verfahren zur kapazitiven Sitzbelegungserkennung für Fahrzeugsitze (10) in einem Kraftfahrzeug, mittels eines Fahrzeugsitzes (10) und eines Steuergerätes (20), wobei der Fahrzeugsitz (10) ein elektrisch leitfähiges Sitzgestell (11) mit einer Sitzwanne (12) und mindestens eine Sensor-Elektrode (14) aufweist, wobei die Sitzwanne (12) über eine Masseverbindung mit einem Masseanschluss des Steuergerätes (20) verbunden ist und der Fahrzeugsitz (10) elektrisch von einer Fahrzeugkarosserie (16) isoliert ist, wobei in dem Steuergerät (20) mindestens ein Schwellwert (S) für eine Klassifizierung abgelegt ist, wobei das Steuergerät (20) die mindestens eine Sensor-Elektrode (14) mit einer Wechselspannung (U_ref) beaufschlagt und phasengerecht eine resultierende Spannung (U_res) und einen resultierenden Strom (I_res) erfasst und daraus einen Gesamt-Kapazitätswert (C), einen Widerstandswert (R) und eine Kapazität (C_Y21) zwischen der mindestens einen Sensor-Elektrode (14) und der Sitzwanne (12) ermittelt, wobei in dem Steuergerät (20) eine Abhängigkeitsfunktion der Gesamtkapazität (C) vom Parameter Widerstand (R) und Kapazität (C_Y21) zwischen der mindestens einen Sensor-Elektrode (14) und der Sitzwanne (12) abgelegt ist, wobei die gemessene Gesamt-Kapazität (C) mittels der Abhängigkeitsfunktion kompensiert und mit dem mindestens einen kompensierten Schwellwert (S) verglichen wird, wobei in Abhängigkeit des Vergleichs eine Klassifikation erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Einrichtung der Gleichstrom-Übergangswiderstand zwischen Fahrzeugsitz (10) und Fahrzeugkarosserie (16) erfasst wird, wobei eine Klassifizierung des Objekts durch das Steuergerät (20) nur erfolgt, wenn der Übergangswiderstand größer einem Schwellwert ist.