DE102017006980A1

DE102017006980A1 - Verfahren zum Erkennen einer Annäherung an ein Sensorelement

Info

Publication number: DE102017006980A1
Application number: DE102017006980.8A
Authority: DE
Inventors: Marc Schuelper; Christoph Rebbe
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2017-07-22
Filing date: 2017-07-22
Publication date: 2019-01-24

Abstract

Ein Verfahren zum Erkennen einer Annäherung eines Gegenstandes an ein Sensorelement, welches Teil einer Sensoreinrichtung ist, die ein Sensorausgangssignal erzeugt, dessen Amplitude sich bei einer Änderung des Abstands des Gegenstandes von dem Sensorelement ändert, wobei die Größe der Amplitudenänderung umgekehrt proportional zum jeweiligen Abstand des Gegenstandes von dem Sensorelement ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorausgangssignal mittels eines ersten Filters mit Hochpasseigenschaft und eines zweiten Filters mit Tiefpasseigenschaft gefiltert wird, wobei die Reihenfolge der Anwendung der ersten und zweiten Filter beliebig ist, dass das erste Filter eine niedrige Grenzfrequenz hat, dass die Grenzfrequenz zweiten Filters variabel ist und nach Maßgabe der momentanen Steigung des Eingangssignals des zweiten Filters angepasst wird, und dass das Ausgangssignal der Filterung durch beide Filter mit Schwellwerten zur Erkennung der Unter- oder Überschreitung festgelegter Abstände zu dem Sensorelement verglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Annäherung eines Gegenstandes an ein Sensorelement, welches Teil einer Sensoreinrichtung ist, die ein Sensorausgangssignal erzeugt, dessen Amplitude sich bei einer Änderung des Abstands des Gegenstandes von dem Sensorelement ändert, wobei die Größe der Amplitudenänderung umgekehrt proportional zum jeweiligen Abstand des Gegenstandes von dem Sensorelement ist.
Verfahren der hier angesprochenen Art werden verwendet, um Berührungs- bzw. Annäherungssensoren auszuwerten. Ein solcher Sensor kann die Gegenwart und bei entsprechender Ausgestaltung auch den Ort einer Berührung oder der Annäherung durch ein Objekt, wie zum Beispiel einen Finger des Benutzers oder einen Stift, innerhalb eines empfindlichen Bereichs detektieren. Der berührungsempfindliche Bereich kann dabei beispielsweise einen Anzeigebildschirm überlagern. In einer Anzeigeanwendung kann es der Berührungs- bzw. Annäherungssensor dem Benutzer ermöglichen, direkt mit dem, was auf dem Bildschirm dargestellt wird, zu interagieren, und nicht nur indirekt mittels einer Maus oder einem ähnlichen Eingabegerät.
Es gibt eine Anzahl verschiedener Arten von Annäherungssensoren, wie zum Beispiel optische Annäherungssensoren, Annäherungssensoren mit akustischen Oberflächenwellen und kapazitive Annäherungssensoren.
Wenn ein Objekt beispielsweise die Oberfläche eines kapazitiven Berührungssensors berührt oder in dessen Nähe kommt, tritt eine Änderung des Kapazitätswertes des Sensorelements auf. Aufgabe einer zugeordneten Sensoreinrichtung bzw. des durch diese verwendeten Messverfahrens ist es, diese Kapazitätsänderung zu verarbeiten, um die diese auslösende Berührung oder Annäherung zu erfassen. Die besondere Schwierigkeit hierbei besteht darin, dass die Kapazitätswerte der Sensorelemente und insbesondere die zu erfassenden Änderungen sehr klein sind. Aus diesem Grunde bedient man sich zu ihrer Messung gerne sogenannter Integrationsverfahren, bei denen in mehreren aufeinander folgenden Zyklen kleine Ladungsmengen von dem Sensorelement, dessen Kapazitätswert relativ klein und veränderlich ist, auf einen Integrationskondensator mit einem bekannten festen und deutlich größeren Kapazitätswert übertragen werden.
Die Tatsache, dass die Kapazitätswerte der Sensorelemente und insbesondere die zu erfassenden Änderungen sehr klein sind, hat zur Folge, dass die Messung sehr störanfällig ist. Da sich die Amplitude des Sensorausgangssignals bei kapazitiven, wie z.B. aber auch bei optischen Sensoren, bei einer Änderung des Abstands des zu erfassenden Gegenstandes von dem Sensorelement in der Weise ändert, dass die Größe der Amplitudenänderung umgekehrt proportional zum jeweiligen Abstand des Gegenstandes von dem Sensorelement ist, werden nur in einem vergleichsweise kleinen Nahbereich relevante Amplitudenänderungen produziert werden. Diese konnten daher bislang nur sehr begrenzt zur Annäherungserkennung genutzt werden, da durch das Sensorrauschen keine robuste Unterscheidung einer weiteren Distanz möglich ist.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem zuvor beschriebenen den Vorteil, selbst die geringen Amplitudenänderungen der Sensorausgangssignale bei einer Annäherung an das Sensorelement oder ebenso bei einer Entfernung von diesem bei deinem deutlich weiter entfernten Gegenstand auflösen zu können.
Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass das Sensorausgangssignal mittels eines ersten Filters mit Hochpasseigenschaft und eines zweiten Filters mit Tiefpasseigenschaft gefiltert wird, wobei die Reihenfolge der Anwendung der ersten und zweiten Filter beliebig ist, dass das erste Filter eine niedrige Grenzfrequenz hat, dass die Grenzfrequenz des zweiten Filters variabel ist und nach Maßgabe der momentanen Steigung des Eingangssignals des zweiten Filters angepasst wird, und dass das Ausgangssignal der Filterung durch beide Filter mit Schwellwerten zur Erkennung der Unter- oder Überschreitung festgelegter Abstände zu dem Sensorelement verglichen wird.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass das zugrundeliegende Annäherungssignal einen anderen Spektralbereich umfasst als das überlagernde Rauschen. Es ist daher ohne wesentlichen Informationsverlust möglich, das Sensorausgangssignal zu filtern, und zwar mittels eines adaptiven Bandpasses, wobei aufgrund der Eigenschaft des Systems ein linear zeitinvariantes System zu sein, eine getrennte Betrachtung des Hoch- und Tiefpassanteils des Bandpasses möglich ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit einem kapazitiven Sensorelement wird in der Sensoreinrichtung ein Kapazitätswert des Sensorelements mittels eines fortlaufend angewendeten Integrationsverfahrens gemessen, bei dem jeweils eine an einem Integrationskondensator mit einem bekannten Kapazitätswert anliegende Spannung mittels eines A/D-Wandlers gemessen und dessen Ausgangssignal zu dem Sensorausgangssignal verarbeitet wird.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
Dabei zeigt die einzige Figur das erfindungsgemäße Verfahren in einer Ausführungsform der Erfindung mit einem kapazitiven Sensorelement als Ablaufdiagramm.
Zunächst wird in einer Sensoreinrichtung 1 ein Sensorausgangssignal 1.1 eines berührungs- bzw. annäherungsempfindlichen kapazitiven Sensorelements mittels eines kapazitiven Messverfahrens erfasst. Dieses Sensorausgangssignal 1.1 wird dann zunächst einem ersten Filter 2 mit Hochpasseigenschaft und mit einer festgelegten, sehr niedrigen Grenzfrequenz zugeführt. Das erste Filter 2 stellt dabei zunächst sicher, dass das Sensorausgangssignal 1.1 im Ruhezustand mittelwertfrei ist, dass also Temperaturdrifts, Verschmutzungen und andere annähernd statische Einflüsse kompensiert werden, und somit später absolute Grenzwerte verwendet werden können. Es dabei muss sichergestellt sein, dass das erste Filter 2 den Hub des Sensorausgangssignals 1.1 bei einem sich annähernden Objekt nicht oder nur in minimalem Maße kompensiert. Zu diesem Zwecke kann die Grenzfrequenz bei Erkennung einer Annäherung temporär auf 0 Hertz gesetzt werden, was einer temporären Deaktivierung des ersten Filters 2 entspricht. Temperaturdrifts müssen über mehrere Dekaden im Bereich von einigen Microhertz bis hin zu wenigen hundert Millihertz kompensiert werden. Andere (quasi) statische Einflüsse wie aufgebrachte Verschmutzungen werden damit einhergehend ebenfalls weggefiltert. Die gewöhnliche Betätigungsrate eines Schalters oder Tasters durch einen Menschen umfasst knapp zwei Dekaden im Bereich von etwa 0,3 Hertz bis 20 Hertz. Hierbei muss sichergestellt werden, dass langsame Betätigungen nicht durch das erste Filter 2 kompensiert werden. Als Grenzfrequenz für das erste Filter 2 wird ein Bereich zwischen 1 Millihertz und einigen hundert Millihertz, insbesondere ein Bereich zwischen etwa 10 bis 50 Millihertz verwendet.
Ein adaptives zweites Filter 4 mit Tiefpasseigenschaft filtert dann das Rauschen aus dem bereits durch das erste Filter 2 hochpassgefilterten Sensorausgangssignal 1.1. Dieses hochpassgefilterte Eingangssignal 2.1 des zweiten Filters 4 gilt es dabei so gut wie möglich zu glätten und trotzdem insbesondere in der Relaxationsphase keine zu hohe Verzögerung durch die Gruppenlaufzeit zu erhalten. Letzteres würde sonst dazu führen, dass nach einer Betätigung der Annäherungsstatus noch gehalten wird, obwohl das Objekt schon lange aus dem Annäherungsbereich heraus ist. Bei keiner oder geringer Steigung des Signals muss das zweite Filter 4 das Rauschen bestmöglich kompensieren. Zumindest ein schmales Band oberhalb der Grenzfrequenz des ersten Filters 2 muss dabei aber ungefiltert bleiben, damit zumindest ein Spektralanteil erhalten bleibt.
Die Grenzfrequenz des zweiten Filters 4 wird deshalb in einem Verzweigungsschritt 3 in Abhängigkeit von der Steigung seines Eingangssignals 2.1 gewählt. Ein für die praktische Umsetzung günstiges Steigungsmaß, auf das im Folgenden näher eingegangen wird, ist durch die Differenz zwischen dem aktuellen Eingangssignal 2.1 des zweiten Filters 4 und dem Ausgangssignal 5 der Filterung durch beide Filter 2, 4, 4.1, 4.2, 4.3 des vorherigen Messzyklus gegeben. Um den Rauscheinfluss des Eingangssignals 2.1 auf das Steigungsmaß zu reduzieren, kann zusätzlich auch ein gleitender Mittelwert oder ein anderes Filter mit Tiefpasseigenschaft auf dieses Steigungsmaß selbst oder seine Eingangsgrößen angewandt werden.
Ist dabei die Differenz zwischen dem aktuellen Eingangssignal 2.1 des zweiten Filters 4 und dem vorherigen Ausgangssignal 5 der Filterung durch beide Filter 2, 4, 4.1, 4.2, 4.3 kleiner als die Amplitude des überlagerten Rauschens, so wird zum Zwecke der bestmöglichen Rauschkompensation ein zweites Filter 4.1 mit einer sehr tiefen Grenzfrequenz verwendet. Die Grenzfrequenz liegt hierbei etwa im Bereich von 1 bis 3 Hertz.
Ist dagegen das aktuelle Eingangssignal 2.1 des zweiten Filters 4 deutlich größer als das Ausgangssignal 5 der Filterung durch beide Filter 2, 4, 4.1, 4.2, 4.3 aus der vorherigen Messung, wird ein zweites Filter 4.2 mit einer oder mehreren etwas höheren Grenzfrequenzen verwendet, um einem steil ansteigenden Sensorausgangssignal 1.1 schneller folgen zu können. Die Grenzfrequenzen liegen hierbei etwa im Bereich von 5 bis 10 Hertz.
Im dritten Unterscheidungsfall schließlich, bei dem das aktuelle Eingangssignal 2.1 des zweiten Filters 4 deutlich kleiner als das Ausgangssignal 5 der Filterung durch beide Filter 2, 4, 4.1, 4.2, 4.3 aus der vorherigen Messung ist, wird ein zweites Filter 4.3 mit einer oder mehreren deutlich höheren Grenzfrequenzen verwendet, um eine schnelle Relaxation des Ausgangssignals 5 nach einer Auslösung zu gewährleisten. Die Grenzfrequenz kann hierbei bis auf etwa 20 Hertz angehoben werden.
Das Ausgangssignal 5 der Filterung durch beide Filter 2, 4, 4.1, 4.2, 4.3 wird in einem weiteren Verzweigungsschritt 6 mit einem Schwellwert verglichen. Der Schwellwert wird dabei in Abhängigkeit des zu erkennenden Abstandes gewählt und zusätzlich mit einem Hysteresefenster versehen.
Wenn das Ausgangssignal 5 der Filterung durch beide Filter 2, 4, 4.1, 4.2, 4.3 dabei unter dem um einen Hysteresewert verringerten Schwellwert liegt, wird in Schritt 7.1 die Information ausgegeben, dass keine Annäherung erkannt wurde.
Wenn das Ausgangssignal 5 der Filterung durch beide Filter 2, 4, 4.1, 4.2, 4.3 dabei über dem um einen Hysteresewert erhöhten Schwellwert liegt, wird in Schritt 7.2 eine erkannte Annäherung ausgegeben.
Liegt das Ausgangssignal 5 der Filterung durch beide Filter 2, 4, 4.1, 4.2, 4.3 innerhalb des Hysteresefensters also etwa im Bereich des Schwellwertes, so liegt kein klar definierter Zustand vor. In diesem Falle erfolgt keine Änderung zur vorherigen Ausgabe und der Messzyklus wird sofort erneut gestartet. Nach der Ausgabe eines Erkennungs- oder Nichterkennungsinformation wird der Messzyklus ebenfalls erneut gestartet.

Claims

Verfahren zum Erkennen einer Annäherung eines Gegenstandes an ein Sensorelement, welches Teil einer Sensoreinrichtung (1) ist, die ein Sensorausgangssignal (1.1) erzeugt, dessen Amplitude sich bei einer Änderung des Abstands des Gegenstandes von dem Sensorelement ändert, wobei die Größe der Amplitudenänderung umgekehrt proportional zum jeweiligen Abstand des Gegenstandes von dem Sensorelement ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorausgangssignal (1.1) mittels eines ersten Filters (2) mit Hochpasseigenschaft und eines zweiten Filters (4, 4.1, 4.2, 4.3) mit Tiefpasseigenschaft gefiltert wird, wobei die Reihenfolge der Anwendung der ersten und zweiten Filter (2, 4, 4.1, 4.2, 4.3) beliebig ist, dass das erste Filter (2) eine niedrige Grenzfrequenz hat, dass die Grenzfrequenz zweiten Filters (4, 4.1, 4.2, 4.3) variabel ist und nach Maßgabe der momentanen Steigung des Eingangssignals (2.1) des zweiten Filters (4, 4.1, 4.2, 4.3) angepasst wird, und dass das Ausgangssignal (5) der Filterung durch beide Filter (2, 4, 4.1, 4.2, 4.3) mit Schwellwerten zur Erkennung der Unter- oder Überschreitung festgelegter Abstände zu dem Sensorelement verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein kapazitives Sensorelement ist, und dass in der Sensoreinrichtung (1) ein Kapazitätswert des Sensorelements mittels eines fortlaufend angewendeten Integrationsverfahrens gemessen wird, bei dem jeweils eine an einem Integrationskondensator mit einem bekannten Kapazitätswert anliegende Spannung mittels eines A/D-Wandlers gemessen und dessen Ausgangssignal zu dem Sensorausgangssignal (1.1) verarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der Ausgangssignale des A/D-Wandlers zum Sensorausgangssignal (1.1) eine zeitliche Ableitung der Ausgangssignale des A/D-Wandlers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Integrationsverfahren in mehreren aufeinander folgenden Integrationszyklen kleine Ladungsmengen von dem Sensorelement auf den Integrationskondensator, dessen Kapazitätswert groß gegenüber dem des Sensorelements ist, übertragen werden, und nachfolgend die an dem Integrationskondensator anliegende Spannung mittels eines A/D-Wandlers gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feststellung der momentanen Steigung des Eingangssignals (2.1) des zweiten Filters (4, 4.1, 4.2, 4.3) die Differenz zwischen dem aktuellen Eingangssignal (2.1) und dem vorherigen Ausgangssignal (5) der Filterung durch beide Filter (2, 4, 4.1, 4.2, 4.3) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Differenz zwischen dem aktuellen Eingangssignal (2.1) und dem vorherigen Ausgangssignal (5) der Filterung durch beide Filter (2, 4, 4.1, 4.2, 4.3), die kleiner ist als die Amplitude des überlagerten Rauschens, ein zweites Filter (4.1) mit einer sehr tiefen Grenzfrequenz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Differenz zwischen dem aktuellen Eingangssignal (2.1) und dem vorherigen Ausgangssignal (5) der Filterung durch beide Filter (2, 4, 4.1, 4.2, 4.3), die deutlich größer ist als die Amplitude des überlagerten Rauschens, ein zweites Filter (4.2) mit einer oder mehreren etwas höheren Grenzfrequenz(en) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktuellen Eingangssignal (2.1) des zweiten Filters (4, 4.1, 4.2, 4.3), das deutlich kleiner ist als das vorherige Ausgangssignal (5) der Filterung durch beide Filter (2, 4, 4.1, 4.2, 4.3), ein zweites Filter (4.3) mit einer oder mehreren deutlich höheren Grenzfrequenz(en) verwendet wird.