DE102022003601A1

DE102022003601A1 - Verfahren zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich eines Lenkrads

Info

Publication number: DE102022003601A1
Application number: DE102022003601.0A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt Erfinder
Original assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2024-04-04
Also published as: WO2024068597A1

Abstract

Ein Verfahren zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich eines Lenkrads mittels eines kapazitiven Sensorsystems, wobei die Anwesenheit der menschlichen Hand in einem Detektionsbereich einer zumindest eine mit einem Ein-/Ausgang einer Sensorelektronik verbundene Sensorelektrode umfassenden Sensorstruktur eine Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode mit einem Bezugspotential gegenüber einem Referenzzustand ohne Anwesenheit der Hand bewirkt, und wobei ein metallischer Lenkradkern mit einem Massepotential verbunden ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest einer Diagnosemessung ein Maß ΔUHumidfür die durch Wassereinlagerung im Lenkrad bewirkten Umwelteinflüsse CHumidund RHumidauf die kapazitive und die Ohm'sche Kopplung zwischen der Sensorelektrode und dem Lenkradkern bestimmt und zur Korrektur der Bestimmung der kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode mit dem Bezugspotential verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich eines Lenkrads mittels eines kapazitiven Sensorsystems, wobei die Anwesenheit der menschlichen Hand in einem Detektionsbereich einer zumindest eine mit einem Ein-/Ausgang einer Sensorelektronik verbundene Sensorelektrode umfassenden Sensorstruktur eine Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode mit einem Bezugspotential gegenüber einem Referenzzustand ohne Anwesenheit der Hand bewirkt, und wobei ein metallischer Lenkradkern mit einem Massepotential verbunden ist.
Bei den hierbei verwendeten Sensorelektroden handelt es sich um einen, ein- oder mehrlagigen Aufbau von leitfähigen Sensormatten im Lenkradkranz. Diese Sensorsysteme werden auch als HOD Sensoren (Hands On wheel Detection) bezeichnet. Über eine kapazitive Messung kann hierbei die Anwesenheit einer Hand erkannt werden. Dabei wird ausgenutzt, dass eine kapazitive Kopplung zwischen Hand und Sensorelektrode besteht, deren Kapazität C_Hand vom Griffzustand abhängt. Aufgabe einer zugeordneten Sensorelektronik bzw. eines durch diese verwendeten Messverfahrens ist es, eine durch Änderung des Griffzustandes hervorgerufene Änderung der Kapazität C_Hand zu erfassen. Die besondere Schwierigkeit hierbei besteht darin, dass die Kapazität C_Hand und insbesondere die zu erfassenden Änderungen derselben sehr klein sind im Vergleich zu sonstigen internen Kapazitäten des Lenkrads. 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 an dem Integrationskondensator nach einer vorgegebenen Anzahl solcher Integrationszyklen anliegende Spannung wird dann mittels eines A/D-Wandlers gemessen und zu einer Sensoramplitude verarbeitet, die wiederum ein direktes Maß für die Kapazität C_Hand ist. Andere Einflüsse, die ebenfalls die gemessene Kapazität beeinflussen können, müssen daher soweit möglich konstant gehalten werden. Dazu wird insbesondere der Lenkradkern auf ein fixes Potential gelegt.
Sensorsysteme für Lenkräder eines Kraftfahrzeugs zur Hands-Erkennung mit kapazitiven Sensorstrukturen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So zeigt beispielsweise die DE 203 09 603 U1 ein Lenkrad mit sektorweise angeordneten Sensorelektroden, die es ermöglichen, die Annäherung und/oder Entfernung einer menschlichen Hand erkennen und einem bestimmten Bereich des Lenkrades zuzuorden.
Die WO 2016/087279 A1 offenbart ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug, mit einem kapazitiven Sensorsystem, dessen Sensorstruktur zumindest zeitweise auch als Heizstruktur betrieben werden kann. Das Lenkrad weist ferner einen metallischen Lenkradkern auf, der als aktives Abschirmelement betrieben und mit einem definierten elektrischen Potential beaufschlagt werden kann, um eine störende kapazitive Kopplung der Sensorstruktur mit dem Lenkradkern zu reduzieren.
Aufgrund der gegenüber der Kapazität C_Hand zwischen einer Hand und einer jeweiligen Sensorelektrode deutlich größeren Kapazität C_Core zwischen dem Lenkradkern und dieser Sensorelektrode, hätte eine Potentialänderung des Lenkradkerns eine störende Auswirkung auf die HOD Messung. Die zur Vermeidung dieses Problems vorgesehene Anbindung des Lenkradkerns an ein fixes Potential erfolgt in einer Sensorelektronik. Diese Potential-Anbindung, die im Allgemeinen an ein Massepotential GND erfolgt, hat typischerweise eine Kapazität von C_GND> 100 nF.
Die Sensorelektroden und der Lenkradkern werden üblicherweise über Steckverbinder mit einem Kabelbaum verbunden, der zur HOD Elektronik geführt und mit dieser ebenfalls über Steckverbinder verbunden ist.
Dieser Sachverhalt sowie die relevanten physikalischen Größen sind in der 2 zum Stand der Technik schematisch dargestellt.
Bei den verwendeten Substraten und Füllmaterialien, die für den Verbau der Sensorelektroden und für die Ausbildung der Haptik des Lenkrads verwendet werden, handelt es sich in der Regel um Materialien, die unter Umgebungsbedingungen mit hoher Luftfeuchtigkeit Wasser aufnehmen. Das in diesen Materialien eingelagerte Wasser hat einen großen Einfluss sowohl auf deren elektrische Leitfähigkeit als auch auf deren Dielektrizitätskonstante. Daher werden sowohl die kapazitive als auch die Ohm'sche Kopplung zwischen den einzelnen Lagen der Sensorelektroden sowie deren Kopplung zum Lenkradkern und/oder einer Lenkradheizung durch die Wassereinlagerung beeinflusst. Die Kopplung ist in 1 veranschaulicht, wobei aus Gründen der Übersicht nur die Kopplungen C_Humid und R_Humid zwischen einer Sensorelektrode und dem Lenkradkern dargestellt sind.
Als problematisch erweist sich hierbei die Tatsache, dass der Einfluss der Wassereinlagerung auf die HOD Messung deutlich größer ausfallen kann als der Einfluss durch unterschiedliche Griffzustände. Darüber hinaus wird auch der Einfluss des Griffzustands selbst so verändert, dass gegebenenfalls bei Durchführung einer einfachen Wertebereichsanalyse fälschlicherweise ein vermeintlich anderer Griffzustand erkannt wird als der tatsächlich vorliegende.
Es werden zwar üblicherweise Umweltsensoren, wie z.B. NTC, im Lenkrad verbaut und ausgewertet. Allerdings dienen diese gewöhnlich nur zur Absicherung, nicht aber zur Kompensation. Da es sich dabei um separate Sensoren handelt, korreliert der Einfluss zudem nicht hinreichend mit der HOD Messung, um eine Kompensation der HOD Messwerte in Echtzeit zu ermöglichen.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem zuvor beschriebenen Stand der Technik den Vorteil, eine Diagnosemethode aufzuzeigen, die mit dem Einfluss auf die HOD Messung korreliert und somit eine Korrektur der HOD Messung zur Kompensation der Umwelteinflüsse in Echtzeit ermöglicht, um die beschriebenen Fehler zu vermeiden.
Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass mittels zumindest einer Diagnosemessung ein Maß ΔU_Humid für die durch Wassereinlagerung im Lenkrad bewirkten Umwelteinflüsse C_Humid und R_Humid auf die kapazitive und die Ohm'sche Kopplung zwischen der Sensorelektrode und dem Lenkradkern bestimmt und zur Korrektur der Bestimmung der kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode mit dem Bezugspotential verwendet wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Diagnosemessung die Bestimmung der Entladung eines Kondensators mit der Kapazität C über einen Widerstand R_Humid in einer festgelegten Wartezeit Δt, wobei das Maß ΔU_Humid die Differenz zwischen einer Ausgangsspannung U₀ und der Spannung U_Humid nach der Wartezeit Δt ist.
Die Diagnosemessung wird vorteilhafterweise zyklisch wiederholt mit einer vorgegebenen Abtastrate durchgeführt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer möglichen Ausführung der Erfindung.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines HOD Sensorsystems zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
2: eine schematische Darstellung eines HOD Sensorsystems nach dem Stand der Technik sowie die relevanten physikalischen Größen

Wie in 2, die den Stand der Technik zeigt, zu sehen, ist bei einem herkömmlichen HOD Sensorsystem die zumindest eine Sensorelektrode 4 der Sensorstruktur des Lenkrades 2 mit einem Ein-/Ausgang 3.1 der Sensorelektronik 3 verbunden.
Über diesen Ein-/Ausgang 3.1 der Sensorelektronik 3 kann eine durch die Anwesenheit einer menschlichen Hand 1 in einem Detektionsbereich der Sensorelektrode 4 hervorgerufene Änderung der kapazitiven Kopplung C_Hand der Sensorelektrode 4 mit der Hand 1 erfasst werden. Die Kapazität C_Core zwischen der Sensorelektrode 4 und dem Lenkradkern 5 ist demgegenüber deutlich größer. Der Lenkradkern 5 selbst ist über eine oder mehrere Leitungen 6 mit einem festen Potential, welches im Allgemeinen ein Massepotential GND ist, verbunden. Diese Anbindung weist eine Kapazität von typischerweise C_GND > 100 nF auf. Es sind sowohl einfache als auch mehrfache Kontaktierungen des Lenkradkerns 5 bekannt, wobei eine mehrfache Kontaktierung die Robustheit der Anbindung steigert.
In 1 ist eine Ausgestaltung eines HOD Sensorsystems zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens Variante gezeigt. Der grundsätzliche Aufbau des Sensorsystems und das Verfahren zum Erkennen der Anwesenheit einer Hand in einem Greifbereich des Lenkrads sind mit dem zuvor anhand 2 beschriebenen identisch.
Zusätzlich sind hier die Kopplungen C_Humid und R_Humid zwischen einer Sensorelektrode und dem Lenkradkern dargestellt. Die gesamte Kapazität C der Kopplung zwischen der Sensorelektrode 4 und dem Lenkradkern 5 ist daher C = C_Core + C_Humid.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Sensorelektrode 4 zunächst über den Ein-/Ausgang 3.1 der Sensorelektronik 3 mit einer definierten Spannung U_HOD = U₀ aufgeladen. Danach wird diese Verbindung getrennt, z.B. indem der Ein-/Ausgang 3.1 der Sensorelektronik 3 auf Input geschaltet wird. Die jetzt auf der Sensorelektrode 4 gespeicherte Ladung kann dann über den Widerstand R_Humid abfließen. Nach einer konstanten Wartezeit Δt wird die dann auf den Wert U_Humid abgefallene Spannung über den Ein-/Ausgang 3.1 der Sensorelektronik 3 gemessen.
Die Entladung eines Kondensators mit der Kapazität C über einen Widerstand R_Humid erfolgt gemäß der Gleichung $U_{H u m i d} = U_{0} exp [- \frac{Δ t}{R_{H u m i d} C}]$
In trockener Umgebung ist der Widerstand R_Humid praktisch unendlich, so dass die so ermittelte Spannung U_Humid ≈ U₀ ist.
Die unter realen Bedingungen, d.h. mit in den verwendeten Materialien eingelagertem Wasser, gemessene Änderung $Δ U_{H u m i d} = U_{0} - U_{H u m i d}$
ist somit ein Maß für die Umwelteinflüsse C_Humid und R_Humid, dabei aber weitestgehend unabhängig von C_Hand.
Da gemäß dieser Erfindung die gleiche Elektronik und Sensorik wie für die HOD Messung selbst verwendet wird, korreliert ΔU_Humid mit der HOD Messung U_HOO und kann aufgrund der Unabhängigkeit von C_Hand als Korrekturfaktor genutzt werden.
Wird diese Diagnose zyklisch mit hinreichender Abtastrate durchgeführt, ist eine Echtzeit Kompensation der Umwelteinflüsse zur Laufzeit möglich.
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

DE 20309603 U1 [0003]
WO 2016087279 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand (1) in einem Greifbereich eines Lenkrads (2) mittels eines kapazitiven Sensorsystems, wobei die Anwesenheit der menschlichen Hand (1) in einem Detektionsbereich einer zumindest eine mit einem Ein-/Ausgang (3.1) einer Sensorelektronik (3) verbundene Sensorelektrode (4) umfassenden Sensorstruktur eine Änderung einer kapazitiven Kopplung C_Hand der Sensorelektrode (4) mit einem Bezugspotential gegenüber einem Referenzzustand ohne Anwesenheit der Hand (1) bewirkt, und wobei ein metallischer Lenkradkern (5) mit einem Massepotential (GND) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest einer Diagnosemessung ein Maß ΔU_Humid für die durch Wassereinlagerung im Lenkrad (2) bewirkten Umwelteinflüsse C_Humid und R_Humid auf die kapazitive und die Ohm'sche Kopplung zwischen der Sensorelektrode (4) und dem Lenkradkern (5) bestimmt und zur Korrektur der Bestimmung der kapazitiven Kopplung C_Hand der Sensorelektrode (4) mit dem Bezugspotential verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnosemessung die Bestimmung der Entladung eines Kondensators mit der Kapazität C über einen Widerstand R_Humid in einer festgelegten Wartezeit Δt umfassen, und dass das Maß ΔU_Humid die Differenz zwischen einer Ausgangsspannung U₀ und der Spannung U_Humid nach der Wartezeit Δt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnosemessung zyklisch wiederholt mit einer vorgegebenen Abtastrate durchgeführt wird.