DE102022003602A1

DE102022003602A1 - Verfahren zum Erkennen einer Anwesenheit einer menschlichen Hand in einem Greifbereich eines Lenkrads

Info

Publication number: DE102022003602A1
Application number: DE102022003602.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Brüggemann; Matthias Seifert; Tobias Heinloth
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: WO2024068593A1

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 ersten Ein-/Ausgang einer Sensorelektronik verbundene Sensorelektrode umfassenden Sensorstruktur eine Änderung einer kapazitiven Kopplung CHandder Sensorelektrode mit einem Bezugspotential gegenüber einem Referenzzustand ohne Anwesenheit der Hand bewirkt, und wobei ein metallischer Kern des Lenkrades mit einem Massepotential (GND) verbunden ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass eine Diagnose der Verbindung des Lenkradkerns mit dem Massepotential (GND) zur Laufzeit durchgeführt wird, indem mindestens ein erster Kontaktpunkt des Lenkradkerns mit einem zweiten Eingang der Sensorelektronik verbunden ist, der eine laufende Überwachung des anliegenden Potentials ausführt.

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 einer menschlichen Hand in einem Detektionsbereich einer zumindest eine mit einem ersten Ein-/Ausgang einer Sensorelektronik verbundene Sensorelektrode umfassenden Sensorstruktur eine Änderung einer kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode mit einem Bezugspotential gegenüber einem Referenzzustand ohne Anwesenheit einer Hand bewirkt, und wobei ein metallischer Kern des Lenkrades 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. Die Impedanz Z_GND dieser Potential-Anbindung, die im Allgemeinen an ein Massepotential GND erfolgt, hat typischerweise einen kapazitiven Anteil von C_GND > 100 n F.
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 3 zum Stand der Technik schematisch dargestellt.
Fehlerhafte Kontaktierungen oder Kabelbrüche in der Potential-Anbindung des Lenkradkerns können zu deutlichen Änderungen der Impedanz Z_GND und insbesondere des kapazitiven Anteils C_GND derselben und somit zu falschen Messergebnissen führen.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem zuvor beschriebenen Stand der Technik den Vorteil, solche Fehler zu vermeiden.
Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass eine Diagnose der Verbindung des Lenkradkerns mit dem Massepotential zur Laufzeit durchgeführt wird, indem mindestens ein Kontaktpunkt des Lenkradkerns mit einem zweiten Eingang der Sensorelektronik verbunden ist, die eine laufende Überwachung des anliegenden Potentials ausführt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie 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 in einer ersten Variante
2: eine schematische Darstellung eines HOD Sensorsystems zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Variante
3: eine schematische Darstellung eines HOD Sensorsystems nach dem Stand der Technik sowie die relevanten physikalischen Größen

Wie in 3, 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 ersten 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 Impedanz Z_GND mit einem kapazitiven Anteil 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. Eine gezielte Diagnose dieser Anbindung, insbesondere um eine Unterbrechung derselben zu erkennen, ist allerdings bisher nicht bekannt.
In 1 ist eine erste Ausgestaltung eines HOD Sensorsystems zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten 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 3 beschriebenen identisch.
Zusätzlich ist hier aber noch eine Verbindung einer der den Lenkradkern 5 mit dem Massepotential GND verbindenden Leitung(en) 6 mit einem weiteren, zweiten Eingang 3.2 der Sensorelektronik 3 vorhanden. Mittels dieses zweiten Eingangs 3.2 der Sensorelektronik 3 wird eine kapazitive Spannungsteilermessung durchgeführt, bei der die kapazitive Kopplung zwischen einem Kontaktpunkt 5.1 des Lenkradkerns 5 und der Sensorelektrode 4 über die Kapazität C_Core genutzt wird. Dazu wird die Sensorelektrode 4 mit einem Ansteuersignal beaufschlagt, dem aufgrund der kapazitiven Kopplung C_Core auch die am Lenkradkern 5 anliegende Spannung U_Core folgt. Ist die Anbindung an den Lenkradkern an einem der Knoten 6.1 oder 6.2 der Leitung 6 unterbrochen, verändert sich das Verhältnis des Spannungsteilers und somit die gemessene Spannung U_Core. Über eine Wertebereichsdiagnose kann ein Verlust der Lenkradanbindung an das Massepotential GND erkannt werden.
Allerdings wird der Spannungsteiler durch Z_GND bzw. C_GND dominiert (C_GND > 100 nF, C_Core - 1 nF). Um eine Unterbrechung an Knoten 6.2 sicher zu erkennen, muss die Verbindung zum fixen Potential GND während der Diagnosemessung unterbrochen werden, was über einen zusätzlichen Schalter 8 realisiert wird. Andernfalls wäre die gemessene Spannungsänderung zu klein und somit nicht robust gegenüber anderen Einflüssen auf die Messung.
In 2 ist eine alternative Ausgestaltung eines HOD Sensorsystems zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführung ist hier neben der Verbindung eines ersten Kontaktpunktes 5.1 des Lenkradkerns 5 mit dem zweiten Eingang 3.2 der Sensorelektronik 3 noch eine weitere Verbindung eines zweiten Kontaktpunktes 5.2 des Lenkradkerns 5 mit einem weiteren, dritten Eingang 3.3 der Sensorelektronik 3 vorhanden. Die Leitung 6' dieser weiteren Verbindung, in der hier der Knoten 6.1 liegt, ist jedoch im Unterschied zu der mit dem zweiten Eingang 3.2 verbundenen Leitung 6, in der der Knoten 6.2 liegt, nicht direkt mit dem Massepotential GND verbunden. Durch eine Kurzschlussdiagnose kann eine Unterbrechung der Anbindung an den Knoten 6.1 oder 6.2 erkannt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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 ersten 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 Kern (5) des Lenkrades mit einem Massepotential (GND) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diagnose der Verbindung (6) des Lenkradkerns (5) mit dem Massepotential (GND) zur Laufzeit durchgeführt wird, indem mindestens ein erster Kontaktpunkt (5.1) des Lenkradkerns (5) mit einem zweiten Eingang (3.2) der Sensorelektronik (3) verbunden ist, der eine laufende Überwachung des anliegenden Potentials ausführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zweiten Eingangs (3.2) der Sensorelektronik (3) eine kapazitive Spannungsteilermessung durchgeführt wird, bei der die kapazitive Kopplung zwischen dem Lenkradkern (5) und der Sensorelektrode (4) über die Kapazität C_Core genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (4) mit einem Ansteuersignal beaufschlagt wird, dem aufgrund der kapazitiven Kopplung C_Core auch die am Lenkradkern (5) anliegende Spannung U_Core folgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (6) des Lenkradkerns (5) mit dem Massepotential (GND) während der Diagnosemessung über einen zusätzlichen Schalter (8) unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kontaktpunkt (5.2) des Lenkradkerns (5) mit einem dritten Eingang (3.3) der Sensorelektronik (3) verbunden ist, und dass durch eine Kurzschlussdiagnose eine Unterbrechung der Verbindung (6) des Lenkradkerns (5) mit dem Massepotential (GND) oder der Verbindung (6') des Lenkradkerns (5) mit dem dritten Eingang (3.3) der Sensorelektronik (3) erkannt wird.