DE102022105486A1

DE102022105486A1 - Handerkennungsvorrichtung für eine lenkradeinrichtung sowie lenkradanordnung mit der handerkennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102022105486A1
Application number: DE102022105486.1A
Authority: DE
Inventors: Johann Schmid
Original assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2022-03-09
Filing date: 2022-03-09
Publication date: 2023-09-14
Also published as: WO2023169825A1

Abstract

Mit Blick auf das teilautonome oder vollautonome Fahren ist es wichtig, überwachen zu können, ob ein Lenkrad von einem Fahrer mit der Hand gehalten wird oder ob der Fahrer das Lenkrad unbeaufsichtigt zurücklässt. Handbelegungssysteme / HOD (hands-on detection) werden mittlerweile vielfach eingebaut und beruhen auf einer Kapazitätsmessung einer Kapazität, welche durch das Auflegen von mindestens einer Hand auf dem Lenkrad geändert wird. Es wird eine Handerkennungsvorrichtung 1 für eine Lenkradeinrichtung 2 eines Fahrzeugs mit einer Sensorlage 7 offenbart, wobei die Sensorlage 7 mindestens einen leitfähigen Sensorabschnitt 9 aufweist, mit einer Signalgeneratoreinrichtung 15, wobei die Signalgeneratoreinrichtung 15 zur Erzeugung eines Anregungssignals 22 ausgebildet ist, wobei die Signalgeneratoreinrichtung 15 mit der Sensorlage 7 gekoppelt ist, um das Anregungssignals 22 auf die Sensorlage 7 zu übertragen, mit einer Signalerfassungseinrichtung 16 zur Erfassung eines Antwortsignals 23 auf das Anregungssignal 22 aus der Sensorlage 7, wobei die Signalgeneratoreinrichtung 16 mit der Sensorlage 7 gekoppelt ist, um das Antwortsignal 22 auf die Signalerfassungseinrichtung 16 zu übertragen, mit einer Auswerteeinrichtung 17, wobei die Auswerteeinrichtung 17 ausgebildet ist, auf Basis des erfassten Antwortsignals 23 eine Änderung einer Sensorkapazität 19 durch Auflegen und/oder Entfernen von mindestens einer Hand auf die Lenkradeinrichtung 2 zu detektieren, wobei die Signalgeneratoreinrichtung 15 zur Erzeugung eines Rechtecksignals als das Anregungssignal 22 ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Handerkennungsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Lenkradanordnung mit der Handerkennungsvorrichtung.
Mit Blick auf das teilautonome oder vollautonome Fahren ist es wichtig, überwachen zu können, ob ein Lenkrad von einem Fahrer mit der Hand gehalten wird oder ob der Fahrer das Lenkrad unbeaufsichtigt zurücklässt. Handbelegungssysteme / HOD (hands-on detection) werden mittlerweile vielfach eingebaut und beruhen auf einer Kapazitätsmessung einer Kapazität, welche durch das Auflegen von mindestens einer Hand auf dem Lenkrad geändert wird.
Die Druckschrift DE 102014223128 A1 , die den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart ein Lenkrad mit einem Sensoraufbau zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche, umfassend: eine Kontaktfläche, die zumindest einen Teil der Außenschicht des Lenkrads ausbildet; ein Lenkradskelett; ein Sensorabschnitt, in der mindestens eine Sensorelektrode zur Belegterkennung und mindestens ein Heizdraht angeordnet sind; und eine Potenzialschicht, die zwischen der Sensor-Heizschicht und dem Lenkradskelett angeordnet ist, wobei an der Potenzialschicht ein definiertes Potenzial anlegbar ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Aufbau einer Belegterkennung zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch eine Handerkennungsvorrichtung für eine Lenkradeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Lenkradanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit den Figuren ergeben sich bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Erfindung offenbart eine Handerkennungsvorrichtung, welche für eine Lenkradeinrichtung eines Fahrzeugs geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Fahrzeug kann als ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, jedoch auch als ein Fahrrad, Dreirad etc. ausgebildet sein.
Das Fahrzeug weist eine Lenkradeinrichtung auf, wobei die Lenkradeinrichtung bevorzugt ein rundes Lenkrad umfassen kann. Es ist jedoch auch möglich, dass die Lenkradeinrichtung auf zwei Griffbereiche reduziert ist und/oder wie eine liegende Acht gestaltet ist. Es ist auch möglich, dass die Lenkradeinrichtung als ein Lenker mit zwei Lenkerenden ausgebildet ist.
Die Handerkennungsvorrichtung weist eine Sensorlage auf, wobei die Sensorlage mindestens einen leitfähigen Sensorabschnitt ausbildet. Der leitfähige Sensorabschnitt kann als eine Einzelleitung, ein Leitungsgitter oder dergleichen ausgebildet sein. Insbesondere ist der leitfähige Sensorabschnitt in einem Griffbereich der Lenkradeinrichtung integriert und/oder integrierbar. Beispielsweise weist der leitfähige Sensorabschnitt eine metallische Sensorleitung auf.
Die Handerkennungsvorrichtung weist eine Signalgeneratoreinrichtung auf, welche zur Erzeugung eines insbesondere periodischen Anregungssignals ausgebildet ist. Das Anregungssignal kann somit mit der Wellenform und einer Frequenz, insbesondere einer Generatorfrequenz, und/oder einer Periode beschrieben werden. Die Signalgeneratoreinrichtung ist mit der Sensorlage gekoppelt, um das Anregungssignal auf die Sensorlage, insbesondere auf den leitfähigen Sensorabschnitt zu übertragen. Beispielsweise sind die Signalgeneratoreinrichtung und die Sensorlage, insbesondere der leitfähige Sensorabschnitt, zur Kopplung miteinander leitend und/oder galvanisch verbunden.
Die Handerkennungsvorrichtung weist eine Signalerfassungseinrichtung zur Erfassung eines Antwortsignals auf das Anregungssignal aus der Sensorlage, insbesondere aus dem leitfähigen Sensorabschnitt, auf. Die Signalgeneratoreinrichtung ist mit der Sensorlage, insbesondere mit dem leitfähigen Sensorabschnitt, gekoppelt, um das Antwortsignal auf die Signalerfassungseinrichtung zu übertragen. Insbesondere ist die Signalgeneratoreinrichtung mit der Sensorlage, im Speziellen mit dem leitfähigen Sensorabschnitt, zur Kopplung leitfähig und/oder galvanisch verbunden.
Ferner weist die Handerkennungsvorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, auf Basis des erfassten Antwortsignals und optional ergänzend auf Basis des Anregungssignals oder auf Parameter des Anregungssignals eine Änderung einer Sensorkapazität durch Auflegen und/oder Entfernen von mindestens einer Hand auf der Lenkradeinrichtung, insbesondere im Bereich der Sensorlage, im Speziellen des leitfähigen Sensorabschnitts, zu detektieren. Die Auswerteeinrichtung ist insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, das Antwortsignal mit dem Anregungssignal oder dessen Parametern, insbesondere dessen Phase, zu vergleichen, um die Änderung der Sensorkapazität zu detektieren.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Signalgeneratoreinrichtung zur Erzeugung eines Rechtecksignals als das Anregungssignal ausgebildet ist. Die Ausbildung des Anregungssignals als Rechtecksignal hat den Vorteil, dass dieses programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch wesentlich einfacher erzeugbar ist im Vergleich zu einem sonst üblicherweise verwendeten Sinussignal.
Für das Rechtecksignal ist es nur notwendig, digital zwischen „High“ und „Low“ zu schalten, es ist jedoch nicht notwendig, eine Vielzahl von Zwischenwerte anzusteuern, die die jeweiligen ansteigenden Sinusflanken definieren. Damit kann die Erfindung auf einer wesentlich einfacheren Hardware umgesetzt werden, wobei die Hardware keinen Sinusgenerator oder entsprechende Oszillatoren benötigt. Im Ergebnis ist es möglich, die Handerkennungsvorrichtung im Aufbau wesentlich zu vereinfachen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Signalgeneratoreinrichtung zumindest abschnittsweise als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet. Die digitale Datenverarbeitungseinrichtung weist mindestens einen digitalen Ausgang auf, wobei der digitale Ausgang mindestens oder genau zwei Zustände einnehmen kann. Bei dem ersten Zustand wird der digitale Ausgang bevorzugt auf Masse („Low“) geschaltet, bei dem zweiten Zustand ist der digitale Ausgang bevorzugt auf einer Signalspannung (High), insbesondere auf eine Versorgungsspannung der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung, geschaltet. Durch den Wechsel der Zustände kann die Frequenz des Anregungssignals und/oder des Rechtecksignals vorgegeben werden. Diese Konkretisierung unterstreicht nochmals die Idee, die Handerkennungsvorrichtung mit einer möglichst einfachen Hardware darstellen zu können.
Bei einer bevorzugten Konkretisierung der Erfindung ist der mindestens eine digitale Ausgang als ein GPIO ausgebildet. Ein GPIO (für engl. General Purpose Input/Output, wörtlich Allzweckeingabe/-ausgabe) ist ein allgemeines digitales Kontaktelement an einem integrierten Schaltkreis (IC), dessen Verhalten, unabhängig, ob als Eingabe- oder Ausgabekontakt, durch logische Programmierung frei bestimmbar ist. Ein derartiger Ausgang ist bei handelsüblichen Microcontrollern standardmäßig vorhanden und erzeugt quasi keine Hardwarekosten im Vergleich zu einem analogen Ausgang oder einem Signalgenerator.
Bei einer bevorzugten schaltungstechnischen Umsetzung weist die Signalgeneratoreinrichtung mindestens einen Teilungswiderstand auf, wobei der Teilungswiderstand in Serie mit dem mindestens einen digitalen Ausgang, insbesondere dem GPIO, angeordnet ist. Durch den in Serie geschalteten Teilungswiderstand kann insbesondere eine Amplitude von dem Anregungssignal definiert werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die digitale Datenverarbeitungseinrichtung zwei der digitalen Ausgänge auf. Vorzugsweise sind beide digitale Ausgänge jeweils als ein GPIO ausgebildet und können mindestens oder genau die beschriebenen Zustände einnehmen. Die digitalen Ausgänge nehmen die Zustände gegengleich ein, wobei die zwei Ausgänge bevorzugt über ein Toggeln umgeschaltet werden. Die Signalgeneratoreinrichtung weist zwei der Teilungswiderstände auf, wobei jeweils einer der Teilungswiderstände in Serie mit einem der Ausgänge angeordnet ist. Die Teilungswiderstände sind zusammengeführt, so dass ein gemeinsames Anregungssignal gebildet ist.
Beispielsweise sind die Teilungswiderstände an einem Ende mit dem jeweiligen digitalen Ausgang und am anderen Ende miteinander leitend verbunden. Durch das Zusammenführen der Teilungswiderstände wird das gemeinsame Anregungssignal gebildet. Zugleich werden durch die Teilungswiderstände ein gemeinsamer Teilungswiderstand gebildet. Betrachtet man die Ausgestaltung mit nur einem digitalen Ausgang, so kann dieser zwischen der Spannung und der Masse hin und her geschaltet werden, so dass das resultierende Rechtecksignal ebenfalls zwischen Masse und der Spannung oder einer angepassten Spannung geändert wird. Für den Fall, dass Störungen auftreten, wird der Spannungslevel insbesondere in dem Zustand „High“ stark verändert. Durch die Nutzung von zwei digitalen Ausgängen in der beschriebenen Beschaltung wird erreicht, dass das Lowsignal einen ersten Spannungslevel und das Highsignal einen zweiten Spannungslevel aufweist, wobei beide Spannungslevel unterhalb der Spannung der digitalen Ausgänge und/oder oberhalb von Masse sind. Durch diese Beschaltung kann das Rechtecksignal stabiler dargestellt worden. Nachdem die meisten elektronischen Bauteile ohnehin zwei oder mehr der digitalen Ausgänge, insbesondere der GPIO aufweisen, führt die verbesserte Sicherheit der Handerkennungsvorrichtung zu keinen erhöhten Kosten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung bildet die Signalgeneratoreinrichtung einen oder den ggf. gemeinsamen Teilungswiderstand oder weist diesen auf. Der Teilungswiderstand bildet mit der beschriebenen Sensorkapazität einen RC-Spannungsteiler, wobei die Signalerfassungseinrichtung das Antwortsignal in einem Mittelabgriff des RC-Spannungsteilers erfasst. Zumindest ist ein Eingang der Signalerfassungseinrichtung galvanisch mit diesem Mittelabgriff des RC-Spannungsteilers verbunden.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, über eine Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal die Änderung der Sensorkapazität zu detektieren. Zur Bestimmung der Phasenverschiebung wird das Antwortsignal abgetastet und aufgenommen. Das Anregungssignal ist prinzipiell bekannt, so dass nur die Phasenlage des Anregungssignals benötigt ist. Somit ist es nicht notwendig, zwei Signalverläufe miteinander zu verarbeiten, sondern nur das Antwortsignal zu verarbeiten, um die Phasenverschiebung zu erhalten.
Bei einer bevorzugten Umsetzung der Handerkennungsvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, die Phasenverschiebung über eine zeitdiskrete und wertdiskrete, digitale Implementierung einer Fouriertransformation und/oder Fourierreihe zu bestimmen. Durch diese Berechnungsmethode kann die Phasenverschiebung zuverlässig und einfach bestimmt werden.
Besonders bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, die Phasenverschiebung ausschließlich für die Hauptfrequenz, insbesondere Generatorfrequenz, des Anregungssignals zu bestimmen. Die Hauptfrequenz des Anregungssignals ist dabei insbesondere die Frequenz von dem ersten Signalterm bei einer Zerlegung des Anregungssignals in ein Spektrum. Nachdem nur die Phasenverschiebung zwischen dem Rechtecksignal als Anregungssignal und dem Antwortsignal berechnet werden soll, ist die Berechnung der Hauptfrequenz ausreichend.
Bei möglichen Weiterbildungen der Erfindung können auch höhere Frequenzen berücksichtigt werden, um zum Beispiel Kontrollberechnungen oder Ähnliches durchzuführen.
Bei einer möglichen Implementierung der Detektion der Phasenverschiebung, wird ein Goertzelalgorithmus eingesetzt, welcher aus der Literatur bekannt ist. Der Goertzelalgorithmus ist eine numerische Implementierung der Integrale zur Berechnung der komplexen Spektralanteile bei der Fourierreihe. Als Ergebnis liefert der Goertzelalgorithmus eine Phasenlage des Antwortsignals, wobei über die Phasenlage und die bekannte Phasenlage des Anregungssignals die Phasenverschiebung ermittelt werden kann.
Konstruktiv kann die Sensorlage unabhängig von einem Heizmattenabschnitt von einer Lenkradheizung ausgebildet sein. Mit dem Ziel, die Teile in der Lenkradeinrichtung zu verringern, kann auch vorgesehen sein, dass die Sensorlage, insbesondere der Sensorabschnitt, als ein Heizmattenabschnitt von der Lenkradheizung ausgebildet ist. In dieser Ausgestaltung nimmt der Heizmattenabschnitt und/oder die Sensorlage eine Doppelfunktion ein, nämlich zum einen das Antwortsignal zu definieren und zum anderen die Lenkradeinrichtung zu heizen.
Interessanterweise ist es möglich, dass die Signalerfassungseinrichtung am gleichen Mittelabgriff des RC-Spannungsteilers angreifen. Das Anregungssignal wird somit nicht durch die Sensorlage durchgeführt, sondern die Sensorlage nur angekoppelt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch die Sensorlage seriell, insbesondere seriell galvanisch verbunden, zwischen der Signalgeneratoreinrichtung und der Signalerfassungseinrichtung angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung muss das Anregungssignal tatsächlich durch die Sensorlage durchlaufen, um zur Signalerfassungseinrichtung zu gelangen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch die Erfassung des Antwortsignals zugleich bestimmt werden kann, ob Leitungsunterbrechungen in der Sensorlage vorhanden sind. Somit kann die Handerkennungsvorrichtung ergänzend einen Selbstcheck und/oder eine Sicherungsfunktion übernehmen, da bei dem von der Signalerfassungseinrichtung erfassten Antwortsignal in einfacher Weise zu bestimmen ist, ob dieses von dem Anregungssignal generiert wurde. Beispielsweise muss nur nach der Hauptfrequenz und/oder Generatorfrequenz des Rechtecksignals gesucht werden, falls dieses unter einem Grenzwert ist, gilt die Übertragung als gestört.
Bei einer bevorzugten schaltungstechnischen Umsetzung umfasst die digitale Datenverarbeitungseinrichtung die Signalerfassungseinrichtung und die Auswerteeinrichtung neben dem Abschnitt der Signalgeneratoreinrichtung, insbesondere ohne die externe Schaltung.
Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die digitale Datenverarbeitungseinrichtung als ein Microcontroller ausgebildet ist. Derartige Microcontroller sind als sehr günstige Bauteile in großer Stückzahl erhältlich, so dass die Vereinfachung der Handerkennungsvorrichtung zu einer interessanten Kostenersparnis führt im Gegensatz zu Handerkennungsvorrichtung, die als Anregungssignal eine Sinuswelle benötigen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Lenkradanordnung mit einer oder der Lenkradeinrichtung diese zuvor beschrieben wurde sowie der Handerkennungsvorrichtung, wie diese zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:

1 in einer schematischen Darstellung eine Handerkennungsvorrichtung in einer Lenkradanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 in gleicher Darstellung eine alternative Handerkennungsvorrichtung in einer Lenkradanordnung als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein schematischer Schaltplan von der Handerkennungsvorrichtung der vorhergehenden Figuren zur Erläuterung des Messprinzips;
4 ein Schaltplan von der Handerkennungsvorrichtung in der 1 ohne die Komponenten der Lenkradheizung;
5 ein Schaltplan von der Handerkennungsvorrichtung in der 2 ohne die Komponenten der Lenkradheizung;
6 ein Spektrum des Antwortsignals in der Handerkennungsvorrichtung in den vorhergehenden Figuren.

Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Handerkennungsvorrichtung 1 für eine Lenkradeinrichtung 2 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Handerkennungsvorrichtung 1 hat die Funktion zu detektieren, ob auf der Lenkradeinrichtung 2 mindestens eine Hand von einem Fahrer aufgelegt ist oder ob die Lenkradeinrichtung 2 berührungsfrei ist.
Die Lenkradeinrichtung 2 weist ein Lenkradskelett 3 auf mit - in diesem Ausführungsbeispiel - einem umlaufenden Lenkring 4, welcher ergänzend mit seinen Lagen schematisiert dargestellt ist. Der Lenkring 4 kann mit dem Lenkradskelett einteilig ausgebildet sein, alternativ sind Lenkring 4 und Lenkradskelett 3 zwei unterschiedliche Bauteile, die jedoch elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Auf dem Lenkring 4 ist eine äußere Abstandsschicht 5, wie zum Beispiel eine Lederummantelung oder Kunststoffummantelung angeordnet. Daran angrenzend befindet sich eine Heizmattenlage 6, welche zugleich eine Sensorlage 7 bildet. Über eine Schaumschicht 8 liegt der Schichtaufbau an dem Lenkring 4 an.
In dem gezeigten Querschnitt ist zu erkennen, dass die Heizmattenlage 6 und/oder die Sensorlage 7 durch eine um den Lenkradring 4 gewickelte, leitfähige Wärmeleitung gebildet ist. Damit bildet die Sensorlage 6 mindestens einen leitfähigen Sensorabschnitt 9 aus. Eingangsseitig ist die Heizmattenlage 6 über ein erstes Schaltelement 10 mit einer Versorgungsspannung 11 des Fahrzeugs verbunden. Ausgangsseitig ist die Heizmattenlage 6 über ein zweites Schaltelement 12 mit einer Masse 13 des Fahrzeugs verbunden.
Die Handerkennungsvorrichtung 1 weist eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung 14 auf, wobei die digitale Datenverarbeitungseinrichtung 14 eine Signalgeneratoreinrichtung 15 zumindest mitbildet sowie eine Signalerfassungseinrichtung 16 und einer Auswerteeinrichtung 17 bildet. Die Signalgeneratoreinrichtung 15 ist programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, ein periodisches Anregungssignal 22 (3) zu bilden, wobei das periodische Anregungssignal 22 über einen Teilungswiderstand 18 in die Sensorlage 7, insbesondere den leitfähigen Sensorabschnitt 9 eingekoppelt wird.
Betrachtet man die Sensorlage 7, insbesondere den leitfähigen Sensorabschnitt 9, so kann dieser im Sinne von einem Ersatzschaltbild als eine Sensorkapazität 19 dargestellt werden, wobei die Sensorkapazität 19 gegenüber dem Lenkradskelett 3 und damit einer Masse des Fahrzeugs, zum Beispiel der Masse 13, definiert ist. Das Anregungssignal 22 durchläuft die Sensorlage 7 oder koppelt an diese an und wird von einem Analogdigitalwandler 20 als Antwortsignal 23 (3) erfasst. Der Analogdigitalwandler 20 wird von der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung 14 bereitgestellt und ist beispielsweise als ein 12-Bit ADC ausgebildet. In der Auswerteeinrichtung 17 wird das Antwortsignal 23 ausgewertet und auf Basis der Auswertung ein Auflegen und/oder Entfernen von mindestens einer Hand auf der Lenkradeinrichtung 2 detektiert.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine einlagige Lenkradeinrichtung 2, wobei die Heizmattenlage 6 und die Sensorlage 7 durch eine einheitliche leitfähige Lage gebildet werden („One Layer mit Heizung“). Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Heizmattenlage 6 und die Sensorlage 7 auch galvanisch voneinander getrennt sein. Für die in der 1 dargestellten Konfiguration ist es bevorzugt, dass die Versorgung der Heizmattenlage 6 mit dem Heizstrom und die Erfassung des Antwortsignals 23 durch die Signalerfassungseinrichtung 16 abwechseln, insbesondere in einem zeitlichen Multiplexen erfolgt, so dass Ströme sich nicht wechselseitig stören.
Die Detektion des Auflegens und/oder Entfernens von mindestens einer Hand auf der Lenkradeinrichtung 2 wird durch Auswertung der Phasenlage des Antwortsignals 23 relativ zu der Phasenlage von dem Anregungssignal 22, also in Abhängigkeit einer Phasenverschiebung 24 (3) bestimmt. Die grundlegende Idee ist dabei, dass durch den Teilungswiderstand 18 und die Sensorkapazität 19 ein RC-Spannungsteiler gebildet ist, der in Abhängigkeit des Wertes der Sensorkapazität 19 die Phasenverschiebung 24 zwischen Anregungssignal 22 und Antwortsignal 23 bewirkt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ist der Eingang zu der Signalerfassungseinrichtung 16 optional über einen Widerstand unmittelbar mit einem Mittelabgriff 21 des RC-Spannungsteilers, umfassend den Teilungswiderstand 18 und die Sensorkapazität 19, verbunden. Somit erfolgt die Kopplung zwischen der Signalgeneratoreinrichtung 15 und der Signalerfassungseinrichtung 16 mit der Sensorlage 7, insbesondere dem Sensorabschnitt 9, nur an einem Ende des Sensorabschnitts 9, wobei das andere Ende in Bezug auf die Kapazitätsdetektion offen ist. Dieses Ausführungsbeispiel erlaubt eine besonders einfache Integration der Handerkennungsvorrichtung 1.
In der 2 ist eine alternative Ausführungsform der Handerkennungsvorrichtung 1 gezeigt, welche sich im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass zwischen dem Mittelabgriff 21 und der Signalerfassungseinrichtung 16 seriell die Sensorlage 7, insbesondere der Sensorabschnitt 9, geschalten ist. Somit ist zwar die Signalerfassungseinrichtung 16 ebenfalls galvanisch mit dem Mittelabgriff 21 verbunden, durch die serielle Zwischenschaltung der Sensorlage 7 kann in erweiterten Ausführungsbeispielen eine Sicherheitsprüfung erfolgen, ob zum Beispiel die Sensorlage 7, insbesondere der Sensorabschnitt 9, unbeschädigt ist, indem geprüft wird, ob das Antwortsignal 23 von der Signalgeneratoreinrichtung 15 zu der Signalerfassungseinrichtung 16 gelangt.
In der 3 ist das generelle Meßprinzip der Handerkennungsvorrichtung 1 exemplarisch dargestellt. Es ist die Signalgeneratoreinrichtung 15 und der Teilungswiderstand 18 sowie die Sensorkapazität 19 und die Signalerfassungseinrichtung 16 dargestellt. Der Teilungswiderstand 18 und die Sensorkapazität 19 bilden den RC-Spannungsteiler. Die Signalerfassungseinrichtung 16 ist über den Mittelabgriff 21 angeschlossen. Das Anregungssignal 22 und das Antwortsignal sind hinsichtlich der Phasenlage um die Phasenverschiebung 24 verschoben, wobei die Phasenverschiebung 24 abhängig von der Sensorkapazität 19 ist. Über die Phasenverschiebung 24 kann somit auf die Sensorkapazität 19 bzw. auf eine Änderung der Sensorkapazität 19 zurückgeschlossen werden, so dass auf diese Weise das Auflegen und/oder Entfernen einer Hand auf der Lenkradeinrichtung 2 detektiert werden kann. Das als Rechtecksignal ausgebildete, periodische Anregungssignal 22 und das periodische Antwortsignal 23 sind jeweils einer identischen Grundfrequenz ausgebildet.
Das Verfahren zur Detektion kann wie folgt umgesetzt werden:

Die Messung der Sensorkapazität 19 der Sensorlage 7 in der Lenkradeinrichtung soll über die Verwendung eines periodisch angeregten komplexen Spannungsteilers, ausgebildet als RC-Spannungsteiler, verwirklicht werden. Das Antwortsignal 23 am Mittelabgriff 21 wird zur Kapazitätsbestimmung abgetastet und verarbeitet. Dabei soll bevorzugt nur ein handelsüblicher Automotive µC verwendet werden (NXP S32K1/3, Infineon Aurix, ...) und zugehörige passive Bauteile sowie ESD Schutz.

Messung von C_sensor als Sensorkapazität 19 über die Phasenverschiebung 24 von dem Antwortsignal 23 zu dem Anregungssignal 22: Durch Abtastung von dem Antwortsignal 23 und dem Teilungswiderstand 18 als R_div kann die Phasenverschiebung 24 als tanφ zwischen dem Anregungssignal 22 und dem Antwortsignal ermittelt werden: $t a n φ = \frac{X_{C s e n s o r}}{R_{d i v}} = \frac{\frac{1}{ω C_{s e n s o r}}}{R_{d i v}} = \frac{1}{ω C_{s e n s o r} R_{d i v}}$
Daraus lässt sich die Sensorkapazität 19 als C_Sensor bestimmen: $C_{s e n s o r} = \frac{1}{ω R_{d i v} t a n φ}$
Bestimmung der Phase aus einer Abtastfolge:

Um die Phase φ der gesuchten Frequenzkomponente des Antwortsignals 23 zu ermitteln ist eine Mehrfachabtastung nötig. Diese sollte mindestens 10 Abtastwerte pro Periode des Anregungssignals 22 liefern (mindestens fünf Punkte pro Halbwelle liefern bereits guten Fit). Das Abtastintervall sollte entweder ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Anregungssignals 22 sein, dann ist die Frequenz des Anregungssignals 22 exakt im Spektrum enthalten, oder ein Vielfaches der Periode betragen, um eine befriedigende Auflösung im Frequenzbereich zu erhalten.

Je länger das Abtastintervall gewählt ist desto rauschärmer ist das Ergebnis auf der einen Seite, desto höher ist aber auch der Rechenaufwand zur Ermittlung der Phase (steigt quadratisch an).
Nach erfolgter Abtastung der N Abtastwerte wird das komplexe Spektrum der Folge N ermittelt, welches die Amplitude und Phase der Frequenz von dem Antwortsignal 23 enthält.
Da nur an Phase und Amplitude der Frequenz des Antwortsignal 23 Interesse besteht (beim Anregungssignal bekannt), ist zur Ermittlung der Phase und Amplitude der Goertzelalgorithmus geeignet, er ist die numerische Implementierung der Integrale zur Errechnung der komplexen Spektralanteile bei der Fourier-Reihe.
Integral zur Ermittlung der In-phase und Quadratur Komponenten der Frequenz k: $a_{k} = \frac{1}{T} \int_{- \frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} ƒ (t) cos (k t) d t$
$b_{k} = \frac{1}{T} \int_{- \frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} ƒ (t) sin (k t) d t$
Benötigt werden diese Werte allerdings nur für die Frequenz (Hauptfrequenz/Generatorfrequenz) des Antwortsignals 23. Der Goertzelalgorithmus erlaubt die Berechnung bei einer einzigen Frequenz:
Algorithmus zur Implementierung der Integrale in Microcontroler oder Logik (Goertzlalgorithmus):

 „function [a,b] = goertzel(A,k,N) % Array mit min N Elementen, k zu berechnende
 Frequenzkomponente aus A , N
  w = 2*pi*k/N; cw = cos(w); c = 2*cw; sw = sin(w); 
  
 z1 =0; z2=0; % init 
  
 for n = 1 : N
  z0 = A(N-n+1) + c*z1 - z2; z2 = z1; z1 = z0;
 end 
  a = cw*z1 - z2; b = sw*z1; %a Inphase Komponente zur Frequenz
  
 end”

Der Phasenwinkel bzw. die Phasenlage berechnet sich dann als b/a mit der Frequenz des Antwortsignals 23. Aus der bekannten Phasenlage des Anregungssignals und dem Phasenwinkel/Phasenlage des Antwortsignals 23 kann die gesuchte Phasenverschiebung 24 abgeleitet werden. Zur Errechnung von Phase und Amplitude sind beim Goertzelalgorithmus pro Frequenzanteil des Spektrums 2N+2 Additionen (oder Subtraktionen, je nach Phasenlage) und 2N Multiplikationen notwendig. Die Blockgröße N ist frei wählbar und muss nicht einer 2er Potenz wie beim FFT Algorithmus entsprechen.

Da ein Sinusgenerator teuer ist, wird ein Generator mit Rechteck-Signalform eingesetzt, dieser ist Teil des Schaltbildes in den 4 und 5, die dem Aufbau in der 1 bzw. 2 entspricht, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die Handerkennungsvorrichtung 1, insbesondere die digitale Datenverarbeitungseinrichtung 14, weist zwei digitale Ausgänge 25 a, b auf, wobei die digitalen Ausgänge 25 a, b als GPIO ausgebildet sind, welche einen ersten Zustand einnehmen können, wobei an dem Ausgang 25 a, b Masse anliegt und einen zweiten Zustand einnehmen können, wobei an dem Ausgang 25 a, b ein Spannungssignal, insbesondere die Versorgungsspannung der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung 14 anliegt. Jedem der digitalen Ausgänge 25 a, b ist ein Teilungswiderstand 26 a, b seriell nachgeschaltet, wobei die Teilungswiderstände 26 a, b gemeinsam den Teilungswiderstand 18 ergeben.

Das Rechtecksignal als Anregungssignal 22 wird mittels der zwei digitalen Ausgänge 25 a, b, also der GPIO Ausgängen, realisiert. Mit den beiden Teilungswiderständen 26 a, b als R_drv_up und R_drv_down kann eine Signalamplitude A_gen eingestellt werden. Der Mittelwert der Rechteckspannung ist die halbe Betriebsspannung V_dd.

A_{g e n} = \frac{V_{d d}}{} \frac{R_{d r v u p} - R_{d r v d o w n}}{R_{d r v u p} + R_{d r v d o w n}}

\bar{V_{g e n}} = \frac{V_{d d}}{2}

Der effektive Widerstand R_div des Teilungswiderstands 18 des komplexen Spannungsteilers ergibt sich aus den beiden GPIOs als Spannungsquellen V_dd und den Teilungswiderständen 26 a, b bzw. R_drv_up, R_drv_down.

Mit Verwendung des Helmholtz Satz für lineare Spannungsquellen ergibt sich für den gemeinsamen Teilungswiderstand:

R_{d i v} = \frac{R_{d r v u p} * R_{d r v d o w n}}{R_{d r v u p} + R_{d r v d o w n}}

Das Rechtecksignal als Anregungssignal 22 der Signalgeneratoreinrichtung 15 enthält folgendes Spektrum:

V_{g e n} = \bar{V_{g e n}} + \frac{4 A_{g e n}}{π} [sin (2 π ƒ_{g e n}) + \frac{1}{3} sin (6 π ƒ_{g e n}) + \frac{1}{5} sin (10 π ƒ_{g e n}) + \dots]

Das Rechtecksignal als Anregungssignal 22 wird nun mittels des linearen Spannungsteilers (RC-Spannungsteiler) abgebildet, der folgende Übertragungsfunktion hat:

V_{s e n s o r (c_{s e n s o r})} = V_{g e n} \frac{1}{1 + j ω C_{s e n s o r} R_{d i v}}

Setzt man das Anregungssignal 22 in die Übertragungsfunktion des Spannungsteilers ein ergibt sich für die Spannung am Sensor, also für das Antwortsignal 23:

\begin{array}{l} V_{s e n s o r (c_{s e n s o r})} = \bar{V_{g e n}} \\ + \frac{4 A_{g e n}}{π} [\frac{sin (2 π ƒ_{g e n})}{1 + j2 π C_{s e n s o r} R_{d i v}} + \frac{sin (6 π ƒ_{g e n})}{3 + j6 π C_{s e n s o r} R_{d i v}} + \frac{sin (10 π ƒ_{g e n})}{5 + j10 π C_{s e n s o r} R_{d i v}} \\ + \dots] \end{array}

Aus dieser Darstellung kann man direkt das Spektrum des Sensorsignals als Antwortsignal 23 ablesen und folgende Schlüsse ziehen:

Jede Frequenzkomponente des Generatorsignals/Anregungssignals 22 wird auf die Komponente gleicher Frequenz im Sensorsignal/Antwortsignal 23 abgebildet. Eine Abbildung zu Komponenten anderer Frequenzen oder neuen Frequenzen im Sensorsignal gibt es nicht (lineare Übertragungsfunktion)

In dem Sensorsignal/Antwortsignal 23 ist ein Sinussignal enthalten mit genau der Generatorfrequenz f_gen des Rechtecksignals als Anregungssignal 22 und komplexer Amplitude

\frac{4 A_{g e n}}{π + j2 π^{2} C_{s e n s o r} R_{d i v}}

und die Phase oder Amplitude kann zur Bestimmung von C als Sensorkapazität 19 bei bekanntem R als Teilungswiderstand 18 herangezogen werden.

Entsprechend sind Sinusschwingungen mit der dreifachen, fünffachen ... Frequenz der Grundschwingung (Generatorfrequenz/Hauptfrequenz/f_gen) enthalten mit charakteristischen Phasen und Amplituden.

Durch Überprüfung dieses charakteristischen Amplitudenprofiles können die Berechnungen von C gegen Störungen von außen in diesen Frequenzen verifiziert werden (EE, EMV).

Die 6 zeigt das Spektrum des Antwortsignals 23, wobei zu erkennen ist, dass der Hauptpeak mit der Generatorfrequenz f_gen isoliert zu den weiteren Frequenzen mit der dreifachen, fünffachen ... Frequenz der Grundschwingung (Generatorfrequenz/Hauptfrequenz/f_gen) im Spektrum angeordnet ist. Somit ist der Nachweis erbracht, dass über die Auswertung der Frequenz der Rechteckspannung als Generatorfrequenz f_gen, die Sensorkapazität 19 bzw. deren Änderung bestimmt werden kann.

Durch die Verwendung der digitalen Ausgänge 25 a, b können für die digitale Datenverarbeitungseinrichtung 14 konventionelle Microcontroller verwendet werden. Eine beispielhafte Konfiguration der Ausführungsbeispiele in den 4 un5 sehen die folgende Werte vor:

Teilungswiderstand 26a:	34,8k
Teilungswiderstand 26b:	20k
Vorwiderstand vor dem Analogdigitalwandler 20:	20k

Auslegung bei Ansatz mit µC:

Abtast Frequenz:	500kS/s - 1 MS/s
Generatorfrequenz:	25kHz - 100kHz
Generatorsignalform:	Rechteck
Abtast Block Signalverarbeitung	Ca. 500 Samples / 1 msec
Auflösung ADC	12Bit

Bezugszeichen

1: Handerkennungsvorrichtung
2: Lenkradeinrichtung
3: Lenkradskelett
4: Lenkring
5: äußere Abstandsschicht
6: Heizmattenlage
7: Sensorlage
8: Schaumschicht
9: Sensorabschnitt
10: erstes Schaltelement
11: Versorgungsspannung
12: zweites Schaltelement
13: Masse
14: digitale Datenverarbeitungseinrichtung
15: Signalgeneratoreinrichtung
16: Signalerfassungseinrichtung
17: Auswerteeinrichtung
18: Teilungswiderstand
19: Sensorkapazität
20: Analogdigitalwandler
21: Mittelabgriff
22: Anregungssignal
23: Antwortsignal
24: Phasenverschiebung
25 a,b: digitale Ausgänge
26 a,b: Teilungswiderstand

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 102014223128 A1 [0003]

Claims

Handerkennungsvorrichtung (1) für eine Lenkradeinrichtung (2) eines Fahrzeugs mit einer Sensorlage (7), wobei die Sensorlage (7) mindestens einen leitfähigen Sensorabschnitt (9) aufweist, mit einer Signalgeneratoreinrichtung (15), wobei die Signalgeneratoreinrichtung (15) zur Erzeugung eines Anregungssignals (22) ausgebildet ist, wobei die Signalgeneratoreinrichtung (15) mit der Sensorlage (7) gekoppelt ist, um das Anregungssignals (22) auf die Sensorlage (7) zu übertragen, mit einer Signalerfassungseinrichtung (16) zur Erfassung eines Antwortsignals (23) auf das Anregungssignal (22) aus der Sensorlage (7), wobei die Signalgeneratoreinrichtung (16) mit der Sensorlage (7) gekoppelt ist, um das Antwortsignal (22) auf die Signalerfassungseinrichtung (16) zu übertragen, mit einer Auswerteeinrichtung (17), wobei die Auswerteeinrichtung (17) ausgebildet ist, auf Basis des erfassten Antwortsignals (23) eine Änderung einer Sensorkapazität (19) durch Auflegen und/oder Entfernen von mindestens einer Hand auf die Lenkradeinrichtung (2) zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeneratoreinrichtung (15) zur Erzeugung eines Rechtecksignals als das Anregungssignal (22) ausgebildet ist.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeneratoreinrichtung (15) zumindest abschnittsweise als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung (14) ausgebildet, wobei die digitale Datenverarbeitungseinrichtung (14) mindestens einen digitalen Ausgang (25a,b) aufweist, wobei an dem digitalen Ausgang (25a,b) als Zustände eine Masse oder eine Spannung anliegt, wobei durch den Wechsel der Zustände die Frequenz (f_gen) des Anregungssignals (22) vorgebbar ist.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine digitale Ausgang (25a,b) als ein GPIO ausgebildet ist.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeneratoreinrichtung (15) mindestens einen Teilungswiderstand (18, 26a,b) aufweist, wobei der Teilungswiderstand (18, 26a,b) in Serie mit dem mindestens einen digitalen Ausgang (25a,b) angeordnet ist.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Datenverarbeitungseinrichtung (14) zwei der digitalen Ausgänge (25a,b) aufweist, wobei die digitalen Ausgänge (25a,b) gegengleich die Zustände einnehmen und wobei die Signalgeneratoreinrichtung (15) zwei der Teilungswiderstände (26a,b) aufweist, wobei jeweils ein Teilungswiderstand (26a,b) in Serie mit einem digitalen (25a,b) Ausgang angeordnet ist, wobei die Teilungswiderstände (26a,b) zusammengeführt sind, so dass ein gemeinsames Anregungssignal (22) gebildet ist und wobei die Teilungswiderstände (26a,b) einen gemeinsamen Teilungswiderstand (18) bilden.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeneratoreinrichtung (15) einen oder den Teilungswiderstand (18, 26a,b) aufweist, wobei der Teilungswiderstand (18, 26a,b) mit der Sensorkapazität (19) einen RC-Spannungsteiler bildet und wobei die Signalerfassungseinrichtung (16) das Antwortsignal (23) in einem Mittelabgriff (21) des RC-Spannungsteilers erfasst.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (17) ausgebildet ist, über eine Phasenverschiebung (24) zwischen dem Anregungssignal (22) und dem Antwortsignal (23) die Änderung der Sensorkapazität (19) zu detektieren.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (17) ausgebildet ist, die Phasenverschiebung (24) über eine zeitdiskrete und wertdiskrete, digitale Implementierung einer Fouriertransformation und/oder Fourierreihe zu bestimmen.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (17) ausgebildet ist, die Phasenverschiebung (24) über die Bestimmung der Phasenlage des Antwortsignals (23) über einen Goertzelalgorithmus zu bestimmen.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorlage (7) als ein Heizmattenlage (6) von einer Lenkradheizeinrichtung ausgebildet ist.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorlage (7) seriell zwischen der Signalgeneratoreinrichtung (15) und der Signalerfassungseinrichtung (16) angeordnet sind.
Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Datenverarbeitungseinrichtung (14) die Signalerfassungseinrichtung (16) und die Auswerteeinrichtung (17) umfasst.
Handerkennungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Datenverarbeitungseinrichtung (14) als Microcontroller ausgebildet ist.
Lenkradanordnung mit einer Lenkradeinrichtung (2) sowie der Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.