DE19625730A1 - Verwendung einer Berührungssensormatrix als Sensor in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Mit dem Anwachsen der die Bedienungsperson eines Fahrzeugs unterstützenden selbsttätig arbeitenden Einrichtungen in Kraftfahrzeugen ist auch der Bedarf an derartigen Fahrzeugen stark gestiegen.

So sind Sensoren vorgeschlagen worden, wel­ che punktuell unterschiedliche physikalische Größen im Fahrzeug messen, wobei Auswerteeinrichtungen in Abhängigkeit von den gemessenen Werten dann geeignete Signale auslösen. Dies gilt beispielsweise für die Messung des Lenkwinkels eines Lenkrads, des Drehwinkels bzw. der Drehwinkelbeschleu­ nigung eines Kraftfahrzeugrads, der plötzlichen starken Ver­ zögerung eines Fahrzeugs (Airbagauslösung) und anderer Grö­ ßen.

Es ist weiterhin bekannt, in Autobussen zur Kontrolle der besetzten Plätze durch einen Fahrer, die Sitze der Fahrgäste mit einem Sensor zu versehen, der bei besetztem Sitz auslöst und so dem Fahrzeugführer eine Übersicht über die besetzten Plätze verschafft.

Aus dem Aufsatz Taktile Sensing, 1990s Style (siehe die US- Zeitschrift Assembly, Februar/März 1993, Seite 23-26) ist weiterhin eine Berührungssensormatrix bekannt, durch welche die auf die einzelnen matrixförmig verteilten Sensoren aus­ geübte Kraft in ihrer räumlichen und größenmäßigen Vertei­ lung festgestellt werden kann. Einzelheiten hierzu sind in dem von der Firma TEK Scan herausgegebenen Aufsatz (Texcren, Incorporated, 307 West First Street, Boston, MA02127/1342) beschrieben.

Die beschriebenen Sensoren waren anfangs zur Anfertigung von räumlichen Bildern gedacht, welche die Druckverteilung zwei­ er aufeinandergepreßter Zahnreihen für Zahnärzte dokumentie­ ren sollten. In den angegebenen Literaturstellen sind aber auch andere im Rahmen des Maschinenbaus liegende Anwendungen angegeben.

Die Erfindung geht daher aus von einer Berührungssensorma­ trix der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung.

Aufgabe der Erfindung ist es, derartige Sensoren auch in der Kraftfahrzeugtechnik anzuwenden. Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfin­ dung besteht im Prinzip also darin, derartige vergleichs­ weise preiswerte Sensoren in Kraftfahrzeugen zur Auslösung von Steuersignalen auszunutzen. Ein hierzu besonders geeig­ netes System ergibt sich durch die Verwendung mehrerer par­ allel zueinander geschalteter Zeilen, wobei die zweiten An­ schlüsse der einzelnen Sensoren in den Zeilen nacheinander im Zeitmultiplex abgetastet werden. Hierdurch ergibt sich eine flächige Verteilung der einzelnen Sensoren, die die Gestaltung eines Abbildes der Kraftverteilung in einem vor­ gesehenen Bereich des Kraftfahrzeugs gestatten.

Eine hierzu besonders geeignete Anwendung beschreibt in Wei­ terbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach An­ spruch 3. Hierdurch ist es möglich, nicht nur festzulegen, ob ein Kraftfahrzeugsitz überhaupt belegt ist oder nicht, sondern es kann gleichzeitig die Belegungsfläche und die Kraftverteilung auf dieser Belegungsfläche festgestellt wer­ den. Hierdurch hat man den erheblichen Vorteil, daß bei­ spielsweise die Auslösung eines Airbags verhindert werden kann, obwohl die Sitzfläche belegt ist etwa dann, wenn auf der Sitzfläche ein Gegenstand abgelegt ist, der in seiner flächigen Verteilung der auf den Sensoren lastenden Einzel­ kräfte nicht dem räumlichen Kraftverteilungsbild entspricht, welches normalerweise bei einer auf dem Sitz befindlichen Person sich ergibt. Hierbei ist festzuhalten, daß von einer Auswerteeinrichtung die auf die einzelnen Sensoren ausgeüb­ ten Kräfte nach Ort und Größe festgehalten werden. Die sich somit ergebende flächige Verteilung der Einzelkräfte läßt sich in einem räumlichen "Kraftgebirge" darstellen, wobei die Höhe der einzelnen Punkte der ausgeübten Kraft und die Pro­ jektion dieser Punkte auf die Sensorebene den Angriffspunk­ ten dieser Kräfte auf der Ebene entspricht.

Weicht nun das Bild dieses "Kraftgebirges" stark von dem Bild ab, welches sich normalerweise bei einem auf dem Fahrzeug­ sitz sitzenden Fahrgast ergibt, so kann die Auslösung eines Airbags auch dann verhindert werden, wenn die Steuerung des Airbags einen eintretenden Autounfall signalisiert. Das kann beispielsweise dann auftreten, wenn auf dem Autositz eine Einkaufstasche, ein Bierkasten oder ein Kindersitz angeord­ net ist. Hinsichtlich des Kindersitzes ist es besonders wichtig, die Auslösung des Airbags zu verhindern, da bei vielen Kindersitzen die zu schützenden Kinder entgegen der Fahrtrichtung angeschnallt werden, wodurch ihr Kopf sich vergleichsweise nahe der Fahrzeugarmatur befindet. Dies aber birgt Gefahren bei Auslösung des Airbags, weil hier ein üb­ licher Mindestabstand vorgesehen ist, der sich auf die übli­ che Sitzlage eines Fahrgasts bezieht. Im übrigen ist es aus Kostengründen unerwünscht, daß ein Airbag auch dann auslöst, wenn auf dem zugehörigen Sitz sich kein Fahrgast befindet.

Eine andere sehr wichtige Verwendung der Sensormatrix ist durch die Merkmalskombination nach Anspruch 4 beschrieben. Hier kann beispielsweise erreicht werden, daß ein Gurtstraf­ fer eingeschaltet wird, wenn der Sicherheitsgurt nicht fest genug an der zu schützenden Person anliegt. Auch läßt sich mit einer derartigen Matrix auch eine Wegfahrsperre des Fahrzeugs kombinieren.

Inzwischen sind Einrichtungen bekannt geworden, welche auf­ grund der Panikreaktion der Bedienungsperson eines Fahrzeugs eine Vollbremsung auslösen. Da dieser Panikreaktion sich eine vorgegebene zeitliche Änderung der durch die Bedie­ nungsperson ausgeübten Kraftverteilung auf das Bremspedal zuordnen läßt, kann die erfindungsgemäße Berührungssensorma­ trix mit großem Vorteil bei einer derartigen Schutzeinrich­ tung verwendet werden. Eine andere Verwendungsart ergibt sich durch die Merkmalskombination nach Anspruch 6. Dabei läßt sich durch die Verkrampfung beim Umfassen des Lenkrades ebenfalls auf eine Panikreaktion schließen, die beispiels­ weise zu einer Änderung des Lenkverhaltens des Fahrzeugs führen kann, indem beispielsweise zu große und hastige Win­ keldrehungen des Lenkrades zu einer herabgeminderten Ände­ rung der Winkelstellung der Lenkräder führen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 in symbolischer Darstellung die elektrische Arbeits­ weise einer Berührungssensormatrix,

Fig. 2 in stark vereinfachter Form den mechanischen Aufbau der matrixförmig angeordneten die Berührungskräfte messenden Sensoren,

Fig. 3 die Darstellung der Einzelkräfte über der Fläche, wodurch sich in Form eines "Kraftgebirges" der Ein­ griffspunkt der einzelnen Kräfte auf der Fläche, verteilt nach Ort und Größe, ablesen läßt und die Verwendung der Berührungssensormatrix am Sitz eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 1 zeigt die zueinander parallelen Zeilen Z1 bis Z4, die im räumlichen Abstand von den Spalten S1 bis S3 gekreuzt werden. Dabei ist zu bemerken, daß hier im Gegensatz zu der natürlichen Bedeutung die Zeilen in senkrechter und die Spalten in waagrechter Richtung verlaufend dargestellt sind. Im Kreuzungspunkt der einzelnen Zeilen und Spalten befinden sich kraftabhängige Übergangswiderstände Ü, von denen in Fig. 1 vier Widerstände Ü1 bis Ü6 angedeutet sind. Die ein­ zelnen Übergangswiderstände Ü werden nun nacheinander im Zeitmultiplex systematisch abgetastet, etwa indem über die Muxschaltung Mux1 die Zeilen Z1 bis Z4 nacheinander durch­ geschaltet werden. Während der Durchschaltung einer Zeile, beispielsweise Z1, werden durch die Muxschaltung Mux2 die einzelnen Spalten S1 bis S3 hintereinander durchgeschaltet. So wird beispielsweise über Mux1 Z1 angeschaltet und danach durch kurzes Anschalten der Spalten S1, S2, S3 die Übergänge Ü1, Ü2, Ü3 durchgeschaltet. Der jeweils dann fließende Strom hängt ab von dem Übergangswiderstand der einzelnen Übergänge Ü1 bis Ü3, der wiederum von der auf diesen lastenden Kraft abhängt. Nach Z1 wird Z2 durchgeschaltet und während der Durchschaltzeit dieser Zeile wiederum die einzelnen Spalten S1 bis S2 nacheinander geschaltet, so daß die Übergangswi­ derstände dieser Zeile nacheinander gemessen werden. Auf diese Weise werden alle Übergänge Ü der Matrix M nachein­ ander abgetastet und der gemessene elektrische Wert wird in dem Operationsverstärker OPV verstärkt. Am Ausgang des Ope­ rationsverstärkers OPV befindet sich ein Ana­ log/Digitalwandler, der mit der Frequenz der Muxschaltung Mux2 über den Verstärker V getaktet wird. Die Ausgangssigna­ le des Analog/Digitalwandler A/D werden in einem Mikropro­ zessor pP ausgewertet und entsprechende Steuersignale auf der Leitung CAN abgegeben. Die Ansteuerung der Muxschaltun­ gen Mux1 und Mux2 geschieht über die Leitungen CA0, CA1, RA0, RA1, wobei die Muxschaltungen wie weiter oben angedeu­ tet, als Schalter wirken, die die einzelnen von ihr abgehen­ den Leitungen im Zeitmultiplex nacheinander durchschalten.

Fig. 2 deutet stark vereinfacht den Aufbau der Matrix M nach Fig. 1 an. Danach liegen zwei mit den Spaltenleitungen S und den Zeilenleitungen Z versehene Folien F1 und F2 überein­ ander. Zwischen den beiden Folien F1 und F2 ist eine Folie mit druckabhängigem Halbleitermaterial. Es versteht sich von selbst, daß die symbolisch angedeuteten Leitungen Z und S senkrecht zueinander verlaufen müssen, um die Matrixform nach Fig. 1 zu erreichen.

Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Berührungssensormatrix bei einem Kraftfahrzeugsitz. Dabei sind die Matrizen M auf der Sitzfläche und der Lehnenfläche des Sitzes ausgelegt. Die Auswerteelektronik A entspricht im Prinzip der in Fig. 1 angegebenen Schaltung, wobei das Lei­ tungsbündel B als Busankopplung auf die Aufgaben der Leitun­ gen CA0, CA1, RA0, RA1 und CAN übernimmt.

Zur Zeit verstärken die KFZ- und NFZ-Hersteller ihre Ent­ wicklungsaktivität bezüglich sogen. "Sitz Belegt Erkennungs Sensoren. Hierfür sprechen folgende Gründe:

• - erhebliche Reparaturkosten durch ungewollte Airback-Aus­ lösungen bei nicht von Menschen besetzten Sitzen.
• - Regreßansprüche durch Fehlauslösungen bei Anwendung von Kindersitzen.
• - Sicherheitsaspekte, wie z. B. falsch eingestellte Gurthö­ he o. ä.

Denkbar für den Einsatz in einem solchen Sensor ist eine kraftintensive Arrayfolie gem. Fig. 2. Hersteller dieser Folie sind unter anderen:

• - Assurance Technologie Inc.
• - Bonneville Sientific Inc.
• - Force Imagine Technologies
• - Interlink Electronis
• - Tekscan Inc.

Durch den in Fig. 4 gezeigten schematischen Aufbau ist es möglich, die Sensorfolie in geeigneter Form in den Sitz ein­ zuarbeiten. Ausgestattet mit einer Auswerteelektronik A, die in Abb. 1 schematisch dargestellt ist, kann man nun die Kraftverteilung (Fig. 3) auf dem Sitzfeld in Lage (Position) und Größe (Quantität) feststellen ("was" ist "wo"). Durch eine geeignete intelligente Auswertung, die etwa durch ein Mustervergleich mit Hilfe eines µ-Prozessorsystems statt­ finden könnte, sind unterschiedliche Körper, deren Position und Gewichtsverteilung erkennbar. Diese Informationen können nun wiederum von verschiedenen Systemen wie Airback, Instru­ mentenanzeige, Gurtkontrolle usw. verwendet werden. Die In­ formationsübertragung ist durch ein Multiplexsystem möglich.

Eine Dämpfungsregelung von aktiv gefederten Fahrersitzen in Fahrzeugen mit Hilfe von drucksensitiver Sensorfolie ist möglich. Ein wie in Fig. 4 aufgebauter Sitz mit einer steu­ erbaren Federung, beispielsweise ein druckluftgefederter Fah­ rersitz eines LKW, läßt sich mit Hilfe der von der Arrayfo­ lie gewonnenen Informationen und eines geeigneten Regelalgo­ rithmus für ein bestimmtes Dämpfungsverhalten ausregeln (z. B. in Abhängigkeit der Wirbelsäulenbeanspruchung des Fah­ rers). Stöße, die über das Fahrwerk auf den Sitz übertragen werden, haben dadurch keine negative physiologische Wirkung auf den Fahrer.

Die Erweiterung bisheriger Regelphilosophien ist möglich. Durch die fortschreitende Entwicklung der Mechatronik (me­ chanische und elektronische Komponenten vereinigt) werden zunehmend, derzeit noch direkt verbundene Einheiten, wie z. B. Lenkung, Bremsung . . . durch sogen. Wire-Verbindungen (Break by wire, Steer by wire . . . ) ersetzt. Bei diesen elek­ tronischen Einheiten handelt es sich meist um Stellglied- Aktuator-Systeme, beispielsweise Potentiometer am Gaspedal und Stellmotor an der Drosselklappe des Einspritzsystems. Bei der Bedienung solcher Systeme ergibt sich die Problema­ tik, daß der Bediener kein Feedback erhält, wie es bei­ spielsweise durch Gegenkräfte am Lenkrad entsteht. Um nun diese Gegenkräfte auf geeignete Weise zu erzeugen und zu regeln, sind wiederum Sensoren notwendig, die eine Aussage über die Krafteinleitung am Stellglied (Lenkrad, Bremspedal, Gaspedal, Schalthebel . . . ) ermöglichen. Wenn z. B. der Auto­ fahrer sein Bremspedal mehr oder weniger kraftvoll (stark und kurz oder sanft und lange) betätigt, erwartet er vom Fahrzeug eine entsprechende Verzögerungswirkung. Dieser "Verbraucherwunsch" kann mit einer derartigen Folie ermit­ telt werden.

Ein weiteres Beispiel wäre die Umklammerung eines Lenkrades, die benutzt werden könnte, um die Dynamik der Servo-Lenkre­ aktionen an die Fahrweise des Benutzers anzupassen. Mit an­ deren Worten: Ein Lenkhilfesystem muß davon ausgehen, daß ein verkrampfter Benutzer stärkere Lenkausschläge einbringt. Hier könnte in geeigneter Weise gegengeregelt werden.

Mit Hilfe eines drucksensitiven Sensorarrays ist es möglich, multifunktionale Bedienhebel aufzubauen, wie sie in behin­ dertengerechten Fahrzeugen eingesetzt werden. Entsprechend der Krafteintragsposition und der Größe der Kraft auf das Bedienelement ist es möglich, unterschiedliche Aktionen aus­ zulösen. Derartige Bedienelemente werden in Flugzeugen, Ar­ beitsmaschinen, Computern usw. eingesetzt. Für unterschied­ liche Einsatzgebiete kann die Gestalt des Bedienungselemen­ tes (incl. Auswertung) relativ frei angepaßt werden.

Als anderes Beispiel genannt sei die Aufschlagskraftmessung von Dummys zur Optimierung der Nachgiebigkeit von Instrumen­ tenausstattungen.

Claims (6)

1. Berührungssensormatrix mit einer oder mehreren paralle­ len Zeilen (71 bis 74) von Kraftsensoren, wobei die Sen­ soren mit ihren ersten Anschlüssen am Bezugspotential liegen und die zweiten Anschlüsse der Sensoren im Zeit­ multiplex nacheinander auf die an diesen anliegende, von der auf den jeweiligen Sensor ausgeübten Kraft abhängige Spannung abgetastet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (Ü) als Meßsensoren der zu überwachenden Kraftverteilung auf einer hierauf überwachten Einrich­ tung eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs dienen und die abgetasteten Spannungen zu einer Auswerteein­ richtung geführt werden, die in Abhängigkeit von der Verteilung der auf die Sensoren (Ü) ausgeübten Kräfte Steuersignale abgibt.

2. Berührungssensormatrix nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere zueinander parallel angeordnete Zeilen (71 bis 74) vorgesehen sind, wobei die Zeilen nacheinander abgetastet werden.

3. Berührungssensormatrix nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeilen auf der Sitzfläche und/oder der Rückenfläche eines Kraftfahrzeugsitzes angeordnet sind und die Auswerteeinrichtung (A) in Abhängigkeit von der festgestellten Kraftverteilung die Auslösung eines Air­ bags steuern.

4. Berührungssensormatrix nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einer Sicherheitseinrichtung, insbesondere an einem Sicherheitsgurt befestigt ist.

5. Berührungssensormatrix nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix auf dem Bremspedal eines Fahrzeugs befestigt ist.

6. Berührungssensormatrix nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix an dem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs befestigt ist.