DE19947733B4

DE19947733B4 - Einrichtung zum Erfassen und Auswerten von Kenndaten an einem Fahrzeugsitz sowie diesbezügliche Auswerteverfahren

Info

Publication number: DE19947733B4
Application number: DE19947733A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Gombert; Patrick Van Der Dr. Smagt; Rudolf Dipl.-Ing. Lein; Siegfried Dipl.-Ing. Angerer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; 3DConnexion GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; 3DConnexion GmbH
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: DE19947733A1

Abstract

Einrichtung zum Erfassen und Auswerten von Kenndaten an einem Fahrzeugsitz, auf dem ein Fahrzeuginsasse sitzt, wobei zum Erfassen Kraftsensoren vorgesehen sind, die an ihren Anbringungsstellen translatorische Auslenkungen messen, die in Form von Meßsignalen einer Auswertung unterzogen und einer Steuereinrichtung eines Sicherungssystems für dessen eventuelle Auslösung eingegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kraft-Sensoren in eine im Fahrzeugsitz vorgesehene Polsterung integriert sind und daßder/die Kraft-Sensor/en elastisch ausgebildet und über seine/ihre Funktion des Kraft-Sensors hinaus als Momenten-Sensor realisiert ist/sind und somit als kombinierte elastische Kraft-Momenten-Sensor/en über jeweils im Bereich seiner/ihrer Anbringungsstelle/n in der Polsterung auftretende translatorische Auslenkungen hinaus auch dort auftretende rotatorische Auslenkungen messen, so daß sowohl die auf translatorischen Auslenkungen als auch die auf rotatorischen Auslenkungen des/der Kraft-Momenten-Sensors/en beruhenden Meßergebnisse in Form von Meßsignalen der Auswertung unterzogen und die ausgewerteten Daten in die Steuereinrichtung des Sicherungssystems eingegeben werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen und Auswerten von Kenndaten an einem Fahrzeugsitz, auf dem ein Fahrzeuginsasse sitzt, wobei zum Erfassen Kraftsensoren vorgesehen sind, die an ihren Anbringungsstellen translatorische Auslenkungen messen, die in Form von Meßsignalen einer Auswertung unterzogen und einer Steuereinrichtung eines Sicherungssystems für dessen eventuelle Auslösung eingegeben werden.
Außerdem betrifft die Erfindung Auswertungsverfahren für eine solche Einrichtung.

Wichtige bzw. relevante Kenndaten für beispielsweise die Auslösung von Airbags in Kraftfahrzeugen sind Gewicht und Größe und daraus resultierend der Massenschwerpunkt von zu schützenden Fahrzeuginsassen. Bislang werden solche Daten über Kontaktfolien, mittels welcher das flächige Sitzprofil ermittelt wird, geschätzt und gewichtet. Diese bekannte Methode ist allerdings, ganz abgesehen davon, daß sie einen sehr hohen Aufwand erfordert, sehr ungenau und daher nicht geeignet, zuverlässige Aussagen für eine Airbag-Steuerung zu liefern.

In DE 197 52 356 A1 ist ein Verfahren zur Messung und Auswertung der auf einen Fahrzeugsitz wirkenden Kräfte durch Messen, Speichern und Auswerten der Drücke und Druckänderungen, welche die auf diesem Sitz sitzende Person gemeinsam mit dem Sitz auf deren Lager- oder Befestigungspunkte ausübt, beschrieben. Hierzu ist der Sitz auf mehreren, insbesondere auf vier Wägezellen gelagert und befestigt. Die auf die Wägezellen einwirkenden Kräfte werden durch Messung einzeln erfaßt und die sich ergebenden einzelnen Meßwerte werden in einem Rechenprogramm so ausgewertet, daß sich die Stärke und die Richtung der einwirkenden Kräfte feststellen läßt.

Prallt ein Fahrzeug beispielsweise auf einen Gegenstand auf, so werden der Sitz und die darauf sitzende Person nach vorne gedrückt, wodurch die vorderen beiden Wägezellen stärker als gewöhnlich belastet und die hinteren beiden Wägezellen entlastet werden. Umgekehrte Belastungsverhältnisse bei den Wägezellen ergeben sich bei einem von hinten aufprallenden Fahrzeug. Bei einem Seitenaufprall des Fahrzeugs werden die beiden linken bzw. rechten Wägezellen je nach der betroffenen Seite mehr belastet bzw. entlastet.

Mit den Wägezellen werden also die Richtung, in welcher die Person mit ihrem Sitz zusammen weggedrückt wird, und auf die Sitzbefestigungsstellen wirkende Kräfte in ihrer Intensität festgestellt, was sich dann dazu auswerten läßt, eine Maßnahme, z.B. einen Airbag, qualifiziert auszulösen.

Um halbwegs zuverlässige Ergebnisse zu erreichen, die zu einer einigermaßen verläßlichen und korrekt gesteuerten Auslösung von Sicherheitseinrichtungen in einem Fahrzeug geeignet sind, müssen wenigstens vier an den Befestigungspunkten des Fahrzeugsitzes angebrachte Wägezellen vorgesehen werden. Aber auch dann können noch Bewegungsformen des auf den Wägezellen gelagerten Sitzes auftreten, die entweder eine falsche, d.h. nicht gerechtfertigte Auslösung der Sicherheitseinrichtung oder im Gegensatz hierzu überhaupt keine Auslösung zur Folge haben, nämlich dann, wenn eine Auslösung erforderlich wäre.

Ferner lassen sich mit den mindestens vier Wägezellen bestimmte Bewegungsformen, insbesondere solche rotatorischer Art, somit nicht in ausreichender Weise erfassen, obwohl der Aufwand bereits ziemlich hoch ist. Da es sich bei den die Auslösungssteuerung beeinflussenden Sensoren um Wägezellen handelt, wird nur die auf eine Sitzbefestigungsstelle einwirkende Vertikalkraft, also die Gewichtskraft plus/minus die auf Grund einer zusätzlichen vertikalen Beschleunigung auftretende vertikale Kraft, berücksichtigt, die eine translatorisch vertikale Auslenkung zur Folge hat.

Momente lassen sich dagegen erst durch komplexe Berechnungen nach Messungen an allen vier Wägezellen ermitteln und dies auch nicht für alle Drehrichtungen, da insbesondere z.B. bei in der Horizontalebene liegenden Sitz- bzw. Wägezellenanbringungspunkten die in dieser Ebene auftretenden Drehmomente, ebenso wie rein in der Horizontalebene wirkende Kräfte nicht erfaßt werden können.

In DE 27 27 704 C3 ist ein Kraft-Drehmoment-Fühler beschrieben, der eine starre erste Platte und eine parallel dazu angeordnete starre zweite Platte, die miteinander durch deformierbare Stützen verbunden sind, und ein Zwischenstück aufweist, über das die zweite Platte mittels verformbarer Speichen und mindestens drei senkrecht sich dazu erstreckender verformbarer Stützen fest mit der ersten Platte verbunden ist. Hierbei sind die Speichen und Stützen im Verhältnis zu den Platten und dem Zwischenstück so dimensioniert und Dehnungsmeßstreifen auf den Speichen und Stützen so aufgebracht, dass die angreifenden Kräfte und Drehmomente allein durch Biegung der Verformungskörper messbar sind.

Ferner ist in DE 42 37 072 C1 ein resistiver Foliendrucksensor, insbesondere zur Sitzbelegungserkennung für einen Fahrzeugsitz beschrieben. Der Foliendrucksensor besteht aus zwei laminierten Polymerlagen, wobei die eine Polymerlage mit einem Halbleitermaterial und die andere mit zwei Leiterbahnen beschichtet ist, welche innerhalb eines räumlich abgegrenzten drucksensitiven Bereichs zu kammartigen Elektroden ausgebildet sind. Hierbei sind die Elektroden als durchgehende, verzweigungsfreie Leiterbahnen ausgeführt, wobei die kammartige Struktur der Elektroden durch eine mäandrierende Leitungsführung der Leiterbahnen erreicht wird. Mittels einer einfachen Widerstandsmessung zwischen beidseitigen Anschlusspunkten einer Elektrode kann dann geprüft werden, ob die Leiterbahn unterbrochen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine genauer und mit niedrigem technischen Aufwand arbeitende Einrichtung zum Erfassen und Auswerten von relevanten Kenndaten, also vor allem dem Körpergewicht und der Körpergröße eines auf einem Fahrzeugsitz sitzenden Fahrzeuginsassen bei allen Fahrsituationen zu schaffen.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Einrichtung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Kraft-Sensoren in eine im Fahrzeugsitz vorgesehene Polsterung integriert sind und daß der/die Kraft-Sensor/en elastisch ausgebildet und über seine/ihre Funktion des Kraft-Sensors hinaus als Momenten-Sensor realisiert ist/sind und somit als kombinierte elastische Kraft-Momenten-Sensor/en über jeweils im Bereich seiner/ihrer Anbringungsstelle/n in der Polsterung auftretende translatorische Auslenkungen hinaus auch dort auftretende rotatorische Auslenkungen messen. Auf diese Weise werden sowohl die auf translatorischen Auslenkungen als auch die auf rotatorischen Auslenkungen des/der Kraft-Momenten-Sensors/en beruhenden Meßergebnisse in Form von Meßsignalen der Auswertung unterzogen und die ausgewerteten Daten in die Steuereinrichtung des Sicherungssystems eingegeben.

In vorteilhafter Weise ist/sind der/die Kraft-Momenten-Sensor/en so ausgebildet, daß er/sie mindestens ein Meßsignal für die translatorische Auslenkung und/oder mindestens ein Meßsignal für die rotatorische Auslenkung erzeugt/en.

Die Erfindung hat somit die Verwendung von Kraft-Momenten-Sensoren sowie die Auswertung der mit diesen Sensoren erfaßten Signale zum Gegenstand. Es lassen sich in besonders vorteilhafter Weise dazu Kraft-Momenten-Sensoren verwenden, wie sie aus EP 0 240 023 B1 bekannt ist. Mit einem solchen Kraft-Momenten-Sensor können sämtliche translatorische und/oder rotatorische Auslenkungen erfaßt werden, wie sie beispielsweise von einer menschlichen Hand in Form von Kräften und Momenten erzeugt werden können, um die räumliche Steuerung von Automaten und Systemen oder aber auch von 3D-Computer-Grafiken durchzuführen.

Eine Einrichtung nach der Erfindung unter vorteilhafter Anwendung eines oder mehrerer derartiger Kraft-Momenten-Sensoren ist in den Ansprüchen 3 bis 5 angegeben.

Bei der Auswertung ist beispielsweise zu berücksichtigen, daß die Polster von Kraftfahrzeugsitzen beim Sitzen stark nichtlinear deformiert werden und sich der Polsterungsschaumstoff unstetig verhält. Diese und ähnliche Probleme werden in eleganter Weise durch das in den Ansprüchen 9 bis 16 einschließlich Weiterbildungen angegebene Auswertungsverfahren für eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bewältigt.

Bei diesem Verfahren wird die nichtlineare Auswertung der Meßsignale von Kraft-Momenten-Sensoren mittels eines hochwertigen adaptiven Kalibrierungsverfahrens durchgeführt. Der Vorteil eines solchen lernenden Ansatzes besteht darin, daß diese Methodik auch für unterschiedliche Sitze oder Sitzanbringungen angewendet werden kann. Hierfür werden typische Sensordaten-Muster von beispielsweise Gewicht und Größe beweglicher Objekte, beispielsweise in Gestalt von unterschiedlichen Personen "gelernt" und trainiert. Mittels dieser Methode können auch andere starre Objekte, wie beispielsweise Kindersitze, mit leeren oder vollen Flaschen gefüllte Kästen u.ä. erkannt und klassifiziert werden.

Als Kalibrierungsverfahren eignet sich in besonders vorteilhafter Weise ein neuronales Netz mit Feed-Forward-Struktur. Das Eingangs/Ausgangs-Verhalten des neuronalen Netzes wird von den Daten des/der Kraft-Momenten-Sensor/en und von notwendigen Umgebungsdaten bestimmt. Die Meßsignale von Kraft-Momenten-Sensoren, d.h. maximal sechs Meßsignale pro Kraft-Momenten-Sensor, werden in vorteilhafter Weise mit einem Tiefpaßfilter gefiltert, bevor oder nachdem sie an das neuronale Netz mit Feed-Forward-Struktur weitergereicht werden bzw. worden sind.

Da Umgebungseinflüsse, wie z.B. die im Fahrzeugsitz herrschende und mittels im Sitz vorhandener NTC(Negativer Temperaturkoeffizient)-Widerstände erfaßbare Temperatur, auf die Sensor-Meßsignale einwirken, können solche Umgebungsdaten mitgelernt werden. Temperaturänderungen beeinflussen nicht nur den Ausdehnungskoeffizienten des Sitzpolsters, sondern auch den Kraft-Momenten-Sensor. Auch die Sitzeinstellung kann ein möglicher, relevanter Parameter sein, der die Sensorsignale beeinflußt.

Für das schnelle Erlernen der Musterdaten ist die sogenannte konjugierte Gradienten-Optimierungsmethode besonders geeignet. Der Vorteil dieser Methode besteht in der kurzen Lernzeit, insbesondere bei großen Datenmengen, und beträgt nur Sekunden bis zu wenigen Minuten. Es können beispielsweise für jedes Sitzmodell eine Kalibrierungs- bzw. Lernphase durchgeführt werden. Hierfür werden beispielsweise für eine Gruppe von Testpersonen mit unterschiedlichem Gewicht und unterschiedlicher Größe die Daten der Kraft-Momenten-Sensoren aufgezeichnet und am neuronalen Netz gelernt. Dieser Vorgang wird in nur wenigen Sekunden durchgeführt.

Das lernende Kalibrierungsverfahren wird beispielsweise mit dem Gewicht und der Größe der Fahrzeuginsassen trainiert. Es sind nicht nur Lernvorgänge mit Sitzen für Erwachsene, sondern auch beispielsweise für Kindersitze erforderlich.

Während des Betriebs in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem PKW, kann das im Werk vorkalibrierte System zu jedem Zeitpunkt in wenigen Millisekunden mit dem Auswertungsverfahren nach der Erfindung eine genaue Auswertung des Gewichts und der Größe der jeweiligen Fahrzeuginsassen berechnen.

Ein Beispiel eines lernenden Kalibrierungsverfahrens für eine mit Kraft-Momenten-Sensoren versehene Einrichtung nach der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figur beschrieben.
Bei dem in der Figur dargestellten Beispiel wird ein vollständig verbundenes neuronales Netz mit einer Feed-Forward-Struktur zugrunde gelegt. Einem Mehrfach-Eingabeknoten 1 werden maximal sechs Meßsignale eines ersten in einem Sitz untergebrachten Kraft-Momenten-Sensors und einem Mehrfach- Eingabeknoten 2 die maximal sechs Meßsignale eines zweiten im Sitz integrierten Kraft-Momenten-Sensors eingegeben. Die jeweils sechs Meßsignale leiten sich von drei Translations- und drei Rotationsfreiheitsgraden her, die jeder Kraft-Momenten-Sensor erfassen kann.
Die Mehrfach-Eingabeknoten 1 und 2 sowie ein Eingabeknoten 3 für ein die Temperatur im Sitz widerspiegelndes Signal geben ihre Signale an Knoten 4, 5, 6 und 7 weiter, die in einer nachfolgenden versteckten Schicht liegen. Die Signale aus den Knoten 4, 5, 6 und 7 gelangen an einen Ausgabeknoten 8, dessen beispielsweise das Körpergewicht von Personen betreffendes Signal vom Anwender unmittelbar abgegriffen wird. Das Eingangs/Ausgangs-Verhalten des dargestellten neuronalen Netzes wird also von den jeweils sechs Signalen der beiden im Beispiel vorhandenen Kraft-Momenten-Sensoren und der Temperatur im Sitz beeinflußt.

1, 2: Mehrfach-Eingabeknoten
3: Eingabeknoten
4 bis 7: Knoten
8: Ausgabeknoten

Claims

Einrichtung zum Erfassen und Auswerten von Kenndaten an einem Fahrzeugsitz, auf dem ein Fahrzeuginsasse sitzt, wobei zum Erfassen Kraftsensoren vorgesehen sind, die an ihren Anbringungsstellen translatorische Auslenkungen messen, die in Form von Meßsignalen einer Auswertung unterzogen und einer Steuereinrichtung eines Sicherungssystems für dessen eventuelle Auslösung eingegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kraft-Sensoren in eine im Fahrzeugsitz vorgesehene Polsterung integriert sind und daßder/die Kraft-Sensor/en elastisch ausgebildet und über seine/ihre Funktion des Kraft-Sensors hinaus als Momenten-Sensor realisiert ist/sind und somit als kombinierte elastische Kraft-Momenten-Sensor/en über jeweils im Bereich seiner/ihrer Anbringungsstelle/n in der Polsterung auftretende translatorische Auslenkungen hinaus auch dort auftretende rotatorische Auslenkungen messen, so daß sowohl die auf translatorischen Auslenkungen als auch die auf rotatorischen Auslenkungen des/der Kraft-Momenten-Sensors/en beruhenden Meßergebnisse in Form von Meßsignalen der Auswertung unterzogen und die ausgewerteten Daten in die Steuereinrichtung des Sicherungssystems eingegeben werden.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kraft-Momenten-Sensor/en so ausgebildet ist/sind, daß er/sie drei Meßsignale für die Linearauslenkung und drei Meßsignale für die Drehauslenkung erzeugt/en.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der/die in der Polsterung eines Sitzes eingesetzten Kraft-Momenten-Sensor/en opto-elektronische Anordnungen zum gleichzeitigen Erfassen von bis zu sechs Komponenten, nämlich bis zu drei Verschiebungen und bis zu drei Winkelverdrehungen in bzw. um die drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems sind, daß zur Bildung der opto-elektronischen Anordnung jede von mindestens sechs in gleichen Winkelabständen voneinander in einer Ebene angebrachten, lichtemittierenden Einrichtungen mit jeweils vorgeschalteter, fest angeordneter Schlitzblende gegenüber je einem mit seiner Detektorachse senkrecht zur Schlitzrichtung der jeweils zugeordneten Schlitzblende ausgerichteten, positionsempfindlichen Detektor so vorgesehen ist, daß die lichtemittierenden Einrichtungen mit zugeordneten Schlitzblenden und die positionsempfindlichen Detektoren relativ gegeneinander bewegbar sind, und daß die jedem positionsempfindlichen Detektor einzeln zugeordnete lichtemittierende Einrichtung jeweils mittels einer Regelelektronik angesteuert wird, welche die Summe der beiden in dem zugehörigen positionsempfindlichen Detektor fließenden Ströme konstant auf einem für alle sechs Systeme gleichen Wert hält und dazu die Strahlungsintensität der lichtemittierenden Einrichtungen regelt.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindlichen Sensoren auf der Innenseite eines Ringes entsprechend ausgerichtet angeordnet sind, der an der Innenseite eines entsprechend geformten Körpers fest angebracht ist und der über zwischen dem Ring und einer in der Mitte die lichtemittierenden Einrichtungen tragenden Halterungseinrichtung vorgesehene Federelemente bezüglich der stationären Anordnung aus den mindestens sechs lichtemittierenden Einrichtungen und den diesen jeweils fest zugeordneten Schlitzblenden so bewegbar ist, daß er immer wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt.
Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens sechs lichtemittierenden Einrichtungen vorzugsweise in einer Halterungseinrichtung untergebracht sind, mit welcher vorzugsweise über radial verlaufende Stege ein zylindrischer Ring fest verbunden ist, in welchem in den gleichen Winkelabständen wie die an der Halterungseinrichtung angebrachten, lichtemittierenden Einrichtungen und diesen in radialer Richtung gegenüberliegend abwechselnd die jeweils um 90° gegeneinander versetzten Schlitzblenden ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungssystem für einen Kindersitz im Fahrzeug ausgelegt ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung für ein automatisches Sicherheitsgurt-System als Sicherungssystem vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung für ein selektiv auszulösendes Airbag-System als Sicherungssystem vorgesehen ist.
Auswertungsverfahren für eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Durchführung der Auswertung der Meßsignale ein adaptives Kalibrierungsverfahren herangezogen wird, bei dem typische Sensordaten-Muster von bezüglich Gewicht, Größe und anderen relevanten Kenndaten unterschiedlicher Fahrzeuginsassen gelernt und trainiert werden, und daß das Kalibrierungsverfahren mit einem künstlichen, lernenden neuronalen Netz mit Feed-Forward-Struktur arbeitet, dessen Eingangs/Ausgangs-Verhalten von den Meßsignalen des/der Kraft-Momenten-Sensors/en und von Signalen über Parameter, welche die Meßsignale der Kraft-Momenten-Sensoren beeinflussen, bestimmt wird.
Auswertungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale der Kraft-Momenten-Sensoren tiefpaßgefiltert werden.
Auswertungsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß den Einfluß der Umgebung betreffende Parameterdaten, wie die im Sitz herrschende Temperatur und die Sitzeinstellung, mit den typischen Sensordaten-Mustern mitgelernt werden.
Auswertungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum schnellen Erlernen der Daten-Muster die sogenannte konjugierte Gradienten-Optimierungsmethode eingesetzt wird.
Auswertungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Sitzmodell eine Kalibrierungs- und Lernphase durchgeführt wird, während welcher für eine Gruppe von Fahrzeuginsassen mit unterschiedlichem Gewicht und unterschiedlicher Größe die Daten der Kraft-Momenten-Sensoren aufgezeichnet und am neuronalen Netz gelernt werden.
Auswertungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das lernende Kalibrierungsverfahren mit dem Körpergewicht und der Körpergröße der Fahrzeuginsassen trainiert wird.
Auswertungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit dem adaptiven Kalibrierungsverfahren werksseitig vorkalibriert wird.
Auswertungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der werksseitig vorkalibrierten Einrichtung eine genaue rechnerische Auswertung des Gewichts und der Größe von Fahrzeuginsassen während des Betriebs im Fahrzeug vorgenommen wird.