DE4447960B4

DE4447960B4 - Positions- und Geschwindigkeitssensor für Fahrzeuginsassen

Info

Publication number: DE4447960B4
Application number: DE4447960A
Authority: DE
Inventors: David S. Breed; Vittorio Castelli; Wendell C. Torrance Johnson; Wilbur E. Du Vall; Rashik Riverside Patel
Original assignee: Automotive Technologies International Inc
Current assignee: Automotive Technologies International Inc
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2014-03-31

Abstract

Fahrzeuginsassenschutzsystem mit
Fühlmitteln zum Ermitteln der Position eines Insassen (101) in einem Kraftfahrzeug (100), wobei die Fühlmittel mindestens einen Empfänger zum Empfang von von dem Insassen ausgehenden, an dem Insassen reflektierten oder von dem Insassen erzeugten Wellen aufweisen, und
an die Fühlmittel angeschlossenen Mitteln zum Reagieren auf die ermittelte Position des Insassen (101),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Fühlmittel Mustererkennungsmittel aufweisen, die zur Ermittlung der Position des Insassen (101) die von dem Empfänger (110, 111, 112, 113, 114, 215) empfangenen Wellen verarbeiten, um zwischen dem Insassen (101) und einem Gegenstand aufgrund der relativen Größe, Position oder Form unterscheiden zu können.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Crashsensoren, die ermitteln, ob der Aufprall schwer genug war und das aufblasbare Rückhaltesystem, d.h. der Airbag, aufgeblasen werden soll, sind entweder im Vorderbau des Fahrzeugs angebracht, der im Notfall, wenn der Sensor das Aufblasen auslösen soll, geknautscht ist und deshalb auch Knautschzone heißt, oder an einer anderen Stelle wie in der Fahrgastzelle untergebracht, die formstabil ist. Egal, wo die Sensoren angebracht sind, es wird immer Unfälle geben, bei denen der Sensor den Airbag zu spät auslöst und der Insasse sich bereits in der Nähe der Airbag-Abdeckung befindet. In solchen Fällen kann der Insasse durch das Aufblasen des Luftsacks schwer verletzt oder sogar getötet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie die Verhütung derartiger Verletzungen und Todesfälle durch Verhütung einer verspäteten Auslösung des Airbags.

In einem Papier der amerikanischen Gesellschaft der Kraftfahrzeugingenieure (Society of Automotive Engineers, SAE) mit dem Titel "Response of animals exposed to deployment of various passenger inflatable restraint system concepts for a variety of collision severities and animal positions" (Wirkung des Aufblasens diverser Insassen-Rückhaltesysteme bei Kollisionen verschiedener Schweregrade auf Tiere in verschiedenen Positionen) SAE 826074, 1982, zeigen die Autoren Mertz, Driscoll, Lenox, Nyquist und Weber, daß ein Insasse durch das Aufblasen des Luftsacks getötet oder schwer verletzt werden kann, wenn er sich nicht in der normalen Position, sondern nahe oder am Airbag befindet, wenn das Aufblasen beginnt. Zu dem gleichen Ergebnis ist vor kurzem auch ein von Lau, Horsch, Viano und Andrzejak verfaßtes Papier mit dem Titel "Mechanism of injury from air bag deployment loads" (Zustandekommen von Verletzungen durch Belastungen bei Aufblähen des Airbags), das in Accident Analysis & Prevention, Band 25, Nr. 1, 1993, Pergamon Press, New York veröffentlicht worden ist, in dem die Autoren zu der Feststellung gelangen: "Selbst eine Aufblasvorrichtung, welche eine Gasmenge einblies, die nicht einmal für den Schutz eines vorschriftsmäßig sitzenden Insassen ausreichend war, entwickelte genug Energie, um einem Dummy, der mit dem Airbag beim Aufblasen in Berührung kam, schwere Verletzungen beizubringen." Diese Abhandlungen unterstreichen, wie wichtig es ist, daß ein Aufblasen des Airbag verhütet wird, wenn ein Insasse sich nicht in vorschriftsmäßiger Position und in nächster Nähe des Airbags befindet.

Der Kugel-im-Rohr Knautschzonensensor, so wie er in den D.S. Breed erteilten US-Patenten Nr. 4,974,350; 4,198,864; 4,284,863; 4,329,549; 4,573,706 und 4,900,880 beschrieben ist, findet am häufigsten Verwendung, doch werden jetzt andere Technologien verfügbar, darunter magnetisch gedämpfte Sensoren, wie sie in dem Behr und anderen erteilten US-Patent Nr. 4,933,515 dargestellt sind, sowie Knautsch-Schaltersensoren, wie sie in dem D.S. Breed erteilten US-Patent Nr. 4,995,639 beschrieben sind. Andere Sensoren, die auf Feder-Masse-Technologien beruhen, finden ebenfalls in der Knautschzone Verwendung. Sensoren, die in der Knautschzone angebracht sind, können nur dann ordnungsgemäß funktionieren, wenn sie bei dem Unfall in der Knautschzone liegen und zur Auslösung genug Zeit bleibt; andernfalls kann die Auslösung zu spät erfolgen. Ein solcher Fall wurde in einem Papier der SAE von Breed und Castelli mit dem Titel "Trends in sensing frontal impacts" (Trends bei Sensoren für Frontalaufprall), SAE 890750, 1989 und ferner in US-Patent Nr. 4,900,880 beschrieben. Bei Kollisionen mit weichen Objekten kann ein Fahrzeug erheblich weniger knautschen als beispielsweise bei Aufprall auf Barrieren. In solchen Fällen und selbst bei mäßigen Veränderungen der Geschwindigkeit, bei denen ein Airbag die Verletzungen mindern könnte, kann es vorkommen, daß der in der Knautschzone angebrachte Sensor sich in Wirklichkeit in dem Moment, in dem der Sensor ausgelöst werden müßte, damit der Airbag rechtzeitig aufgeblasen wird, nicht in der Knautschzone befindet und deshalb den Airbag zu spät auslöst, wenn der Insasse schon auf dem Airbagmodul liegt.

Es besteht eine Tendenz zur Implemetierung von Einpunktsensoren (SPS, Abkürzung für "single point sensors"), die normalerweise in der Fahrgastzelle untergebracht sind. Theoretisch stellen diese Sensoren mit Hilfe komplizierter Computer-Algorithmen fest, ob ein gegebener Aufprall so schwer ist, daß der Airbag ausgelöst werden muß. In einem anderen SAE Papier von Breed, Sanders und Castelli mit dem Titel "A critique of single point sensing" (Eine Kritik der Einpunktsensoren), SAE 920124, 1992, das in vorliegende Abhandlung durch Bezugnahme eingebracht wird, erbringen die Autoren den Nachweis, daß in der Nicht-Knautschzone des Fahrzeugs bei vielen Unfällen nicht genügend Informationen anfallen, um rechtzeitig darüber entscheiden zu können, ob der Airbag aufgeblasen werden soll. Deshalb werden auch Sensoren, die in der Fahrgastzelle oder an anderen Stellen, die nicht in der Knautschzone liegen, angebracht sind, bei vielen Unfällen den Airbag zu spät auslösen.

Ein Crashsensor ist zwangsläufig eine prädiktive Vorrichtung. Damit der Luftsack rechtzeitig aufgeblasen wird, muß das Aufblasen beginnen, ehe die ganze Wucht des Aufpralls sich entwickelt hat. Alle prädiktiven Vorrichtungen können Fehler machen, so daß manchmal der Airbag aufgeblasen wird, wo es gar nicht nötig ist, und manchmal nicht aufgeblasen wird, wenn er eine Verletzung hätte verhüten können. Bei jeder prädiktiven Vorrichtung kann die Genauigkeit erheblich verbessert werden, wenn für die Erfassung und Verarbeitung der Daten mehr Zeit zur Verfügung steht. Der Insassenpositionssensor hat unter anderem den Zweck, dieses Mehr an Zeit in den Fällen zu ermöglichen, in denen der Fahrer bei Beginn des Unfalls weiter vom Lenkrad entfernt ist beziehungsweise wenn der Fahrer, weil er angeschnallt ist, oder aus einem andern Grund sich langsamer auf das Lenkrad zu bewegt. In diesen Fällen kann die Entscheidung, ob der Luftsack ausgelöst werden soll, aufgeschoben und genauer festgestellt werden, ob der Airbag gebraucht wird.

Die obigen Ausführungen über die rechtzeitige Auslösung des Luftsacks basieren alle auf der Sitzposition des Durchschnittsmannes (des sogenannten 50% Mannes) im Vergleich zum Airbag oder Lenkrad. Für den 50% Mann wird der Zeitpunkt, an dem der Sensor den Airbag auslösen muß, normalerweise unter Zugrundelegung der Annahme berechnet, daß der Fahrer sich 5 Zoll weit bewegen darf, ehe der Airbag ganz aufgeblasen ist. Airbags brauchen normalerweise etwa 30 Millisekunden, bis sie ganz aufgeblasen sind; deshalb muß der Sensor das Aufblasen des Luftsacks 30 Millisekunden eher auslösen, als der Fahrer sich 5 Zoll nach vorne bewegt hat. Der 50% Mann ist jedoch in Wirklichkeit die 70% Person, und deshalb sitzen 70% der Bevölkerung im Durchschnitt näher an dem Airbag als der 50% Mann und gehen somit ein größeres Risiko ein, daß sie mit dem Airbag schon beim Aufblasen vorzeitig in Berührung kommen. Vor kurzen wurde zum Beispiel bei einer formlosen Umfrage festgestellt, daß der Durchschnittsmann beim Fahren etwa 12 Zoll vom Lenkrad entfernt sitzt, daß aber etwa 2% aller Fahrer und Fahrerinnen weniger als 6 Zoll vom Lenkrad entfernt sitzen und 10% weniger als 9 Zoll entfernt sitzen. Ferner sitzen etwa 1% der Fahrer rund 24 Zoll und etwa 16% mindestens 18 Zoll vom Lenkrad entfernt. Keines der Sensorsysteme, die zur Zeit im Handel sind, tragen dieser Variation bei der Sitzposition des Fahrers Rechnung, die doch für den Zeitpunkt, zu dem der Sensor spätestens den Airbag auslösen muß, ausschlaggebend ist.

Wenn zum Beispiel ein voll aufgeblasener Airbag von der Vorderseite zur Rückseite gemessen ungefähr 7 Zoll dick ist, dann wird jeder Fahrer, der weniger als 7 Zoll entfernt sitzt, zwangsläufig während des Aufblasens mit dem Airbag in Berührung kommen, und der Airbag sollte wahrscheinlich gar nicht ausgelöst werden. Bei einem vor kurzem analysierten Crash, bei dem ein Mittelklassewagen mit 30 Meilen/Stunde in eine Barriere gefahren wurde, betrug die vom Sensor geforderte Auslösezeit, in der sich ein Luftsack voll aufblähen kann, ehe der Fahrer weniger als 7 Zoll vom Lenkrad entfernt ist, maximal 8 Millisekunden bei anfänglich 9 Zoll Abstand des Fahres vom Airbag, 25 Millisekunden bei 12 Zoll, 45 Millisekunden bei 18 Zoll und 57 Millisekunden für den Fahrer, der anfänglich 24 Zoll vom Airbag entfernt saß. Somit reicht bei ein und demselben Crash die vom Sensor geforderte Auslösezeit von keiner Auslösung bis zu 57 Millisekunden, je nach der anfänglichen Position des Insassen. Die vom Sensor gemessene Auslösezeit als einziges Kriterium, welche diese Variationen nicht berücksichtigt, wird deshalb bei kleinen Leuten Verletzungen verursachen oder großen Leuten den Schutz des Airbags verweigern. Ein Airbagsystem muß zwangsläufig besser funktionieren, wenn die Position des Insassen wie hier beschrieben mit berücksichtigt wird.

Eine weitere Komplikation ergibt sich auf dem Umstand, daß jetzt mehr Insassen Sicherheitsgurte anlegen, welche dafür sorgen, daß viele dieser Insassen dem Airbag nicht zu nahe kommen. Deshalb reicht die Kenntnis der anfänglichen Position des Insassen nicht aus, und es muß entweder die Position ständig überwacht werden, oder man muß wissen, ob der Sicherheitsgurt angelegt wird. Ferner ist es auch möglich, daß der Insasse vor dem Unfall eingeschlafen oder ohnmächtig geworden ist und auf dem Lenkrad liegt. Es sind einige Sensorsysteme vorgeschlagen worden, die den Beschleunigungsimpuls in der Fahrgastzelle doppelt integrieren und die Verschiebung des Insassen aufgrund der kalkulatorischen Verschiebung eines nicht angeschnallten in mittlerer Position sitzenden Insassen ermitteln. Dieses Sensorsystem verhütet dann die Auslösung des Luftsacks, wenn der Insasse sich aufgrund dieser Kalkulation zu nahe am Airbag befindet. Für die oben besprochenen verschiedenen Sitzpositionen und auch für einen angeschnallten Insassen kann das Ergebnis dieser Kalkulation ganz falsch ausfallen, so daß einem angeschnallten Insassen bei einem schweren Unfall der zusätzliche Schutz durch einen Airbag verweigert werden könnte.

Da die Zahl der mit Airbags ausgestatteten Fahrzeuge rapide zunimmt, mehren sich auch die Fälle, in denen der Luftsack zu spät ausgelöst wird. Schätzungen zufolge ging es bei rund 5% bis 10% der etwa 400 Beschwerden über Airbags, die bis Ende 1991 bei dem US-Amt für Sicherheit im Straßenverkehr (National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA) eingegangen sind, um Verbrennungen und Verletzungen wegen verspäteter Auslösung des Airbags. Und es sind mindestens drei Todesfälle bekannt, bei denen der Verdacht besteht, daß sie durch verspätete Auslösung des Airbags verursacht worden sind.

Daß ein Insassenpositionssensor gebraucht wird, ist auch von anderen festgestellt worden, und in US-Patenten sind verschiedene Methoden zur Ermittlung der Position und Geschwindigkeit des Insassen eines Kraftfahrzeugs dargestellt worden. Jedes dieser Systeme hat jedoch Grenzen, die nicht unerheblich sind. In dem US-Patent 5,071,160 zum Beispiel, das White und anderen erteilt worden ist, wird ein einzelner akustischer Sensor und Detektor beschrieben und in Zeichnungen dargestellt, der niedriger als das Lenkrad angebracht ist. White und andere wissen, daß ein solcher Sensor versagen und der Luftsack unnötig ausgelöst werden könnte, wenn der Insasse an den Bedienungsknöpfen seines Radios dreht; sie schlagen deshalb vor, daß mehrere derartige Sender/Empfänger zum Einsatz kommen sollten. Wenn der Abstand zwischen dem Fahrer und dem Sender/Empfänger einen Fuß beträgt, würde bei einer Schallgeschwindigkeit von 1128 Fuß pro Sekunde der Schall ungefähr 2 Millisekunden brauchen, um die Strecke zum Fahrer hin und zurück zurückzulegen. Die Verwendung derselben Vorrichtung als Sender und Detektor der Schallwellen setzt voraus, daß die Vorrichtung nicht gleichzeitig senden und empfangen kann; deshalb braucht sie für eine einzige Ablesung der Position des Insassen mindestens 2 Millisekunden. Natürlich nimmt mit zunehmendem Abstand des Insassen vom Sensor die Häufigkeit der Ablesungen weiter ab. Bei einem Fahrgast mit 2 Fuß Abstand vom Sensor dauert die Ablesung ungefähr 4 Millisekunden. Sensoren dieser Gattung können zur genauen Ablesung der Ausgangsposition des Insassen verwendet werden, aber die Bestimmung der Geschwindigkeit des Insassen und damit des Zeitpunkts, an dem er sich wahrscheinlich zu nahe an dem aufblähenden Luftsack befindet, muß wegen dem großen Zeitabstand zwischen den Ablesungen und somit der geringen Zahl der Ablesungen, die für die Prädiktion verfügbar sind, und wegen dem Eigengeräusch in dem reflektierten Signal zwangsläufig ungenau ausfallen.

In US-Patent 5,118,134 beschreiben Mattes und andere einen einzelnen Ultraschall-Sender und einen separaten Empfänger, aber nicht, in welcher Art diese Kombination Verwendung findet. Bei konventionellen Ultraschall-Abstandsmeßsystemen emittiert der Sender einen Stoß von Utraschallwellen und mißt dann, wieviel Zeit vergeht, bis die Wellen von dem Objekt reflektiert werden und den Empfänger erreichen. Der Sender sendet erst dann wieder, wenn die Wellen von dem Empfänger empfangen worden sind. Auch dieses System hat den Nachteil, daß die oben beschriebene Verzögerung von mindestens 2 bis 4 Millisekunden auftritt.

Die Geschwindigkeit des Insassen kann auch mit Hilfe von Dopplermethoden bestimmt werden, wie nachstehend beschrieben. Sowohl White und andere als auch Mattes und andere weisen allerdings ausdrücklich darauf hin, daß die Position des Insassen aufgrund sukzessiver Positionsmessungen bestimmt wird. Die Verwendung des Dopplereffekts ist in dem King erteilten US-Patent 3,275,975 beschrieben, allerdings nur zwecks der Feststellung, daß der Insasse sich nicht bewegt. King unternimmt keinen Versuch, mit Hilfe des Dopplereffekts die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich der Insasse dem Airbag nähert. Auch keines der Patente, auf die oben Bezug genommen wird, beschreibt die Verwendung eines Ultraschall-Senders und Empfängers zur gleichzeitigen Bestimmung der Position und Geschwindigkeit des Insassen, bei der die Sendezeit in Verbindung mit dem Dopplereffekt verwendet wird wie unten geschildert.

Das Ziel eines Insassenpositionssenssors ist, die Position des Kopfes beziehungsweise der Brust des Insassen eines Fahrzeugs im Vergleich zum Airbag zu bestimmen, denn es ist die Wucht, mit welcher der sich aufblähende Luftsack den Kopf oder die Brust trifft, welche schwere Verletzungen Verursachen kann. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird deshalb, wenn von der Position des Insassen die Rede ist, die Position des Kopfes oder der Brust des Insassen gemeint und nicht die Position seiner Arme, Hände oder Beine. Aus diesem Grund sind auch die Ultraschall-Sender vorzugsweise an den Stellen anzubringen, von denen man die beste und unbehinderte Sicht auf Kopf und Brust des Insassen hat. Diese Stellen befinden sich in der Regel an der Oberkante des Armaturenbretts, an der Windschutzscheibe, an der Kopfleiste über der Windschutzscheibe und am Rückspiegel. Sowohl White und andere als auch Mattes und andere beschreiben nur tiefer gelegene Stellen für die Anbringung der Ultraschall-Sender, wie am Armaturenbrett oder unter dem Lenkrad. Von diesen beiden Stellen aus kommt es wegen der Positionierung der Hände, Arme und Beine des Insassen besonders oft zu Fehlbestimmungen. Hier wären mindestens drei und vorzugsweise mehr derartige Sensoren und Detektoren erforderlich samt einer geeigneten Logik-Schaltung für die Fälle, wenn die Arme des Fahrers den geringsten Abstand zu zwei der Sensoren haben. Wenn eine unbehinderte Sicht nicht möglich ist, ist ein Mittel zur Mustererkennung, das in den oben genannten Patenten nicht beschrieben ist, erforderlich, um zwischen dem Insassen und seinen Extremitäten wie Händen, Armen und Beinen unterscheiden zu können.

Mattes und andere beschreiben ferner die Anbringung des Sensors in der Kopfstütze, aber eine derartige Anordnung genügt nicht, denn sie mißt den Abstand des Insassen von der Kopfstütze und nicht von dem Airbag.

White und andere beschreiben die Verwendung einer Fehlerkorrektur-Schaltung, um zwischen der Geschwindigkeit einer Hand des Insassen, wenn er zum Beispiel an dem Knopf des Radios dreht, und seinem übrigen Körper zu unterscheiden. Drei Ultraschallsensoren der von White und anderen beschriebenen Gattung würden diese Unterscheidung bewerkstelligen, wenn zwei dieser Sensoren melden würden, daß der Insasse sich nicht bewegt, und der dritte meldet, daß er sich bewegt. Eine derartige Kombination würde jedoch nicht zwischen einem Insassen unterscheiden, bei dem beide Hände und Arme im abgetasteten Feld des Ultraschallsenders liegen, der an einer Stelle angebracht ist, von der die Sicht auf Kopf und Brust des Insassen weitgehend blockiert ist. Da die Größe der Insassen und ihre Position am Lenkrad äußerst stark variieren, sind Mustererkennungssysteme immer dann erforderlich, wenn eine klare Sicht des Insassen, die nicht durch seine Extremitäten behindert wird, nicht gewährleistet werden kann. Mit Mustererkennungssystemen für den Insassen sind hier Systeme gemeint, die zwischen dem Insassen und seinen Extremitäten aufgrund der relativen Größe, Position oder Form unterscheiden können. Mustererkennungssysteme können auch verwendet werden, um einen Insassen von einem Sitz oder einer Einkaufstüte voller Lebensmittel zu unterscheiden, und zwar auch wieder aufgrund der relativen Größe, Position oder Form oder gar aufgrund passiver Infrarotstrahlung, wie unten beschrieben.

Die DE 40 05 598 A1 offenbart ein Schutzverfahren für Fahrzeuginsassen, bei dem die Position des Fahrzeuginsassen mittels eines Ultraschallsenders 32 und eines Ultraschallempfängers 33 sowie einer Lichtschranke aus einem Lichtsender 30 und einem Lichtempfänger 31 bestimmt wird. Die Geschwindigkeit bzw. die Bewegung des Fahrzeuginsassen wird mittels zeitlich nacheinander durchgeführten Messungen der Position des Fahrzeuginsassen bestimmt.

Die DE 40 23 109 A1 zeigt ein Fahrzeuginsassenschutzsystem, bei dem zur Bestimmung der Position des Kopfes mehrere Meßstrahlen 15, 16, 17 eingesetzt werden, um eine Art Kreuzpeilung durchzuführen. Da die DE 40 23 109 A1 reine Abstandsmessungen durchführt, kann nicht zwischen bestimmten Körperteilen des Insassen unterschieden werden. Außerdem kann auch ein beispielsweise auf dem Beifahrersitz abgelegter Gegenstand nicht von einem Insassen unterschieden werden. Wenn daher beispielsweise Extremitäten des Insassen dem Insassenschutzsystem gemäß der DE 40 23 109 A1 vorspiegeln, dass der Kopf derart nahe beim Airbag ist, dass er nicht ohne ein erhebliches Verletzungsrisiko für den Insassen ausgelöst werden kann, wird es zu einer Nichtauslösung des Airbags kommen, obwohl der Kopf des Insassen in einer bezüglich der Auslösung des Airbags sicheren Stellung ist. Andererseits können beispielsweise auf dem Beifahrersitz abgelegte Gegenstände dem Insassenschutzsystem vortäuschen, dass der Beifahrersitz belegt ist. Daher könnte der Beifahrerairbag unnötigerweise bei einem Unfall ausgelöst werden, wodurch die Instandsetzungskosten erhöht werden. Um derartige Fehler auszuschließen, sieht die DE 40 23 109 A1 vor, zusätzliche Sensoren zum Beispiel im Nackenstützenbereich anzuordnen und die ermittelten Werte mit Werten aus gespeicherten Musterabläufen zu vergleichen. Dadurch kann zwar die Wahrscheinlichkeit der richtigen Auslösung des Insassenschutzsystems erhöht werden, aber eine Fehlfunktion nicht hinreichend sicher ausgeschlossen werden.

Die DE 43 41 500 A1 offenbart ein Fahrzeuginsassenschutzsystem, bei dem elektromagnetische Wellen einen großen Teil des Insassen beleuchten. Die DE 38 38 365 A1 offenbart ein Fahrzeuginsassenschutzsystem, bei dem der Empfänger ein ladungsgekoppeltes Schaltelement (CCD) enthält.

Die DE 40 16 610 A1 offenbart ein Fahrzeuginsassenschutzsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die DE 40 16 610 A1 offenbart ein Fahrzeuginsassenschutzsystem mit einem passiven Rückhaltesystem (Airbag), bei dem die Anwesenheit oder Abwesenheit eines sitzenden Fahrzeuginsassen mittels eines Sitzschalters ermittelt wird. Das bekannte Fahrzeuginsassenschutzsystem hat den Nachteil, dass es nicht zwischen einem Fahrzeuginsassen und einem leblosen Gegenstand auf dem Sitz unterscheiden kann. Daher wird das Rückhaltesystem auch ausgelöst, wenn der Sitz nur mit einem schweren Gegenstand aber keinem Fahrzeuginsassen belegt ist, wodurch sich die mit den vermeidbaren Reparaturkosten verbundenen Nachteile ergeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeuginsassenschutzsystem anzugeben, dass bei einem nicht besetzen Sitz das Rückhaltesystem nicht auslöst, auch wenn der Sitz mit einem Gegenstand belastet ist.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Fahrzeugrückhaltesystem gemäß den Merkmalen des neuen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß weisen die Fühlmittel Mustererkennungsmittel auf, die zur Ermittlung der Position des Insassen die von dem Empfänger empfangenen Wellen verarbeiten, um zwischen dem Insassen und einem Gegenstand aufgrund der relativen Größe, Position oder Form unterscheiden zu können. Das hat den Vorteil, dass die Auslösung des Rückhaltesystems bei einem nicht von einem Fahrzeuginsassen besetzen Sitz vermieden wird, wodurch infolge einer unnötigen Auslösung verursachte zusätzliche Reparaturkosten vermieden werden können.

Der Insassenpostionssensor dieser Erfindung ist für die Anbringung in der Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs mit einer Vorrichtung zum Schutz des Fahrgasts wie einem aufblasbaren Luftsack geeignet. Wenn das Fahrzeug in einen hinlänglich schweren Unfall verwickelt wird, bei dem das passive Sicherheitssystem ausgelöst werden sollte, und das Sensorsystem ermittelt hat, dass die Vorrichtung auszulösen ist, bestimmen der Insassenpositionssensor und die damit verbundene elektronische Schaltung die Position des Insassen des Fahrzeugs im Vergleich zum Airbag und desaktivieren die Auslösung des Airbag, falls der Insasse sich in einer Position befindet, in der er bei Aufblasen des Luftsacks wahrscheinlich verletzt würde. Natürlich eröffnen sich mit dem Einbau eines Insassenpositionssensors wie weiter unten ausgeführt andere Möglichkeiten; zum Beispiel kann das Verhalten des Fahrers überwacht und der Fahrer gewarnt werden, wenn er am Einschlafen ist, oder das Fahrzeug zum Halten gebracht werden, wenn der Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug verliert.

In einer bevorzugten Ausführung sendet ein Ultraschallgenerator einen Stoß von Ultraschallwellen, die sich auf den Insassen bewegen und von ihm wieder zurück an einen Empfänger reflektiert werden, der die selbe Vorrichtung sein kann wie der Generator. Die Zeitspanne, welche die Wellen für den Hinweg vom Generator und den Rückweg zur Vorrichtung benötigen, wird zur Bestimmung der Position des Insassen verwendet, und die Frequenzverschiebung der Wellen wird zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Insassen im Verhältnis zum Airbag benutzt.

In einer anderen bevorzugten Ausführung wird der Insasse mit infrarotem Licht beleuchtet, und Linsen fokussieren Bilder des Insassen auf Gruppen von ladungsgekoppelten Schaltelementen (CCD, Abkürzung für "charge coupled devices"). Die Ausgang der CCD Gruppen wird durch entsprechende Logik-Schaltung analysiert, um die Position und Geschwindigkeit von Kopf und Brust des Insassen zu bestimmen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird ein Strahl über den Insassen hin und her geführt, der verschiedene Teile des Insassen beleuchtet und mit entsprechenden Algorithmen die Position des Insassen auf dem Sitz genau ermittelt.

Bei einigen Ausführungen der Erfindung kann zuverlässig bzw. rechtzeitig festgestellt werden, dass sich der Insasse nicht in der vorschriftsmäßigen Position befindet bzw. befinden wird und durch einen sich aufblähenden Luftsack wahrscheinlich verletzt werden würde.

Bei einigen Ausführungen der Erfindung kann bei der Ermittlung der Position und Geschwindigkeit des Insassen mit Genauigkeit zwischen dem Kopf bzw. der Brust des Insassen und anderen Teilen seines Körpers unterschieden werden.

Bei einigen Ausführungen der Erfindung kann die Auslösung des Fahrer- oder Beifahrer-Airbags unabhängig voneinander verhindert werden, wenn sich der Fahrer bzw. der Beifahrer nicht in der vorschriftsmäßigen Position befindet.

Gemäß einigen Ausführungen der Erfindung kann durch Verwendung von CCD's, die das Bild eines Insassen vollständiger erfassen, der Insasse genauer analysiert werden.

Gemäß einigen Ausführungen der Erfindung kann der Fahrer gewarnt werden, wenn er am Einschlafen ist.

Gemäß einigen Ausführungen der Erfindung kann festgestellt werden, ob ein Fahrer betrunken oder als Fahrer untauglich ist, und es können entsprechende Vorkehrungen getroffen werden.

Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen beispielhaft gezeigten Ausführungen näher beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Seitenansicht eines Teils einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs, bei der einige Teile ausgelassen oder weggeschnitten sind, in welcher mehrere Stellen gezeigt werden, an denen Insassenpositionssensoren zum Erfühlen der Position des Fahrers vorzugsweise angebracht werden.
2 ist ein Querschnitt durch ein Lenkrad mit Airbagmodul, die eine bevorzugte Stelle für die Anbringung eines Senders und Empfängers von Ultraschallwellen zeigt.
3 ist eine Seitenansicht eines Teils einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs, bei der einige Teile ausgelassen oder weggeschnitten sind, in welcher die Stellen gezeigt werden, an denen der Insassenpositionssensor mit mehreren Sendern und Empfängern vorzugsweise angebracht wird.
4 ist eine Seitenansicht eines Teils einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs, bei der einige Teile ausgelassen oder weggeschnitten sind, in welcher ein Insassenpositionssensor gezeigt wird, der in Verbindung mit einer reflektierenden Windschutzscheibe zum Erfühlen der Position des Beifahrers verwendet wird.
5 ist eine Ansicht, bei der ein Teil weggeschnitten ist, eines Gurtstraffers mit einem Abspulsensor, der einen Drehgeber verwendet.
6 ist eine Seitenansicht eines Teils eines Sitzes und der Sitzschiene, auf der ein Sitzpositionssensor gezeigt wird, der mit einem Potentiometer arbeitet.
7 ist ein Schaltbild, das zeigt, wie der Insassenpositionssensor in Verbindung mit dem übrigen aufblasbaren Rückhaltesystem verwendet wird.
8 ist ein Diagramm, das die Schaltung eines Insassenpositionssensors zeigt, der mit einem modulierten Infrarotsignal, Schwebungsfrequenz und Phasendetektorsystem arbeitet.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Gehen wir jetzt zu den Zeichnungen über. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Fahrgastzelle eines Automobils mit Umriß 100. Der Fahrer 101 sitzt auf einem Sitz 102 hinter einem Lenkrad 103, das eine Airbageinheit 104 enthält. Fünf Sender- beziehungsweise Empfängereinheiten 110, 111, 112, 113, und 114, sind an verschiedenen Stellen der Fahrgastzelle angebracht, um den Ort des Kopfes, der Brust und des Oberkörpers des Fahrers im Verhältnis zum Airbag zu bestimmen. In der Regel werden bei jeder konkreten Ausführung nur einer oder zwei der Sender und Empfänger benutzt, je nach der Stelle, wo sie angebracht sind, wie unten beschrieben.
1 zeigt mehrere der möglichen Stellen, an denen solche Vorrichtungen angebracht werden können. Zum Beispiel senden der Sender und Empfänger 110 Ultraschallwellen aus, die von der Brust des Fahrers reflektiert werden und zurückkommen. Periodisch wird ein Stoß von Ultraschallwellen von etwa 50 Kilohertz von dem Sender/Empfänger emittiert und dann das Echo oder reflektierte Signal von der selben oder einer anderen Vorrichtung aufgefangen. Eine zugeordnete elektronische Schaltung mißt die Zeitspanne, die zwischen Senden und Empfang der Ultraschallwellen verstrichen ist, und ermittelt danach aufgrund der Schallgeschwindigkeit den Abstand des Senders/Empfängers von dem Fahrer. Diese Information wird dann an die Schaltung des Crashsensors und des Diagnosegeräts weitergegeben, die ermittelt, ob der Fahrer sich so nahe am Airbag befindet, daß dessen Auslösung an sich schon den Fahrer verletzen könnte. Wenn ja, desaktiviert die Schaltung das Airbagsystem und verhütet damit dessen Auslösung. Wenn nein, beurteilt der Algorithmus des Sensors die Wahrscheinlichkeit, daß sich ein Unfall, der den Airbag erfordert, ereignet und wartet, bis diese Wahrscheinlichkeit über einen bestimmten Wert hinausgeht, der von der Position des Insassen abhängt. So könnte zum Beispiel der Sensor entscheiden, daß der Airbag ausgelöst werden soll, weil er mit 50% Wahrscheinlichkeit notwendig ist, falls diese Entscheidung sofort zu treffen ist, da der Insasse sich auf den Airbag zu bewegt; ist aber der Insasse von dem Airbag weiter entfernt, kann der Sensor warten, bis die Wahrscheinlichkeit auf 95% steigt. Wir haben hier ein System für den Fahrer gezeigt, aber das System für den Beifahrer würde genauso aussehen.
Bei einer anderen Ausführung kann der Algorithmus des Sensors die Geschwindigkeit, mit der das Gas erzeugt wird, steuern, um die Geschwindigkeit, mit welcher der Luftsack aufgeblasen wird, zu regeln. In all diesen Fällen ist für die Auslösung des Airbags, im einzelnen ob überhaupt, wann, und wie schnell er aufgeblasen wird, die Position des Insassen ausschlaggebend.
Der Ultraschall-Sender/Empfänger 110 entspricht denen, die in modernen Fotoapparaten mit selbsttätiger Scharfeinstellung verwendet werden, wie sie von der Polaroid Corporation hergestellt werden. Andere selbsttätige Scharfeinstellungssysteme für Photoapparate verwenden andere Technologien, die hier auch anwendbar sind, um den Abstand vom Objekt zu bestimmen. Ein von der japanischen Firma Fuji hergestelltes Kamerasystem verwendet ein stereoskopisches System, das also zur Bestimmung der Position des Insassen eines Fahrzeugs in Frage käme, sofern genügend Licht vorhanden ist. Bei unzureichendem Licht könnte eine Infrarot-Lichtquelle hinzugefügt werden, die den Fahrer beleuchtet. Bei einer verwandten Ausführung wird das infrarote Licht von der Windschutzscheibe reflektiert und beleuchtet den Insassen des Fahrzeugs. Ein Infrarot-Empfänger 114 ist an dem Rückspiegel 105 befestigt, wie in 1 gezeigt. Das infrarote Licht könnte auch von der Vorrichtung 114 ausgestrahlt und an einer anderen Stelle von einem Empfänger aufgefangen werden. Obwohl alle in 1 und 3 gezeigten Vorrichtungen entweder Sender oder Empfänger oder beides sein könnten, werden der Einfachheit halber nur die gesendeten und nicht die reflektierten Wellenfronten dargestellt.
In dem oben beschriebenen System fängt eine Linse in dem Empfänger 114 das von Kopf oder Brust des Fahrers reflektierte infrarote Licht auf und wirft es auf eine Gruppe von ladungsgekoppelten Schaltelementen (CCD). Ein Typ von CCDs ist der gleiche, der in Fernsehkameras verwendet wird, um ein Bild in ein elektrisches Signal umzusetzen. Für die Zwecke dieser Darlegung sind unter CCD alle Vorrichtungen zu verstehen, die Lichtfrequenzen, unter Einschluß von Infrarot, in elektrische Signale umsetzen können. Das CCD wird abgetastet und der Brennpunkt der Linse, von einer entsprechenden Schaltung gesteuert, solange verschoben, bis das Bild von Kopf oder Brust des Fahrers am schärfsten eingestellt und der Abstand dann von der Schaltung der Scharfeinstellung bekannt ist. Die Genauigkeit dieser Messung wird erhöht, wenn zwei Empfänger verwendet werden, die entweder Bilder auf ein einziges CCD oder auf separate CCDs projizieren können. Im ersten Fall könnte eine der Linsen bewegt werden, bis die beiden Bilder sich überdecken, während in dem andern Fall die Verschiebung der Bilder bis zur Deckungsgleichheit mathematisch bestimmt würde. Natürlich könnten auch andere Systeme verwendet werden, um die verschiedenen Bilder zu verfolgen, zum Beispiel Filter, die für die verschiedenen Empfänger verschiedene Infrarotfrequenzen ergeben, in Verbindung mit der selben CCD Gruppe. Die Trennung der beiden Empfängeren ergibt nicht nur eine größere Genauigkeit bei der Bestimmung der Stelle, an der sich der Insasse befindet, sondern kann auch den Effekt, den eventuell ganz nahe am Airbag befindliche Hände, Arme oder andere Extremitäten haben können, auf ein Minimum reduzieren.
In diesem Fall, wo die Empfänger oben am Armaturenbrett auf beiden Seiten des Lenkrads angebracht sind, würde ein Arm zum Beispiel als ein dünnes Objekt, aber viel näher am Airbag erscheinen als die umfänglicheren Körperteile und deshalb mühelos unterschieden und eliminiert werden, so daß dann die Sensoren den Abstand zur Brust des Insassen bestimmen können. Dies ist ein Beispiel der Verwendung von Mustererkennung.
Ein optischer Infrarot-Sender und Empfänger ist in 1 an Stelle 112 generell gezeigt; er ist gegen die Windschutzscheibe gerichtet am Armaturenbrett montiert. Obwohl in dieser Ansicht nicht so dargestellt, besteht 112 aus drei Geräten, einem Sender und zwei Empfängern, je einem auf jeder Seite des Senders. In diesem Fall wird die Windschutzscheibe benutzt, um das Licht der Beleuchtung zu reflektieren, und auch das von dem Fahrer zurückreflektierte Licht, in ähnlicher Weise wie die Head-up-Anzeigen, die jetzt bei verschiedenen Ausführungen von Automobilen angeboten werden. Die Head-up-Anzeigen werden natürlich zur Zeit nur dazu benutzt, um dem Fahrer Informationen auf die Frontscheibe zu projizieren, und nicht dazu, Licht vom Fahrer in einen Empfänger zu reflektieren. In diesem Fall wird der Abstand zum Fahrer stereoskopisch durch Verwendung von zwei Empfängern ermittelt. In seiner elementarsten Ausführung kann man mit diesem System den Abstand des Fahrers vom Airbagmodul messen. Bei raffinierteren Anwendungen kann die Position des Fahrers und insbesondere seines Kopfes im Zeitverlauf beobachtet und jedes Verhalten, z.B. Hängenlassen des Kopfes, welches anzeigt, daß der Fahrer am Einschlafen oder wegen Drogen, Alkohol oder Krankheit als Fahrer untauglich ist, festgestellt werden, so daß entsprechende Vorkehrungen getroffen werden können. Andere Formen von Strahlung unter Einschluß von sichtbarem Licht, Radar und Mikrowellen sowie hochfrequentem Ultraschall könnten vom Fachmann ebenso verwendet werden.
Besonders sollte hier die Verwendung von Radar erwähnt werden, da preiswerte einachsige Antennen jetzt ohne weiteres erhältlich sind. Bei dieser Ausführung wird ein Radar-Abtaststrahl benutzt und das reflektierte Signal von einer einachsigen phasengesteuerten Antennenanordnung empfangen, um ein Bild des Insassen zu generieren, das in die entsprechende Mustererkennungsschaltung eingespeist wird. Das Wort Schaltung, wie es hier gebraucht wird, umfaßt außer normalen elektronischen Schaltungen einen Mikroprozessor und entsprechende Software.
Elektromagnetische oder Ultraschallenergie kann bei der Positionsbestimmung eines Insassen in drei Formen gesendet werden. In den meisten der oben beschriebenen Fälle wird angenommen, daß die Energie in einem breiten divergierenden Strahl gesendet wird, der den Insassen zum großen Teil erfaßt. Diese Methode hat den Nachteil, daß der Strahl zuerst von dem am nächsten gelegenen Objekt reflektiert wird, das, besonders wenn es sich in der Nähe des Senders befindet, die wahre Position des Insassen verdecken kann. Dieser Nachteil kann teilweise durch die zweite Form, bei der ein enger Strahl gesendet wird, korrigiert werden. In diesem Fall werden mehrere schmale Strahlen gesendet. Diese Strahlen sind in verschiedenen Richtungen auf den Insassen gerichtet, und zwar von einer Stelle aus, die weit genug von dem Insassen entfernt ist, daß eine Interferenz unwahrscheinlich ist. Es könnte ein einziger Empfänger verwendet werden, sofern die Strahlen sich entweder nicht zur gleichen Zeit zyklisch wiederholen oder nicht die gleiche Frequenz haben. Eine andere Möglichkeit wäre, einen einzigen Strahl zu verwenden, der von einer Stelle ausgeht, die unbehinderte Sicht auf den Insassen bietet, wie die Kopfleiste über der Windschutzscheibe. Wenn zwei im Abstand voneinander angebrachte Empfänger aus CCD-Gruppen verwendet werden, kann der Winkel des reflektierten Strahl bestimmt und die Stelle, an der sich der Insasse befindet, kalkuliert werden. Die dritte Form wäre, einen einzigen Strahl in einer Weise zu verwenden, daß er den Insassen hin und her oder von oben nach unten oder in einem anderen Muster abtastet. Auf diese Weise kann unter Verwendung eines einzigen Empfängers ein Bild des Insassen gewonnen und mit Mustererkennungs-Software festgestellt werden, wo sich der Kopf und die Brust des Insassen befindet. Besonders elektromagnetische Energie eignet sich für solche Strahlen, doch hochfrequenter Ultraschall kann auch zu einem schmalen Strahl gebündelt werden.
Mit Kopfleiste über der Windschutzscheibe ist hier der Raum über der Frontscheibe unter Einschluß der ersten paar Zoll des Daches gemeint.
Den gleichen Effekt, den man durch Modifizieren der Form, in der Wellen gesendet werden, erreicht, kann man auch erzielen, wenn man die Merkmale der Empfänger ändert. Mit entsprechenden Linsen oder Reflektoren kann man Empfänger so modifizieren, daß sie für Strahlung, die aus einer bestimmten Richtung kommt, am empfindlichsten sind. Kombiniert man also einen einzigen Breitstrahlsender mit einer Gruppe von fokussierten Empfängern, kann man ein grobes Bild des Insassen gewinnen.
Jede dieser Sende- oder Empfangsmethoden könnte zum Beispiel an einer der in 1 gezeigten bevorzugten Stellen für die Anbringung solcher Geräte verwendet werden.
Eine andere bevorzugte Stelle zur Anbringung eines Senders/Empfängers, der im Zusammenhang mit Airbags verwendet wird, ist in 1 mit 111 markiert. In diesem Fall ist das Gerät am Lenkrad befestigt und bestimmt mit Genauigkeit den Abstand der Brust des Fahrers vom Airbagmodul. Bei dieser Ausführung würde in der Regel ein anderes Gerät, wie das 110 verwendet werden, das aber an einer anderen Stelle angebracht wäre.
Andere Stellen, an denen der Sender/Empfänger angebracht werden könnte, befinden sich auf dem Armaturenbrett rechts und links vom Lenkrad, wie zum Beispiel 113 in 1. Bei einigen Vorrichtungen, die hier gezeigt werden, wird zwar vorausgesetzt, daß bei dem Ultraschallsystem ein- und dieselbe Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Wellen dienen würde, doch sollte nicht übersehen werden, daß die Trennung dieser Funktionen einige Vorteile bringt. Da eine gewisse Zeitspanne erforderlich ist, damit sich das System nach dem Senden eines Impulses stabilisieren kann, ehe es einen neuen Impuls empfangen kann, kann zum Beispiel die Messung der Entfernung von naheliegende Gegenstanden dadurch verbessert werden, daß man separate Sender und Empfänger einsetzt. Wenn man Ultraschall-Sender und Empfänger voneinander trennt, kann der Sender außerdem kontinuierlich senden, sofern das gesendete Signal so moduliert ist, daß das empfangene Signal mit dem gesendeten verglichen werden kann, um festzustellen, wie viel Zeit die Wellen brauchten, um den Insassen zu erreichen und von ihm reflektiert zu werden. Diese Modulation kann mit vielen Methoden erreicht werden, unter anderem durch Veränderung der Frequenz oder Amplitude der Wellen oder durch Impulsmodulation oder Impulskodierung. In allen Fällen muß die Logik-Schaltung, welche den Sensor und Empfänger steuert, feststellen können, wann das zuletzt empfangene Signal gesendet worden ist. Wenngleich es mehrere Millisekunden dauern kann, bis das Signal den Weg vom Sender zum Insassen und von diesem reflektiert zum Empfänger zurückgelegt hat, gehen doch auf diese Weise fortlaufend Informationen über die Position des Insassen ein, sodaß aus sukzessiven Positionsmessungen die Geschwindigkeit des Insassen zwar mit Verzögerung, aber immerhin mit Genauigkeit bestimmt werden kann. Herkömmliche Geräte zur Messung des Abstands durch Ultraschall müssen warten, bis das Signal den Insassen erreicht hat und zurückgekommen ist, ehe ein neues Signal gesendet wird. Damit wird die Häufigkeit, mit der Positionsdaten erfaßt werden können, sehr eingeschränkt, nämlich auf die Formel, nach der die Häufigkeit gleich zwei Mal dem Abstand zum Insassen dividiert durch die Schallgeschwindigkeit ist. Setzt man die Schallgeschwindigkeit auf rund 1000 Fuß pro Sekunde an, können Positionsdaten für einen Insassen, der vom Sender einen Fuß entfernt sitzt, nur alle 2 Millisekunden erfaßt werden.
Weil die Daten nicht häufiger erfaßt werden können, fällt die Geschwindigkeitsberechnung ziemlich ungenau aus. Wenn Ultraschallwellen zum Beispiel von den Kleidern eines Insassen reflektiert werden, kann dies in der Positions-messung Geräusch oder Streuecho verursachen und bei einer gegebenen Messung zu erheblichen Ungenauigkeiten führen. Wenn die Messungen schneller aufeinander folgen, wie bei der hier beschriebenen Methode, können diese Ungenauigkeiten durch Bildung eines Durchschnittswert ausgeglichen werden, und die gesamte Genauigkeit der Geschwindigkeits-berechnungen wesentlich verbessert werden kann.
Die Geschwindigkeit des Insassen kann nicht nur durch sukzessive Abstandsmessungen ermittelt werden. Eine womöglich genauere Methode arbeitet mit dem Dopplereffekt, bei dem die Frequenz der reflektierten Wellen von derjenigen der reflektierten Wellen um einen Betrag abweicht, der zu der Geschwindigkeit des Insassen proportional ist. In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden ein einziger Ultraschallsender und ein separater Empfänger verwendet, um die Position des Insassen durch die Zeitspanne, die ein bekanntes Signal zur Zurücklegung des Weges braucht, und die Geschwindigkeit durch die Frequenzverschiebung dieses Signals zu messen. Der Dopplereffekt ist zwar dazu verwendet worden, um zu ermitteln, ob ein Insasse eingeschlafen ist, wie in dem King erteilten US-Patent beschrieben, auf das eingangs Bezug genommen worden ist, doch wurde er bislang nie in Verbindung mit einer Vorrichtung zur Messung der Position verwendet, um festzustellen, ob ein Insasse sich wahrscheinlich demnächst nicht mehr in der vorschriftsmäßigen Position befindet und deshalb Gefahr läuft, von einem sich aufblähenden Airbag verletzt zu werden. Diese Kombination ist besonders günstig, da beide Meßworte genau und effizient mit Hilfe eines einzigen Sender-Empfänger Paares ermittelt werden können. Das System ist also sehr preiswert.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführung dieser Erfindung werden Radiowellen und ein spannungsgeregelter Oszillator (VCO, "voltage-controlled oscillator") verwendet. Bei dieser Ausführung wird die Frequenz des Oszillators durch einen Phasendetektor geregelt, der die Schwingerfrequenz so reguliert, daß genau eine halbe Wellenlänge dem Weg vom Sender zum Empfänger über die Reflexion am Insassen entspricht. Die regulierte Frequenz ist also umgekehrt proportional zum Abstand vom Sender zum Insassen. Stattdessen könnte aber auch ein FM Phasendiskriminator eingesetzt werden, wie er dem Fachmann bekannt ist. Diese Systeme könnten an irgendeiner der Stellen angebracht werden, die in 1 gezeigt werden.
In dem eingangs erörterten US-Patent, das Mattes und anderen erteilt worden ist, wurde zu verstehen gegeben, daß ein passives Infrarotsystem eingesetzt werden könnte, um die Position eines Insassen im Verhältnis zu einem Airbag zu bestimmen. Ein passives Infrarotsystem mißt die Infrarotstrahlung, die von dem Insassen abgegeben wird, und vergleicht sie mit dem Hintergrund. Als solches und sofern es nicht mit einem Musterkennungssystem verbunden ist, eignet es sich allgemein nur für die Feststellung, daß ein Insasse sich auf den Airbag zu bewegt, da in diesem Fall die Infrarotstrahlung zunehmen würde. Es könnte also eingesetzt werden, um die Geschwindigkeit des Insassen schätzungsweise zu ermitteln, nicht aber seine Position im Verhältnis zum Airbag, da die absolute Menge einer derartigen Strahlung von der Körpergröße, Temperatur und Bekleidung des Insassen sowie von seiner Position abhängig ist. Wird ein passives Infrarotsystem in Verbindung mit einem anderen System zur Abstandsmessung verwendet, wie zum Beispiel dem oben beschriebenen Ultraschallsystem, könnte mit dieser Kombination sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit des Insassen im Verhältnis zum Airbag ermittelt werden. Eine derartige Kombination wäre auch kostengünstig, da nur ganz einfache Schaltungen gebraucht würden. Bei einer Ausführung könnte zum Beispiel ein Ultraschallsender eine Gruppe von Wellen zum Insassen senden und die reflektierte Gruppe von dem Empfänger empfangen werden. Der Abstand zum Insassen wäre proportional zur Zeitspanne zwischen Sendung und Empfang der Wellengruppe, und die Geschwindigkeit würde mittels des passiven Infrarotsystems ermittelt. Dieses System könnte an irgendeiner der in 1 gezeigten Stellen angebracht werden, und auch an anderen, die nicht gezeigt worden sind.
Ein passives Infrarotsystem könnte auch im Verbund mit einem Mustererkennungssystem effizient eingesetzt werden. In diesem Fall kann die passive Infrarotstrahlung, die von einem Insassen abgegeben wird, auf eine CCD-Gruppe fokussiert und mit entsprechender Mustererkennungsschaltung bzw. -Software die Position des Insassen ermittelt werden. Ein solches System könnte an irgendeiner der in 1 gezeigten bevorzugten Stellen angebracht werden, und auch an anderen Stellen, die nicht gezeigt worden sind.
2 zeigt einen Sender/Empfänger 215, der auf der Abdeckung des Airbagmoduls montiert ist. Der Sender/Empfänger 215 ist durch das Kabel 212 mit verschiedenen elektronischen Schaltungen verbunden, die hier nicht gezeigt sind. Wenn der Airbag ausgelöst wird, kommt die Abdeckung 220 auf den Fahrer zu. Befindet sich der Fahrer bei Beginn des Aufblasens in nächster Nähe der Abdeckung, kann er schwer verletzt oder gar getötet werden. Es sollte also erfühlt werden, wie nahe der Fahrer an der Abdeckung ist; kommt er ihr zu nahe, sollte das Auslösen des Airbags deaktiviert werden. Genaue Meßwerte erhält man, wenn man die Vorrichtung zur Messung des Abstands wie in 2 gezeigt auf der Abdeckung des Airbags anbringt. Mit entsprechender elektronischer Schaltung kann man nicht nur den tatsächlichen Abstand des Fahrers von der Abdeckung, sondern auch seine Geschwindigkeit bestimmen, wie oben dargelegt. Auf diese Weise kann festgestellt werden, wo der Fahrer sich wahrscheinlich zu dem Zeitpunkt, an dem der Airbag ausgelöst wird, befinden wird. Diese Information kann vor allem dazu verwendet werden, die Auslösung des Airbags zu verhindern aber auch, die Geschwindigkeit, mit der sich der Airbag aufbläht, zu modifizieren. Bei einer in 2 gezeigten Ausführung werden Ultraschallwellen von dem Sender/Empfänger 215 zur Brust 222 des Fahrers gesendet. Die reflektierten Wellen werden dann von dem gleichen Sender/Empfänger 215 empfangen.
Bei dem System, das mit einem Sensor 111 wie in 1 oder einem Sensor 215 wie in 2 gezeigt arbeitet, kann es vorkommen, daß der Fahrer aus Versehen seine Hand über den Sender/Empfänger 111 oder 215 gelegt hat und damit die Einrichtung außer Betrieb setzt. Deshalb wird an einer anderen passenden Stelle wie zum Beispiel am Dach oder an der Kopfleiste der Fahrgastzelle zur Bestätigung ein zweiter Sender/Empfänger angebracht, wie in 3 gezeigt. Dieser Sender/Empfänger arbeitet auf ähnliche Weise wie 111 und 215.
Ein komplizierteres System mit technischen Raffinessen wird als Konzept in 4 vorgestellt, wo der Sender/Empfänger 112 gezeigt wird. In diesem Fall werden, wie oben kurz beschrieben, ein Infrarotsender und zwei infrarotoptische Empfänger verwendet, um die Reflexion des Beifahrers aufzufangen. Wird dieses System mit entsprechender Schaltung und einem Mikroprozessor zur Überwachung des Fahrers eingesetzt, wie in 4 gezeigt, kann das Verhalten des Fahrers beobachtet werden. Mit diesem System kann nicht nur die Position und Geschwindigkeit des Fahrer ermittelt und in Verbindung mit dem Airbagsystem verwendet werden, es kann auch festgestellt werden, ob der Fahrer am Einschlafen oder sein Verhalten ansonsten potentiell gefährlich ist, indem Teile seines Bildes im Zeitverlauf miteinander verglichen werden. Wenn nötig, kann die Geschwindigkeit des Fahrzeugs verringert oder das Fahrzeug gar zum Halten gebracht werden. Bei dieser Ausführung ist die unbehinderte Sicht auf den Fahrer mit größter Wahrscheinlichkeit gegeben, da er selbst ja eine gute Sicht durch die Windschutzscheibe haben muß, um das Kraftfahrzeug überhaupt fahren zu können.
Wie oben ausgeführt, ist eine der Hauptaufgaben dieser Erfindung, Informationen über die Position des Fahrers oder eines anderen Insassen des Fahrzeuges im Vergleich zum Airbag zu ermitteln und an eine zugeordnete Schaltung weiterzugeben, die diese Informationen verarbeiten und darüber entscheiden wird, ob die Auslösung des Airbags in einer Situation, in der er sonst aufgeblasen würde, verhindert oder verzögert oder beschleunigt werden soll. Bei einer der oben erörterten Methoden zur Ermittlung der Position des Fahrers wird seine Position mit Hilfe von Mikrowellen, Optik oder Akustik wirklich gemessen. Eine Alternativlösung, die vorzugsweise zur Bestätigung der Meßwerte eingesetzt werden sollte, welche durch die oben beschriebenen Systeme ermittelt worden sind, ist die Verwendung von Informationen über die Position des Sitzes und die Länge der Gurtlose, um die Position zu bestimmen, in der sich der Fahrer wahrscheinlich im Verhältnis zum Airbag befindet. Zu diesem Zweck kann die Länge der Gurtlose, die auf dem Gurtstraffer gezogen worden ist, durch herkömmliche Drehgeber-Technologie, die entweder mit magnetischen oder optischen Systemen arbeitet, gemessen werden. Ein optischer Drehgeber ist beispielsweise in groben Zügen in 5 als 501 wiedergegeben. Er besteht aus einer Kodierscheibe 502 und einem Empfänger 503, der jedesmal, wenn eine Linie auf der Kodierscheibe an dem Empfänger vorbeiläuft, ein Signal an eine zugeordnete Schaltung sendet.
In ähnlicher Weise kann die Position des Sitzes entweder durch einen Linearkodierer oder ein Potentiometer ermittelt werden, wie in 6 gezeigt. In diesem Fall wird ein Potentiometer 601 entlang der Sitzschiene 602 positioniert, und eine Schleifbürsteneinheit bzw. Federkontakteinheit 603 mit zugeordneter Schaltung ortet den Sitz 610 längsweise bezüglich des Fahrgestells. Selbstverständlich würde für Sitze mit verstellbarer Rücklehne ein ähnliches Meßsystem verwendet, um den Winkel der Rücklehne zu bestimmen. Auf diese Weise kann die Position des Sitzes im Verhältnis zum Airbagmodul bestimmt werden. Diese Information kann in Verbindung mit dem Gurtlosesensor dazu verwendet werden, die ungefähre Position der Brust des Fahrers im Verhältnis zum Airbag zu bestätigen.
Ungeachtet der Position des Sitzes und der Rücklehne dürfte in den meisten Fällen der Gurtlosesensor ausreichen, um die Position der Brust des Fahrers zu bestätigen, und zwar aus dem guten Grund, weil der Gurt normalerweise mit mindestens einem Ende am Fahrzeug befestigt ist. In manchen Fällen, insbesondere wo die Rücklehne verstellbar ist, würden für den Beckengurtteil und den Schultergurtteil separate Straffer verwendet, und der Gurt würde nicht durch den "D-Ring" rutschen. Die Länge des Gurts, die aus dem Schultergurtstraffer abgespult worden ist, ist dann ein sehr guter Bestätigungsmeßwert für die Position der Brust des Insassen.
Der Insassenpositionssensor in irgendeiner seiner verschiedenen Formen kann in die Airbag-Schaltung einbezogen werden, wie aus dem Diagramm in 7 ersichtlich. In diesem Beispiel liefern die Insassenpositionssensoren die Eingabedaten an ein intelligentes System aus elektronischem Sensor und Diagnosegerät. Der elektronische Sensor stellt fest, ob aufgrund des Fahrzeugbeschleunigungs-Crash-Impulses oder der in der Knautschzone angebrachten Crash-Sensoren der Airbag ausgelöst werden sollte, und der Insassenpositionssensor bestimmt, ob sich der Insasse zu nahe am Airbag befindet und dieser deshalb nicht ausgelöst werden sollte.
Eine besondere Ausführung des Insassenpositionssensors mit einem Bereich von 0 bis 2 Metern (welche einer Insassenposition von 0 bis 1 Meter entspricht, da das Signal zum Insassen kommen und wieder von ihm zurückkehren muß), der mit infrarotem Licht arbeitet, ist in dem Schaltdiagramm in 8 dargestellt. Er arbeitet folgendermaße: Ein 48 MHz Signal, f1, wird von einem Kristalloszillator 801 erzeugt und einem Frequenzverdreifacher 802 eingespeist, der ein Ausgangssignal von 144 MHz produziert. Das 144 MHz Signal wird dann einem Infrarot-Diodentreiber 803 eingespeist, welcher die Infrarotdiode 804 treibt, so daß sie infrarotes Licht mit 144 MHz und einem Bezugsphasenwinkel von 0 Grad emittiert. Die Infrarotdiode 804 ist auf den Insassen der Fahrzeugs gerichtet. Ein zweites Signal f2 mit einer Frequenz von 48,05 Mhz, etwas größer als f1, wird auch in einen Frequenzverdreifacher 806 eingespeist, womit sich die Frequenz auf 144,15 MHz erhöht. Dieses Signal wird dann in einen Mischer 807 eingespeist, der es mit dem 144 MHz Signal aus dem Frequenzverdreifacher 802 kombiniert. Das kombinierte Signal aus dem Mischer 807 wird dann in den Filter 808 eingespeist, der alle Signale außer der Differenz zwischen 3 mal f1 und 3 mal f2 (Schwebungsfrequenz von 150 KHz) herausfiltert. Das infrarote Signal, das von dem Insassen reflektiert wird, wird von dem Empfänger 809 empfangen und dem Vorverstärker 811 eingespeist. Dieses Signal hat die selbe Modulationsfrequenz, 144 MHz, wie das gesendete Signal, ist aber nun gegen das gesendete Signal um einen Winkel x phasenverschoben, weil das gesendete Signal den Weg vom Sender zum Insassen und dann zum Empfänger zurückgelegt hat. Die Ausgabe des Vorverstärkers 811 wird zusammen mit dem 144,15 MHz Signal aus dem Frequenzverdreifacher 806 einem zweiten Mischer 812 eingespeist. Die Ausgabe des Mischers 812 wird dann von dem selbstregelnden Verstärker 813 verstärkt und dem Filter 814 eingespeist. Der Filter 814 eliminiert alle Frequenzen außer der 150 KHz Differenz- oder Schwebungsfrequenz in ähnlicher Weise wie Filter 808. Die verbliebene 150 KHz Frequenz hat aber jetzt einen Phasenwinkel x im Vergleich zum Signal aus dem Filter 808. Beide 150 KHz Signale werden nun einem Phasendetektor 815 eingespeist, der die Größe des Phasenwinkels x bestimmt. Es kann mathematisch bewiesen werden, daß bei den obigen Werten der Abstand von der sendenden Diode zum Insassen x/345,6 beträgt, wobei x in Grad und der Abstand in Metern gemessen wird.
Die Anwendungen wurden hier am Beispiel des Fahrers beschrieben. Natürlich gelten die selben Systeme zur Ermittlung der Position des Insassen im Vergleich zum Airbag auch für den Beifahrer, wobei manchmal geringfügige Modifizierungen erforderlich sind. Es ist damit zu rechnen, daß die vom Sensor aufgrund der Position des Insassen geforderte Auslösezeit beim Fahrer nicht die gleiche ist wie beim Beifahrer. Die derzeitigen Systeme sind vor allem auf den Fahrer bezogen, mit dem Ergebnis, daß sich zwangsläufig die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß er Beifahrer verletzt wird, entweder weil der Airbag zu spät oder weil er gar nicht ausgelöst wird, da das wegen der Position des Fahrers nicht nötig war, aber wegen der Position des Beifahrers nötig gewesen wäre. Wenn Insassenpositionssensoren für den Beifahrer und den Fahrer verwendet werden, kann das Airbagsystem für jeden Insassen individuell optimiert werden, was einen weiteren erheblichen Rückgang der Verletzungen zur Folge hätte. Insbesondere könnte das Airbagsystem des Fahrers oder Beifahrer deaktiviert werden, wenn entweder der Fahrer oder der Beifahrer sich nicht in der vorschriftsmäßigen Position befindet.
Bei Fahrzeugen, die in einen Unfall verwickelt sind, bei dem ein Airbag gebraucht wurde, ist fast immer ein Fahrer zugegen. Aber nur 30% dieser Fahrzeuge haben einen Beifahrer. Wenn der Beifahrer nicht da ist, ist gewöhnlich auch die Auslösung des Beifahrer-Airbags nicht nötig. Wenn der Insassenpositionssensor auf der Seite des Beifahrers mit entsprechender Mustererkennungsschaltung eingesetzt wird, kann er auch feststellen, ob da überhaupt jemand sitzt, und wenn nicht, die Auslösung des Beifahrer-Airbags deaktivieren und damit die Kosten des Austauschs einsparen. Ein Mustererkennungssystem mit allen Raffinessen könnte sogar zwischen einem Insassen und beispielsweise einer Einkaufstüte voller Lebensmittel unterscheiden. Und schließlich ist viel geschrieben worden über das Kind, das sich nicht in der vorschriftsmäßigen Position befindet, weil es steht oder sonstwie zu nahe am Airbag sich befindet, vielleicht weil vor dem Unfall gebremst worden ist. Selbstverständlich kann der hier beschriebene Insassenpositionssensor das Auslösen des Airbags in dieser Situation verhindern.

Claims

Fahrzeuginsassenschutzsystem mit Fühlmitteln zum Ermitteln der Position eines Insassen (101) in einem Kraftfahrzeug (100), wobei die Fühlmittel mindestens einen Empfänger zum Empfang von von dem Insassen ausgehenden, an dem Insassen reflektierten oder von dem Insassen erzeugten Wellen aufweisen, und an die Fühlmittel angeschlossenen Mitteln zum Reagieren auf die ermittelte Position des Insassen (101), dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlmittel Mustererkennungsmittel aufweisen, die zur Ermittlung der Position des Insassen (101) die von dem Empfänger (110, 111, 112, 113, 114, 215) empfangenen Wellen verarbeiten, um zwischen dem Insassen (101) und einem Gegenstand aufgrund der relativen Größe, Position oder Form unterscheiden zu können.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach Anspruch 1, bei dem die Fühlmittel mindestens ein ladungsgekoppeltes Schaltelement umfassen.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach Anspruch 1, bei dem die Wellen Ultraschallwellen umfassen.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach Anspruch 1, bei dem die Wellen elektromagnetische Wellen umfassen.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren mit mindestens mindestens einem Sender zur Sendung von Wellen in Richtung auf den Insassen, wobei der Empfänger Wellen empfängt, die von dem Sender gesendet und an dem Insassen reflektiert wurden.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach Anspruch 5, bei dem die Wellen, die in Richtung auf den Insassen (101) gesendet werden, im wesentlichen zu einem Strahl gebündelt werden, der einen kleinen Teil des Insassen (101) beleuchtet.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach Anspruch 5, bei dem die Wellen, die in Richtung auf den Insassen (101) gesendet werden, einen großen Teil des Insassen (101) beleuchten.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fühlmittel mindestens zwei im Abstand voneinander angebrachte Empfänger umfassen.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Empfänger (112) über der Oberseite eines Armaturenbretts angebracht ist.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Empfänger (114) an einem Rückspiegel angebracht ist.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Empfänger (110) an einer Kopfleiste über der Windschutzscheibe angebracht ist.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Empfänger (111) an einem Lenkrad (104) angebracht ist.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Empfänger (215) an einem Airbag angebracht ist.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Empfänger (215) auf der Abdeckung (220) eines Airbagmoduls angebracht ist.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Empfänger (110) am Dach einer Fahrgastzelle angebracht ist.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Empfänger (110) an der Kopfleiste einer Fahrgastzelle angebracht ist.
Fahrzeuginsassenschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Airbagsystem.