WO2019105958A1 - Arrangement for monitoring vitality data of a vehicle driver - Google Patents

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WO2019105958A1
WO2019105958A1 PCT/EP2018/082755 EP2018082755W WO2019105958A1 WO 2019105958 A1 WO2019105958 A1 WO 2019105958A1 EP 2018082755 W EP2018082755 W EP 2018082755W WO 2019105958 A1 WO2019105958 A1 WO 2019105958A1
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signal
sensor
driver
vehicle
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PCT/EP2018/082755
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Inventor
Ralf Herrmann
Kai SCHILLING
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Ilmsens Gmbh
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/0507—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  using microwaves or terahertz waves
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K28/00—Safety devices for propulsion-unit control, specially adapted for, or arranged in, vehicles, e.g. preventing fuel supply or ignition in the event of potentially dangerous conditions
    • B60K28/02—Safety devices for propulsion-unit control, specially adapted for, or arranged in, vehicles, e.g. preventing fuel supply or ignition in the event of potentially dangerous conditions responsive to conditions relating to the driver
    • B60K28/06—Safety devices for propulsion-unit control, specially adapted for, or arranged in, vehicles, e.g. preventing fuel supply or ignition in the event of potentially dangerous conditions responsive to conditions relating to the driver responsive to incapacity of driver
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons
    • G08B21/06—Alarms for ensuring the safety of persons indicating a condition of sleep, e.g. anti-dozing alarms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2540/00—Input parameters relating to occupants
    • B60W2540/221—Physiology, e.g. weight, heartbeat, health or special needs

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for non-invasive vitality monitoring of persons in vehicles, in particular for monitoring vitality data of a driving tool guide.
  • WO 2017/021371 Al a method for the noninvasive determination of vital parameters of a living organism is known.
  • the method is suitable for single or continuous measurement and / or monitoring of the blood pressure.
  • Use is made of an optical recording unit, via which a sequence of individual image data of a
  • DE 10 2014 112 169 Al describes a method for controlling a household appliance, wherein a movement signal is formed using a first sensor from a detected movement of a user and a distance signal using a second sensor from the distance
  • Standing-wave radar For this purpose, microwaves are transmitted from a standing wave module and the reflected waves are detected.
  • a calculation unit combines the transmitted waves and the reflected waves to detect standing waves.
  • the distance to the body from which the waves are reflected and smaller displacements are detected based on the standing waves.
  • the position of a human body and the respiratory rate, heart rate and the like can be detected.
  • US 4,507,974 A describes a method for flow measurement of a fluid between an entry point and a starting point of a system, wherein the time-dependent response of the fluid is determined to an excitation signal.
  • a cross-correlation signal is formed from the excitation signal and the response signal to extract a signal representative of the flow rate.
  • MLBS Maximum Length Binary Sequence or M-sequence for short as a special pseudo-noise signal.
  • DE 198 46 870 CI describes a method and a measuring arrangement for determining the impulse response of a broadband linear system, with which the impulse response in the high frequency range (about 100 MHz to 10 GHz) can be determined.
  • an object of the present invention is to provide an improved arrangement for vitality monitoring on a person in a vehicle, which allow a non-contact monitoring vital vital data and in particular the monitoring of health and fatigue with high accuracy. It should be avoided that the person in question is restricted in any way in their actions or actively participate in the measurement procedure. In particular, a robust construction is sought, which allows the use of the device in vehicles. In particular, the vitality monitoring without limitation of the ability to act of the person over a longer period should be possible to to monitor the vitality of the occupants of a vehicle (especially the driver).
  • the invention is first based on the surprising recognition that measuring methods according to the MLBS baseband principle, as described for example in the above-mentioned
  • DE 198 46 870 CI were described, very efficient for the vitality monitoring of persons can be used and the construction of functionally reliable and at the same time inexpensive Vorrich lines allow for this application.
  • the inventive arrangement for monitoring vitality data of a driver has a sensor unit, which realizes the vitality monitoring.
  • M sequences are special pseudo-noise sequences, which can preferably be generated via feedback shift registers.
  • the UWB-M sequence sensor has a transmission unit which generates an MLBS (Maximum Length Binary Sequence) transmission signal, optionally converts and emits it by mixing into a bandpass range, and a receiving unit which transmits reflected portions of the MLBS transmission signal as Receive signal is received.
  • the mixing of the baseband clock of the transmitting unit Tx is thus preferably by means of an integer multiple k of the Tx clock.
  • the clock of the transmitting unit Tx can be kept comparatively small, so that in the further Signalver processing, the masks can be better met.
  • Such masks are prescribed by radio regulatory authorities and define frequency ranges in which UWB signals with
  • the mixing at the transmitting unit Tx preferably takes place by means of an XOR gate at the MLBS output. This allows on-chip integration of this functionality, which contributes to an inexpensive circuit design. At the same time it is one digital mixing possible, instead of the use of analogue diodes.
  • the receiving unit preferably receives the received signal via band-pass filters and by means of broadband T & H circuits (track and hold).
  • An Rx mixer can thus be dispensed with.
  • the reception of the received signal may be via a homodyne receiver with a mixer which selectively receives the I and Q components in parallel with multiple receivers or sequentially with a receiver.
  • An advantage of the arrangement according to the invention in comparison to other radar-based solutions is that between the sensor and the body surface of the person to be monitored (test object) no optically transparent compound must exist, since the probing waves can penetrate a variety of materials (except metal). This results in large degrees of freedom for the installation options.
  • the transmission signals can penetrate into the human body, so that a transfer of organ movement (lung, heart) on the body surface is not absolutely necessary.
  • the close proximity to the test object allows extremely low power for the transmission signals, so that no interference of other radio systems occur and long-term monitoring has no effect on biological tissue.
  • the effective range of the sensor is limited to the test object to be monitored. This is ensured by the use of low signal powers and additionally reinforced by the high spatial resolution due to the large measuring bandwidth.
  • Radar sensors with low transmission powers are usually susceptible to other radio signals (mobile phone, WLAN, etc.).
  • a measuring method based on the M-sequence principle causes such disturbances as a result of the correlation principle used largely suppressed.
  • M-sequence signals have a negligible impact on other radio systems because they are perceived by them only as random noise signals.
  • the determination of vital data from radar signals is based on the detection of extremely small signal fluctuations that follow the rhythm of heart and lung movement. Since these signal fluctuations are caused essentially by changes in the wave time, the radar sensor must provide an extremely stable time resolution, ie a very low jitter, guaranteed.
  • the MLBS radar concept can be adapted especially to this case.
  • the vital data recorded in this way and above all their history can serve as a starting point for further signal analyzes which can be used to assess the state of health and exhaustion of the person to be monitored in the vehicle.
  • the arrangement according to the invention comprises the essential construction groups of an MLBS-based radar system.
  • the functional groups which have a reference to analog high-frequency signals, are preferably present as a compact unit to expensive, unreliable and susceptible connections with high
  • SoC system on chip
  • steep-edged and thus very acidban ended clock signals are used, so that an extremely stable time base or a very low temporal noise (jitter) results.
  • all active components of transmitting and receiving unit are inte grated into a single high-frequency IC.
  • the monolithic integrability of the M-sequence sensor, the good penetration of a wide variety of materials and of human tissue by the (relatively low frequency) of the transmission signals and the non-existent blind area allow the inventive arrangement of sensors in the vehicle.
  • the sensors are mounted in the immediate vicinity of the person to be monitored.
  • the inventive arrangement for vitality monitoring further comprises an A / D converter which digitizes the received signal, and an integrated digital circuit which subjects the signals to signal preprocessing and data reduction.
  • the output signals of the A / D converter are digital in nature and thus less susceptible to interference, so that a limited distance to the digital processing unit without performance losses is acceptable. Nevertheless, it may be expedient to process certain parts of the data preprocessing already in the unit comprising the high-frequency components. This will have no effect on the sensitivity of the sensor, as it is largely determined by the analog system components.
  • a control and processing unit which controls the transmitting and receiving unit of the UWB-M sequence sensor and calculated from the MLBS transmission signal and received signal M-sequence correlation and extracted therefrom a vital signal corresponding to an organ movement, which is a measure of the current vitality of the monitored person
  • UWB-M sequence sensor allows the detection of minute movements by means of a pseudo-noise radar signal. This allows for the first time a cheap, secure non-contact vitality monitoring or vital data measurement of people under everyday conditions and without immediate attachment of the sensor to the person, so that their movement options are not limited by the sensor.
  • a particularly preferred application is the monitoring of a vehicle driver by means of the device according to the invention, which comprises the highly integrated UWB-M sequence sensor.
  • the device according to the invention comprises the highly integrated UWB-M sequence sensor.
  • an attention signal can be generated or the car can be automatically stopped to stop when the driver falls asleep (microsleep) or is impaired in health, so that he no longer has control of the vehicle can perceive.
  • Due to the measuring principles used a high integration capability of the components of the Vorrich device is given, resulting in a very small size. The entire device can therefore easily z. B. be integrated into a car seat or even in a safety belt. Of course, other installation locations come into consideration, such as the dashboard of a vehicle.
  • the device for Vitali tuschsGermanwachung example to monitor the Wohlbefin dens of elderly or sick people serve and for z. B. be integrated into a chair or a bed.
  • the installation in work chairs or the like is easily possible, for example, if the necessary attention should be monitored by operating personnel to systems or machines.
  • the measurement of selected vital movements through clothing can be done with high resolution.
  • a monitorable vital movements are in particular the contraction movements of the heart muscle, the respiratory movement of the lungs and chest into consideration.
  • the UWB-M sequence measurement method used in the device according to the invention permits a high range resolution, which makes it possible to unambiguously assign reflections of the transmitted MLBS transmission signals to individual persons, for example the occupants of a vehicle.
  • the emission angle of the antennas used for the transmitting unit and the receiving unit can be chosen broadly, since multiple reflections can be resolved and filtered out of the received signal.
  • the Antenna position can therefore be chosen flexibly with respect to the position of the body of the person to be monitored.
  • a common base clock in the inte grated transmitting and receiving unit leads to excellent system stability with stable waveform and low jitter.
  • signal frequencies in the microwave range the penetration of non-metallic materials (seat, belt, clothing) is ensured.
  • z. B. the shape change of the heart can be used for heart rate measurement.
  • the measurement of organ movements of the body rear side, if the sensor z. B. is integrated in the seat is possible.
  • the distribution of the required transmission energy in the time and frequency domain and the use of correlation methods allow a low spectral power density (compliance with the masks) and low maximum amplitudes and field strengths of the send signal.
  • the vital monitoring is safe for body tissues and health.
  • foreign signal interference can be suppressed by correlation.
  • the device With regard to the admissibility of the use of the device is advantageous that there is no significant influence on other radio services and that the measurement using the unlicensed ECC areas 3, 1-4, 8/6, 0-8, 5 GHz takes place.
  • the operating frequency range and the radiated power is selected according to the regulations license-free radio bands, z. B. Operating frequencies 3.1-3.8 GHz and / or 6, 0-8, 5 GHz with EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) ⁇ 41.3 dBm / MHz.
  • the device according to the invention allows a high measuring speed (100 measurements / s), so that an accurate mapping of the rhythmic
  • the measuring rate can be, for example, at least 100 measurements / s. Since any body movements are detected by the radar, vehicle vibrations due to uneven roads are transmitted to the person in the vehicle and thus also registered by the sensor. In order to be able to eliminate these interfering movements from the measured data later, they must first be correctly recorded, which is made possible by the aforementioned measuring rate.
  • the good integrability and miniaturization of the inventions to the invention arrangement allows integration of RF electronics around the antenna base, eliminating the need for high current drivers for RF cables.
  • the impedance of the antennas which are also capable of integration, can be adapted to the adjacent propagation medium (eg seat material, belt material or body tissue). Even small-sized and thus electrically short antennas can be driven broadband despite lower efficiency with matching impedance.
  • the A / D converter and the digital unit can be integrated with the HF electronics for preprocessing and data reduction.
  • the sensor of the inventive arrangement a compact
  • the antennas are designed as small, flat broadband antennas, which may be an integral part of a radar module.
  • Short antennas have a wide beam angle, which makes them relatively large
  • Tolerances in the antenna placement can be compensated, and also they form only a short near field, so they can unfold even over short distances already reproducible effect.
  • such antennas can not be adequately adapted to supply cables over their wide range of operation, so that critical components of the measuring electronics are preferably in their immediate vicinity
  • Fig. 1 is a simplified sectional view of a first Auspar approximately form a sensor unit of a device for vitality monitoring;
  • Fig. 1 in a vehicle seat
  • Fig. 3 shows a second installation situation of the sensor unit according to FIG.
  • Fig. 1 in the vehicle seat; Fig. 4 is a simplified sectional view of a second
  • FIG. 5 shows a mounting situation of the device according to FIG. 4 in a safety belt
  • FIG. 6 is a block diagram of the sensor unit according to a first embodiment
  • FIG. 7 is a block diagram of the sensor unit according to a second embodiment
  • Fig. a block diagram of a UWB-M sequence sensor for the upper ECC UWB band 6.0-8.5 GHz.
  • Fig. 1 shows a greatly simplified representation of an on device, which is referred to below as the sensor unit 01 and which serves to monitor the vitality of a person.
  • the sensor unit uses an electrical measuring method for acquiring the vital data, in particular the heart rate and / or the respiratory rate of the person to be monitored, which is located in a vehicle, on which basis a fatigue or a deterioration of the state of health become apparent, in particular in order to prevent accidents ,
  • the sensor unit 01 is suitable for installation in a
  • the sensor unit 01 forms a microwave proximity sensor according to the M-sequence method, hereinafter referred to as UWB-M sequence sensor, which comprises a transmitting unit Tx and a receiving unit Rx, which are integrated together in an assembly 02.
  • Transmitting unit Tx and receiving unit Rx are preferably implemented in a single integrated circuit (system on chip), which is part of assembly 02.
  • the transmission unit Tx generates an MLBS transmission signal and comprises an integrated Tx mixture, preferably by means of XOR gate.
  • the transmission unit Tx is connected to a transmission antenna 03, which is designed as an electrically short near-field antenna and for the emission of a MLBS transmission signal in a
  • Dielectric is configured, for example with a
  • the dielectric is formed by the material of a vehicle seat in which the sensor unit 01 is installed, as shown in FIG.
  • the receiving unit Rx is connected in antenna driver / directional coupler configuration and has a T & H circuit with an input bandwidth of more than 8.5 GHz. Furthermore, the receiving unit comprises an integrated, preferably active bandpass filter for ECC areas.
  • the receiving unit Rx is connected to a receiving antenna 04, which is also designed as an electrically short near-field antenna and is configured to receive the reflected signals from the organs of the monitored person receiving signals.
  • the receiving antenna 04 has a receiving angle Q E of, for example, about 90 °.
  • Sensor unit 01 also an A / D converter and a digital
  • Converter resolution should be at least 10 bits.
  • a serial interface for data transmission of the preprocessed received signals to the downstream control unit is provided.
  • the control unit handles all the digital signal processing, namely the calculation of the M-sequence correlation, the parameter controlled selection of the distance range in which the person resides, the suppression of static environmental and surface reflections, the detection and tracking of upper body movements, the compensation an altered body position, and the extraction of rhythmic changes in body reflections separated by respiratory and heart rate frequencies.
  • the control unit serves as an interface to the vehicle electronics, typically via the known CAN bus, to provide appropriate signals if a vitality change exceeds predetermined limits.
  • the UWB-M sequence sensor, the A / D converter including the digital preprocessing stage for data reduction and the control unit all together in the construction group 02 realized as a system-in-package (SiP).
  • SiP system-in-package
  • the assembly 02 and the antennas 03, 04 are attached, for example, to a printed circuit board structure 05 and electrically connected to each other via this.
  • the embodiment shown in Fig. 1 also comprises a housing 06, which u. a. the electrical shield serves.
  • the housing 06 can also work as an antenna element and thus leads to a bundling of the waves in the direction of the person to be monitored. If necessary, the housing can be dispensed with for reasons of space and the antennas can be designed as a pure conductor structure. In this way, the sensor unit 01 can have dimensions of about 5 cm ⁇ 10 cm ⁇ 1 cm.
  • the extraction of the vital parameters of the monitored person is based on the repeated measurement of the backscatter behavior z. B. of the upper body. At the same time they become the smallest rhythmic ones
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the invention
  • the sensor unit 01 is installed in the backrest of the vehicle seat 11.
  • the sensor unit may preferably detect the thorax, the lung and / or the heart movement.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the vitality monitoring arrangement according to the invention in a simplified side view, again with the driver 10 on the vehicle seat 11.
  • the sensor unit 01 is installed in the headrest of the vehicle seat.
  • the sensor unit can additionally detect the movement of the carotid artery.
  • Fig. 4 shows a simplified sectional view of a togewan punched embodiment of the sensor unit 01 for Vitali tuschsüberwachung a person.
  • This embodiment is configured for installation in a seat belt 20, as can be seen in FIG.
  • the above apply
  • the height must be reduced to a few millimeters or even less than 1 mm.
  • the entire size must be limited to a few millimeters.
  • SoC system-on-chip
  • This antenna simultaneously acts as a transmitter and receiver antenna. Due to the space limitations and limits of energy supply, the actual signal processing (vital data extraction) must be outsourced by a separate unit that is not in the
  • Assembly 02 in this embodiment thus comprises only the electronic components of the UWB-M sequence sensor, the A / D converter and the signal preprocessing and data reduction elements as explained above.
  • the antennas 03, 04 are combined to form a single electrically short antenna.
  • the housing 06 is limited to a lower support plate, which may be made of flexible material to facilitate installation in the safety belt.
  • Fig. 6 shows a block diagram of the sensor unit 01.
  • a frequency-stable clock generator 30 determines the entire time scheme of the sensor.
  • An integrated synchronization unit 31 derives therefrom the control signals for all time-critical components such as test signal generator 32 (MLBS generator),
  • the Scanning unit 33 and A / D converter 34 from.
  • the probing and measuring signals are transmitted via the transmitting antenna 03 and received again via the receiving antenna 04.
  • the A / D converter 34 provides the measurement data for further evaluation. This evaluation is performed by the function group 36, parts of which may also be part of the integrated assembly 02. It is important that in particular the assemblies 30 to 34 and the antennas 03 and 04 a mechanical
  • Fig. 7 shows the block diagram of the sensor unit 01 for extremely small types, as in the example of FIG. 4 as
  • FIG. 8 shows, by way of example, a more detailed block diagram for realizing the UWB-M sequence sensor, here performed with 3-fold oversampling.
  • the Tx mixture is 2/3 of the
  • Basic clock fo- Receive signals are processed directly (without I / Q) in the 2nd Nyquist zone.
  • the sensor works in the upper ECC-enabled UWB band of 6-8.5 GHz.

Abstract

The invention relates to an arrangement in a vehicle for monitoring vitality data of a vehicle driver (10). The arrangement has a sensor unit (01) which comprises a sensor, with a transmission unit (Tx) which generates a transmission signal and emits it in the direction of the vehicle driver (10) via an antenna (03), and with a receiving unit (Rx) which receives components of the transmission signal reflected by the vehicle driver (10) as reception signal via an antenna (04). A control unit controls the transmission and receiving units and extracts a vital signal, which corresponds to an organ movement representing the vitality of the vehicle driver (10). The control unit sends the vital signal to a vehicle control unit if the sensor unit (01) detects a change to the vitality data of the vehicle driver (10) beyond a predetermined limit value.

Description

Anordnung zur Überwachung von Vitalitätsdaten  Arrangement for monitoring vitality data
eines Fahrzeugführers  a driver
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur nicht invasiven Vitalitätsüberwachung von Personen in Fahrzeugen, insbesondere zur Überwachung von Vitalitätsdaten eines Fahr zeugführers . The present invention relates to an arrangement for non-invasive vitality monitoring of persons in vehicles, in particular for monitoring vitality data of a driving tool guide.
Mit zunehmender Technisierung aller Lebensbereiche gibt es unterschiedliche Anwendungen, in denen die Vitaldaten einer Person gemessen oder überwacht werden sollen. With increasing mechanization of all areas of life, there are different applications in which the vital data of a person to be measured or monitored.
Aus der WO 2017/021371 Al ist ein Verfahren zur nichtinvasiven Bestimmung von Vitalparametern eines lebenden Organismus bekannt. Insbesondere eignet sich das Verfahren zur einmaligen oder kontinuierlichen Messung und/oder Überwachung des Blut drucks. Verwendung findet dabei eine optische Aufnahmeeinheit, über welche eine Abfolge von einzelnen Bilddaten eines From WO 2017/021371 Al a method for the noninvasive determination of vital parameters of a living organism is known. In particular, the method is suitable for single or continuous measurement and / or monitoring of the blood pressure. Use is made of an optical recording unit, via which a sequence of individual image data of a
beschränkten Bereichs der Haut des Organismus aufgenommen wird. Durch Auswertung der Bilddaten erfolgt eine Pulswellen messung mit einer bestimmten Lichtfarbe, wobei die erfassten Gesamthelligkeiten der Pulswelle mittels geeigneter Farbmo- delle in diskrete Farben aufgespalten werden. Es ist ersicht lich, dass es bei diesem Verfahren erforderlich ist, dass die Aufnahmeeinheit unverdeckte Hautbereiche erfasst, wodurch die Anwendung unter Alltagsbedingungen, insbesondere in einem Fahrzeug eingeschränkt ist. restricted area of the skin of the organism. By evaluating the image data, a pulse wave measurement takes place with a specific light color, the detected total brightness of the pulse wave being split into discrete colors by means of suitable color models. It is apparent that in this method it is necessary for the receiving unit to detect uncovered areas of the skin, which limits its use under everyday conditions, especially in a vehicle.
Bekannt geworden sind in der Technik auch Anwendungen, in denen die Bewegung von Personen mittels Funkstrahlung erfasst wird. So beschreibt die DE 10 2014 112 169 Al ein Verfahren zum Steuern eines Haushaltsgeräts, wobei ein Bewegungssignal unter Verwendung eines ersten Sensors aus einer erfassten Bewegung eines Nutzers gebildet wird und ein Abstandssignal unter Verwendung eines zweiten Sensors aus dem Abstand Also known in the art are applications in which the movement of persons is detected by radio radiation. Thus, DE 10 2014 112 169 Al describes a method for controlling a household appliance, wherein a movement signal is formed using a first sensor from a detected movement of a user and a distance signal using a second sensor from the distance
zwischen dem Nutzer und dem Haushaltsgerät gebildet wird. is formed between the user and the household appliance.
Die DE 11 2012 003 927 T5 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen einer Anomalität des menschlichen Körpers durch DE 11 2012 003 927 T5 describes a device for detecting an abnormality of the human body
Stehendwellenradar. Dazu werden Mikrowellen von einem Stehend wellenmodul gesendet und die reflektierten Wellen werden erfasst. Eine Berechnungseinheit kombiniert die gesendeten Wellen und die reflektierten Wellen, um Standwellen zu erfas sen. Der Abstand zu dem Körper, von dem die Wellen reflektiert werden, und kleinere Verlagerungen (zum Beispiel Puls und Atmung) werden auf Grundlage der Standwellen erfasst. Somit kann die Position eines menschlichen Körpers und die Atemfre quenz, Herzfrequenz und dergleichen erfasst werden, Standing-wave radar. For this purpose, microwaves are transmitted from a standing wave module and the reflected waves are detected. A calculation unit combines the transmitted waves and the reflected waves to detect standing waves. The distance to the body from which the waves are reflected and smaller displacements (for example, pulse and respiration) are detected based on the standing waves. Thus, the position of a human body and the respiratory rate, heart rate and the like can be detected.
einschließlich plötzlicher Änderungen. including sudden changes.
Die US 4,507,974 A beschreibt ein Verfahren zur Strömungs messung eines Fluids zwischen einem Eingangspunkt und einem Ausgangspunkt eines Systems, wobei die zeitabhängige Antwort des Fluids auf ein Anregungssignal bestimmt wird. Ein Kreuz korrelationssignal wird gebildet aus dem Anregungssignal und dem Antwortsignal , um ein Signal zu extrahieren, welches repräsentativ ist für die Flussrate. US 4,507,974 A describes a method for flow measurement of a fluid between an entry point and a starting point of a system, wherein the time-dependent response of the fluid is determined to an excitation signal. A cross-correlation signal is formed from the excitation signal and the response signal to extract a signal representative of the flow rate.
In der DE 21 2015 000 192 Ul wird ein Millimeterwellen Radar zur Vitaldatenerfassung eines Fahrzeugführers erläutert, welches die Testperson von vorne beleuchtet. Aufgrund der genutzten Radarfrequenzen kann das Sondierungssignal nicht in den Körper eindringen, so dass nur die Bewegungen der Haut infolge der Atmung bzw. infolge des sich bis zur Oberfläche fortsetzende Herzspitzenstoßes zur Signalmodulation genutzt werden kann. Bei korpulenten Personen oder auch bei Frauen ist dieser an der Oberfläche sichtbare Herzspitzenstoß nur sehr schwach ausgebildet, so dass eine Herzschlagdetektion nach dieser Methode nicht mehr erfolgen kann. In DE 21 2015 000 192 Ul a millimeter-wave radar for vital data acquisition of a driver is explained, which illuminates the subject from the front. Due to the radar frequencies used, the probing signal can not penetrate the body, so that only the movements of the skin as a result of respiration or as a result of the resurgent to the surface Herzspitzenstoßes used for signal modulation can be. In corpulent persons or even in women, this visible on the surface of the apex is only very weak, so that a heartbeat detection by this method can not be done.
Grundsätzlich bekannt sind auch Messverfahren, die auf dem sogenannten MLBS-Basisband-Prinzip beruhen (MLBS = Maximum Length Binary Sequence oder kurz M-Sequenz als ein spezielles Pseudo-Rausch-Signal ) . So beschreibt die DE 198 46 870 CI ein Verfahren und eine Messanordnung zur Bestimmung der Impuls antwort eines breitbandigen linearen Systems, mit welchem die Impulsantwort im Hochfrequenzbereich (etwa 100 MHz bis 10 GHz) bestimmt werden kann. Basically, measuring methods based on the so-called MLBS baseband principle are also known (MLBS = Maximum Length Binary Sequence or M-sequence for short as a special pseudo-noise signal). Thus, DE 198 46 870 CI describes a method and a measuring arrangement for determining the impulse response of a broadband linear system, with which the impulse response in the high frequency range (about 100 MHz to 10 GHz) can be determined.
Die grundlegende Wirkungsweise von UWB-Sensoren wird bei spielsweise erläutert in: J. Sachs/ P. Peyerl „Ultra Breitband -Sensoren: Anwendung und Prinzipien", 48. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universität Ilmenau 22.-25. September 2003 The basic mode of action of UWB sensors is explained, for example, in: J. Sachs / P. Peyerl "Ultra Broadband Sensors: Application and Principles", 48th International Scientific Colloquium Ilmenau University of Technology 22-25 September 2003
http : / /www-emt . tu-ilmenau . de/EMTPub/uploads/pdf/ZB5317959184F.pdf. http: / / www-emt. Tu-ilmenau. de / EMTPub / uploads / pdf / ZB5317959184F.pdf.
Ausgehend vom Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vor liegenden Erfindung darin, eine verbesserte Anordnung zur Vitalitätsüberwachung an einer Person in einem Fahrzeug bereitzustellen, die eine berührungslose Überwachung wichtiger Vitaldaten und insbesondere das Überwachen des Gesundheits und Erschöpfungszustandes mit hoher Genauigkeit gestatten. Dabei soll vermieden werden, dass die betreffende Person in irgendeiner Weise in ihren Handlungen eingeschränkt wird oder sich aktiv an der Messprozedur beteiligen muss. Es wird insbe sondere ein robuster Aufbau angestrebt, der den Einsatz der Vorrichtung in Fahrzeugen gestattet. Insbesondere soll die Vitalitätsüberwachung ohne Beschränkung der Handlungsfähigkeit der Person auch über einen längeren Zeitraum möglich sein, um die Vitalität der Insassen eines Fahrzeugs (vor allem des Fahrzeugführers) überwachen zu können. Starting from the prior art, an object of the present invention is to provide an improved arrangement for vitality monitoring on a person in a vehicle, which allow a non-contact monitoring vital vital data and in particular the monitoring of health and fatigue with high accuracy. It should be avoided that the person in question is restricted in any way in their actions or actively participate in the measurement procedure. In particular, a robust construction is sought, which allows the use of the device in vehicles. In particular, the vitality monitoring without limitation of the ability to act of the person over a longer period should be possible to to monitor the vitality of the occupants of a vehicle (especially the driver).
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die Unteransprüche benennen bevorzugte Ausführungsformen. Weitere bevorzugte Ausführungen und Aus gestaltungen der Erfindung sind nachfolgend dargestellt. These objects are achieved by an arrangement according to the appended claim 1. The subclaims specify preferred embodiments. Further preferred embodiments and embodiments of the invention are shown below.
Die Erfindung basiert zunächst auf der überraschenden Erkennt nis, dass sich Messverfahren nach dem MLBS-Basisband-Prinzip, wie sie beispielsweise in der oben bereits genannten The invention is first based on the surprising recognition that measuring methods according to the MLBS baseband principle, as described for example in the above-mentioned
DE 198 46 870 CI beschrieben wurden, sehr effizient für die Vitalitätsüberwachung von Personen einsetzen lassen und den Aufbau funktionssicherer und gleichzeitig preiswerter Vorrich tungen für diesen Anwendungsfall gestatten. Der Inhalt der DE 198 46 870 CI wird hier in die Offenbarung ausdrücklich einbezogen, insbesondere in Bezug auf die Gestaltung von UWB- Sensoren (UWB = Ultra Wide Band) sowie die Durchführung ent sprechender Messverfahren. Sondierungswellen dieser Frequenz können in den menschlichen Körper eindringen, so dass die im Stand der Technik auftretenden Unzulänglichkeiten umgangen werden. Außerdem vermeidet diese Radarprinzip jeglichen Blind bereich, so dass sich die zu überwachenden Personen beliebig den Antennen nähern können. DE 198 46 870 CI were described, very efficient for the vitality monitoring of persons can be used and the construction of functionally reliable and at the same time inexpensive Vorrich lines allow for this application. The content of DE 198 46 870 CI is expressly incorporated herein by reference, in particular with respect to the design of UWB sensors (UWB = Ultra Wide Band) and the implementation ent speaking measuring methods. Probing waves of this frequency can penetrate the human body, thus circumventing the shortcomings of the prior art. In addition, this radar principle avoids any blind area, so that the persons to be monitored can approach the antennas arbitrarily.
Die vorliegende Erfindung geht aber über die einfache Anwen dung des vorbekannten MLBS-Basisband-Prinzips deutlich hinaus, unter Beibehaltung der diesem Prinzip innewohnenden Systemsta bilität. Insbesondere gelingt dies durch das Verschieben des Frequenzbereichs hin zu Bandpasssignalen und durch die Erhö hung der äquivalenten Samplingrate, was zur Vereinfachung und insofern erst zur praktischen Realisierbarkeit von Filtern führt sowie zur Einhaltung von Vorgaben der Funkregulierungs behörden (z. B. Frequenzmasken) beiträgt. However, the present invention goes beyond the simple appli cation of the prior art MLBS baseband principle clearly, while maintaining the inherent this principle Systemsta stability. In particular, this is achieved by shifting the frequency range towards bandpass signals and by increasing the equivalent sampling rate, which in turn leads to simplification and thus to the practical feasibility of filters leads to compliance with requirements of the radio regulatory authorities (eg frequency masks).
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Überwachung von Vitalitäts daten eines Fahrzeugführers besitzt eine Sensoreinheit, welche die Vitalitätsüberwachung realisiert. Die Sensoreinheit umfasst einen Sensor, bevorzugt einen UWB-M-Sequenzsensor (UWB = Ultra Wide Band) . M-Sequenzen sind spezielle Pseudo-Rausch folgen, die bevorzugt über rückgekoppelte Schieberegister erzeugt werden können. Der UWB-M-Sequenzsensor besitzt eine Sendeeinheit, welche ein MLBS-Sendesignal (MLBS = Maximum Length Binary Sequence) generiert, es optional durch Mischung in einen Bandpassbereich umsetzt und abstrahlt, sowie eine Empfangseinheit, welche reflektierte Anteile des MLBS-Sende- signals als Empfangssignal empfängt. Vorzugsweise werden die Sendeeinheit Tx und die Empfangseinheit Rx mit unterschied lichen Grundtakten getaktet, wobei ein ganzzahliges ungerades Verhältnis Q zwischen den Grundtakten bestehen muss, z. B. Tx:Rx = 1:3. Demzufolge wird bei der Verarbeitung des The inventive arrangement for monitoring vitality data of a driver has a sensor unit, which realizes the vitality monitoring. The sensor unit comprises a sensor, preferably a UWB-M sequence sensor (UWB = Ultra Wide Band). M sequences are special pseudo-noise sequences, which can preferably be generated via feedback shift registers. The UWB-M sequence sensor has a transmission unit which generates an MLBS (Maximum Length Binary Sequence) transmission signal, optionally converts and emits it by mixing into a bandpass range, and a receiving unit which transmits reflected portions of the MLBS transmission signal as Receive signal is received. Preferably, the transmitting unit Tx and the receiving unit Rx are clocked with different union basic clocks, wherein an integer odd ratio Q must exist between the basic clocks, z. Eg Tx: Rx = 1: 3. Consequently, when processing the
Empfangssignals ein Oversampling mit dem Faktor Q ausgeführt. Received signal oversampling with the factor Q executed.
Das Mischen des Basisband-Taktes der Sendeeinheit Tx erfolgt somit vorzugsweise mittels einem ganzzahligen Vielfachen k des Tx-Taktes. Somit kann der Takt der Sendeeinheit Tx vergleichs weise klein gehalten werden, sodass in der weiteren Signalver arbeitung die Masken besser eingehalten werden können. Solche Masken werden von Funkregulierungsbehörden vorgegeben und definieren Frequenzbereiche, in denen UWB-Signale mit The mixing of the baseband clock of the transmitting unit Tx is thus preferably by means of an integer multiple k of the Tx clock. Thus, the clock of the transmitting unit Tx can be kept comparatively small, so that in the further Signalver processing, the masks can be better met. Such masks are prescribed by radio regulatory authorities and define frequency ranges in which UWB signals with
bestimmten Leistungsbeschränkungen abgestrahlt werden dürfen. Das Mischen an der Sendeeinheit Tx erfolgt vorzugsweise mittels eines XOR-Gate am MLBS-Ausgang . Dies ermöglicht eine on-Chip-Integration dieser Funktionalität, was zu einem preis werten Schaltungsaufbau beiträgt. Gleichzeitig ist damit ein digitales Mischen möglich, anstelle des Einsatzes analoger Dioden . certain performance restrictions may be emitted. The mixing at the transmitting unit Tx preferably takes place by means of an XOR gate at the MLBS output. This allows on-chip integration of this functionality, which contributes to an inexpensive circuit design. At the same time it is one digital mixing possible, instead of the use of analogue diodes.
Die Empfangseinheit empfängt das Empfangssignal vorzugsweise über Bandpassfilter und mittels breitbandigen T&H-Schaltungen (Track and Hold) . Auf einen Rx-Mischer kann somit verzichtet werden. Alternativ kann der Empfang des Empfangssignals über einen Homodynempfänger mit einem Mischer erfolgen, welcher die I- und Q-Komponente wahlweise parallel mit mehreren Empfängern oder sequenziell mit einem Empfänger aufnimmt. The receiving unit preferably receives the received signal via band-pass filters and by means of broadband T & H circuits (track and hold). An Rx mixer can thus be dispensed with. Alternatively, the reception of the received signal may be via a homodyne receiver with a mixer which selectively receives the I and Q components in parallel with multiple receivers or sequentially with a receiver.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung im Vergleich zu anderen radarbasierten Lösungen besteht darin, dass zwischen Sensor und der Körperoberfläche der zu überwachenden Person (Testobjekt) keine optisch transparente Verbindung bestehen muss, da die Sondierungswellen verschiedenste Materialien (außer Metall) durchdringen können. Damit ergeben sich große Freiheitsgrade für die Einbaumöglichkeiten. Die Sendesignale können in den menschlichen Körper eindringen, so dass eine Übertragung der Organbewegung (Lunge, Herz) auf die Körper oberfläche nicht zwingend nötig ist. Die große Nähe zum Test objekt erlaubt extrem geringe Leistungen für die Sendesignale, so dass keine Störungen anderer Funkanlagen auftreten und Langzeitüberwachungen keine Auswirkungen auf biologisches Gewebe zeigen. Der Wirkungsbereich des Sensors beschränkt sich auf das zu überwachende Testobjekt. Dies wird durch die Ver wendung geringer Signalleistungen sichergestellt und zusätz lich durch die hohe räumliche Auflösung infolge der großen Messbandbreite verstärkt. Radarsensoren mit geringen Sende leistungen sind für gewöhnlich anfällig gegenüber anderen Funksignalen (Mobiltelefon, WLAN etc.) . Durch eine auf dem M- Sequenz-Prinzip basierende Messmethode werden jedoch solche Störungen infolge des verwendeten Korrelationsprinzips weitestgehend unterdrückt. Umgekehrt haben M-Sequenz-Signale einen vernachlässigbaren Einfluss auf andere Funksysteme, da sie von ihnen nur als zufällige Rauschsignale wahrgenommen werden. Die Bestimmung von Vitaldaten aus Radarsignalen beruht auf dem Nachweis extrem kleiner Signalschwankungen, die dem Rhythmus der Herz- und Lungenbewegung folgen. Da diese Signal schwankungen im Wesentlichen durch Änderungen der Wellenlauf zeit verursacht werden, muss der Radarsensor eine extrem stabile Zeitauflösung, also ein sehr geringes Jitter, gewähr leisten. Das MLBS-Radar-Konzept lässt sich speziell auf diesen Fall adaptieren. An advantage of the arrangement according to the invention in comparison to other radar-based solutions is that between the sensor and the body surface of the person to be monitored (test object) no optically transparent compound must exist, since the probing waves can penetrate a variety of materials (except metal). This results in large degrees of freedom for the installation options. The transmission signals can penetrate into the human body, so that a transfer of organ movement (lung, heart) on the body surface is not absolutely necessary. The close proximity to the test object allows extremely low power for the transmission signals, so that no interference of other radio systems occur and long-term monitoring has no effect on biological tissue. The effective range of the sensor is limited to the test object to be monitored. This is ensured by the use of low signal powers and additionally reinforced by the high spatial resolution due to the large measuring bandwidth. Radar sensors with low transmission powers are usually susceptible to other radio signals (mobile phone, WLAN, etc.). However, a measuring method based on the M-sequence principle causes such disturbances as a result of the correlation principle used largely suppressed. Conversely, M-sequence signals have a negligible impact on other radio systems because they are perceived by them only as random noise signals. The determination of vital data from radar signals is based on the detection of extremely small signal fluctuations that follow the rhythm of heart and lung movement. Since these signal fluctuations are caused essentially by changes in the wave time, the radar sensor must provide an extremely stable time resolution, ie a very low jitter, guaranteed. The MLBS radar concept can be adapted especially to this case.
Die auf diese Weise erfassten Vitaldaten und vor allem deren Historie können als Ausgangspunkt für weitere Signalanalysen dienen, die zur Beurteilung des Gesundheits- und Erschöpfungs zustandes der im Fahrzeug zu überwachenden Person herangezogen werden können. The vital data recorded in this way and above all their history can serve as a starting point for further signal analyzes which can be used to assess the state of health and exhaustion of the person to be monitored in the vehicle.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst die wesentlichen Bau gruppen eines MLBS-basierten Radarsystems. Die Funktions gruppen, welche einen Bezug zu analogen Hochfrequenzsignalen haben, liegen bevorzugt als kompakte Einheit vor, um teure, unzuverlässige und störanfällige Verbindungen mit Hoch The arrangement according to the invention comprises the essential construction groups of an MLBS-based radar system. The functional groups, which have a reference to analog high-frequency signals, are preferably present as a compact unit to expensive, unreliable and susceptible connections with high
frequenzkabeln zu vermeiden. Zweckmäßigerweise sind weiterhin mehrere Bestandteile zu einem monolithisch integrierten Chip zusammengefasst, um Baugröße, Montageaufwand, Zuverlässigkeit und Signalintegrität zu gewährleisten. frequency cables to avoid. Conveniently, several components are further combined to form a monolithically integrated chip in order to ensure size, assembly costs, reliability and signal integrity.
Sende- und Empfangseinheit sind zu dem genannten UWB-M- Sequenzsensor baulich verbunden, insbesondere in einem inte grierten Schaltkreis integriert (SoC = System on Chip) . Dies gestattet es unter anderem, dass alle in diesem HF-System verwendeten Takte von derselben stabilen Taktquelle phasen- starr abgeleitet werden, teilweise durch ganzzahlige Teilung und/oder Multiplikation des Grundtaktes gemäß der o. g. Bedin gung. Bevorzugt werden steilflankige und damit sehr breitban dige Taktsignale verwendet, sodass sich eine extrem stabile Zeitbasis bzw. ein sehr geringes zeitliches Rauschen (Jitter) ergibt. Bevorzugt werden alle aktiven Komponenten von Sende- und Empfangseinheit in einen einzelnen Hochfrequenz-IC inte griert. Die monolithische Integrierbarkeit des M-Sequenz- Sensors, die gute Durchdringung verschiedenster Materialien sowie des menschlichen Gewebes durch die (vergleichsweise geringe Frequenz) der Sendesignale und der nicht vorhandene Blindbereich ermöglichen die erfindungsgemäße Anordnung von Sensoren im Fahrzeug. Im Gegensatz zu vorbekannten Radar verfahren zur Vitaldatenerfassung werden die Sensoren in unmittelbarer Umgebung der zu überwachenden Person angebracht. Transmitting and receiving unit are structurally connected to said UWB-M sequence sensor, in particular integrated in an inte grated circuit (SoC = system on chip). This allows, inter alia, all of the clocks used in this RF system to be phase locked from the same stable clock source. be derived rigidly, partly by integer division and / or multiplication of the basic clock according to the above-mentioned condi- tion. Preferably steep-edged and thus very breitban ended clock signals are used, so that an extremely stable time base or a very low temporal noise (jitter) results. Preferably, all active components of transmitting and receiving unit are inte grated into a single high-frequency IC. The monolithic integrability of the M-sequence sensor, the good penetration of a wide variety of materials and of human tissue by the (relatively low frequency) of the transmission signals and the non-existent blind area allow the inventive arrangement of sensors in the vehicle. In contrast to previously known radar method for vital data acquisition, the sensors are mounted in the immediate vicinity of the person to be monitored.
Dies prädestiniert die Verwendung des genannten Messprinzips für fahrzeugspezifische Einbauorte. Bevorzugt werden die This predestines the use of the aforementioned measuring principle for vehicle-specific installation locations. Preference is given to
Sensoren in die Rückenlehne des Fahrzeugsitzes oder/und in den Sicherheitsgurt oder/und in die Kopfstütze eingebaut. Während die ersten beiden Einbauorte auf die direkte Erfassung der Herz und Lungenbewegung abzielen, wird im letztgenannten Ein bauort vom Sensor die Verformung der Halsschlagader infolge der herzsynchronen Blutdruckschwankungen sowie die Übertragung der Lungenaktivität auf die geometrische Feinstruktur des Halses erfasst. Sensors installed in the backrest of the vehicle seat and / or in the safety belt and / or in the headrest. While the first two mounting locations are aimed at the direct detection of heart and lung movement, in the latter one built by the sensor, the deformation of the carotid artery due to cardiac synchronous blood pressure fluctuations and the transmission of the lung activity is recorded on the geometric fine structure of the neck.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Vitalitätsüberwachung umfasst weiterhin einen A/D-Wandler, der das Empfangssignal digitalisiert, sowie eine integrierte digitale Schaltung, welche die Signale einer Signalvorverarbeitung und Datenreduk tion unterzieht. Die Ausgangssignale des A/D-Wandlers sind digitaler Natur und somit weniger störanfällig, so dass ein begrenzter Abstand zur digitalen Verarbeitungseinheit ohne Performanceverluste akzeptierbar ist. Trotzdem kann es zweck mäßig sein, bestimmte Teile der Datenvorverarbeitung bereits in der die hochfrequenten Bauteile umfassenden Einheit zu bearbeiten. Auf die Empfindlichkeit des Sensors wird dies keine Auswirkungen haben, da diese maßgeblich durch die analogen Systemkomponenten bestimmt wird. The inventive arrangement for vitality monitoring further comprises an A / D converter which digitizes the received signal, and an integrated digital circuit which subjects the signals to signal preprocessing and data reduction. The output signals of the A / D converter are digital in nature and thus less susceptible to interference, so that a limited distance to the digital processing unit without performance losses is acceptable. Nevertheless, it may be expedient to process certain parts of the data preprocessing already in the unit comprising the high-frequency components. This will have no effect on the sensitivity of the sensor, as it is largely determined by the analog system components.
Außerdem ist eine Steuer- und Verarbeitungseinheit vorgesehen, welche die Sende- und Empfangseinheit des UWB-M-Sequenzsensors steuert und aus dem MLBS-Sendesignal und Empfangssignal eine M-Sequenzkorrelation berechnet sowie daraus ein Vitalsignal extrahiert, welches einer Organbewegung entspricht, die ein Maß für die aktuelle Vitalität der überwachten Person In addition, a control and processing unit is provided, which controls the transmitting and receiving unit of the UWB-M sequence sensor and calculated from the MLBS transmission signal and received signal M-sequence correlation and extracted therefrom a vital signal corresponding to an organ movement, which is a measure of the current vitality of the monitored person
darstellt . represents.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines UWB-M-Sequenzsensors gestattet die Detektion kleinster Bewegungen mittels eines Pseudo-Rausch-Radarsignals . Dies ermöglicht erstmals eine preiswerte, sichere berührungslose Vitalitätsüberwachung bzw. Vitaldatenmessung von Personen unter Alltagsbedingungen und ohne unmittelbare Anbringung des Sensors an der Person, sodass deren Bewegungsoptionen nicht durch den Sensor eingeschränkt werden . The inventive use of a UWB-M sequence sensor allows the detection of minute movements by means of a pseudo-noise radar signal. This allows for the first time a cheap, secure non-contact vitality monitoring or vital data measurement of people under everyday conditions and without immediate attachment of the sensor to the person, so that their movement options are not limited by the sensor.
Ein besonders bevorzugter Anwendungsfall ist die Überwachung eines Fahrzeugführers mittels der erfindungsgemäßen Vorrich tung, die den hochintegrierten UWB-M-Sequenzsensor umfasst. Durch die Überwachung der Vitaldaten kann beispielsweise ein Aufmerksamkeitssignal generiert werden oder das Fahrzeug auto matisch zum Anhalten gebracht werden, wenn der Fahrzeugführer einschläft (Sekundenschlaf) oder gesundheitlich beeinträchtigt ist, sodass er die Kontrolle über das Fahrzeug nicht mehr wahrnehmen kann. Aufgrund der verwendeten Messprinzipien ist eine hohe Integrationsfähigkeit der Bestandteile der Vorrich tung gegeben, was zu einer sehr geringen Baugröße führt. Die gesamte Vorrichtung kann daher einfach z. B. in einen KFZ-Sitz oder sogar in einen Sicherheitsgurt integriert werden. Natür lich kommen auch andere Einbauorte in Betracht, beispielsweise das Armaturenbrett eines Fahrzeugs. A particularly preferred application is the monitoring of a vehicle driver by means of the device according to the invention, which comprises the highly integrated UWB-M sequence sensor. By monitoring the vital data, for example, an attention signal can be generated or the car can be automatically stopped to stop when the driver falls asleep (microsleep) or is impaired in health, so that he no longer has control of the vehicle can perceive. Due to the measuring principles used, a high integration capability of the components of the Vorrich device is given, resulting in a very small size. The entire device can therefore easily z. B. be integrated into a car seat or even in a safety belt. Of course, other installation locations come into consideration, such as the dashboard of a vehicle.
In alternativen Ausführungen kann die Vorrichtung zur Vitali tätsüberwachung beispielsweise zur Überwachung des Wohlbefin dens von älteren oder kranken Personen dienen und dafür z. B. in einen Sessel oder ein Bett integriert werden. Ebenso ist der Einbau in Arbeitsstühle oder dergleichen leicht möglich, beispielsweise wenn die nötige Aufmerksamkeit von Bedienperso nal an Anlagen oder Maschinen überwacht werden soll. In alternative embodiments, the device for Vitali tätsüberwachung example, to monitor the Wohlbefin dens of elderly or sick people serve and for z. B. be integrated into a chair or a bed. Likewise, the installation in work chairs or the like is easily possible, for example, if the necessary attention should be monitored by operating personnel to systems or machines.
In allen Anwendungsfällen kann die Messung der ausgewählten Vitalbewegungen durch Kleidung hindurch mit hoher Auflösung erfolgen. Als überwachbare Vitalbewegungen kommen insbesondere die Kontraktionsbewegungen des Herzmuskels, die Atembewegung von Lunge und Brustkorb in Betracht. In all applications, the measurement of selected vital movements through clothing can be done with high resolution. As a monitorable vital movements are in particular the contraction movements of the heart muscle, the respiratory movement of the lungs and chest into consideration.
Für das bessere Verständnis der Erfindung werden nachfolgend einige wesentliche technische Zusammenhänge und die sich daraus ergebenden Vorteile erläutert. Generell gestattet das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angewendete UWB- M- Sequenzmessverfahren eine hohe Entfernungsauflösung, die eine eindeutige Zuordnung von Reflexionen der ausgesendeten MLBS- Sendesignale zu einzelnen Personen, beispielsweise den Insas sen eines Fahrzeugs ermöglichen. Der Abstrahlwinkel der für die Sendeeinheit und die Empfangseinheit verwendeten Antennen kann breit gewählt sein, da Mehrfachreflexionen aufgelöst und aus dem Empfangssignal herausgefiltert werden können. Die Antennenposition kann daher flexibel bezüglich der Position des Körpers der zu überwachenden Person gewählt werden. For a better understanding of the invention, some essential technical relationships and the resulting advantages will be explained below. In general, the UWB-M sequence measurement method used in the device according to the invention permits a high range resolution, which makes it possible to unambiguously assign reflections of the transmitted MLBS transmission signals to individual persons, for example the occupants of a vehicle. The emission angle of the antennas used for the transmitting unit and the receiving unit can be chosen broadly, since multiple reflections can be resolved and filtered out of the received signal. The Antenna position can therefore be chosen flexibly with respect to the position of the body of the person to be monitored.
Aufgrund der messprinzipbedingten hohen Bandbreite des Sende signals können steile Signalflanken geformt werden, welche auch durch kleine Bewegungen des überwachten Organs (z. B. Brustkorb, Herzmuskel) gut detektierbare Änderungen des Due to the measuring principle-related high bandwidth of the transmission signal steep signal edges can be formed, which also small movements of the monitored organ (eg, chest, heart muscle) well detectable changes in the
Empfangssignals zur Folge haben. Gleichzeitig ist die Erken nung und Kompensation von Körperbewegungen einfach möglich. Receive signal result. At the same time the recognition and compensation of body movements is easily possible.
Die Verwendung eines gemeinsamen Grundtaktes in der integrier ten Sende- und Empfangseinheit führt zu einer exzellenten Systemstabilität mit stabiler Signalform und geringem Jitter. Durch Nutzung von Signalfrequenzen im Mikrowellenbereich ist die Durchdringung von nichtmetallischen Materialien (Sitz, Gurt, Kleidung) sichergestellt. Ebenso ist eine Durchdringung von Körpergewebe ohne weiteres möglich, sodass z. B. die Form änderung des Herzen zur Herzratenmessung herangezogen werden kann. Auch die Messung von Organbewegungen von der Körperrück seite, wenn der Sensor z. B. im Sitz integriert ist, ist möglich . The use of a common base clock in the inte grated transmitting and receiving unit leads to excellent system stability with stable waveform and low jitter. By using signal frequencies in the microwave range, the penetration of non-metallic materials (seat, belt, clothing) is ensured. Likewise, a penetration of body tissue is readily possible, so z. B. the shape change of the heart can be used for heart rate measurement. The measurement of organ movements of the body rear side, if the sensor z. B. is integrated in the seat is possible.
Die Verteilung der erforderlichen Sendeenergie im Zeit- und Frequenzbereich sowie der Einsatz von Korrelationsverfahren gestatten eine geringe spektrale Leistungsdichte (Einhaltung der Masken) sowie geringe Maximalamplituden und -feldstärken des Sendsignals. Damit ist die Vitalüberwachung unbedenklich für Körpergewebe und Gesundheit. Außerdem lassen sich Fremd signaleinstreuungen durch Korrelation unterdrücken. The distribution of the required transmission energy in the time and frequency domain and the use of correlation methods allow a low spectral power density (compliance with the masks) and low maximum amplitudes and field strengths of the send signal. Thus, the vital monitoring is safe for body tissues and health. In addition, foreign signal interference can be suppressed by correlation.
Hinsichtlich der Zulässigkeit des Einsatzes der Vorrichtung ist vorteilhaft, dass keine signifikante Beeinflussung anderer Funkdienste erfolgt und dass die Messung unter Nutzung der lizenzfreien ECC-Bereiche 3, 1-4, 8 / 6, 0-8, 5 GHz erfolgt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der operative Frequenz bereich und die abgestrahlte Leistung gemäß den Regularien lizenzfreier Funkbänder gewählt, z. B. Arbeitsfrequenzen 3,1 - 3,8 GHz oder/und 6, 0-8, 5 GHz mit einer abgestrahlten Leistung (EIRP - effective isotropic radiated power) < 41,3 dBm/MHz . With regard to the admissibility of the use of the device is advantageous that there is no significant influence on other radio services and that the measurement using the unlicensed ECC areas 3, 1-4, 8/6, 0-8, 5 GHz takes place. According to a preferred embodiment of the operating frequency range and the radiated power is selected according to the regulations license-free radio bands, z. B. Operating frequencies 3.1-3.8 GHz and / or 6, 0-8, 5 GHz with EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) <41.3 dBm / MHz.
Schließlich ist vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Vor richtung eine hohe Messgeschwindigkeit (100 Messungen/s) gestattet, sodass eine genaue Abbildung der rhythmischen Finally, it is advantageous that the device according to the invention allows a high measuring speed (100 measurements / s), so that an accurate mapping of the rhythmic
Veränderungen durch Überabtastung möglich wird. Die Messrate kann beispielsweise mindestens 100 Messungen/s betragen. Da jegliche Körperbewegungen vom Radar erfasst werden, werden sich auch Fahrzeugschwingungen infolge unebener Straßen auf die Person im Fahrzeug übertragen und somit auch vom Sensor registriert. Um diese Störbewegungen später wieder aus den Messdaten eliminieren zu können, müssen sie zunächst korrekt erfasst werden, was durch die genannte Messrate ermöglicht wird . Changes by oversampling is possible. The measuring rate can be, for example, at least 100 measurements / s. Since any body movements are detected by the radar, vehicle vibrations due to uneven roads are transmitted to the person in the vehicle and thus also registered by the sensor. In order to be able to eliminate these interfering movements from the measured data later, they must first be correctly recorded, which is made possible by the aforementioned measuring rate.
Von besonderer Bedeutung für die praktischen Anwendungen ist die gute Integrierbarkeit und Miniaturisierbarkeit der erfin dungsgemäßen Anordnung. Die resultierende geringe Baugröße erlaubt die Integration der HF-Elektronik im Bereich des Antennenfußpunktes, sodass keine stromintensiven Treiber für HF-Kabel benötigt werden. Die Impedanz der ebenfalls integra tionsfähigen Antennen kann auf das angrenzende Ausbreitungsme dium (z. B. Sitzmaterial, Gurtmaterial oder Körpergewebe) angepasst werden. Auch klein bauende und damit elektrisch kurze Antennen können trotz geringerer Effizienz mit passender Impedanz breitbandig getrieben werden. Für eine weitere Minia turisierung lassen sich der A/D-Wandler und die Digitaleinheit zur Vorverarbeitung und Datenreduktion mit der HF-Elektronik integrieren. Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform besitzt der Sensor der erfindungsgemäßen Anordnung eine kompakte Of particular importance for practical applications is the good integrability and miniaturization of the inventions to the invention arrangement. The resulting small size allows integration of RF electronics around the antenna base, eliminating the need for high current drivers for RF cables. The impedance of the antennas, which are also capable of integration, can be adapted to the adjacent propagation medium (eg seat material, belt material or body tissue). Even small-sized and thus electrically short antennas can be driven broadband despite lower efficiency with matching impedance. For further miniaturization, the A / D converter and the digital unit can be integrated with the HF electronics for preprocessing and data reduction. Has according to an expedient embodiment the sensor of the inventive arrangement a compact
Bauform, um ihn an den o.g. bevorzugten Positionen im Fahrzeug zu platzieren. Die kompakte Bauform wird erreicht, indem Design to him at the o.g. to place preferred positions in the vehicle. The compact design is achieved by
Sende- und Empfangsantenne sowie die für die Messgenauigkeit kritischen Funktionsgruppen zu einer baulichen Einheit Transmitting and receiving antenna and the critical for the accuracy of the function groups to a structural unit
verschmolzen werden. Bevorzugt sind die Antennen als kleine, flache Breitbandantennen gestaltet, die integraler Bestandteil eines Radarmoduls sein können. Kurze Antennen verfügen über einen breiten Strahlungswinkel, wodurch relativ große be merged. Preferably, the antennas are designed as small, flat broadband antennas, which may be an integral part of a radar module. Short antennas have a wide beam angle, which makes them relatively large
Toleranzen bei der Antennenplatzierung ausgeglichen werden können, und außerdem bilden sie nur ein kurzes Nahfeld aus, sodass sie auch über kurze Distanzen bereits reproduzierbar ihre Wirkung entfalten können. Solche Antennen lassen sich aber über ihren breiten Operationsbereich nicht hinreichend gut an Zuführungskabel anpassen, sodass kritische Komponenten der Messelektronik vorzugsweise in ihrer unmittelbaren Tolerances in the antenna placement can be compensated, and also they form only a short near field, so they can unfold even over short distances already reproducible effect. However, such antennas can not be adequately adapted to supply cables over their wide range of operation, so that critical components of the measuring electronics are preferably in their immediate vicinity
Umgebung angebracht werden. Das lässt sich erreichen, wenn die maßgeblichen Funktionskomponenten in integrierter Form Environment be attached. This can be achieved if the relevant functional components are integrated
vorliegen . present.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsfor men unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen: Further advantages and details of the invention will become apparent from the following description of preferred Ausführungsfor men with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 eine vereinfachte Schnittansicht einer ersten Ausfüh rungsform einer Sensoreinheit einer Anordnung zur Vitalitätsüberwachung; Fig. 1 is a simplified sectional view of a first Ausfüh approximately form a sensor unit of a device for vitality monitoring;
Fig. 2 eine erste Einbausituation der Sensoreinheit gemäß  2 shows a first installation situation of the sensor unit according to FIG
Fig. 1 in einem Fahrzeugsitz;  Fig. 1 in a vehicle seat;
Fig . 3 eine zweite Einbausituation der Sensoreinheit gemäß  Fig. 3 shows a second installation situation of the sensor unit according to FIG
Fig. 1 in dem Fahrzeugsitz; Fig. 4 eine vereinfachte Schnittansicht einer zweiten Fig. 1 in the vehicle seat; Fig. 4 is a simplified sectional view of a second
Ausführungsform der Vorrichtung zur Vitalitätsüberwa chung;  Embodiment of the device for Vitalitätsüberwa monitoring;
Fig . 5 eine Einbausituation der Vorrichtung gemäß Fig. 4 in einem Sicherheitsgurt;  Fig. FIG. 5 shows a mounting situation of the device according to FIG. 4 in a safety belt; FIG.
Fig .6 ein Blockschaltbild der Sensoreinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;  6 is a block diagram of the sensor unit according to a first embodiment;
Fig. 7 ein Blockschaltbild der Sensoreinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform;  7 is a block diagram of the sensor unit according to a second embodiment;
Fig . ein Blockschaltbild eines UWB-M-Sequenzsensors für das obere ECC UWB-Band 6.0-8.5 GHz.  Fig. a block diagram of a UWB-M sequence sensor for the upper ECC UWB band 6.0-8.5 GHz.
Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung einer Vor richtung, die nachfolgend als Sensoreinheit 01 bezeichnet wird und die der Vitalitätsüberwachung an einer Person dient. Die Sensoreinheit verwendet ein elektrisches Messverfahren zur Erfassung der Vitaldaten, insbesondere der Herzrate und/oder der Atemrate der zu überwachenden Person, die sich in einem Fahrzeug befindet, wobei auf dieser Basis eine Ermüdung oder eine Verschlechterung des Gesundheitszustands erkennbar werden, insbesondere um damit Unfällen vorzubeugen. Fig. 1 shows a greatly simplified representation of an on device, which is referred to below as the sensor unit 01 and which serves to monitor the vitality of a person. The sensor unit uses an electrical measuring method for acquiring the vital data, in particular the heart rate and / or the respiratory rate of the person to be monitored, which is located in a vehicle, on which basis a fatigue or a deterioration of the state of health become apparent, in particular in order to prevent accidents ,
Die Sensoreinheit 01 eignet sich für den Einbau in eine The sensor unit 01 is suitable for installation in a
Rückenlehne oder Kopfstütze eines Fahrzeugsitzes 11 (Fig. 2). Die Sensoreinheit 01 bildet einen Mikrowellen-Nahbereichs- sensor nach dem M-Sequenzverfahren, nachfolgend UWB-M-Sequenz- sensor genannt, der eine Sendeeinheit Tx und eine Empfangs einheit Rx umfasst, die gemeinsam in einer Baugruppe 02 integriert sind. Sendeeinheit Tx und Empfangseinheit Rx sind vorzugsweise in einem einzigen integrierten Schaltkreis realisiert (System on Chip) , welcher Bestandteil der Baugruppe 02 ist. Die Sendeeinheit Tx erzeugt ein MLBS-Sendesignal und umfasst eine integrierte Tx-Mischung, vorzugsweise mittels XOR-Gate. Die Sendeeinheit Tx ist an eine Sendeantenne 03 angeschlossen, die als elektrisch kurze Nahbereichsantenne ausgelegt ist und für die Abstrahlung eines MLBS-Sendesignals in einem Backrest or headrest of a vehicle seat 11 (FIG. 2). The sensor unit 01 forms a microwave proximity sensor according to the M-sequence method, hereinafter referred to as UWB-M sequence sensor, which comprises a transmitting unit Tx and a receiving unit Rx, which are integrated together in an assembly 02. Transmitting unit Tx and receiving unit Rx are preferably implemented in a single integrated circuit (system on chip), which is part of assembly 02. The transmission unit Tx generates an MLBS transmission signal and comprises an integrated Tx mixture, preferably by means of XOR gate. The transmission unit Tx is connected to a transmission antenna 03, which is designed as an electrically short near-field antenna and for the emission of a MLBS transmission signal in a
Dielektrikum konfiguriert ist, beispielsweise mit einem Dielectric is configured, for example with a
Abstrahlwinkel QA von etwa 90°. In dieser Anwendung ist das Dielektrikum durch das Material eines Fahrzeugsitzes gebildet, in welchen die Sensoreinheit 01 eingebaut wird, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Beam angle Q A of about 90 °. In this application, the dielectric is formed by the material of a vehicle seat in which the sensor unit 01 is installed, as shown in FIG.
Die Empfangseinheit Rx ist in Antennentreiber-/ Richtkoppler konfiguration geschaltet und besitzt eine T&H-Schaltung mit einer Eingangsbandbreite von mehr als 8.5 GHz. Weiterhin umfasst die Empfangseinheit einen integrierten, vorzugsweise aktiven Bandpassfilter für ECC-Bereiche . Die Empfangseinheit Rx ist an eine Empfangsantenne 04 angeschlossen, die ebenfalls als elektrisch kurze Nahbereichsantenne ausgelegt ist und für den Empfang der von den Organen der überwachten Person reflek tierten Empfangssignale konfiguriert ist. Die Empfangsantenne 04 besitzt einen Empfangswinkel QE von beispielsweise etwa 90°. The receiving unit Rx is connected in antenna driver / directional coupler configuration and has a T & H circuit with an input bandwidth of more than 8.5 GHz. Furthermore, the receiving unit comprises an integrated, preferably active bandpass filter for ECC areas. The receiving unit Rx is connected to a receiving antenna 04, which is also designed as an electrically short near-field antenna and is configured to receive the reflected signals from the organs of the monitored person receiving signals. The receiving antenna 04 has a receiving angle Q E of, for example, about 90 °.
In der Baugruppe 02 sind als weitere Bestandteile der In the assembly 02 are as further components of
Sensoreinheit 01 auch ein A/D-Wandler und eine digitale Sensor unit 01 also an A / D converter and a digital
Vorverarbeitungsstufe zur Datenreduktion integriert. Die Preprocessing stage integrated for data reduction. The
Wandlerauflösung sollte mindestens 10 Bit betragen. Verwendung findet zur Vorverarbeitung der Empfangssignale beispielsweise ein Synchroner-Mittelungs-Core als digitaler ASIC, um eine Reduktion des Datenstroms auf 10 bis 100 Messungen/s zu erreichen. Schließlich ist ein serielles Interface zur Daten übertragung der vorverarbeiteten Empfangssignale an die nach- geordnete Steuereinheit vorgesehen. Die Steuereinheit übernimmt die komplette digitale Signalver arbeitung, nämlich die Berechnung der M-Sequenzkorrelation, die Parameter gesteuerte Auswahl des Entfernungsbereichs, in dem sich die Person aufhält, die Unterdrückung von statischen Umgebungs- und Oberflächenreflexionen, die Erkennung und Nach verfolgung von Oberkörperbewegungen, die Kompensation einer veränderten Körperposition, und die Extraktion der rhythmi schen Änderungen der Körperreflexionen getrennt nach Atmungs und Herzschlagfrequenzen. Außerdem dient die Steuereinheit als Interface zur Fahrzeugelektronik, typischerweise über den bekannten CAN-Bus, um entsprechende Signale bereitzustellen, falls eine Vitalitätsänderung über vorbestimmte Grenzwerte hinausgeht . Converter resolution should be at least 10 bits. For example, in order to preprocess the received signals, use is made of a synchronous averaging core as digital ASIC in order to achieve a reduction of the data stream to 10 to 100 measurements / s. Finally, a serial interface for data transmission of the preprocessed received signals to the downstream control unit is provided. The control unit handles all the digital signal processing, namely the calculation of the M-sequence correlation, the parameter controlled selection of the distance range in which the person resides, the suppression of static environmental and surface reflections, the detection and tracking of upper body movements, the compensation an altered body position, and the extraction of rhythmic changes in body reflections separated by respiratory and heart rate frequencies. In addition, the control unit serves as an interface to the vehicle electronics, typically via the known CAN bus, to provide appropriate signals if a vitality change exceeds predetermined limits.
Vorzugsweise sind der UWB-M-Sequenzsensor, der A/D Wandler einschließlich der digitalen Vorverarbeitungsstufe zur Daten reduktion sowie die Steuereinheit alle gemeinsam in der Bau gruppe 02 realisiert als System-In-Package (SiP) . Preferably, the UWB-M sequence sensor, the A / D converter including the digital preprocessing stage for data reduction and the control unit all together in the construction group 02 realized as a system-in-package (SiP).
Die Baugruppe 02 und die Antennen 03, 04 sind beispielsweise an einer Leiterkartenstruktur 05 angebracht und über diese elektrisch miteinander verbunden. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform umfasst außerdem ein Gehäuse 06, welches u. a. der elektrischen Schirmung dient. Das Gehäuse 06 kann zugleich als Antennenelement arbeiten und führt so zu einer Bündelung der Wellen in Richtung der zu überwachenden Person. Bei Bedarf kann aus Platzgründen auf das Gehäuse verzichtet werden und die Antennen können als reine Leiterstruktur entworfen werden. Auf diese Weise kann die Sensoreinheit 01 Abmessungen von etwa 5cm x 10cm x 1cm aufweisen. The assembly 02 and the antennas 03, 04 are attached, for example, to a printed circuit board structure 05 and electrically connected to each other via this. The embodiment shown in Fig. 1 also comprises a housing 06, which u. a. the electrical shield serves. The housing 06 can also work as an antenna element and thus leads to a bundling of the waves in the direction of the person to be monitored. If necessary, the housing can be dispensed with for reasons of space and the antennas can be designed as a pure conductor structure. In this way, the sensor unit 01 can have dimensions of about 5 cm × 10 cm × 1 cm.
Die Extraktion der Vitalparameter der überwachten Person beruht auf der wiederholten Messung des Rückstreuverhaltens z. B. des Oberkörpers. Dabei werden kleinste rhythmische The extraction of the vital parameters of the monitored person is based on the repeated measurement of the backscatter behavior z. B. of the upper body. At the same time they become the smallest rhythmic ones
Veränderungen, wie sie durch Atmung (z. B. im Bereich des Brustkorbs) und Herzschlag (z. B. die Herzmuskelverformung selbst) verursacht werden, detektiert und aus der Wiederhol dauer wird dann von einer Steuereinheit die gewünschte Infor mation der Atem- und Herzrate berechnet. Changes, such as those caused by respiration (eg in the region of the thorax) and heartbeat (eg the cardiac muscle deformation itself), are detected and the repeat duration then becomes the desired information of the respiratory and heart rate from a control unit calculated.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Fig. 2 shows a first embodiment of the invention
Anordnung zur Vitalitätsüberwachung in einer vereinfachten Seitenansicht mit einem Fahrzeugführer 10 auf einem Fahrzeug sitz 11. In der Rückenlehne des Fahrzeugsitzes 11 ist die Sensoreinheit 01 eingebaut. In dieser Ausführungsform kann die Sensoreinheit vorzugsweise die Brustkorb-, die Lungen- und/oder die Herzbewegung erfassen. Arrangement for vitality monitoring in a simplified side view with a driver 10 seated on a vehicle 11. In the backrest of the vehicle seat 11, the sensor unit 01 is installed. In this embodiment, the sensor unit may preferably detect the thorax, the lung and / or the heart movement.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Vitalitätsüberwachung in einer vereinfachten Seitenansicht, wiederum mit dem Fahrzeugführer 10 auf dem Fahrzeugsitz 11. In diesem Fall ist die Sensoreinheit 01 in der Kopfstütze des Fahrzeugsitzes eingebaut. Die Sensoreinheit kann zusätzlich die Bewegung der Halsschlagader erfassen. FIG. 3 shows a second embodiment of the vitality monitoring arrangement according to the invention in a simplified side view, again with the driver 10 on the vehicle seat 11. In this case, the sensor unit 01 is installed in the headrest of the vehicle seat. The sensor unit can additionally detect the movement of the carotid artery.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer abgewan delten Ausführungsform der Sensoreinheit 01 zur Vitali tätsüberwachung einer Person. Diese Ausführung ist für den Einbau in einen Sicherheitsgurt 20 konfiguriert, wie dies aus Fig. 5 erkennbar ist. Bei Anbringung der Sensoreinheit 01 im Sicherheitsgurt 20 gelten prinzipiell die oben gegebenen Fig. 4 shows a simplified sectional view of a abgegewan punched embodiment of the sensor unit 01 for Vitali tätsüberwachung a person. This embodiment is configured for installation in a seat belt 20, as can be seen in FIG. When attaching the sensor unit 01 in the seat belt 20, in principle, the above apply
Bedingungen. Allerdings muss die Bauhöhe auf wenige Millimeter oder sogar unter 1 mm reduziert werden. Weiterhin muss die gesamte Baugröße auf wenige Millimeter beschränkt werden. Dazu wird ein System-on-Chip (SoC) mit Richtkoppler-T&H-Schaltung eingesetzt, da auf der Leiterkarte nur Platz für eine elektrisch verkürzte Antenne ist. Diese Antenne fungiert gleichzeitig als Sender- und Empfängerantenne. Aufgrund der Platzbeschränkungen und Grenzen der Energiezufuhr muss die eigentliche Signalverarbeitung (Vitaldatenextraktion) durch einer separate Einheit ausgelagert werden, die nicht im Conditions. However, the height must be reduced to a few millimeters or even less than 1 mm. Furthermore, the entire size must be limited to a few millimeters. For this purpose, a system-on-chip (SoC) with directional coupler T & H circuit is used, since there is only room for one on the printed circuit board electrically shortened antenna is. This antenna simultaneously acts as a transmitter and receiver antenna. Due to the space limitations and limits of energy supply, the actual signal processing (vital data extraction) must be outsourced by a separate unit that is not in the
Sicherheitsgurt, aber z. B. in der Nähe der Gurtbefestigung positioniert ist. Die Verbindung zwischen dem UWB-M-Sequenz- sensor und der separaten Einheit erfolgt über eine Digital verbindung im Sicherheitsgurt. Seat belt, but z. B. is positioned near the belt attachment. The connection between the UWB-M sequence sensor and the separate unit is made via a digital connection in the safety belt.
Die Baugruppe 02 umfasst bei dieser Ausführungsform somit nur die elektronischen Komponenten des UWB-M-Sequenzsensor, den A/D-Wandler und die Elemente zur Signalvorverarbeitung und Datenreduktion wie oben erläutert. Die Antennen 03, 04 sind zu einer einzigen elektrisch kurzen Antenne zusammengefasst. Das Gehäuse 06 beschränkt sich auf eine untere Trägerplatte, die aus flexiblem Material bestehen kann, um den Einbau im Sicher heitsgurt zu erleichtern. Assembly 02 in this embodiment thus comprises only the electronic components of the UWB-M sequence sensor, the A / D converter and the signal preprocessing and data reduction elements as explained above. The antennas 03, 04 are combined to form a single electrically short antenna. The housing 06 is limited to a lower support plate, which may be made of flexible material to facilitate installation in the safety belt.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild der Sensoreinheit 01. Ein frequenzstabiler Taktgenerator 30 bestimmt das gesamte Zeit schema des Sensors. Eine integrierte Synchronisationseinheit 31 leitet daraus die Steuersignale für alle zeitkritischen Baugruppen wie Testsignalgenerator 32 (MLBS-Generator) , Fig. 6 shows a block diagram of the sensor unit 01. A frequency-stable clock generator 30 determines the entire time scheme of the sensor. An integrated synchronization unit 31 derives therefrom the control signals for all time-critical components such as test signal generator 32 (MLBS generator),
Abtasteinheit 33 und A/D-Wandler 34 ab. Die Sondierungs- und Messsignale werden über die Sendeantenne 03 ausgesandt und über die Empfangsantenne 04 wieder empfangen. Der A/D-Wandler 34 stellt die Messdaten für die weitergehende Auswertung zur Verfügung. Diese Auswertung übernimmt die Funktionsgruppe 36, wobei Teile davon auch Bestandteil der integrierten Baugruppe 02 sein können. Wichtig ist, dass insbesondere die Baugruppen 30 bis 34 sowie die Antennen 03 und 04 eine mechanisch Scanning unit 33 and A / D converter 34 from. The probing and measuring signals are transmitted via the transmitting antenna 03 and received again via the receiving antenna 04. The A / D converter 34 provides the measurement data for further evaluation. This evaluation is performed by the function group 36, parts of which may also be part of the integrated assembly 02. It is important that in particular the assemblies 30 to 34 and the antennas 03 and 04 a mechanical
kompakten Sensoreinheit 01 bilden, wobei zweckmäßigerweise die Einheiten 31 bis 33 zu der monolithisch integrierten Baugruppe 02 zusammengefasst sind. form compact sensor unit 01, wherein expediently the Units 31 to 33 are combined to form the monolithic integrated assembly 02.
Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild der Sensoreinheit 01 für extrem kleine Bauformen, wie sie im Beispiel der Fig. 4 alsFig. 7 shows the block diagram of the sensor unit 01 for extremely small types, as in the example of FIG. 4 as
Gurtsensor beschrieben wurde. In dieser Bauform kann nur eine gemeinsame Antenne zum Senden und Empfangen genutzt werden.Belt sensor has been described. In this design, only one common antenna can be used for sending and receiving.
Das erfordert einen zusätzlichen Wellenseparator 35, der jeweils für das Sende- und Empfangssignal die entsprechenden Signalpfade zur Verfügung stellt. Zweckmäßigerweise ist dieser ebenfalls Bestandteil des Baugruppe 02. This requires an additional wave separator 35 which provides the respective signal paths for the transmit and receive signals. Conveniently, this is also part of the assembly 02.
Fig. 8 zeigt beispielhaft ein detaillierteres Blockschaltbild zur Realisierung des UWB-M-Sequenzsensors , hier ausgeführt mit 3-fachem Oversampling. Die Tx-Mischung erfolgt mit 2/3 des8 shows, by way of example, a more detailed block diagram for realizing the UWB-M sequence sensor, here performed with 3-fold oversampling. The Tx mixture is 2/3 of the
Grundtaktes fo- Die Empfangssignale werden direkt (ohne I/Q) in der 2. Nyquistzone verarbeitet. Der Sensor arbeitet im oberen durch die ECC freigegebenen UWB-Band von 6-8.5 GHz. Basic clock fo- Receive signals are processed directly (without I / Q) in the 2nd Nyquist zone. The sensor works in the upper ECC-enabled UWB band of 6-8.5 GHz.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung in einem Fahrzeug zur Überwachung von 1. Arrangement in a vehicle for monitoring
Vitalitätsdaten eines Fahrzeugführers (10) mit einer  Vitality data of a driver (10) with a
Sensoreinheit (01), die folgende Bestandteile umfasst:  Sensor unit (01) comprising the following components:
einen Sensor mit  a sensor with
o einer Sendeeinheit (Tx) , welche ein Sendesignal generiert und über eine Antenne (03) in Richtung zum Fahrzeugführer (10) abstrahlt,  o a transmission unit (Tx) which generates a transmission signal and radiates via an antenna (03) in the direction of the driver (10),
o einer Empfangseinheit (Rx) , welche vom Fahrzeugführer (10) reflektierte Anteile des Sendesignals als  o a receiving unit (Rx), which from the driver (10) reflected portions of the transmission signal as
Empfangssignal über eine Antenne (04) empfängt, einen A/D-Wandler und Komponenten, die das  Receive signal via an antenna (04) receives, an A / D converter and components that the
Empfangssignal einer Signalvorverarbeitung und  Received signal of a signal preprocessing and
Datenreduktion unterziehen;  Subject to data reduction;
eine Steuereinheit, welche  a control unit which
o Sende- und Empfangseinheit des Sensors steuert, o aus dem Sendesignal und Empfangssignal ein  o Transmitting and receiving unit of the sensor controls, o from the transmission signal and received signal
Vitalsignal extrahiert, welches einer die Vitalität des Fahrzeugführers (10) repräsentierenden Organbewegung entspricht,  Extracted vital signal, which corresponds to a vitality of the driver (10) representing organ movement,
wobei die Steuereinheit das Vitalsignal an eine  wherein the control unit sends the vital signal to a
Fahrzeugsteuereinheit sendet, wenn die Sensoreinheit (01) eine Änderung der Vitalitätsdaten des Fahrzeugführers (10) jenseits eines vorbestimmten Grenzwertes detektiert.  Vehicle control unit transmits when the sensor unit (01) detects a change in the vitality data of the driver (10) beyond a predetermined limit.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (01) in einen Fahrzeugsitz (11) des 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the sensor unit (01) in a vehicle seat (11) of the
Fahrzeugführers (10), insbesondere in der Rückenlehne oder in der Kopfstütze des Fahrzeugsitzes eingebaut ist. Vehicle driver (10), in particular in the backrest or in the headrest of the vehicle seat is installed.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (01) in einen Sicherheitsgurt (20) des 3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the sensor unit (01) in a safety belt (20) of the
Fahrzeugführers (10) eingebaut ist.  Vehicle driver (10) is installed.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized
gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (Tx) , die  characterized in that the transmitting unit (Tx), the
Empfangseinheit (Rx) , der A/D-Wandler und die Komponenten zur Signalvorverarbeitung und Datenreduktion gemeinsam in einer Baugruppe (02) (System in Package) zusammengefasst sind, welche in dem Fahrzeugsitz oder im Sicherheitsgurt (20) eingebaut ist.  Receiving unit (Rx), the A / D converter and the components for signal preprocessing and data reduction are combined together in a package (02) (system in package), which is installed in the vehicle seat or in the seat belt (20).
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (Tx) und die Empfangseinheit (Rx) in einem einzigen integrierten Schaltkreis (System on Chip) 5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the transmitting unit (Tx) and the receiving unit (Rx) in a single integrated circuit (system on chip)
zusammengefasst sind.  are summarized.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe (02) unmittelbar am Antennenfußpunkt der Sende- und Empfangsantenne (03, 04) angebracht ist, ohne Zwischenschaltung von HF-Kabeln. 6. Arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that the assembly (02) is attached directly to the antenna base of the transmitting and receiving antenna (03, 04), without the interposition of RF cables.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch 7. Arrangement according to one of claims 4 to 6, characterized
gekennzeichnet, dass die Steuereinheit entfernt von der Baugruppe (02) im Fahrzeug angebracht ist, wobei zwischen der Baugruppe (02) und der Steuereinheit eine  characterized in that the control unit is mounted remotely from the assembly (02) in the vehicle, wherein between the assembly (02) and the control unit a
Kommunikationsverbindung besteht .  Communication connection exists.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch 8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized
gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (01) die Bewegung mindestens eines der Organe des Fahrzeugführers (10), insbesondere des Brustkorbs, der Lunge, des Herz oder der Halsschlagader erfasst. in that the sensor unit (01) detects the movement of at least one of the organs of the vehicle driver (10), in particular the thorax, the lung, the heart or the carotid artery.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal im Frequenzbereich 3.1-4.8 GHz oder 6.0-8.5 GHz generiert wird. 9. Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the transmission signal in the frequency range 3.1-4.8 GHz or 6.0-8.5 GHz is generated.
10 Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch 10 arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized
gekennzeichnet, dass der Sensor ein UWB-M-Sequenzsensor (UWB = Ultra Wide Band) ist, mit  characterized in that the sensor is a UWB-M sequence sensor (UWB = Ultra Wide Band), with
o der Sendeeinheit (Tx) , welche ein MLBS-Sendesignal (MLBS = Maximum Length Binary Sequence) generiert und über die Antenne (03) in Richtung zum Fahrzeugführer (10) abstrahlt,  o the transmitting unit (Tx), which generates an MLBS (Maximum Length Binary Sequence) transmission signal and emits it via the antenna (03) in the direction of the driver (10),
o die Empfangseinheit (Rx) , welche vom Fahrzeugführer (10) reflektierte Anteile des MLBS-Sendesignals als Empfangssignal über die Antenne (04) empfängt, wobei die Steuereinheit aus dem MLBS-Sendesignal und Empfangssignal eine M-Sequenzkorrelation berechnet und daraus das Vitalsignal extrahiert.  o the receiving unit (Rx), which receives from the driver (10) reflected portions of the MLBS transmission signal as a received signal via the antenna (04), wherein the control unit from the MLBS transmission signal and received signal calculates an M-sequence correlation and extracts therefrom the vital signal.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Takt der Empfangseinheit ein ganzzahliges ungerades Vielfaches des Taktes der Sendeeinheit ist. 11. Arrangement according to claim 10, characterized in that the clock of the receiving unit is an integer odd multiple of the clock of the transmitting unit.
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