WO2023169825A1 - Handerkennungsvorrichtung für eine lenkradeinrichtung sowie lenkradanordnung mit der handerkennungsvorrichtung - Google Patents

Handerkennungsvorrichtung für eine lenkradeinrichtung sowie lenkradanordnung mit der handerkennungsvorrichtung Download PDF

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WO2023169825A1
WO2023169825A1 PCT/EP2023/054507 EP2023054507W WO2023169825A1 WO 2023169825 A1 WO2023169825 A1 WO 2023169825A1 EP 2023054507 W EP2023054507 W EP 2023054507W WO 2023169825 A1 WO2023169825 A1 WO 2023169825A1
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WO
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signal
steering wheel
sensor
designed
hand
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PCT/EP2023/054507
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Inventor
Johann Schmid
Original Assignee
Zf Automotive Germany Gmbh
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Publication date
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D1/00—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle
    • B62D1/02—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle vehicle-mounted
    • B62D1/04—Hand wheels
    • B62D1/046—Adaptations on rotatable parts of the steering wheel for accommodation of switches
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance

Definitions

  • Hand recognition device for a steering wheel device and steering wheel arrangement with the hand recognition device
  • the invention relates to a hand recognition device with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a steering wheel arrangement with the hand recognition device.
  • Hand occupancy systems / HOD hands-on detection
  • the publication DE 102014223128 A1 which represents the closest prior art, discloses a steering wheel with a sensor structure for detecting the occupancy of a heated contact surface, comprising: a contact surface that forms at least part of the outer layer of the steering wheel; a steering wheel skeleton; a sensor section in which at least one sensor electrode for occupancy detection and at least one heating wire are arranged; and a potential layer which is arranged between the sensor heating layer and the steering wheel skeleton, wherein a defined potential can be applied to the potential layer.
  • the invention discloses a hand recognition device which is suitable and/or designed for a steering wheel device of a vehicle.
  • the Vehicle can be designed as a passenger car, truck, but also as a bicycle, tricycle, etc.
  • the vehicle has a steering wheel device, wherein the steering wheel device can preferably comprise a round steering wheel.
  • the steering wheel device can be reduced to two grip areas and/or to be designed like a horizontal figure eight. It is also possible for the steering wheel device to be designed as a handlebar with two handlebar ends.
  • the hand recognition device has a sensor layer, the sensor layer forming at least one conductive sensor section.
  • the conductive sensor section can be designed as a single line, a line grid or the like.
  • the conductive sensor section is integrated and/or can be integrated into a grip area of the steering wheel device.
  • the conductive sensor section has a metallic sensor line.
  • the hand recognition device has a signal generator device which is designed to generate a particularly periodic excitation signal.
  • the excitation signal can thus be described with the waveform and a frequency, in particular a generator frequency, and/or a period.
  • the signal generator device is coupled to the sensor layer in order to transmit the excitation signal to the sensor layer, in particular to the conductive sensor section.
  • the signal generator device and the sensor layer, in particular the conductive sensor section are conductively and/or galvanically connected to one another for coupling.
  • the hand recognition device has a signal detection device for detecting a response signal to the excitation signal from the sensor position, in particular from the conductive sensor section.
  • the signal generator device is coupled to the sensor layer, in particular to the conductive sensor section, in order to transmit the response signal to the signal detection device.
  • Signal generator device is conductively and/or galvanically connected to the sensor layer, in particular to the conductive sensor section, for coupling.
  • the hand detection device has an evaluation device, the evaluation device being designed to change a sensor capacity by placing and/or removing at least one hand on the steering wheel device, in particular, based on the detected response signal and optionally additionally based on the excitation signal or on parameters of the excitation signal in the area of the sensor position, in particular the conductive sensor section.
  • the evaluation device is designed, in particular in terms of programming and/or circuit technology, to compare the response signal with the excitation signal or its parameters, in particular its phase, in order to detect the change in the sensor capacity.
  • the signal generator device is designed to generate a square-wave signal as the excitation signal.
  • Forming the excitation signal as a square-wave signal has the advantage that it is much easier to generate in terms of programming and/or circuitry compared to a sine signal that is otherwise commonly used.
  • the signal generator device is designed, at least in sections, as a digital data processing device.
  • the digital data processing device has at least one digital output, whereby the digital output can assume at least or exactly two states. In the first state the digital output preferably switched to ground (“low”), in the second state the digital output is preferably switched to a signal voltage (high), in particular to a supply voltage of the digital data processing device.
  • the states By changing the states, the frequency of the excitation signal and/or the square-wave signal can be specified.
  • the at least one digital output is designed as a GPIO.
  • a GPIO General Purpose Input/Output
  • IC integrated circuit
  • Such an output is standard on commercially available microcontrollers and generates virtually no hardware costs compared to an analog output or a signal generator.
  • the signal generator device has at least one dividing resistor, the dividing resistor being arranged in series with the at least one digital output, in particular the GPIO.
  • an amplitude of the excitation signal can be defined by the series-connected dividing resistor.
  • the digital data processing device has two of the digital outputs.
  • both digital outputs are each designed as a GPIO and can assume at least or exactly the states described.
  • the digital outputs assume the opposite states, with the two outputs preferably being switched via toggle.
  • the signal generator device has two of the dividing resistors, one of the dividing resistors being arranged in series with one of the outputs.
  • the dividing resistors are brought together so that a common excitation signal is formed.
  • the dividing resistors are conductively connected to the respective digital output at one end and to each other at the other end. By combining the dividing resistors, the common excitation signal is formed.
  • the dividing resistances form a common dividing resistance.
  • the low signal has a first voltage level and the high signal has a second voltage level, both voltage levels being below the voltage of the digital outputs and/or above ground.
  • This circuit allows the square wave signal to be represented more stable. Since most electronic components already have two or more digital outputs, in particular the GPIO, the improved security of the hand recognition device does not lead to any increased costs.
  • the signal generator device forms or has one or the possibly common dividing resistor.
  • the dividing resistor forms an RC voltage divider with the sensor capacitance described, with the signal detection device detecting the response signal in a center tap of the RC voltage divider. At least one input of the signal detection device is galvanically connected to this center tap of the RC voltage divider.
  • the evaluation device is designed to detect the change in the sensor capacity via a phase shift between the excitation signal and the response signal.
  • the response signal is sampled and recorded.
  • the excitation signal is known in principle, so that only the phase position of the excitation signal is required. This means it is not necessary to have two signal curves to process each other, but only to process the response signal to obtain the phase shift.
  • the evaluation device is designed to determine the phase shift via a discrete-time and discrete-value digital implementation of a Fourier transformation and/or Fourier series. Using this calculation method, the phase shift can be determined reliably and easily.
  • the evaluation device is particularly preferably designed to determine the phase shift exclusively for the main frequency, in particular generator frequency, of the excitation signal.
  • the main frequency of the excitation signal is in particular the frequency of the first signal term when the excitation signal is broken down into a spectrum. Since only the phase shift between the square wave signal as the excitation signal and the response signal is to be calculated, the calculation of the main frequency is sufficient.
  • a Goertzel algorithm is used, which is known from the literature.
  • the Goertzel algorithm is a numerical implementation of the integrals for calculating the complex spectral components of the Fourier series.
  • the Goertzel algorithm provides a phase position of the response signal, whereby the phase shift can be determined via the phase position and the known phase position of the excitation signal.
  • the sensor position can be designed independently of a heating mat section of a steering wheel heater.
  • the sensor position in particular the sensor section, is designed as a heating mat section of the steering wheel heater.
  • the heating mat section and/or the sensor position has a dual function, namely on the one hand defining the response signal and on the other hand heating the steering wheel device.
  • the signal detection device acts on the same center tap of the RC voltage divider.
  • the excitation signal is therefore not carried out by the sensor position, but rather the sensor position is only coupled.
  • the sensor layer is arranged in series, in particular galvanically connected in series, between the signal generator device and the signal detection device.
  • the excitation signal actually has to pass through the sensor layer in order to reach the signal detection device.
  • This configuration has the advantage that by detecting the response signal it can also be determined whether there are line breaks in the sensor position.
  • the hand recognition device can therefore also perform a self-check and/or a security function, since the response signal detected by the signal detection device can be easily determined as to whether it was generated by the excitation signal. For example, you only have to search for the main frequency and/or generator frequency of the square-wave signal; if this is below a limit value, the transmission is considered disturbed.
  • the digital data processing device comprises the signal acquisition device and the evaluation device in addition to the section of the signal generator device, in particular without the external circuit.
  • the digital data processing device is designed as a microcontroller.
  • microcontrollers are available in large quantities as very inexpensive components, so that the simplification of the hand recognition device leads to interesting cost savings In contrast to hand recognition devices, which require a sine wave as an excitation signal.
  • a further subject of the invention relates to a steering wheel arrangement with one or the steering wheel device which was previously described and the hand recognition device as previously described or according to one of the preceding claims.
  • Figure 1 is a schematic representation of a hand recognition device in a steering wheel arrangement as an exemplary embodiment of the invention
  • Figure 2 shows, in the same representation, an alternative hand recognition device in a steering wheel arrangement as a further exemplary embodiment of the invention
  • Figure 3 is a schematic circuit diagram of the hand recognition device of the previous figures to explain the measuring principle
  • Figure 4 is a circuit diagram of the hand recognition device in Figure 1 without the steering wheel heating components
  • Figure 5 is a circuit diagram of the hand recognition device in Figure 2 without the steering wheel heating components
  • Figure 6 shows a spectrum of the response signal in the hand recognition device in the previous figures.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a hand recognition device 1 for a steering wheel device 2 as an exemplary embodiment of the invention.
  • the hand recognition device 1 has the Function to detect whether at least one hand of a driver is placed on the steering wheel device 2 or whether the steering wheel device 2 is contact-free.
  • the steering wheel device 2 has a steering wheel skeleton 3 with - in this exemplary embodiment - a circumferential steering ring 4, which is additionally shown schematically with its layers.
  • the steering ring 4 can be formed in one piece with the steering wheel skeleton; alternatively, the steering ring 4 and the steering wheel skeleton 3 are two different components, which, however, are connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the heating mat layer 6 and/or the sensor layer 7 is formed by a conductive heat conduction wrapped around the steering wheel ring 4.
  • the sensor layer 6 thus forms at least one conductive sensor section 9.
  • the heating mat layer 6 is connected to a supply voltage 11 of the vehicle via a first switching element 10.
  • the heating mat layer 6 is connected to a mass 13 of the vehicle via a second switching element 12.
  • the hand recognition device 1 has a digital data processing device 14, the digital data processing device 14 at least forming a signal generator device 15 and a signal detection device 16 and an evaluation device 17.
  • the signal generator device 15 is designed in terms of programming and/or circuitry to form a periodic excitation signal 22 (FIG. 3), the periodic excitation signal 22 being coupled into the sensor layer 7, in particular the conductive sensor section 9, via a dividing resistor 18.
  • the excitation signal 22 passes through the sensor layer 7 or is coupled to it and is detected by an analog-digital converter 20 as a response signal 23 (FIG. 3).
  • the analog-digital converter 20 is provided by the digital data processing device 14 and is designed, for example, as a 12-bit ADC.
  • the response signal 23 is evaluated and, based on the evaluation, placing and/or removing of at least one hand on the steering wheel device 2 is detected.
  • the exemplary embodiment shown is a single-layer steering wheel device 2, with the heating mat layer 6 and the sensor layer 7 being formed by a uniform conductive layer (“one layer with heating”).
  • the heating mat layer 6 and the sensor layer 7 can also be galvanically separated from one another.
  • the detection of the placing and/or removal of at least one hand on the steering wheel device 2 is determined by evaluating the phase position of the response signal 23 relative to the phase position of the excitation signal 22, i.e. as a function of a phase shift 24 (FIG. 3).
  • the basic idea is that an RC voltage divider is formed by the dividing resistor 18 and the sensor capacitance 19, which causes the phase shift 24 between the excitation signal 22 and the response signal 23 depending on the value of the sensor capacitance 19.
  • the input to the signal detection device 16 is optionally connected directly via a resistor to a center tap 21 of the RC voltage divider, comprising the dividing resistor 18 and the sensor capacitance 19.
  • the coupling between the signal generator device 15 and the signal detection device 16 thus takes place with the Sensor layer 7, in particular the sensor section 9, only at one end of the sensor section 9, the other end being open with respect to the capacitance detection.
  • This exemplary embodiment allows a particularly simple integration of the hand recognition device 1.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the hand recognition device 1, which essentially differs in that the sensor layer 7, in particular the sensor section 9, is connected in series between the center tap 21 and the signal detection device 16.
  • the signal detection device 16 is also galvanically connected to the center tap 21, by connecting the sensor layer 7 in series, a safety check can be carried out in extended exemplary embodiments as to whether, for example, the sensor layer 7, in particular the sensor section 9, is undamaged by checking whether this Response signal 23 passes from the signal generator device 15 to the signal detection device 16.
  • the general measuring principle of the hand recognition device 1 is shown as an example in FIG.
  • the signal generator device 15 and the dividing resistor 18 as well as the sensor capacitance 19 and the signal detection device 16 are shown.
  • the dividing resistor 18 and the sensor capacitance 19 form the RC voltage divider.
  • the signal detection device 16 is connected via the center tap 21.
  • the excitation signal 22 and the response signal are shifted in terms of phase position by the phase shift 24, the phase shift 24 being dependent on the sensor capacitance 19.
  • the phase shift 24 can therefore be used to draw conclusions about the sensor capacity 19 or a change in the sensor capacity 19, so that the placing and/or removal of a hand on the steering wheel device 2 can be detected in this way.
  • the periodic excitation signal 22, which is designed as a square wave signal, and the periodic response signal 23 are each designed to have an identical fundamental frequency.
  • the detection procedure can be implemented as follows: The measurement of the sensor capacitance 19 of the sensor position 7 in the steering wheel device should be achieved using a periodically excited complex voltage divider, designed as an RC voltage divider. The response signal 23 at the center tap 21 is sampled and processed to determine the capacity. Only a commercially available automotive PC should preferably be used (NXP S32K1/3, Infineon Aurix, ...) and associated passive components as well as ESD protection.
  • the sensor capacity 19 can be determined as C_Sensor:
  • sampling interval should either be an integer multiple of the period of the excitation signal 22, in which case the frequency of the excitation signal 22 is exactly contained in the spectrum, or be a multiple of the period in order to obtain a satisfactory resolution in the frequency range.
  • the complex spectrum of the sequence N is determined, which contains the amplitude and phase of the frequency of the response signal 23.
  • the Goertzel algorithm is suitable for determining the phase and amplitude; it is the numerical implementation of the integrals for calculating the complex spectral components in the Fourier series.
  • the phase angle or phase position is then calculated as b/a with the frequency of the response signal 23.
  • the sought phase shift 24 can be derived from the known phase position of the excitation signal and the phase angle/phase position of the response signal 23.
  • the Goertzel algorithm requires 2N+2 additions (or subtractions, depending on the phase position) and 2N multiplications per frequency component of the spectrum.
  • the block size N can be freely selected and does not have to correspond to a power of 2 as in the FFT algorithm.
  • the hand recognition device 1 in particular the digital data processing device 14, has two digital outputs 25 a, b, the digital outputs 25 a, b being designed as GPIO, which can assume a first state, with ground being present at the output 25 a, b and can assume a second state, with a voltage signal, in particular the supply voltage of the digital data processing device 14, being present at the output 25 a, b.
  • a dividing resistor 26 a, b is connected in series to each of the digital outputs 25 a, b, with the dividing resistors 26 a, b together producing the dividing resistor 18.
  • the square wave signal as an excitation signal 22 is generated using the two digital outputs
  • a signal amplitude A_gen can be set.
  • the average value of the square wave voltage is half the operating voltage V_dd.
  • the effective resistance R_div of the dividing resistor 18 of the complex voltage divider results from the two GPIOs as voltage sources V_dd and the dividing resistors 26 a, b or R_drv_up, R_drv_down.
  • the square-wave signal as an excitation signal 22 of the signal generator device 15 contains the following spectrum:
  • Voltage divider (RC voltage divider) is shown, which has the following transfer function:
  • Each frequency component of the generator signal/excitation signal 22 is mapped to the component of the same frequency in the sensor signal/response signal 23. There is no illustration of components of other frequencies or new frequencies in the sensor signal (linear transfer function)
  • the sensor signal/response signal 23 contains a sine signal with exactly the generator frequency f_gen of the square-wave signal as the excitation signal 22 and complex amplitude and the phase or amplitude can be used to determine C as the sensor capacitance 19 when R is known as the division resistance 18.
  • sine oscillations with three times, five times the frequency of the fundamental oscillation are included with characteristic phases and amplitudes.
  • FIG. 6 shows the spectrum of the response signal 23, where it can be seen that the main peak with the generator frequency f_gen is arranged in isolation from the other frequencies with three times, five times the frequency of the fundamental oscillation (generator frequency/main frequency/f_gen) in the spectrum. This provides evidence that the sensor capacity 19 or its change can be determined by evaluating the frequency of the square-wave voltage as generator frequency f_gen.

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Abstract

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

Description

Handerkennungsvorrichtung für eine Lenkradeinrichtung sowie Lenkradanordnung mit der Handerkennungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Handerkennungsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft auch eine Lenkradanordnung mit der Handerkennungsvorrichtung.
Mit Blick auf das teilautonome oder vollautonome Fahren ist es wichtig, überwachen zu können, ob ein Lenkrad von einem Fahrer mit der Hand gehalten wird oder ob der Fahrer das Lenkrad unbeaufsichtigt zurücklässt. Handbelegungssysteme / HOD (hands-on detection) werden mittlerweile vielfach eingebaut und beruhen auf einer Kapazitätsmessung einer Kapazität, welche durch das Auflegen von mindestens einer Hand auf dem Lenkrad geändert wird.
Die Druckschrift DE 102014223128 A1 , die den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart ein Lenkrad mit einem Sensoraufbau zur Belegterkennung einer beheizten Kontaktfläche, umfassend: eine Kontaktfläche, die zumindest einen Teil der Außenschicht des Lenkrads ausbildet; ein Lenkradskelett; ein Sensorabschnitt, in der mindestens eine Sensorelektrode zur Belegterkennung und mindestens ein Heizdraht angeordnet sind; und eine Potenzialschicht, die zwischen der Sensor-Heizschicht und dem Lenkradskelett angeordnet ist, wobei an der Potenzialschicht ein definiertes Potenzial anlegbar ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Aufbau einer Belegterkennung zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch eine Handerkennungsvorrichtung für eine Lenkradeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Lenkradanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit den Figuren ergeben sich bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Erfindung offenbart eine Handerkennungsvorrichtung, welche für eine Lenkradeinrichtung eines Fahrzeugs geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Fahrzeug kann als ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, jedoch auch als ein Fahrrad, Dreirad etc. ausgebildet sein.
Das Fahrzeug weist eine Lenkradeinrichtung auf, wobei die Lenkradeinrichtung bevorzugt ein rundes Lenkrad umfassen kann. Es ist jedoch auch möglich, dass die Lenkradeinrichtung auf zwei Griffbereiche reduziert ist und/oder wie eine liegende Acht gestaltet ist. Es ist auch möglich, dass die Lenkradeinrichtung als ein Lenker mit zwei Lenkerenden ausgebildet ist.
Die Handerkennungsvorrichtung weist eine Sensorlage auf, wobei die Sensorlage mindestens einen leitfähigen Sensorabschnitt ausbildet. Der leitfähige Sensorabschnitt kann als eine Einzelleitung, ein Leitungsgitter oder dergleichen ausgebildet sein. Insbesondere ist der leitfähige Sensorabschnitt in einem Griffbereich der Lenkradeinrichtung integriert und/oder integrierbar. Beispielsweise weist der leitfähige Sensorabschnitt eine metallische Sensorleitung auf.
Die Handerkennungsvorrichtung weist eine Signalgeneratoreinrichtung auf, welche zur Erzeugung eines insbesondere periodischen Anregungssignals ausgebildet ist. Das Anregungssignal kann somit mit der Wellenform und einer Frequenz, insbesondere einer Generatorfrequenz, und/oder einer Periode beschrieben werden. Die Signalgeneratoreinrichtung ist mit der Sensorlage gekoppelt, um das Anregungssignal auf die Sensorlage, insbesondere auf den leitfähigen Sensorabschnitt zu übertragen. Beispielsweise sind die Signalgeneratoreinrichtung und die Sensorlage, insbesondere der leitfähige Sensorabschnitt, zur Kopplung miteinander leitend und/oder galvanisch verbunden.
Die Handerkennungsvorrichtung weist eine Signalerfassungseinrichtung zur Erfassung eines Antwortsignals auf das Anregungssignal aus der Sensorlage, insbesondere aus dem leitfähigen Sensorabschnitt, auf. Die Signalgeneratoreinrichtung ist mit der Sensorlage, insbesondere mit dem leitfähigen Sensorabschnitt, gekoppelt, um das Antwortsignal auf die Signalerfassungseinrichtung zu übertragen. Insbesondere ist die Signalgeneratoreinrichtung mit der Sensorlage, im Speziellen mit dem leitfähigen Sensorabschnitt, zur Kopplung leitfähig und/oder galvanisch verbunden.
Ferner weist die Handerkennungsvorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, auf Basis des erfassten Antwortsignals und optional ergänzend auf Basis des Anregungssignals oder auf Parameter des Anregungssignals eine Änderung einer Sensorkapazität durch Auflegen und/oder Entfernen von mindestens einer Hand auf der Lenkradeinrichtung, insbesondere im Bereich der Sensorlage, im Speziellen des leitfähigen Sensorabschnitts, zu detektieren. Die Auswerteeinrichtung ist insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, das Antwortsignal mit dem Anregungssignal oder dessen Parametern, insbesondere dessen Phase, zu vergleichen, um die Änderung der Sensorkapazität zu detektieren.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Signalgeneratoreinrichtung zur Erzeugung eines Rechtecksignals als das Anregungssignal ausgebildet ist. Die Ausbildung des Anregungssignals als Rechtecksignal hat den Vorteil, dass dieses programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch wesentlich einfacher erzeugbar ist im Vergleich zu einem sonst üblicherweise verwendeten Sinussignal.
Für das Rechtecksignal ist es nur notwendig, digital zwischen „High“ und „Low“ zu schalten, es ist jedoch nicht notwendig, eine Vielzahl von Zwischenwerte anzusteuern, die die jeweiligen ansteigenden Sinusflanken definieren. Damit kann die Erfindung auf einer wesentlich einfacheren Hardware umgesetzt werden, wobei die Hardware keinen Sinusgenerator oder entsprechende Oszillatoren benötigt. Im Ergebnis ist es möglich, die Handerkennungsvorrichtung im Aufbau wesentlich zu vereinfachen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Signalgeneratoreinrichtung zumindest abschnittsweise als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet. Die digitale Datenverarbeitungseinrichtung weist mindestens einen digitalen Ausgang auf, wobei der digitale Ausgang mindestens oder genau zwei Zustände einnehmen kann. Bei dem ersten Zustand wird der digitale Ausgang bevorzugt auf Masse („Low“) geschaltet, bei dem zweiten Zustand ist der digitale Ausgang bevorzugt auf einer Signalspannung (High), insbesondere auf eine Versorgungsspannung der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung, geschaltet. Durch den Wechsel der Zustände kann die Frequenz des Anregungssignals und/oder des Rechtecksignals vorgegeben werden. Diese Konkretisierung unterstreicht nochmals die Idee, die Handerkennungsvorrichtung mit einer möglichst einfachen Hardware darstellen zu können.
Bei einer bevorzugten Konkretisierung der Erfindung ist der mindestens eine digitale Ausgang als ein GPIO ausgebildet. Ein GPIO (für engl. General Purpose Input/Output, wörtlich AllzweckeingabeAausgabe) ist ein allgemeines digitales Kontaktelement an einem integrierten Schaltkreis (IC), dessen Verhalten, unabhängig, ob als Eingabe- oder Ausgabekontakt, durch logische Programmierung frei bestimmbar ist. Ein derartiger Ausgang ist bei handelsüblichen Microcontrollern standardmäßig vorhanden und erzeugt quasi keine Hardwarekosten im Vergleich zu einem analogen Ausgang oder einem Signalgenerator.
Bei einer bevorzugten schaltungstechnischen Umsetzung weist die Signalgeneratoreinrichtung mindestens einen Teilungswiderstand auf, wobei der Teilungswiderstand in Serie mit dem mindestens einen digitalen Ausgang, insbesondere dem GPIO, angeordnet ist. Durch den in Serie geschalteten Teilungswiderstand kann insbesondere eine Amplitude von dem Anregungssignal definiert werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die digitale Datenverarbeitungseinrichtung zwei der digitalen Ausgänge auf. Vorzugsweise sind beide digitale Ausgänge jeweils als ein GPIO ausgebildet und können mindestens oder genau die beschriebenen Zustände einnehmen. Die digitalen Ausgänge nehmen die Zustände gegengleich ein, wobei die zwei Ausgänge bevorzugt über ein Toggeln umgeschaltet werden. Die Signalgeneratoreinrichtung weist zwei der Teilungswiderstände auf, wobei jeweils einer der Teilungswiderstände in Serie mit einem der Ausgänge angeordnet ist. Die Teilungswiderstände sind zusammengeführt, so dass ein gemeinsames Anregungssignal gebildet ist. Beispielsweise sind die Teilungswiderstände an einem Ende mit dem jeweiligen digitalen Ausgang und am anderen Ende miteinander leitend verbunden. Durch das Zusammenführen der Teilungswiderstände wird das gemeinsame Anregungssignal gebildet. Zugleich werden durch die Teilungswiderstände ein gemeinsamer Teilungswiderstand gebildet. Betrachtet man die Ausgestaltung mit nur einem digitalen Ausgang, so kann dieser zwischen der Spannung und der Masse hin und her geschaltet werden, so dass das resultierende Rechtecksignal ebenfalls zwischen Masse und der Spannung oder einer angepassten Spannung geändert wird. Für den Fall, dass Störungen auftreten, wird der Spannungslevel insbesondere in dem Zustand „High“ stark verändert. Durch die Nutzung von zwei digitalen Ausgängen in der beschriebenen Beschaltung wird erreicht, dass das Lowsignal einen ersten Spannungslevel und das Highsignal einen zweiten Spannungslevel aufweist, wobei beide Spannungslevel unterhalb der Spannung der digitalen Ausgänge und/oder oberhalb von Masse sind. Durch diese Beschaltung kann das Rechtecksignal stabiler dargestellt worden. Nachdem die meisten elektronischen Bauteile ohnehin zwei oder mehr der digitalen Ausgänge, insbesondere der GPIO aufweisen, führt die verbesserte Sicherheit der Handerkennungsvorrichtung zu keinen erhöhten Kosten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung bildet die Signalgeneratoreinrichtung einen oder den ggf. gemeinsamen Teilungswiderstand oder weist diesen auf. Der Teilungswiderstand bildet mit der beschriebenen Sensorkapazität einen RC- Spannungsteiler, wobei die Signalerfassungseinrichtung das Antwortsignal in einem Mittelabgriff des RC-Spannungsteilers erfasst. Zumindest ist ein Eingang der Signalerfassungseinrichtung galvanisch mit diesem Mittelabgriff des RC- Spannungsteilers verbunden.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, über eine Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal die Änderung der Sensorkapazität zu detektieren. Zur Bestimmung der Phasenverschiebung wird das Antwortsignal abgetastet und aufgenommen. Das Anregungssignal ist prinzipiell bekannt, so dass nur die Phasenlage des Anregungssignals benötigt ist. Somit ist es nicht notwendig, zwei Signalverläufe miteinander zu verarbeiten, sondern nur das Antwortsignal zu verarbeiten, um die Phasenverschiebung zu erhalten.
Bei einer bevorzugten Umsetzung der Handerkennungsvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, die Phasenverschiebung über eine zeitdiskrete und wertdiskrete, digitale Implementierung einer Fouriertransformation und/oder Fourierreihe zu bestimmen. Durch diese Berechnungsmethode kann die Phasenverschiebung zuverlässig und einfach bestimmt werden.
Besonders bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, die Phasenverschiebung ausschließlich für die Hauptfrequenz, insbesondere Generatorfrequenz, des Anregungssignals zu bestimmen. Die Hauptfrequenz des Anregungssignals ist dabei insbesondere die Frequenz von dem ersten Signalterm bei einer Zerlegung des Anregungssignals in ein Spektrum. Nachdem nur die Phasenverschiebung zwischen dem Rechtecksignal als Anregungssignal und dem Antwortsignal berechnet werden soll, ist die Berechnung der Hauptfrequenz ausreichend.
Bei möglichen Weiterbildungen der Erfindung können auch höhere Frequenzen berücksichtigt werden, um zum Beispiel Kontrollberechnungen oder Ähnliches durchzuführen.
Bei einer möglichen Implementierung der Detektion der Phasenverschiebung, wird ein Goertzelalgorithmus eingesetzt, welcher aus der Literatur bekannt ist. Der Goertzelalgorithmus ist eine numerische Implementierung der Integrale zur Berechnung der komplexen Spektralanteile bei der Fourierreihe. Als Ergebnis liefert der Goertzelalgorithmus eine Phasenlage des Antwortsignals, wobei über die Phasenlage und die bekannte Phasenlage des Anregungssignals die Phasenverschiebung ermittelt werden kann.
Konstruktiv kann die Sensorlage unabhängig von einem Heizmattenabschnitt von einer Lenkradheizung ausgebildet sein. Mit dem Ziel, die Teile in der Lenkradeinrichtung zu verringern, kann auch vorgesehen sein, dass die Sensorlage, insbesondere der Sensorabschnitt, als ein Heizmattenabschnitt von der Lenkradheizung ausgebildet ist. In dieser Ausgestaltung nimmt der Heizmattenabschnitt und/oder die Sensorlage eine Doppelfunktion ein, nämlich zum einen das Antwortsignal zu definieren und zum anderen die Lenkradeinrichtung zu heizen.
Interessanterweise ist es möglich, dass die Signalerfassungseinrichtung am gleichen Mittelabgriff des RC-Spannungsteilers angreifen. Das Anregungssignal wird somit nicht durch die Sensorlage durchgeführt, sondern die Sensorlage nur angekoppelt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch die Sensorlage seriell, insbesondere seriell galvanisch verbunden, zwischen der Signalgeneratoreinrichtung und der Signalerfassungseinrichtung angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung muss das Anregungssignal tatsächlich durch die Sensorlage durchlaufen, um zur Signalerfassungseinrichtung zu gelangen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch die Erfassung des Antwortsignals zugleich bestimmt werden kann, ob Leitungsunterbrechungen in der Sensorlage vorhanden sind. Somit kann die Handerkennungsvorrichtung ergänzend einen Selbstcheck und/oder eine Sicherungsfunktion übernehmen, da bei dem von der Signalerfassungseinrichtung erfassten Antwortsignal in einfacher Weise zu bestimmen ist, ob dieses von dem Anregungssignal generiert wurde. Beispielsweise muss nur nach der Hauptfrequenz und/oder Generatorfrequenz des Rechtecksignals gesucht werden, falls dieses unter einem Grenzwert ist, gilt die Übertragung als gestört.
Bei einer bevorzugten schaltungstechnischen Umsetzung umfasst die digitale Datenverarbeitungseinrichtung die Signalerfassungseinrichtung und die Auswerteeinrichtung neben dem Abschnitt der Signalgeneratoreinrichtung, insbesondere ohne die externe Schaltung.
Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die digitale Datenverarbeitungseinrichtung als ein Microcontroller ausgebildet ist. Derartige Microcontroller sind als sehr günstige Bauteile in großer Stückzahl erhältlich, so dass die Vereinfachung der Handerkennungsvorrichtung zu einer interessanten Kostenersparnis führt im Gegensatz zu Handerkennungsvorrichtung, die als Anregungssignal eine Sinuswelle benötigen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Lenkradanordnung mit einer oder der Lenkradeinrichtung diese zuvor beschrieben wurde sowie der Handerkennungsvorrichtung, wie diese zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
Figur 1 in einer schematischen Darstellung eine Handerkennungsvorrichtung in einer Lenkradanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 in gleicher Darstellung eine alternative Handerkennungsvorrichtung in einer Lenkradanordnung als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 3 ein schematischer Schaltplan von der Handerkennungsvorrichtung der vorhergehenden Figuren zur Erläuterung des Messprinzips;
Figur 4 ein Schaltplan von der Handerkennungsvorrichtung in der Figur 1 ohne die Komponenten der Lenkradheizung;
Figur 5 ein Schaltplan von der Handerkennungsvorrichtung in der Figur 2 ohne die Komponenten der Lenkradheizung;
Figur 6 ein Spektrum des Antwortsignals in der Handerkennungsvorrichtung in den vorhergehenden Figuren.
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Handerkennungsvorrichtung 1 für eine Lenkradeinrichtung 2 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Handerkennungsvorrichtung 1 hat die Funktion zu detektieren, ob auf der Lenkradeinrichtung 2 mindestens eine Hand von einem Fahrer aufgelegt ist oder ob die Lenkradeinrichtung 2 berührungsfrei ist.
Die Lenkradeinrichtung 2 weist ein Lenkradskelett 3 auf mit - in diesem Ausführungsbeispiel - einem umlaufenden Lenkring 4, welcher ergänzend mit seinen Lagen schematisiert dargestellt ist. Der Lenkring 4 kann mit dem Lenkradskelett einteilig ausgebildet sein, alternativ sind Lenkring 4 und Lenkradskelett 3 zwei unterschiedliche Bauteile, die jedoch elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Auf dem Lenkring 4 ist eine äußere Abstandsschicht 5, wie zum Beispiel eine Lederummantelung oder Kunststoffummantelung angeordnet. Daran angrenzend befindet sich eine Heizmattenlage 6, welche zugleich eine Sensorlage 7 bildet. Über eine Schaumschicht 8 liegt der Schichtaufbau an dem Lenkring 4 an.
In dem gezeigten Querschnitt ist zu erkennen, dass die Heizmattenlage 6 und/oder die Sensorlage 7 durch eine um den Lenkradring 4 gewickelte, leitfähige Wärmeleitung gebildet ist. Damit bildet die Sensorlage 6 mindestens einen leitfähigen Sensorabschnitt 9 aus. Eingangsseitig ist die Heizmattenlage 6 über ein erstes Schaltelement 10 mit einer Versorgungsspannung 11 des Fahrzeugs verbunden. Ausgangsseitig ist die Heizmattenlage 6 über ein zweites Schaltelement 12 mit einer Masse 13 des Fahrzeugs verbunden.
Die Handerkennungsvorrichtung 1 weist eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung 14 auf, wobei die digitale Datenverarbeitungseinrichtung 14 eine Signalgeneratoreinrichtung 15 zumindest mitbildet sowie eine Signalerfassungseinrichtung 16 und einer Auswerteeinrichtung 17 bildet. Die Signalgeneratoreinrichtung 15 ist programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, ein periodisches Anregungssignal 22 (Figur 3) zu bilden, wobei das periodische Anregungssignal 22 über einen Teilungswiderstand 18 in die Sensorlage 7, insbesondere den leitfähigen Sensorabschnitt 9 eingekoppelt wird.
Betrachtet man die Sensorlage 7, insbesondere den leitfähigen Sensorabschnitt 9, so kann dieser im Sinne von einem Ersatzschaltbild als eine Sensorkapazität 19 dargestellt werden, wobei die Sensorkapazität 19 gegenüber dem Lenkradskelett 3 und damit einer Masse des Fahrzeugs, zum Beispiel der Masse 13, definiert ist. Das Anregungssignal 22 durchläuft die Sensorlage 7 oder koppelt an diese an und wird von einem Analogdigitalwandler 20 als Antwortsignal 23 (Figur 3) erfasst. Der Analogdigitalwandler 20 wird von der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung 14 bereitgestellt und ist beispielsweise als ein 12-Bit ADC ausgebildet. In der Auswerteeinrichtung 17 wird das Antwortsignal 23 ausgewertet und auf Basis der Auswertung ein Auflegen und/oder Entfernen von mindestens einer Hand auf der Lenkradeinrichtung 2 detektiert.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine einlagige Lenkradeinrichtung 2, wobei die Heizmattenlage 6 und die Sensorlage 7 durch eine einheitliche leitfähige Lage gebildet werden („One Layer mit Heizung“). Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Heizmattenlage 6 und die Sensorlage 7 auch galvanisch voneinander getrennt sein. Für die in der Figur 1 dargestellten Konfiguration ist es bevorzugt, dass die Versorgung der Heizmattenlage 6 mit dem Heizstrom und die Erfassung des Antwortsignals 23 durch die Signalerfassungseinrichtung 16 abwechseln, insbesondere in einem zeitlichen Multiplexen erfolgt, so dass Ströme sich nicht wechselseitig stören.
Die Detektion des Auflegens und/oder Entfernens von mindestens einer Hand auf der Lenkradeinrichtung 2 wird durch Auswertung der Phasenlage des Antwortsignals 23 relativ zu der Phasenlage von dem Anregungssignal 22, also in Abhängigkeit einer Phasenverschiebung 24 (Figur 3) bestimmt. Die grundlegende Idee ist dabei, dass durch den Teilungswiderstand 18 und die Sensorkapazität 19 ein RC- Spannungsteiler gebildet ist, der in Abhängigkeit des Wertes der Sensorkapazität 19 die Phasenverschiebung 24 zwischen Anregungssignal 22 und Antwortsignal 23 bewirkt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist der Eingang zu der Signalerfassungseinrichtung 16 optional über einen Widerstand unmittelbar mit einem Mittelabgriff 21 des RC-Spannungsteilers, umfassend den Teilungswiderstand 18 und die Sensorkapazität 19, verbunden. Somit erfolgt die Kopplung zwischen der Signalgeneratoreinrichtung 15 und der Signalerfassungseinrichtung 16 mit der Sensorlage 7, insbesondere dem Sensorabschnitt 9, nur an einem Ende des Sensorabschnitts 9, wobei das andere Ende in Bezug auf die Kapazitätsdetektion offen ist. Dieses Ausführungsbeispiel erlaubt eine besonders einfache Integration der Handerkennungsvorrichtung 1.
In der Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform der Handerkennungsvorrichtung 1 gezeigt, welche sich im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass zwischen dem Mittelabgriff 21 und der Signalerfassungseinrichtung 16 seriell die Sensorlage 7, insbesondere der Sensorabschnitt 9, geschalten ist. Somit ist zwar die Signalerfassungseinrichtung 16 ebenfalls galvanisch mit dem Mittelabgriff 21 verbunden, durch die serielle Zwischenschaltung der Sensorlage 7 kann in erweiterten Ausführungsbeispielen eine Sicherheitsprüfung erfolgen, ob zum Beispiel die Sensorlage 7, insbesondere der Sensorabschnitt 9, unbeschädigt ist, indem geprüft wird, ob das Antwortsignal 23 von der Signalgeneratoreinrichtung 15 zu der Signalerfassungseinrichtung 16 gelangt.
In der Figur 3 ist das generelle Meßprinzip der Handerkennungsvorrichtung 1 exemplarisch dargestellt. Es ist die Signalgeneratoreinrichtung 15 und der Teilungswiderstand 18 sowie die Sensorkapazität 19 und die Signalerfassungseinrichtung 16 dargestellt. Der Teilungswiderstand 18 und die Sensorkapazität 19 bilden den RC-Spannungsteiler. Die Signalerfassungseinrichtung 16 ist über den Mittelabgriff 21 angeschlossen. Das Anregungssignal 22 und das Antwortsignal sind hinsichtlich der Phasenlage um die Phasenverschiebung 24 verschoben, wobei die Phasenverschiebung 24 abhängig von der Sensorkapazität 19 ist. Über die Phasenverschiebung 24 kann somit auf die Sensorkapazität 19 bzw. auf eine Änderung der Sensorkapazität 19 zurückgeschlossen werden, so dass auf diese Weise das Auflegen und/oder Entfernen einer Hand auf der Lenkradeinrichtung 2 detektiert werden kann. Das als Rechtecksignal ausgebildete, periodische Anregungssignal 22 und das periodische Antwortsignal 23 sind jeweils einer identischen Grundfrequenz ausgebildet.
Das Verfahren zur Detektion kann wie folgt umgesetzt werden: Die Messung der Sensorkapazität 19 der Sensorlage 7 in der Lenkradeinrichtung soll über die Verwendung eines periodisch angeregten komplexen Spannungsteilers, ausgebildet als RC-Spannungsteiler, verwirklicht werden. Das Antwortsignal 23 am Mittelabgriff 21 wird zur Kapazitätsbestimmung abgetastet und verarbeitet. Dabei soll bevorzugt nur ein handelsüblicher Automotive pC verwendet werden (NXP S32K1/3, Infineon Aurix, ...) und zugehörige passive Bauteile sowie ESD Schutz.
Messung von C_sensor als Sensorkapazität 19 über die Phasenverschiebung 24 von dem Antwortsignal 23 zu dem Anregungssignal 22: Durch Abtastung von dem Antwortsignal 23 und dem Teilungswiderstand 18 als R_div kann die Phasenverschiebung 24 als tancp zwischen dem Anregungssignal 22 und dem Antwortsignal ermittelt werden:
Figure imgf000014_0001
Daraus lässt sich die Sensorkapazität 19 als C_Sensor bestimmen:
Figure imgf000014_0002
Bestimmung der Phase aus einer Abtastfolge:
Um die Phase <p der gesuchten Frequenzkomponente des Antwortsignals 23 zu ermitteln ist eine Mehrfachabtastung nötig. Diese sollte mindestens 10 Abtastwerte pro Periode des Anregungssignals 22 liefern (mindestens fünf Punkte pro Halbwelle liefern bereits guten Fit). Das Abtastintervall sollte entweder ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Anregungssignals 22 sein, dann ist die Frequenz des Anregungssignals 22 exakt im Spektrum enthalten, oder ein Vielfaches der Periode betragen, um eine befriedigende Auflösung im Frequenzbereich zu erhalten.
Je länger das Abtastintervall gewählt ist desto rauschärmer ist das Ergebnis auf der einen Seite, desto höher ist aber auch der Rechenaufwand zur Ermittlung der Phase (steigt quadratisch an). Nach erfolgter Abtastung der N Abtastwerte wird das komplexe Spektrum der Folge N ermittelt, welches die Amplitude und Phase der Frequenz von dem Antwortsignal 23 enthält.
Da nur an Phase und Amplitude der Frequenz des Antwortsignal 23 Interesse besteht (beim Anregungssignal bekannt), ist zur Ermittlung der Phase und Amplitude der Goertzelalgorithmus geeignet, er ist die numerische Implementierung der Integrale zur Errechnung der komplexen Spektralanteile bei der Fourier-Reihe.
Integral zur Ermittlung der In-phase und Quadratur Komponenten der Frequenz k:
Figure imgf000015_0001
Benötigt werden diese Werte allerdings nur für die Frequenz (Hauptfrequenz/Generatorfrequenz) des Antwortsignals 23. Der Goertzelalgorithmus erlaubt die Berechnung bei einer einzigen Frequenz:
Algorithmus zur Implementierung der Integrale in Microcontroler oder Logik (Goertzlalgorithmus):
„function [a,b] = goertzel(A,k,N) % Array mit min N Elementen, k zu berechnende Frequenzkomponente aus A , N w = 2*pi*k/N; cw = cos(w); c = 2*cw; sw = sin(w); z1 =0; z2=0; % init for n = 1 : N zO = A(N-n+1) + c*z1 - z2; z2 = z1 ; z1 = zO; end a = cw*z1 - z2; b = sw*z1 ; %a Inphase Komponente zur Frequenz end”
Der Phasenwinkel bzw. die Phasenlage berechnet sich dann als b/a mit der Frequenz des Antwortsignals 23. Aus der bekannten Phasenlage des Anregungssignals und dem Phasenwinkel/Phasenlage des Antwortsignals 23 kann die gesuchte Phasenverschiebung 24 abgeleitet werden. Zur Errechnung von Phase und Amplitude sind beim Goertzelalgorithmus pro Frequenzanteil des Spektrums 2N+2 Additionen (oder Subtraktionen, je nach Phasenlage) und 2N Multiplikationen notwendig. Die Blockgröße N ist frei wählbar und muss nicht einer 2er Potenz wie beim FFT Algorithmus entsprechen.
Da ein Sinusgenerator teuer ist, wird ein Generator mit Rechteck-Signalform eingesetzt, dieser ist Teil des Schaltbildes in den Figuren 4 und 5, die dem Aufbau in der Figur 1 bzw. 2 entspricht, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Die Handerkennungsvorrichtung 1 , insbesondere die digitale Datenverarbeitungseinrichtung 14, weist zwei digitale Ausgänge 25 a, b auf, wobei die digitalen Ausgänge 25 a, b als GPIO ausgebildet sind, welche einen ersten Zustand einnehmen können, wobei an dem Ausgang 25 a, b Masse anliegt und einen zweiten Zustand einnehmen können, wobei an dem Ausgang 25 a, b ein Spannungssignal, insbesondere die Versorgungsspannung der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung 14 anliegt. Jedem der digitalen Ausgänge 25 a, b ist ein Teilungswiderstand 26 a, b seriell nachgeschaltet, wobei die Teilungswiderstände 26 a, b gemeinsam den Teilungswiderstand 18 ergeben.
Das Rechtecksignal als Anregungssignal 22 wird mittels der zwei digitalen Ausgänge
25 a, b, also der GPIO Ausgängen, realisiert. Mit den beiden Teilungswiderständen
26 a, b als R_drv_up und R_drv_down kann eine Signalamplitude A_gen eingestellt werden. Der Mittelwert der Rechteckspannung ist die halbe Betriebsspannung V_dd.
Figure imgf000017_0001
Vdd
Vgen
2
Der effektive Widerstand R_div des Teilungswiderstands 18 des komplexen Spannungsteilers ergibt sich aus den beiden GPIOs als Spannungsquellen V_dd und den Teilungswiderständen 26 a, b bzw. R_drv_up, R_drv_down.
Mit Verwendung des Helmholtz Satz für lineare Spannungsquellen ergibt sich für den gemeinsamen Teilungswiderstand:
Figure imgf000017_0002
Das Rechtecksignal als Anregungssignal 22 der Signalgeneratoreinrichtung 15 enthält folgendes Spektrum:
Figure imgf000017_0003
Das Rechtecksignal als Anregungssignal 22 wird nun mittels des linearen
Spannungsteilers (RC-Spannungsteiler) abgebildet, der folgende Übertragungsfunktion hat:
Figure imgf000017_0004
Setzt man das Anregungssignal 22 in die Übertragungsfunktion des Spannungsteilers ein ergibt sich für die Spannung am Sensor, also für das Antwortsignal 23:
Figure imgf000018_0001
Aus dieser Darstellung kann man direkt das Spektrum des Sensorsignals als Antwortsignal 23 ablesen und folgende Schlüsse ziehen:
Jede Frequenzkomponente des Generatorsignals/Anregungssignals 22 wird auf die Komponente gleicher Frequenz im Sensorsignal/Antwortsignal 23 abgebildet. Eine Abbildung zu Komponenten anderer Frequenzen oder neuen Frequenzen im Sensorsignal gibt es nicht (lineare Übertragungsfunktion)
In dem Sensorsignal/Antwortsignal 23 ist ein Sinussignal enthalten mit genau der Generatorfrequenz f_gen des Rechtecksignals als Anregungssignal 22 und komplexer Amplitude
Figure imgf000018_0002
und die Phase oder Amplitude kann zur Bestimmung von C als Sensorkapazität 19 bei bekanntem R als Teilungswiderstand 18 herangezogen werden.
Entsprechend sind Sinusschwingungen mit der dreifachen, fünffachen ... Frequenz der Grundschwingung (Generatorfrequenz/Hauptfrequenz/f_gen) enthalten mit charakteristischen Phasen und Amplituden.
Durch Überprüfung dieses charakteristischen Amplitudenprofiles können die Berechnungen von C gegen Störungen von außen in diesen Frequenzen verifiziert werden (EE, EMV). Die Figur 6 zeigt das Spektrum des Antwortsignals 23, wobei zu erkennen ist, dass der Hauptpeak mit der Generatorfrequenz f_gen isoliert zu den weiteren Frequenzen mit der dreifachen, fünffachen ... Frequenz der Grundschwingung (Generatorfrequenz/Hauptfrequenz/f_gen) im Spektrum angeordnet ist. Somit ist der Nachweis erbracht, dass über die Auswertung der Frequenz der Rechteckspannung als Generatorfrequenz f_gen, die Sensorkapazität 19 bzw. deren Änderung bestimmt werden kann.
Durch die Verwendung der digitalen Ausgänge 25 a, b können für die digitale Datenverarbeitungseinrichtung 14 konventionelle Microcontroller verwendet werden. Eine beispielhafte Konfiguration der Ausführungsbeispiele in den Figuren 4 un5 sehen die folgende Werte vor:
Teilungswiderstand 26a: 34,8k
Teilungswiderstand 26b: 20k
Vorwiderstand vor dem Analogdigitalwandler 20: 20k
Auslegung bei Ansatz mit pC:
Figure imgf000019_0001
Bezugszeichen
Handerkennungsvorrichtung
Lenkradeinrichtung
Lenkradskelett
Lenkring äußere Abstandsschicht
Heizmattenlage
Sensorlage
Schaumschicht
Sensorabschnitt erstes Schaltelement
Versorgungsspannung zweites Schaltelement
Masse digitale Datenverarbeitungseinrichtung
Signalgeneratoreinrichtung
Signalerfassungseinrichtung
Auswerteeinrichtung
Teilungswiderstand
Sensorkapazität
Analogdigitalwandler
Mittelabgriff
Anregungssignal
Antwortsignal
Phasenverschiebung a,b digitale Ausgänge a,b Teilungswiderstand

Claims

Patentansprüche
1 . Handerkennungsvorrichtung (1 ) für eine Lenkradeinrichtung (2) eines Fahrzeugs mit einer Sensorlage (7), wobei die Sensorlage (7) mindestens einen leitfähigen Sensorabschnitt (9) aufweist, mit einer Signalgeneratoreinrichtung (15), wobei die Signalgeneratoreinrichtung (15) zur Erzeugung eines Anregungssignals (22) ausgebildet ist, wobei die Signalgeneratoreinrichtung (15) mit der Sensorlage (7) gekoppelt ist, um das Anregungssignals (22) auf die Sensorlage (7) zu übertragen, mit einer Signalerfassungseinrichtung (16) zur Erfassung eines Antwortsignals (23) auf das Anregungssignal (22) aus der Sensorlage (7), wobei die Signalgeneratoreinrichtung (16) mit der Sensorlage (7) gekoppelt ist, um das Antwortsignal (22) auf die Signalerfassungseinrichtung (16) zu übertragen, mit einer Auswerteeinrichtung (17), wobei die Auswerteeinrichtung (17) ausgebildet ist, auf Basis des erfassten Antwortsignals (23) eine Änderung einer Sensorkapazität (19) durch Auflegen und/oder Entfernen von mindestens einer Hand auf die Lenkradeinrichtung (2) zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeneratoreinrichtung (15) zur Erzeugung eines Rechtecksignals als das Anregungssignal (22) ausgebildet ist.
2. Handerkennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeneratoreinrichtung (15) zumindest abschnittsweise als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung (14) ausgebildet, wobei die digitale Datenverarbeitungseinrichtung (14) mindestens einen digitalen Ausgang (25a, b) aufweist, wobei an dem digitalen Ausgang (25a, b) als Zustände eine Masse oder eine Spannung anliegt, wobei durch den Wechsel der Zustände die Frequenz (f_gen) des Anregungssignals (22) vorgebbar ist.
3. Handerkennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine digitale Ausgang (25a, b) als ein GPIO ausgebildet ist.
4. Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeneratoreinrichtung (15) mindestens einen Teilungswiderstand (18, 26a, b) aufweist, wobei der Teilungswiderstand (18, 26a, b) in Serie mit dem mindestens einen digitalen Ausgang (25a, b) angeordnet ist.
5. Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Datenverarbeitungseinrichtung (14) zwei der digitalen Ausgänge (25a, b) aufweist, wobei die digitalen Ausgänge (25a, b) gegengleich die Zustände einnehmen und wobei die Signalgeneratoreinrichtung (15) zwei der Teilungswiderstände (26a, b) aufweist, wobei jeweils ein Teilungswiderstand (26a, b) in Serie mit einem digitalen (25a, b) Ausgang angeordnet ist, wobei die Teilungswiderstände (26a, b) zusammengeführt sind, so dass ein gemeinsames Anregungssignal (22) gebildet ist und wobei die Teilungswiderstände (26a, b) einen gemeinsamen Teilungswiderstand (18) bilden.
6. Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeneratoreinrichtung (15) einen oder den Teilungswiderstand (18, 26a, b) aufweist, wobei der Teilungswiderstand (18, 26a, b) mit der Sensorkapazität (19) einen RC-Spannungsteiler bildet und wobei die Signalerfassungseinrichtung (16) das Antwortsignal (23) in einem Mittelabgriff (21 ) des RC-Spannungsteilers erfasst.
7. Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (17) ausgebildet ist, über eine Phasenverschiebung (24) zwischen dem Anregungssignal (22) und dem Antwortsignal (23) die Änderung der Sensorkapazität (19) zu detektieren.
8. Handerkennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (17) ausgebildet ist, die Phasenverschiebung (24) über eine zeitdiskrete und wertdiskrete, digitale Implementierung einer Fouriertransformation und/oder Fourierreihe zu bestimmen.
9. Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (17) ausgebildet ist, die Phasenverschiebung (24) über die Bestimmung der Phasenlage des Antwortsignals (23) über einen Goertzelalgorithmus zu bestimmen.
10. Handerkennungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorlage (7) als ein Heizmattenlage (6) von einer Lenkradheizeinrichtung ausgebildet ist.
11 . Handerkennungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorlage (7) seriell zwischen der Signalgeneratoreinrichtung (15) und der Signalerfassungseinrichtung (16) angeordnet sind.
12. Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Datenverarbeitungseinrichtung (14) die Signalerfassungseinrichtung (16) und die Auswerteeinrichtung (17) umfasst.
13. Handerkennungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Datenverarbeitungseinrichtung (14) als Microcontroller ausgebildet ist.
14. Lenkradanordnung mit einer Lenkradeinrichtung (2) sowie der Handerkennungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
PCT/EP2023/054507 2022-03-09 2023-02-23 Handerkennungsvorrichtung für eine lenkradeinrichtung sowie lenkradanordnung mit der handerkennungsvorrichtung WO2023169825A1 (de)

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