用于检测车辆座位乘用状态的方法及系统 【技术领域】
本发明一般涉及车辆座位乘用状态的检测，特别地，涉及使用电容式检测系统的检测。
背景技术
如这里所使用的，乘员检测系统是指适合于对车辆座位的乘用状态进行检测的系统。一些电场传感器或近程传感器所称的电容式传感器特指响应于在电容式传感器所发射的电场作用下被感测的事物(人、人身体的部分、宠物、物体等)的影响来产生信号的传感器。电容式传感器一般包含至少一个电极，当传感器工作时，对该电极施加振荡电信号，并且随即该电极向该电极附近空间的区域中发射电场。当人或物体置于该空间区域中时，其与电场发生相互作用，并且通过电容式传感器对该相互作用进行检测。
在乘用感测领域中，已知电容式传感系统和相关方法的许多变体。本发明使用包括至少一个天线电极的电极布置，当工作时，该天线电极将电场发射到车辆座位上方的空间区域中。这样，天线电极和位于乘客舱中与第一电极相对的接地表面、或者车辆中的任何其它导电表面(例如，第二天线电极)构成了电容器的电容器板。座位的乘用项可以乘用这些电容器板之间的空间。如这里所使用的，术语“乘用项”可以特指能够乘用车辆座位的任何物体或者生物，例如，放置在座位上的乘员、物体、宠物、儿童座椅(其中有儿童或者没有儿童)等。因此，该电容器的电容取决于座位的乘用状态(即取决于是否成人、儿童、宠物、空置或乘用的儿童座椅等放置于其上)。
可选地，为了降低系统关于位于天线电极之后空间(从位于车辆座位上方的空间区域看)的灵敏度，已知在天线电极下面提供所谓的屏蔽电极，并且以与天线电极基本相同的电压驱动屏蔽电极。在该上下文中，“相同电压”意味着具有相同幅度和相位的电压。本领域的技术人员将意识到，这种屏蔽电极和车辆舱的接地表面构成了另一个电容器，其电容取决于屏蔽电极之后的物体，例如，座架、座板、座加热器等。只要屏蔽电极与天线电极在基本相同的电位上，两个电极之间的电场就基本为零。这为天线电极提供了对任何相关的不确定性以及屏蔽电极和车辆接地之间电容变化的屏蔽，并且显著增加了天线电极在乘员方向的灵敏度。
例如，已经在EP 1457391A1中提议了这种电容式座位乘用分类系统和方法。在机器人领域中用于电容式近程感测目的的类似的电极结构从US5,166,679(Vranish等)中已知。
电容式乘员检测系统的挑战是对湿座套的可靠检测，其可能导致错误的乘员检测。Stanley的US专利6,392,542教导了包含电极布置的电场传感器，其具有可安装在座位中、并且可操作耦合到感测电路的天线电极和屏蔽电极，该感测电路在对座位潮湿“最弱响应”情况下将振荡或者脉冲信号施加到电极。Stanley提议了对响应于施加在天线电极上的、频率优选大于400kHz的电压而流向天线电极的电流的相位和幅度进行测量，以便对乘用或者空闲的座位进行检测并且对座位潮湿进行补偿。
技术问题
本发明的目标是提供改进的车辆座位乘用状态检测。通过权利要求1中所述的方法和权利要求5中所述的系统实现该目标。
【发明内容】
对车辆座位乘用状态检测的方法包括：将电场发射到车辆座位上方的检测区域中，对当检测区域中的乘用项与电场相互作用时由乘用项可影响的电容进行测量，确定所测量电容的波动，对这些波动的频谱进行分析，并且基于所测量电容和频谱得到车辆座位的乘用状态。这样，所测量电容代表乘用状态的第一指示符，而频谱(或者同样地，波动)代表乘用状态的第二指示符。
优选地，由乘用项可影响的电容包括车辆座位中的天线电极和车辆接地之间的电容。附加地或者可替换地，由乘用项可影响的电容包括车辆座位中的第一天线电极和车辆座位中的第二天线电极之间的电容。
根据本发明的第二方面，提议了乘员检测系统，其包括：用于放置在自动车辆座位中的电极布置，该电极布置包括用于将电场发射到车辆座位上方的检测区域中的天线电极以及可操作连接到天线电极的估计电路。对估计电路进行配置和布置，以便对通过检测区域中的乘用项与电场的相互作用由该乘用项可影响的电容进行测量。进一步对估计电路进行配置和布置，以便确定所测量电容的波动，对波动的频谱进行分析，并且基于所测量的电容和频谱得到车辆座位的乘用状态。
发明人已经意识到，由乘用项所影响的电容的波动(即，在一定时间期间所记录的电容测量的序列)不仅是孤立的电容测量本身，还代表了乘用状态的附加指示符。到目前为止，将电容波动视为干扰并且一直在诸如通过数据平滑减少测量“噪声”方向上进行努力。目前，尚未发现利用波动谱作为座位乘用的附加指示符。本领域的技术人员将意识到，汽车、座位和乘员一起构成了具有多种振荡模式和对应的特征频率的机械振荡器的复杂系统。已经发现，可以从所测量电容的波动中得到坐在汽车座位上的人的特征频率。特别地，波动的频谱包括一定数目的、由座位及其可能乘员或者放置在其上的物体施加的振动造成的波峰。这些振动以及因此的特定频谱波峰集合是座位乘用状态的特征，即，它是空的、成年人乘用的、还是儿童座椅等。因此，对波动的频谱的分析优选涉及从0.25Hz一直到25Hz的范围，并且更优选从0.5Hz到25Hz。如应意识到的，一方面，电容自身的测量主要取决于乘用项的电属性，即乘用项是良好的电导体还是更像电介质。乘用项的大小和质量可以对电容有影响，但典型地仅在较小程度上对电容有影响。另一方面，电容的频谱波动首要取决于乘用项的机械属性，例如，大小、重量、重量分布等。因此，在一定意义上，两个指示符是相互独立的，这样增加了估计电路可用的用于进行乘用状态估计的信息。
根据乘员检测系统的优选实施例，电极布置包含单一天线电极。在该情况下，由乘用项可影响的电容包含单一天线电极和汽车接地之间的电容。电极布置优选包含与天线电极重叠的屏蔽电极，并且其与天线电极夹有电绝缘层。在电容测量期间，估计电路优选以与天线电极相同的电压驱动屏蔽电极，使得天线电极对屏蔽电极之后发生的情况基本没有感觉。本发明在“天线电极”和“屏蔽电极”之间进行了区分：然而，应该注意到，天线电极可能与屏蔽电极具有类似或者相同的结构。为了本发明的目的，天线电极是当系统使用时发射或者接收与乘用项相互作用的电场的电极；当系统使用时，屏蔽电极对相关天线电极从后面进行屏蔽。
根据乘员检测系统的另一个优选实施例，电极布置包含第一天线电极和第二天线电极，其中可以以汽车座位上的乘用项影响第一和第二天线电极之间电场的方式将第一天线电极和第二天线电极布置在汽车中。在该情况下，由乘用项可影响的电容包含第一和第二天线电极之间的电容。优选地，将第一和第二天线电极相邻放置在汽车座位的覆盖表面下(即，在座位表面下基本相同的平面中)。第一和第二天线电极优选与座位表面距离相同，但是它们也可以与座位表面距离不同。然而，不应该将它们互相重叠。由于乘用项将很难影响延伸通过重叠区域的电场线，所以它们优选也不重叠。本领域的技术人员将意识到，可以将天线电极并排放置在相同的座位部分(座椅部分或者座位靠背)内，或者可以将第一天线电极放置在座椅部分中而将第二天线电极放置在座椅靠背中。还可以将第二天线电极布置在与车辆座位密切相关的搁脚空间(foot well)中，或者位于汽车座位之前的仪表盘部分中。在该乘员检测系统的实施例中，估计电路可以在第一天线电极上施加振荡电压，并且对在第二天线电极中通过电场所感生的电流或者电荷进行测量。估计电路还可以对第一电极中的电流或者电荷进行测量。估计电路还可以将振荡电压施加给第二天线电极。在该情况下，第二天线电极上的振荡电压优选与第一天线电极上的电压具有相同的幅度，但相反的相位。由于估计电路可以确定天线电极对之间的电容耦合，所以可以将具有至少两个天线电极的实施例称为“耦合”模式布置。
优选地，在这种“耦合模式”布置中，第一天线电极具有与其重叠的第一屏蔽电极，使得第一天线电极和第一屏蔽电极之间夹有电绝缘层。最优选地，第二天线电极也具有与其重叠的第二屏蔽电极，使得第二天线电极和第二屏蔽电极之间夹有电绝缘层。
本领域的技术人员将意识到存在用于确定电容的许多方式，例如，通过测量天线电极的充电时间、对于给定的所施加电压的电荷累积、响应于所施加的一定电压而流入天线电极中的电流等。
如将意识到的，可以以各种方式实现估计电路。例如，它可以包含或者实现为专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器等。
【附图说明】
现在将参考附图、通过示例的方式对本发明的优选实施例进行描述，其中：
图1是汽车座位中的乘员的示意性侧视图；
图2是电容式乘员检测系统的示意性视图；
图3是乘员检测系统的估计电路的第一实施例的简化的等效电路图；
图4是机械振荡器系统汽车-座位-乘员的示意性说明；
图5是乘员检测系统的估计电路的第二实施例的简化的等效电路图；
图6是乘员检测系统的估计电路的第三实施例的简化的等效电路图。
【具体实施方式】
图1示出了坐在装配有电容式乘员检测系统14的汽车座位12中的乘员10。乘员检测系统14包括电极布置16和估计电路20，电极布置16安置在汽车座位12的座椅部分18的表面之下。在图2中更加详细地示出了该乘员检测系统14。
电极布置16包括具有基本上平面的天线电极22、基本上平面的屏蔽电极24、以及布置在电极22和24之间的电绝缘层26的夹层结构。电极布置16可能采用各种配置，例如，可以将天线电极22和屏蔽电极提供为在弹性电绝缘膜(例如，PET膜、PEN膜、PI膜等)两侧面上的印刷导电层。可替换地，可以在独立的承载膜上承载电极22、24。至少一个承载膜可以作为电绝缘隔离片。可替换地，可以使用附加的隔离片，例如，附加的膜、板或者织物。电极还可以是，通过绝缘织物(例如，经编隔离片织物)或者膜分离的导电织物层。其它合适的结构对于本领域的技术人员将是显而易见的。应该注意，每个电极可以在其外边界内构成闭合表面，但是不一定必须构成这种闭合表面。例如，每个电极可以具有其中有开口或者间隙(与具有闭合表面的形式相反)的连续导电图形的形式，例如，以在迂回路线、晶格图形、网格图形、或者这些示例的组合等上延伸的金属线的形式。应该理解，术语“基本平面的”是想要覆盖这样的电极配置：例如当电极弯曲或者起伏、但是与其侧向维度相比相对较薄时，电极不严格包含在平面中的电极配置。
在所示的实施例中，估计电路包括振荡器28(例如，压控振荡器或者数控振荡器)和电流测量电路30，所述振荡器28可操作连接到屏蔽电极24，所述电流测量电路30可操作连接到屏蔽电极24和天线电极22之间。
当电极布置16位于车辆座位18的座椅部分中(或者可替换地，座椅靠背中)时，天线电极22与周围的车辆舱接地表面32，例如，与舱顶中的金属部分、车门、仪表盘和/或地板，构成第一电容器。在参考标号34处图示了该电容器的电容(“第一”电容)。注意到第一电容取决于车辆座位12的乘用状态(即，取决于，是否是例如成年人、儿童、宠物、儿童座椅等乘用了第一电容器极板之间的空间)，是重要的。天线电极22和屏蔽电极24一起构成了第二电容器(具有在参考标号36处所图示的“第二”电容的电容)。同样，屏蔽电极24与周围的车辆舱接地表面32构成第三电容器。在参考标号38处示出了第三电容器的“第三”电容。在图2的实施例中，通过乘用项与车辆座位上方的检测区域中的天线电极22所发射的电场相互作用由乘用项可影响的电容对应于上文所提到的第一电容。
当确定电容34时，振荡器28施加振荡电压至屏蔽电极24，而电流检测电路30在天线电极22上维持具有与屏蔽电极上的电压基本相同幅度和相位的电压。因此，在电容34的测量期间，屏蔽电极24维持在与天线电极22基本相同的电势上。因此，天线电极22的灵敏度仅针对车辆座位12上方的空间。换言之，屏蔽电极24对天线电极22进行屏蔽，并且防止它与位于屏蔽电极24之后(如从天线电极22来看)的例如座椅加热器40、座椅底盘42等的物体发生电容式耦合。为了实现对天线电极22的有效屏蔽，屏蔽电极26优选在尺寸上比其稍微大一些，如图2中所示的。在图1中大致说明了当确定电容34时从天线电极发出的电场线44的路线。仅仅为了画图清楚的目的，将乘员10画成与座椅部分18相距一定距离。本领域的技术人员将意识到，响应于施加在天线电极22的具有预定幅度的振荡电压，流入天线电极22的电流取决于电容34，并且因此取决于座位12的乘用状态。因此，可以从流入天线电极22的电流中得到对电容34的测量，并且因此获得乘用状态的第一指示符。
图3示出了电容式乘员检测系统的第一实施例的(简化的)等效电路图。振荡器28将AC电压施加到屏蔽电极24。放大器46和反馈阻抗47一起构成跨阻放大器，其将天线电极22上的电压维持为基本等于屏蔽电极24上的电压。这样，跨阻放大器将流入天线电极22的电流转换成在放大器输出48处的电压。由于在该测量的任何时刻天线电极22都在与屏蔽电极24基本相同的电势上，所以通过第二电容38的电流基本上保持为零。因此，流入天线电极的电流几乎仅专门取决于第一电容34。混频器49和低通滤波器50将放大器46的AC输出转换成DC电压，该DC电压取决于第一电容34。将该电压馈送到微控制器51的模拟-数字转换器(ADC)输入。混频器50优选包含时钟矫正器，其输出正比于放大器46所输出的与屏蔽电极24上的电压同相的电压分量的DC信号和/或正比于放大器46所输出的相对于屏蔽电极24上的电压有90度-相移(-phase-shifted)的电压分量的DC信号。例如，为了校准的目的，还可以在将混频器50所输出的DC信号馈送到微控制器51之前对其进行处理。由于即使电容34基本接近于零，在放大器46的输出处存在AC电压，并且因此在低通滤波器的输出处存在信号，所以在混频器50之前或者之后优选减去该偏移量(在图中未示出)。
图4示意性地示出了由汽车、座位和乘员构成的机械振荡器的系统模型(基于IKA，RWTH Aachen的文章“Comfort Assessment of Vehicles”，从网址http://www.ika.rwth-aachen.de/lehre/kfz-labor/4_comfort_en.pdf可在线获得)。应该注意到，该模型是高度简化的。当车辆在道路上行驶时，其不均匀性转化成传送到轮胎、底盘53、马达单元、座位12和乘员10的振动。这样，造成了系统的各种机械振荡器在它们各自谐振频率上振荡的。在图4中指出了这些振荡器在z方向(图4中的垂直方向)的谐振频率的范围的示例。典型地，底盘53的谐振频率包含在从1Hz至2Hz的范围内，车轮的谐振频率包含在从大约8Hz至15Hz的范围内，并且马达单元的谐振频率在从大约12Hz至15Hz的范围内。乘员的身体也可以被认为是机械振荡器系统，其具有在2.5Hz至3Hz(身体-座位)、4Hz至5Hz(胃)、大约7Hz(心脏)、3Hz至5Hz(身体-肩膀)和大约20Hz(头部)范围内的谐振频率。本领域的技术人员应该理解，当座位12是空的或者承载物体(例如，儿童座椅、包等)时，某些谐振频率将不存在于系统中(而其它的可能存在)。例如，对于空的儿童座椅(轻绑在座位上)或者轻物体，可以观测到在高于大约10Hz频率范围内的谐振。对于轻绑的被乘用的儿童座椅，在大约7Hz时就已经可以发生谐振。如果儿童座椅轻绑于座位，谐振典型地位于25Hz以上。这样，对系统振动的分析提供了座位12乘用状态的指示。通过电容34的波动对座位的振动及其可能的乘员进行检测。
在图3的实施例中，微控制器51在预定义的时间间隔(典型地，几十秒，优选是5至30秒)期间对电容34的测量结果进行记录并分析其波动，所述分析是例如通过对如此获得的波形执行傅里叶变换并且检测波动的频谱中的波峰进行的。电容34的测量结果在平均值周围波动。该平均值可以作为乘用状态的第一指示符，而乘用状态的第二指示符可以从电容34的波动中寻回。本领域的技术人员将意识到，根据本发明的教导工作的系统可以更可靠地对车辆座位的乘用状态进行检测。例如，由于即使电容34的测量结果类似于在成年人乘员情况下所期望的测量那样，但是对电容34测量结果波动的分析将揭示波动的频谱中不存在典型的波峰，所以上述潮湿座套问题明显缓解。当然，还可以将波动分析与旨在检测潮湿座套的、例如在多个频率上测量的进一步测量组合。
图5示出了电容式乘员检测系统的第二实施例的(简化的)等效电路图。在该实施例中，电极布置仅包含单一天线电极22而不包含屏蔽电极。振荡器28将AC电压施加到放大器46的非倒相输入和反馈阻抗47，放大器46和反馈阻抗47一起构成了跨阻放大器，其维持在天线电极22上的电压与振荡器28所输出的电压基本相等。这样，跨阻放大器将流入天线电极22的电流转换成在放大器输出48处的电压。流入天线电极22的电流几乎取决于天线电极和车辆接地32之间的电容34。混频器49和低通滤波器50将放大器46的AC输出48转换成DC电压，该DC电压取决于电容34。将该电压馈送到微控制器51的模拟-数字转换器(ADC)输入。优选地，将混频器50如图3的实施例中那样进行配置。例如，为了校准的目的，还可以在将混频器50输出的DC信号馈送到微控制器51之前对其进行进一步处理。微控制器51记录电容34的波动，对其执行频率分析，并且基于电容34本身和电容的波动确定车辆座位的乘用状态。
图6示出了电容式乘员检测系统的第三实施例的简化的等效电路图。在该实施例中，乘员检测系统包含第一天线电极22和第二天线电极122。例如，优选地，将天线电极22、122中的一个布置在车辆座位的座椅部分中，而将另一个例如布置在座椅靠背、搁脚空间或者仪表盘中。将振荡器28可操作连接到第一天线电极22，并且当系统工作时在其上施加振荡电压。将第二天线电极122连接到放大器46的反相输入，放大器46与阻抗47一起构成跨阻放大器。后者响应于施加在第一天线电极22上的振荡电压对流入第二天线电极的电流进行放大。将混频器49可操作连接到振荡器28和跨阻放大器，混频器49和低通滤波器50将放大器46的AC输出48转换成DC电压，该DC电压取决于第一天线电极22和第二天线电极122之间的电容134。将该电压馈送到微控制器51的模拟-数字转换器(ADC)输入。
两个天线电极22、122之间的电容134首先取决于天线电极22、122的几何结构，并且其次取决于天线电极22、122之间的存在的材料。因此，电容134反映了哪个乘用项当前置于电极22、122之间的区域中。微控制器51确定作为乘用状态的第一指示符的电容134，并且对电容134的波动进行进一步分析，以便获得乘用状态的第二指示符。