用于车辆的方向盘的传感器系统的制作方法

本申请为分案申请，其原申请是于2014年1月22日(国际申请日为2012年6月21日)向中国专利局提交的专利申请，申请号为201280036337.7，发明名称为“用于车辆的方向盘的传感器系统”。

相关申请

该申请要求于2011年6月22日提交的、名称为sensorsystemforsteeringwheelforvehicle、美国临时申请系列号61/500,056的优先权，其全部内容通过参考合并于此。

背景技术：

本公开大体涉及车辆领域。本公开内容更具体地涉及车辆的方向盘中的传感器系统。

当前的方向盘传感器系统(其检测手在方向盘上的放置位置)不包括确定方向盘以哪种方式被控制(例如，经由把持、抓握、触碰等)的方式。这种系统通常利用电重新分布传感器，其中，在具有精确的电压、电流和频率曲线的传感器电极中感应出电场。邻近内的物体(诸如人手或身体部位)易于使电场强度和相位重新分布，从而导致了在电场电路内所测量的复阻抗的变化。复阻抗可为电容、电感、电阻或其组合(例如，传感器测量分别作为i和q分量的电容分量和电感分量)。所需要的是一种用于确定方向盘何时通过抓握被控制(例如，何时手掌的皮肤表面与方向盘轮缘或轮辐的大部分(或全部)周边相接合)的系统和方法。

附图说明

根据以下描述和附图中所示出的所附示例性实施例，本发明的特点、观点和优点将变得显而易见，以下将简要描述该视图。

图1a示出了根据一个或多个实施例的检测方向盘上的手指接触或轻击或手抓握的传感器系统，其中示出了方向盘的截面图。

图1b示出了图1a的传感器系统的方向盘的不同截面图。

图2示出了根据一个或多个实施例的检测在方向盘上的手抓握的传感器系统。

图3a示出了根据一个或多个实施例的利用小的子传感器来检测方向盘上的手指接触或手抓握的传感器系统，其中示出了方向盘的截面图。

图3b示出了图3a的传感器系统的方向盘的不同截面图。

图4是根据一个或多个实施例的检测与方向盘接触的不同类型的方法的流程图。

技术实现要素：

在一个实施例中，提供一种用于车辆的方向盘的传感器系统。该传感器系统包括第一传感器，其设置在方向盘的第一部分内以检测与方向盘的左侧前表面的接触；第二传感器，其设置在方向盘的与第一部分相分离的第二部分内以检测与方向盘的右侧前表面的接触；以及第三传感器，其设置在方向盘内以检测与方向盘的背面(backsurface)(例如，距车辆驾驶员的座椅舱最远的方向盘的表面)的接触。第一、第二和第三传感器被配置成分别检测车辆的操作者的手掌或手指(或其它非手掌区域)对方向盘的接触。

在另一实施例中，提供了一种感测在车辆的方向盘上的接触的方法。该方法包括测量第一传感器的阻抗，该第一传感器设置在方向盘的第一部分内以检测与方向盘的左侧前表面的接触。该方法还包括测量第二传感器的阻抗，该第二传感器设置在方向盘的与第一部分相分离的第二部分内，以检测与方向盘的右侧前表面的接触。该方法还包括测量第三传感器的阻抗，该第三传感器设置在方向盘内以检测与方向盘的背面的接触。该方法还包括当第一、第二和第三传感器的相应阻抗大于或等于阈值阻抗水平时确定出方向盘正由车辆操作者的两只手接触，以指示方向盘的正确抓握。该方法将进一步包括当第一传感器的阻抗大于或等于阈值阻抗水平且第二传感器的阻抗小于阈值阻抗水平，或当第二传感器的阻抗大于或等于阈值阻抗水平且第一传感器的阻抗小于阈值阻抗水平时，确定出方向盘正仅由车辆操作者的一只手或手指接触。该方法还包括当第一、第二和第三传感器的相应阻抗小于阈值阻抗水平时，确定出方向盘未由车辆操作者接触。

具体实施方式

复阻抗(例如，电容和电感、或电容和电阻、或电感和电阻)传感器可在车辆环境中(例如，在车辆的方向盘中)使用，以确定车辆的使用者(例如，驾驶员)是否以及在何处触碰方向盘。一个或多个实施例描述了改进包括复阻抗传感器的传感器系统的性能的方式，以便可靠且重复地确定驾驶员如何控制方向盘的特性。该传感器系统通过施加的与由驾驶员的身体部位对方向盘所施加的力的相反力来确定这种特性。一个或多个实施例的传感器系统在“手在方向盘上”的状态(例如，驾驶员的手牢牢抓握方向盘)与其它场景之间进行区别，在其它场景中，驾驶员通过其它身体部位控制方向盘，驾驶员无意地触碰方向盘，驾驶员轻按方向盘而不是把持或抓握方向盘，等等。而且，传感器系统可被用于基于手的定位或手的位置、作用在方向盘上的感测元件的数目、以及施加到方向盘上的手(或其它身体部位)的表面积，来估计驾驶员的手所施加的方向控制力(例如，由驾驶员施加到方向盘上的力)。传感器系统可利用阻抗传感器的具有“轻按”功能的信号特性，来控制车辆控制状态开关。

传感器系统可在各种可能的控制场景和其它场景(例如，控制状态)之间进行区分。传感器系统可区分的一个控制状态为驾驶员是否用手把持(例如，抓握)方向盘的轮辐。可测量轮辐实际通过抓握被控制的程度(例如，经由确定手控制点的数目和手触碰每个传感器点的百分比)。

传感器系统可区分的另一个控制状态为驾驶员是否用手把持(例如，抓握)方向盘的轮缘。可测量方向盘实际通过抓握被控制的程度(例如，经由确定手控制点的数目和手触碰每个传感器点的百分比)。

传感器系统可区分的另一个控制状态为驾驶员是否利用除了手之外的身体部位(例如，手指、膝盖、腹部、前臂或其它身体部位)控制方向盘。传感器系统可区分出在方向盘上不存在与身体部位相关联的抓握。

传感器系统可区分的另一个控制状态为驾驶员是否“轻按”方向盘，这表示用以改变车辆的控制状态的请求。传感器系统可在方向盘的这种轻按、无意的触碰与上述的把持或抓握之间进行区分。

根据一个或多个实施例的传感器系统包括设置在方向盘轮缘和/或轮辐上或之内的复阻抗传感器元件。传感器元件被设置在方向盘中，以使得传感器元件信号的原始和/或信号状态或者信号的导出值可被直接使用和/或以算法来进行比较，从而确定方向盘的状态(例如，“手在方向盘上”、方向盘被其它身体部位操作、方向盘被轻按，等等)。传感器元件的位置、大小和灵敏度可被配置成在控制状态之间进行区分。

复阻抗传感器可基于被感测的物体(例如，人类手的手指或人类手的手掌)所感测的电容和所感测的电感，来输出同相且正交分量的电流。us专利公开2007/0192007中描述了这种类型的复阻抗传感器，该us专利公开2007/0192007被受让给与本申请相同的受让人，且其内容以其整体通过参考合并于此。

参考图1a，1b和2，其以截面图的形式示出了根据具有方向盘120的某些实施例的方向盘传感器系统，更详细地示出了传感器元件的可能位置。参考图1a和1b，示出了三个传感器元件s1，s2和s3，由此，图1b的截面图比图1a的截面图更靠近方向盘的背面(即，远离乘客舱内的驾驶员座椅)。传感器元件s1，s2和s3被定位在方向盘轮缘表面，并利用一个或多个单独的传感器或屏蔽体(未示出)电隔离。如果需要对方向盘内的传感器元件、加热器元件和其它元件进行隔离，则屏蔽体是可选的。在图1a中，传感器元件s1和s2被安装在方向盘覆盖物(例如，皮革或塑料材料等)与方向盘的内部(例如，泡沫、电枢等)之间，以便分别检测与方向盘的左侧前表面和右侧前表面的接触。在图1b中，传感器元件s3被设置在第一和第二传感器元件s1，s2的背面，以检测与方向盘120背面的接触。在图1a和1b的实施例中，驾驶员100(其从驾驶员的座椅方向看轻按或触碰方向盘120的左侧的前表面)将引起来自第一传感器元件s1的阻抗信号的变化，这是因为驾驶员的身体和座椅组件110耦合到电路中。轻按将引起在驾驶员座椅的方向上看设置在方向盘的右侧上的第二传感器元件s2中的小信号，且它将引起设置在第一和第二传感器元件s1，s2的背面以检测与方向盘120的背面接触的第三传感器元件s3中的小信号。传感器系统可对传感器元件s1，s2和s3的阻抗值c1(t)，c2(t)和c3(t)进行比较，以确定驾驶员100轻按方向盘120(而不是，例如，抓握方向盘120)和驾驶员正轻按方向盘的什么部分(例如，左前、右前或背部)。

当驾驶员100正与第一传感器s1接触时，第一传感器s1的阻抗值c1(t)从其非接触状态阻抗值增加。如此，当阻抗值c1(t)被确定为比第二传感器s2的阻抗值c2(t)大很多时，这表明，驾驶员100正仅接触方向盘120的左侧前表面，而没有接触方向盘120的右侧前表面。在该状态下，第二传感器s2在两端接地，而第一传感器s1在一端接地而在另一端连接驾驶员100(具有与人类的手指或手掌相关联的特定阻抗值)。如此，第一传感器s1输出较高的阻抗值c1(t)，其指示由驾驶员100的人体部位进行的接触，且第二传感器s2输出较低的阻抗值c2(t)，其指示驾驶员100的人体部位未进行接触。这表明驾驶员100仅用一只手的手指或手掌接触方向盘120的一侧(例如，左侧或右侧)，而不是用两只手接触方向盘120(并由此接触车辆的左右两侧)。基于第三传感器s3的阻抗值c3(t)，可确定，是否经由驾驶员的手指或其它非手掌部分进行接触(在阻抗值c3(t)较低时)，或是否经由手抓握进行接触(在阻抗值c3(t)较高时)。任何非抓握的接触可被视为非安全的车辆驾驶状态，由此该非安全的车辆驾驶状态可导致由车辆安全系统输出的报警，诸如通过声音报警(例如，“请将双手放在方向盘上”)或者视觉报警(在车辆仪表板上的显示器输出消息“请将双手放在方向盘上”)，或者通过这两者。

现在参考图2，驾驶员100用他/她的左手和右手抓握方向盘120，且传感器元件s1，s2和s3的每一个都耦合到车辆的主体和座椅部件110(参见图1b的传感器s3)中。因此，与方向盘120不被触碰、轻按或抓握的情形相比，传感器元件s1，s2和s3将经受相似的阻抗值c1(t)，c2(t)和c3(t)。即，第一、第二和第三传感器元件s1，s2和s3具有指示人体部位对第一、第二和第三传感器元件s1，s2和s3进行接触的相应阻抗值c1(t)，c2(t)和c3(t)，其在该情况下指示手抓握在方向盘上。当第一、第二和第三传感器元件s1，s2和s3的阻抗值c1(t)，c2(t)和c3(t)大于预定的阻抗值(例如，大于10微微法拉)时，传感器系统可对传感器元件s1，s2和s3的阻抗值进行比较，以确定驾驶员100正抓握方向盘120(而不是例如仅仅轻按方向盘120)。

人体具有从几十微微法拉到几百微微法拉范围内的典型阻抗，且这是可从第一、第二和第三传感器元件s1，s2和s3检测到的以便指示与身体部位(例如车辆操作者的手指或手掌)相接触的阻抗值。当没有人类接触作用到第一、第二和第三传感器元件s1，s2和s3上时，由这些传感器单元s1，s2和s3输出的阻抗值c1(t)，c2(t)和c3(t)近似为零(0)法拉。当第一、第二和第三传感器s1，s2和s3的各自阻抗值c1(t)、c2(t)和c3(t)大于预定值且彼此近似相等时，这表明车辆操作者使双手抓握方向盘，由此指示安全的驾驶状况。

在进一步的实施例中，由驾驶员100的手指对传感器s1或s2做出的接触使传感器s1或s2的阻抗值近似于第一非零阻抗值，而使传感器s3的阻抗值近似于零(这是由于手指仅仅与方向盘的前表面相接触)，并且由驾驶员100的手掌对传感器s1或s2的接触使传感器s1或s2的阻抗值近似于大于第一阻抗值的第二阻抗值，并使传感器s3的阻抗值近似于第二阻抗值(这是由于正常的手抓握使得与方向盘的前表面和背面都接触)，并因此，可相应地确定与第一和第二传感器s1，s2和s3的特定接触模式。例如，对于具有测量电容的传感器的示例，如果第一传感器s1具有表示人手的手指接触到第一第二传感器s1的15微微法拉的阻抗值c1(t)，以及如果第二传感器s2和第三传感器s3的每一个都具有表示人手的手掌接触到第二传感器s2和第三传感器s3的110微微法拉的阻抗值c2(t)，则这可由车辆安全控制单元(未示出)输出，以确定是否应该向驾驶员100发出警告或报警。

用以确定手指接触、手掌接触或其它类型接触的第一、第二和第三传感器s1，s2和s3的适当阻抗值的确定可基于存储在历史数据的数据库中的数据来确定，该历史数据从利用已知类型的人类对传感器的触碰所做的实验和从这些已知类型的人类触碰所测得的阻抗来获得。通过示例而非限定的方式，对于测量电容的传感器，在5微微法拉与50微微法拉之间的阻抗表明手指对传感器的接触，以及在100微微法拉与300微微法拉之间的阻抗表明手掌或手对传感器的接触，并因此，在50至100微微法拉之间的阻抗处于“不确定”范围，其可表明这两种接触类型中的一种。

尽管图1a，1b和2的实施例示出了三个传感器元件s1，s2和s3，其它的实施例可包括在方向盘轮缘中的附加传感器元件，以便进一步区分把持区域和把持或抓握方向盘的变化速率(例如，通过比较来自于邻近传感器的信号和信号速率，这将由未示出的处理器接收和分析)。另外，尽管图1a，1b和2的实施例示出了安装在(例如，嵌入在)方向盘120轮缘中的传感器元件，然而传感器元件还可被安装在(例如，嵌入在)方向盘120的轮毂、轮辐、或方向盘轮缘、轮毂及轮辐的任意组合处，以便检测关于驾驶员如何与方向盘相互作用的附加信息。

传感器系统的传感器元件的实施可基于方向盘设计(例如，轮辐的数目、尺寸、材料的类型，等等)、感测的需求(例如，传感器系统是否需要能够检测“手在方向盘上”的状态)，以及基于与传感器元件的数目、位置、材料、大小及形状以及所接收到的传感器元件的信号有关的工程及制造的需求。

图3a以方向盘的截面图的形式示出了根据另一实施例的方向盘传感器系统，其中，第一传感器s1被示出为第一到第n子传感器s11，...，s1n，且其中，第二传感器s2被示出为第一到第n子传感器s21，...，s2n。图3b示出了图3a的截面图的背面的方向盘截面图，其中，第三传感器s3被示出为第一到第n子传感器的形式s31，...，s3n。通过具有每个都检测与方向盘的小部分(例如方向盘120的外表面上的1英寸乘1英寸的面积)的接触的子传感器，可确定关于驾驶员100是否正利用他/她的手的手掌接触方向盘120，在该情况下，第一、第二或第三子传感器中的多个将具有指示人类接触的阻抗值，或者驾驶员100是否仅仅用他/她的手的手指正接触方向盘120，在该情况下，第一、第二或第三子传感器中的仅仅一个将具有指示人类接触的阻抗值。该信息可进一步支持在任何时刻测量的阻抗值，以便确定由驾驶员100对方向盘120进行接触的类型，例如通过手的手指的方式进行接触或者通过手的手掌的方式进行接触。

图4为根据实施例的感测与车辆的方向盘接触的方法的流程图。在块410中，设置在方向盘的第一部分内的第一传感器的阻抗被测量，以便检测与方向盘的左侧前表面的接触。在块420中，设置在与第一部分相隔离的方向盘的第二部分内的第二传感器的阻抗被测量，以便检测与方向盘的右侧前表面的接触。在块425中，设置在方向盘内在第一及第二传感器背面的第三传感器的阻抗被测量，以便检测与方向盘的背面的接触(该表面远离汽车操作者)。在块430中，当第一、第二和第三传感器的相应阻抗值大于或等于阈值阻抗水平时，确定方向盘由车辆操作者的两只手接触，以指示操作者对方向盘的手抓握，且如果如此，在块435中，该确定被提供给车辆安全系统。如果并非如此，在块440中，当第一传感器的阻抗大于或等于阈值阻抗水平，且第二传感器的阻抗小于阈值阻抗水平以及第三传感器的阻抗大于阈值阻抗水平(左侧抓握方向盘)时，或者当第二传感器的阻抗大于或等于阈值阻抗水平，且第一传感器的阻抗小于阈值阻抗水平以及第三传感器的阻抗大于阈值阻抗水平(右侧抓握方向盘)时，确定方向盘仅仅由车辆操作者的一只手接触，且如果如此，在块435中，将该确定提供给车辆安全系统。如果并非如此，在块445中，当第一传感器的阻抗处于小于或等于阈值阻抗水平的非零阻抗水平(例如，第二阈值阻抗水平)且第二传感器的阻抗和第三传感器的阻抗近似为零(由车辆操作者的非手部位进行的左侧触碰)时，或者当第二传感器的阻抗处于小于或等于阈值阻抗水平的非零阻抗水平(例如，第二阈值阻抗水平)且第一传感器的阻抗和第三传感器的阻抗近似为零(由车辆操作者的非手部位进行的右侧触碰)时，确定方向盘由车辆操作者的手指或其它非手掌部分进行接触。而且，如果块445的输出为是，可启用变化率函数(参见下面进一步的描述)来确定车辆操作者是否做出轻按或猛击操作来引起车辆操作状态的变化。如果为否，在块450中，当第一、第二和第三传感器的相应阻抗近似为零时，确定方向盘未由车辆操作者接触，且如果如此，在块435中，将该确定提供给车辆安全系统。

通过以按照上面描述的与某些实施例相关的方式使第一、第二和第三传感器s1，s2和s3设置在方向盘上，可确定是否由车辆的操作者对方向盘进行手抓握，或者当前是否由操作者以除了手抓握之外的方式进行接触，并且还可以确定方向盘的哪个部分被接触。而且，通过使第一传感器s1设置在方向盘的一侧(例如，左侧)上来检测与方向盘的左侧前表面的接触，通过使第二传感器s2设置在方向盘的其它侧(例如，右侧)来检测与方向盘的右侧前表面的接触，以及通过使第三传感器s3设置在方向盘内来检测与方向盘的背面的接触，可检测操作者当前与方向盘的那个或哪些部分相接触。因此，例如，可确定操作者是否目前仅仅用他/她的左手掌，或仅仅用他/她的右手掌，或仅仅用他/她的左手指和他的右手掌，或仅仅用他/她的左手掌和他的右手指，或仅仅用他/她的左手指和他/她的右手指，或仅仅用他/她的左手指(或者其它非手掌的身体部位)，或仅仅用他/她的右手指(或者其它非手掌的身体部位)，来抓握方向盘。

尽管未在图中示出，传感器系统可包括利用来自于传感器元件的信号的控制电路或模块，来确定方向盘的各种控制状态(例如，触碰、按住或抓握的场景或状态)。例如，传感器系统可包括控制电路，其包括用于确定控制状态的检测算法。传感器系统可进一步包括用于处理信号的各种信号处理模块。例如，由车辆操作者的身体部位(例如，手指、肘部等等)在左侧表面轻按或猛击方向盘可通过测量第一、第二和第三传感器的阻抗来检测(例如，第一传感器具有指示接触的阻抗值，而第二和第三传感器具有指示非接触的零阻抗值)，以及通过检测第一、第二和第三传感器的阻抗的变化率(诸如，检测由车辆操作者在方向盘的左侧前表面上做出的用于改变车辆操作状态的轻按)来检测。类似地，可通过测量第一、第二和第三传感器的阻抗来检测(例如，第二传感器具有指示接触的阻抗值，而第一和第三传感器具有指示非接触的零阻抗值)，以及通过检测第一、第二和第三传感器的阻抗值的变化率(诸如，检测由车辆操作者在方向盘的右侧前表面做出的用于改变车辆操作状态的轻按)来检测由车辆操作者的身体部位(例如，手指、肘部等等)对方向盘做出的右侧表面轻按或猛击。

已参考示例性实施例描述了本公开内容，然而，本领域技术人员可认识到在不脱离所公开主题的精神和范围的情况下可在形式上和细节上作出改变。例如，尽管可以包括提供一个或多个优点的一个或多个特征的形式描述不同示例性实施例，然而可构思所描述的特征可彼此进行互换，或者可替换地，可在所描述的示例性实施例中或其它可替换的实施例中彼此组合。因为本公开内容的技术相对复杂，并非技术中的所有变化都是可预测的。参考示例性实施例所描述的本公开内容显然打算尽可能的宽。例如，除非以其它特别的方式注明，列举单个特定元件的示例性实施例也包括多个这种的特定元件。

需注意的是，如在优选的及其它示例性实施例中所示出的系统的元件的构造和设置仅仅是示例性的。尽管仅仅在本公开内容中详细描述了特定数目的实施例，研究该公开内容的本领域技术人员将易于理解许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例中的变化、参数值、安装设置、材料的使用、颜色、取向等等)，而实质上不脱离所列举的主题的新颖性教导和优点。例如，以整体形式示出的元件可由多个部件构成，或者以多个部件形式示出的元件可被整体形成，组装的操作可被颠倒或以其它方式来改变，结构的长度或者宽度，和/或系统的构件或连接件或其它元件可被改变，设置在元件之间的调节件或附连件位置的性质或数目可被改变。应注意到，系统的元件和/或组件可由提供足够强度或耐久性的多种材料中的任一种构成。因此，所有这种修改旨在被包括在本公开内容的范围内。在不脱离本主题精神的情况下，可在优选的和其它的示例性实施例的设计、操作条件和设置中作出其它替换、修改、改变和省略。例如，阻抗传感器可在另一个可能的实施方式中利用电感传感器来代替，其中，可测量电感信号水平，以确定对方向盘做出的触碰类型。在另一个实施例中，阻抗传感器可由电容传感器来代替，而在另一个实施例中，阻抗传感器可由电阻传感器来代替。在另一个实施例中，阻抗传感器可用电容和电阻传感器、或电感和电阻传感器，或电容、电感及电阻传感器来代替。