驾驶方向盘的位置的光学检测的制作方法

本发明涉及用于光学检测机动车辆中的驾驶方向盘的位置的系统和方法。

背景技术：

众所周知，将控制按钮布置在方向盘的将中央部分连接到方向盘的轮缘的轮辐（branche）中，例如以便控制通信和/或音频功能或甚至速度限制/调节功能。

然而，在越来越精心制造的人机界面的背景下，该解决方案并不灵活，因为按钮通常是专用的。还在方向盘的一个或多个轮辐上提供触摸区域来作为控制按钮的替换方案。

驾驶安全性规定要保持双手在方向盘上或紧靠后者。

还有人提出，通过相机（caméra）来检测当驾驶员的手处于方向盘周围时由驾驶员的手指做出的某些手势。然而，这种检测的精度还有待改进。

实际上，通常提供汽车中的驾驶方向盘的深度调节和高度调节。因此，方向盘的位置通常可以在深度方向上变化多达10厘米，并且在高度方向上变化多达10厘米。这些深度和高度调节一般是手动控制的，并且无法以电子方式知晓调节位置。因此，能够检测手指运动的通过相机进行检测的设备常常只能给出对驾驶员所表达的意愿的模糊解释。

发明人认识到了改进由驾驶员相对于方向盘、并且特别是相对于方向盘的轮缘做出的某些手势的光学检测的需要。

技术实现要素：

为此，提出了一种用于检测机动车辆的驾驶方向盘的位置的系统，方向盘配备有用于至少在深度上调节位置的系统，该系统包括：

· 用于三维检测的矩阵光学检测设备，其英语称为“Time-of-Flight Camera”——飞行时间相机（或ToF相机），其特别简化的版本包括红外光源和矩阵光学传感器，

· 光学测位元件，其被布置在方向盘的轮缘上、在与驾驶员相对的一侧，

· 矩阵光学检测设备被布置在车辆的仪表组合附近或仪表组合中，并且被配置成检测方向盘上的光学测位元件并从中推断出方向盘的至少深度上的调节位置。

借助于这样的系统，可以确定方向盘的调节位置，尤其是深度上的调节位置，以便能够不断地校正感兴趣区域的在其中观察到手指运动的（一个或多个）位置。

有利地，驾驶员保持双手抓握方向盘或紧邻方向盘，并且可以在保持对方向盘的良好操控的同时做出控制手势。

在根据本发明的方法的各种实施例中，可能可以另外借助于下列布置中的一个和/或另一个：

· 测位元件包括至少3个几乎点状的光学标记，每个标记优选地具有不同的形状；藉此，这些几乎点状的光学标记易于隔离和定位，并且可以容易地在几何上重建方向盘的位置；

· 方向盘具有与直线驾驶相对应的中性位置，当方向盘处于中性位置时，几乎点状的光学标记中的一个位于最高位置处；以这种方式，易于标出该标志并确定方向盘的旋转角度；

· 测位元件基本上被布置在方向盘轮缘后面的弧形曲线上；有利地，可以重建该弯曲弧的伪中心并从中推断出当前的方向盘高度调节；

· 光学测位元件可以包括反射镜元件和/或光阱；这使得能够容易地将它们与环境中的或多或少地反射红外线的其他对象区分开来；

· 预备光回波相对于以脉冲方式发射的红外光的相关分析，观察到的相位差使得能够计算光学测位元件相对于矩阵光学传感器的距离；因此，利用用于三维检测的“飞行时间”相机的原理来获得深度距离；

· 可以通过所截取的图像的几何处理和/或通过由“飞行/传播时间”方法获得的距离测量结果来确定方向盘的高度调节位置和/或深度调节位置；因此，可以确认表观直径和中心位置的所获得的数据并将其与距离数据进行对照。

此外，本发明还涉及一种用于在检测系统中检测机动车辆的驾驶方向盘的位置、尤其是高度位置和/或深度位置的方法，所述检测系统包括英语称为“Time-of-Flight Camera”——飞行时间相机的矩阵光学检测设备和被布置在方向盘的轮缘上、在与驾驶员相对的一侧的光学测位元件，所述矩阵光学检测设备具有红外光源和矩阵光学传感器，所述方法包括以下步骤：

· 使光源发射调制红外光，

· 通过矩阵光学传感器检测由光学测位元件反射或捕获的光回波，

· 进行使得能够确定矩阵的每个点上的相位差的计算并且从中推断出矩阵光学传感器与方向盘轮缘上的各光学测位元件之间的距离，

· 从中推断出方向盘的高度位置和/或深度位置。

此外，方向盘的角位置还可以通过检测“零标记”标记的位置来确定。不排除从其它手段获得或关联方向盘的位置（调节和角位置）。

根据该方法，不断地重新计算针对手指运动的一个或多个观察区域ZC的位置。

附图说明

通过阅读以下对本发明的实施例之一的描述，本发明的其他方面、目的和优点将变得显而易见，所述实施例是以非限制性示例的名义给出的。还将关于附图更好地理解本发明，其中：

- 图1示出了汽车驾驶位的正面一般示意图，

- 图2示出了图1的驾驶位的示意性截面视图，

- 图3示出了图1的驾驶方向盘的后侧的视图，其具有测位元件，

- 图4显示了系统的功能图示，

- 图5、6A和6B显示了光学检测原理，其具有与光波的传播时间相关的相移测量，

- 图7显示了示出遵循多个驾驶配置检测到的多个位置的图示，

- 图8类似于图3，并显示了关于特定光学标记的变体，

- 图9显示了功能性使用示例。

具体实施方式

图1从驾驶员的角度示出了驾驶位的中心区域（在直线驾驶的情况下）。在面向驾驶员的驾驶位中，存在仪表组合9、用于操纵车辆的（“驾驶”）方向盘8，在本情况中，仪表组合9包括（一个或多个）（LCD或像素化的）数字显示区域19，方向盘8被安装成围绕轴线X旋转（标记为变量θ的运动）并且包括轮缘82。仪表组合9形成显示设备，其还可以包括各种指示灯、信号灯、刻度盘，如本身已知的那样。

此外，还有其他显示设备和其他控制设备处于驾驶员的一般视野中。可以引导驾驶员与车辆车载的多个系统交互，所述多个系统比如例如汽车收音机、多媒体系统、空调设备、距离调节系统等。

在此处示出的应用中，方向盘8和仪表组合9充当用于表达驾驶员想要给予各种车载电子系统的命令和控制的媒介。

此外，用于调节方向盘8的位置的传统系统包括解锁手柄4，当其被激活时，允许根据方向P +和P-的深度上的移动以及根据方向H +和H-的高度上的移动（参见图2）。对于该示例，方向盘8的一个位置用实线示出，而另一个位置用虚线8'示出。

要注意的是，方向盘8的位置调节优选地在启动之前在驾驶员就坐时进行。然而，如果驾驶员在驾驶周期期间校正了位置调节，则此处呈现的方法和系统也可以起作用。

方向盘8包括称为轮毂的中央部分和轮缘82，轮缘82在所示示例中通过三个轮辐5连接到轮毂，然而轮辐5的数量可以是四个或甚至两个或一个单轮辐。在一个或多个轮辐5上预备传统的控制按钮85。

除了常规按钮之外，还预备了手势界面，驾驶员可以根据该手势界面用他的手（或他的双手）来表示命令和控制，同时保持双手在方向盘8上。

为此，在仪表组合9中（或附近）预备了用于三维检测的矩阵光学检测设备1，其另称为“飞行时间相机”，并且英语称为“Time-of-Flight Camera”或“TOF Camera”。

用于三维检测的矩阵光学检测设备1（参见图5）——后文中简称为“3D相机”——包括红外光源11和矩阵光学传感器12，其被彼此相邻地布置在集成封装中。该设备可以隐藏在仪表组合9的内部。

优选地，由光源发射的光对人眼不可见，以避免任何驾驶员炫目。通常，所述光源发射具有可介于约750 nm与约950 nm之间的长度的红外光。

此外，方向盘8包括光学测位元件2（参见图3），其被布置在方向盘8的轮缘82上、在与驾驶员相对的一侧。这些光学测位元件2使得能够改进所截取的图像的处理并因此改进检测的精度和可靠性，如下文会看到的那样。

这些光学测位元件2可以由例如反射镜型反射材料、金属化或金属表面、具有或不具有刻面的毛糙表面、亚光黑色表面形成，这些元件具有相对于红外光照提供清晰且精确的回声的优点。

优选地选择避免对接收的饱和效应的反射率。

红外域中的反射率（“反照率”）在此处很重要；在可见域中，测位元件可以与方向盘8的其余部分相差很小，换句话说，测位元件可以有利地不引起人眼的注意。

与反射镜解决方案（高反射率）相反，这些测位元件可以由红外光阱形成（即，在该频率范围内不产生任何光回波）。

下面将看到这些光学测位元件的形状和位置。

矩阵光学传感器12（参见图5）通常是可选地置于滤光器16后面的CCD相机。除了截取二维图像的能力之外，称为“3D相机”的设备还包括使得能够确定第三维度、即对象相对于相机的深度的光学解调功能。

如图5、6A和6B所示，红外光源11发射表示为TxIR的光。根据一种参照方案，该光是脉冲的，即发送脉冲然后分析回波以便截取二维和三维图像。每个待截取图像发送一个脉冲。

更确切地说，所传送的红外光线在观察对象WC上反弹。表示为RxIR的反射光线的一部分去往矩阵光学传感器12的方向，在那里它们在时间上（对于3D部分）与表示为TxIR的入射光进行比较。回波RxIR的幅度尤其取决于反射率，反射率必须足以使得能够截取接收回波（但是不会产生饱和）。

观察到的延迟R（参见图6A）与信号的往返传播时间成正比；因此，可以从观察到的延迟推断出相机与反射位置之间的距离。

作为变体，可以调制发射光，并且在这种情况下，观察到的延迟φShift可以被确定为相移。当然，在反射信号中观察到与发射幅度AmT不同的幅度AmR，通常是一般偏移，而我们特别感兴趣的是表示为φShift的相位的相移。

对于矩阵光学传感器的每个点，打开相对于彼此偏移的四个时间窗（参见图6A和6B）。

对于矩阵光学传感器的每个点，计算相关系数，称为A0、A1、A2、A3，其对应于在四个偏移的时间窗口中的每一个中接收到的回波信号。

在调制信号的情况下，还可以如下表示这点。

· A0是接收信号和与传送信号同相的信号之间的相关性的结果。

· A1是接收信号与相对于传送信号延迟（相对于调制角频率的延迟）π/2的信号之间的相关性的结果。

· A2是接收信号与相对于传送信号延迟π的信号之间的相关性的结果。

· A3是接收信号与相对于传送信号延迟3π/2的信号之间的相关性的结果。

文献US 2014 0 160 459提供了详细的计算示例，读者可以参阅该文献。此处特别感兴趣的是相位的偏移，由下式给出：

φShift = Artan ( A3 - A1 / A0 - A2 ) ，

于是计算距离如下：

Dm = c × φShift / 2。

可以从3D处理中排除反正切的商给出0/0或甚至∞/∞的情况；这是通过制定在高反射区域和光阱区域处留白的2D图像的掩模来完成的。

上面阐述的计算由处理单元14实现，如图4所示，将结果交由其他车载计算机7支配。

为了便于算法处理，在方向盘8上预备了特定的测位元件。

例如，如图3和图7所示，可以预备窄的弯曲弧形的带或线，当方向盘8处于直线驾驶的位置中时，所述带或线与方向盘8的轮缘82的上半部重合。更一般地，可以具有与距驾驶员最远的轮缘部分重合的、不连续或连续的、基本上弯曲弧形的线或带。

另外，在该弧的顶点处，预备特定的几乎点状的标记20，例如形状为菱形，将其称为“零”或“零参照”、“零标记”或原点参照。

该参照位置用作方向盘8的局部标记中的用于表示为α的角度的原点，而与遵循θ的旋转位置无关。

此外，可以具有两个其他特定的几乎点状的标记，标记为22的圆形标记被置于α= -90°，并且标记为21的方形标记被置于α= 90°。利用3个特定的几乎点状的光学标记，保证了相机始终能够看到其中的至少一个，并且因此能够不断地测量这些标记中的一个或多个的位置和距离。

还可以预备刻度系统23。

更一般地，可以设想具有其他形状的点状标记。

根据图8中所示的另一示例，预备6个特定的几乎点状的光学标记，在α= 0°处的菱形20，在α= 60°处的正方形25，在α= 120°处的三角形26，在α= 180°处的十字28，在α= -120°处的圆27，在α= -60°处的星星24。

要指出的是，这6个特定的光学标记两两径向相对，这使得即使一只或两只手遮住了一个或两个标记也能够容易地确定方向盘8的轮缘的表观直径。

该方法使用两种不同的方式来确定方向盘8的位置。首先，识别光学测位元件（尤其是几乎点状的标记20-28）的位置，并且根据2D图像来执行几何计算（三角测量以及其他的）。

其次，“ToF”相机确定某些特定光学标记与相机分开的距离。特定的计算处理使得能够从中推断出方向盘8的深度位置。

对这两个方法的结果进行交叉和关联，以便从中推断出方向盘8在高度和深度上的调节的确认位置，以及方向盘8的角位置θ。

原则上，在车辆停止时进行方向盘8的调节。

在解释由驾驶员做出的某些手势的背景中，如图2和图3中所示，围绕方向盘8的轮缘82定义观察区域ZC。

要注意的是，可以存在多个观察区域ZC，不仅在方向盘8的轮缘82附近，而且还有相对于布置在轮毂与轮缘82之间的触摸垫。

优选地，观察区域包括驾驶员在驾驶情况下惯常放置双手的区域，例如根据称为“9h15”的手的抓握位置或称为“10h10”的手的抓握位置；驾驶员也经常使用双手但不对称的位置和单手位置。

应该指出的是，一个或多个观察区域ZC随着被标记为θ的方向盘8的旋转运动而转动。

知晓方向盘8在高度上、深度上以及围绕其轴线X的旋转上的位置使得能够在任何时刻重新定义要在其中考虑驾驶员的双手和手指F所执行的手势的观察区域ZC的位置。

图7示出了由相机截取和处理的图像。在呈实线的第一种情况中，观察方向盘8（实际上是标记2、20）在高度和深度上的中间位置，其中方向盘角度θ=零；根据由虚线（2'，20'）表示的另一种情况，方向盘8更近（表观直径更大）并且驾驶员向右转动方向盘8；根据由点划线（2''，20''）表示的又一种情况，方向盘8更远（表观直径更小）并且驾驶员向左转动方向盘8。

驾驶员的手的手指由附图标记F表示。要指出的是，即使在方向盘上存在一只手的手指F的情况下，这也不妨碍检测方法在大多数情况下起作用。实际上，一方面，在调节操作期间，驾驶员只有一只手放在方向盘上而另一只手放在解锁手柄4上，而另一方面，不止一个特定的点状标记被手指F遮住的概率将相对较小；为此预备了：如果所述特定标志或标记中的一个或多个被遮住，则保留针对方向盘8的位置的当前深度P和高度H，并且仅限于继续确定角度θ并继续围绕方向盘8的轴线旋转地重新定位方向盘8的观察区域ZC。

作为应用，如图9所示，可以预备在仪表组合9上显示示出了人机界面的象形符号88、93、94；在某些条件下，通过驾驶员的右手在标记为84的区域中做出的特定手势导致进行电话呼叫，并且通过驾驶员的左手在标记为83的区域中做出的特定手势导致挂断电话。

另外要注意的是，根据本发明的系统的运转在白天和夜晚都有效，相机被选择成对红外光敏感，而不直接与环境亮度水平相关。

要指出的是，有利地，方向盘8中没有用于光学检测功能的任何有源电子组件；测位元件完全无源；因此，该系统特别简单，并且不需要在转动的方向盘8与车辆的其余部分之间的电信号传输。

如果从驾驶员的正常视角看不到光源，则可以用以850 nm为中心的红外组件来工作，或者甚至用以940 nm为中心的红外组件，这具有人眼完全察觉不到的优点；考虑到该应用中的小距离，这两种不同类型的二极管发射的功率的差异没有影响。