用于车辆的控制系统的制作方法

本发明大体上涉及一种用于车辆的控制系统，并且更具体地涉及一种被配置为根据用户的输入来控制车辆的一个或多个功能的控制系统。

背景技术：

在现代车辆中，存在越来越多的可由驾驶员(或乘客)控制的车辆功能，该车辆功能例如与信息娱乐系统、空调系统或其他车辆系统相关。出于安全原因，车辆驾驶员应始终将手放在方向盘上。因此，为了允许控制各种车辆功能，许多控制设备(如开关和按钮)直接集成在方向盘上。然而，随着控制设备的数量增加，方向盘变得过载并且其使用变得不便且不自然。因此，驾驶员经常必须释放他对方向盘的自然抓握以便操作相应的控制设备。

当前使用的控制设备还需要相对大的构造空间，并且不能被集成到例如方向盘的轮缘中。同样，它们可能会影响正常转向操作期间对方向盘的操纵。其他车辆部件也存在类似的问题，在这些部件中几乎不可能以符合人体工程学的方式集成控制设备。还希望增加控制装置的多功能性，以便可以使用单个控制装置来输入不同的命令。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是为车辆的用户提供一种符合人体工程学的通用控制装置，其能够容易地集成到各种车辆部件中。

该目的通过根据权利要求1的控制系统来实现。

本发明提供了一种用于车辆的控制系统。该车辆通常是诸如汽车的陆地车辆。然而，也可以考虑应用于海上或空中车辆。如以下将变得显而易见的，控制系统被配置为根据用户的输入来控制车辆的一个或多个功能。

该控制系统包括布置在具有用户可接近的表面的车辆部件上的至少一个传感器电极，该传感器电极适于在该表面上方生成电场，使得该传感器电极的电容取决于位置用户的身体部位相对于车辆部件的位置。在本文中，“车辆部件”可以是作为车辆的一部分并且具有用户(即驾驶员或乘客)可接近的至少一个表面的任何部件。特别地，车辆部件可以是作为车辆内部的一部分的内部部件。所述至少一个传感器电极布置在车辆部件上，这明确地包括至少部分地将其布置在车辆部件内部的可能性。所述至少一个传感器电极通常沿着车辆部件的表面布置，使得其沿着表面或表面的相当一部分延伸。传感器电极适于在车辆部件的表面上方生成电场，这当然意味着传感器电极必须被连接至电力源(例如电压源)，以便生成电场。特别地，可以在传感器电极与接地结构之间生成电场，该接地结构即具有(车辆)接地电位的结构，该接地电位是车身的电位。替代地，可以在传感器电极与具有不同于接地电位的确定电位或甚至不确定(或浮动)电位的结构之间生成电场。

如果像是用户的身体部位(像是手、手指或几根手指)之类的物体进入电场，则会影响电场并因此影响传感器电极的电容。因此，通常，电容取决于至少一个身体部件相对于车辆部件或相对于车辆部件的表面的位置。当提到“身体部位”时，这通常是指手或手的一部分，特别是一根或多根手指。电容会受到身体部位与车辆部件的表面的距离的影响。替代地或附加地，它会受到身体部位沿着表面的位置的影响。还应当理解，如果身体部位远离传感器电极，则其位置不再对电容有任何(可测量的)影响。因此，严格来说，如果身体部位在传感器电极的检测空间内，则电容取决于所述至少一个身体部位的位置。

控制系统还包括连接至所述至少一个传感器电极的控制单元。控制单元可以包括可以布置在不同位置并且通过有线或无线方式通信的几个部分或模块。但是通常情况下，控制单元的所有部分都布置在一个位置。控制单元的至少一些功能可以是软件实现的。控制单元连接到(即电连接到)所述至少一个传感器电极。特别地，控制单元可以被配置为将电信号应用到传感器电极，这继而导致上述电场的生成。

控制单元适于基于所述至少一个传感器电极的电容来识别与身体部位相对于车辆部件的运动相对应的至少一个手势，以识别与该手势相对应的用于车辆的控制信号并输出该控制信号。换句话说，控制单元适于检测电容或表示电容的量，并且基于该检测，控制单元可以识别至少一个手势。有几种不同的方法来检测传感器电极的电容，并且本发明不限于任何特定的方法。例如，控制单元可以向传感器电极应用恒定电压或正弦电压，并测量流入或流出传感器电极的电流。也可以向传感器电极应用一系列脉冲信号。代替正弦电压，也可以采用正弦电流。这些仅仅是可以直接或隐式确定电容的一些示例。例如，如果在正弦信号的特定频率下已知传感器电极的电抗，则电容是隐式已知的，不必直接确定。如果所述至少一个身体部位相对于车辆部件进行运动，则会导致电容随时间(作为时间的函数)变化(至少在身体部位在相应传感器电极的检测空间内时)。因此，可以从电容的时间演变中推导出该运动(或其至少某些方面)。

根据本发明，至少一个传感器电极具有第一部分和第二部分，其中电容取决于身体部位是邻近第一部分还是第二部分布置。因此，可以利用单个传感器电极来区分身体部位沿着车辆部件的表面的不同位置。通常，由于不同部分的形状和/或尺寸，对于邻近第一部分和邻近第二部分的位置，电容是不同的。所述至少一个电极的某些实施例将在下面进一步讨论。除此之外，可以通过提供多个传感器电极来区分不同的位置。如果身体部位邻近一个传感器电极(或在其上方)布置，则该传感器电极的电容会显著变化。如果身体部位移动到邻近另一个传感器电极(或其上方)的位置，例如在轻扫手势期间，这两个传感器电极的电容会相应变化。

在本发明的控制系统中，某些运动被定义为与车辆的控制信号相对应的手势。例如，如果身体部位沿着车辆部件的表面在某个方向上移动，则可以将其定义为与第一控制信号相对应的第一手势，而可以将身体部位在相反方向上的移动定义为与第二控制信号相对应的第二手势。控制单元被配置为识别至少一个手势并识别相应的控制信号。这样的控制信号可以例如是车辆的信息娱乐系统的命令(诸如“音量增大/减小”、“切换显示”，“接受来电呼叫”之类的)。但是，控制信号也可以是指车辆的其他功能(诸如空调等)。在识别到控制信号之后，控制信号由控制单元输出。在本文中，术语“控制信号”不应以限制的方式来解释。例如，控制信号可以是类似于电压电平的模拟信号。但是，通常情况下，它是可以例如经由车辆的总线系统发送的数字信号。

本发明的控制系统允许控制某些车辆功能的简单且便捷的方法。用户(驾驶员、乘客或其他人)可以通过在车辆部件上或附近执行的某些手势来控制这些功能。由于传感器电极不需要任何可动部分，因此可以使相应车辆部件的机械设置保持简单。此外，传感器电极不会遭受机械磨损或故障。传感器电极也可以用于没有足够的构造空间可用于机械开关等的区域。

车辆部件可以例如是仪表板、顶篷、座椅安全带和扶手、内地板、变速杆/排档杆或外部键盘(诸如打开门的把手)。优选地，车辆部件是方向盘。由于本发明的控制系统采用可以集成到几乎任何位置的传感器电极，因此可以将它们定位到驾驶员容易接近的位置。因此，无需从方向盘上移开手来操作控制系统。优选地，至少一个传感器电极布置在方向盘的外周上，使得用户可以在将手保持在外周上的同时激活传感器电极，从而保持对方向盘的完全控制。

优选的是，至少一个传感器电极布置在车辆部件(例如方向盘)的覆盖层下方。该覆盖层可以是塑料或皮革衬里，其引起车辆部件的期望的触感和/或视觉特性。尽管传感器电极隐藏在覆盖层下方看不见，但也受到覆盖层的保护而免受机械损坏。此外，覆盖层有助于电隔离相应的传感器电极。可选地，覆盖层可以设置有可见或触觉标记，其指示传感器电极的位置、手势和/或其相关的控制信号。

高度期望单个传感器电极具有减小的厚度，以便其可以容易地集成到车辆部件的任何部分中，而不会显著影响车辆部件(例如方向盘)的外部尺寸。在这种情况下，高度优选的是至少一个传感器电极是导电箔电极。箔电极通常平行于车辆部件的表面布置。由于这种箔电极的厚度与任何典型的车辆部件的尺寸相比都可以忽略不计，因此它可以很容易地集成到任何表面上，特别是集成在如上所述的覆盖层下面。而且，箔电极通常是高度柔性的，这也便于集成到任何种类的表面(例如车辆部件的外周的弯曲表面)中。箔电极可以例如完全由金属制成，也可以包括塑料基板上的金属膜。

根据一个实施例，控制单元被配置为识别至少一个轻击手势。这种轻击手势对应于所述至少一个身体部位(通常是手或手指)在有限的时间间隔内触摸车辆部件的表面。轻击手势可以是单次轻击或多次轻击(即一系列触摸运动)。所述控制单元可以特别地适于区分单次轻击与多次轻击或者甚至不同的多次轻击(例如，两次轻击(双击)和三次轻击)。

根据可以与以上实施例相结合的另一实施例，控制单元被配置为识别至少一个轻扫手势。这种轻扫手势与所述至少一个身体部位沿着车辆部件的表面的运动相对应。优选地，控制单元被配置为区分不同的轻扫手势(其可以因其方向或其速度而不同)。轻扫手势可以对应于例如线性运动或弧形运动。

根据优选实施例，控制单元适于基于单个传感器电极的电容来识别多个手势。换句话说，可以基于单个传感器电极的电容来识别和区分几个手势。如将在下面解释的那样，这通常通过相应传感器电极的特定几何形状来实现。然而，不同的轻击手势通常可以与传感器电极的几何形状无关地进行区分。

一方面，很明显，控制单元应该能够安全地区分对应于不同控制信号的不同手势。另一方面，用户有可能执行一些随机运动，即不意图作为控制系统的输入的某些运动。在许多情况下，这种随机运动与预定义手势不同，其不同之处在于运动的方向、速度、运动模式或其他参数。根据优选实施例，控制单元被配置为区分对应于控制信号的手势与身体部位的随机运动，并且忽略该随机运动。如何将手势与随机运动区分开来以及将不同的手势彼此区分开来，存在各种可能性。这样的可能性包括应用多项式分类器和/或支持向量机。换句话说，控制单元可以被配置为通过应用多项式分类器和/或支持向量机来将对应于控制信号的手势与身体部位的随机运动区分开。可以在车辆交付之前对支持向量机进行编程(或“训练”)。替代地或附加地，可以想到的是，控制单元被配置用于由用户执行的学习或训练模式，其中用户执行与控制信号相对应的某些手势，并且控制单元学习以区分由该特定用户执行的这些手势。

可选地，控制单元可以分为几个模块。这些模块优选地是软件实现的，并且对应于不同的算法或算法的一部分，但是它们也可以对应于物理上不同的实体。根据一个这样的实施例，控制单元包括测量模块、信号处理模块和手势分离模块。由测量模块测量和记录的表示电容的信号可以由信号处理模块来处理，该信号处理模块负责信号特征计算、信号过滤和触发下一个模块(即手势分离模块)。手势分离模块借助于诸如将信号特征作为其输入的多项式分类器和/或支持向量机(svm)的机器学习算法，将(预期的)手势与(意外的)随机运动分离开。

根据一个实施例，至少一个传感器电极具有沿着传感器电极的长度变化的宽度。在这种情况下，传感器电极的宽度和长度通常是沿着车辆部件的表面相对于两个不同方向的尺寸。特别地，这些方向可以彼此垂直。但是，它们不必相对于笛卡尔坐标系笔直。例如，如果车辆部件的表面是球形的，则通常两个方向都将是弯曲的，例如这两个方向对应于极性和方位角方向。但是，即使表面是平的，其方向也可以例如对应于径向和切线方向。换句话说，相应的传感器电极可以是弧形的(即沿着弧线延伸)，可以沿着该弧线测量长度。

根据一个实施例，所述宽度沿着长度连续变化。它可以沿着长度单调变化，甚至可以以线性的方式变化。这意味着宽度沿着整个长度减小或增大。例如，相应的传感器电极可以是三角形或梯形的。例如，如果身体部位沿着三角形传感器电极的长度移动，则电容变化大致与传感器电极被身体部位覆盖的面积成比例。因此，可以区分身体部位是从三角形的底部移动到顶端还是沿着相反方向移动。

作为上述连续变化的替代或附加，宽度可以沿着长度不连续地变化。换句话说，宽度阶跃式变化。根据一个示例，传感器电极的形状可以对应于放在一起的具有不同宽度的两个矩形。但是，可以通过提供多个阶跃式变化来改变此概念。甚至可以想到提供具有不同宽度的部分的特征序列，使得如果身体部位沿着传感器电极的长度以几乎恒定的速度移动，则电容几乎对应于相同的序列而变化。

根据另一实施例，控制单元可以适于基于多个传感器电极的电容来识别至少一个手势。例如，可以沿着车辆部件的表面彼此相邻地布置两个或更多个传感器电极，使得当用户在这些传感器电极上方执行轻扫手势时，传感器电极的电容一个接一个地改变。另一种可能性可以是区分通过一根手指(或者可以是两根手指)的触摸(例如对应于轻击手势)与通过整个手的触摸(其可以对应于用户在不意图输入命令的情况下触摸车辆部件)。这可以通过被影响的单个电容或被影响的多个电容进行区分。

如果至少两个传感器电极沿着车辆部件的表面彼此靠近地布置，使得至少两个传感器电极的电容同时受到单个身体部位的影响，这也是有利的。换句话说，至少两个传感器电极被布置为彼此如此靠近，以至于可以将单个身体部位(特别是手或者甚至是单根手指)定位为影响两个传感器电极的电容。特别地，这可以包括两个具有相同或类似长度的传感器电极，其中一个传感器电极的宽度沿着该长度增加，而另一个传感器电极的宽度减小。当将身体部位沿着长度放置在特定位置时，它局部地(即在身体部位邻近于相应传感器电极布置的区域中)改变这两个传感器电极的电容。由于电极的特定部分的电容(几乎)与该部分的面积成比例，因此电容的变化取决于相应电极在该区域的宽度。例如，在一个电极的宽度相对较大而另一电极的宽度相对较小的位置，身体部位的接近使得第一电极的电容变化比另一电极的电容变化要大。因此，通过评估两个传感器电极的电容变化率，可以确定或估计身体部位沿着长度的位置。

通常，所述至少一个手势的识别基于至少一个传感器电极的电容。由于手势与运动相对应，因此分析必须考虑电容的时间演变。通常，不是绝对电容是相关量，而是电容相对于标称值(或参考值)的变化是相关量，该标称值可以对应于当用户的身体部位不在场时的电容。优选地，为了识别所述至少一个手势，控制单元被配置为分析相对于标称值的电容变化的幅度、梯度、持续时间和/或时间间隔随时间的变化。换句话说，控制单元评估电容变化随时间的变化，其通常包括记录在几个时间点的(甚至可能连续地记录)电容或电容变化。如上所述，还可以评估表示电容的量。幅度可以例如指示，在电极如上所述在其整个长度上具有变化的宽度的情况下，身体部位定位在电极的哪一部分。例如，如果宽度不连续地增大或减小，则这可以通过幅度的陡然增大或减小来识别。如果在某个时间间隔内发生了非零的电容变化，则该持续时间可以用于识别轻击手势，其中该持续时间应该相当短(例如短于0.2秒)。同样，电容变化的“脉冲”之间的时间间隔可以用来区分单次轻击与两次轻击(双击)。例如，只有在时间间隔小于1秒的情况下，两次轻击才能被识别。

附图说明

通过以下参考附图对非限制性实施例的详细描述，本发明的更多细节和优点将变得显而易见，其中：

图1是本发明控制系统的示意图；

图2是第一传感器电极的示意图；

图3是第二传感器电极的示意图；

图4是第三传感器电极的示意图；

图5是第四传感器电极和第五传感器电极的示意图；

图6是示出图1的控制系统中的信号处理的几个步骤的流程图；

图7示出了用户的第一手势；

图8示出了用户的第二手势；

图9a示出了用户的第三手势；

图9b对应于沿着图9a中的方向ixb的视图；

图10示出了与第一手势相对应的电容的时间演变；

图11示出了与第二手势相对应的电容的时间演变；

图12示出了与第三手势相对应的电容的时间演变；以及

图13示出了与第四手势相对应的电容的时间演变。

具体实施方式

图1示意性地示出了本发明的用于车辆(在这种情况下用于乘用汽车)的控制系统1。控制系统1包括布置在车辆的方向盘2上的多个传感器电极5-9。更具体地，传感器电极5-9布置在方向盘2的外周附近并且在方向盘2的表面3的下方。表面3被覆盖层4覆盖，覆盖层4可以由皮革、塑料等制成。覆盖层4的功能是电隔离传感器电极5-9，从而以机械方式保护它们并为用户(即，车辆的驾驶员)提供有利的触感特性。传感器电极5-9是导电箔电极，该导电箔电极可以非常薄(例如小于0.2毫米)，并且具有很高的柔性，因此它们可以容易地集成在方向盘2的几乎任何位置，而不会(显著地)增加方向盘2的尺寸。每个传感器电极5-9通过导体11电连接到控制单元10。图1中导体11的布线已被简化，并且控制单元10的位置不对应于相对于方向盘2的实际位置。

控制单元10可以将电信号(例如，恒定电压或振幅恒定的正弦电压)应用到传感器电极5-9中的每一个。此外，控制单元10被配置为测量表示相应传感器电极5-9相对于车辆接地的电容的量。这样的量可以是电容本身，或者例如是流入相应电极5-9的正弦电流，通过该正弦电流可以计算电容。当应用电信号时，电极5-9中的每一个在表面3上方生成电场。如果诸如用户的手40之类的物体进入该电场，则电场以及传感器电极5-9的电容被改变。

此外，电容取决于手40相对于方向盘2和相应的传感器电极5-9的位置。因此，如果手40的位置随时间变化，则电容也随时间变化。手40的运动可以对应于预定义的手势g1-g3，用户可以通过该预定义的手势g1-g3来控制车辆系统20(例如，信息娱乐系统、通信系统、导航系统、空调系统等)。相应的手势g1-g3在方向盘2的外周上执行，因此，用户可以将他的手40保持在方向盘上，从而保持对车辆的完全控制。控制单元10被配置为识别手势g1-g3和对应的控制信号s。当已经识别出控制信号s时，控制单元10将其输出到车辆系统20。应当理解，控制信号s可以是模拟信号，或者特别地是数字信号。

图2至图5示出了可以在控制系统1中使用的传感器电极5-9的不同实施例。通常，并非所有这些实施例都可以在如图1所示的单个方向盘2上使用。相反，图1应理解为示出了电极布局的不同可能性。图2示出了具有矩形形状的第一传感器电极5。通过这种设计，通常无法识别轻扫手势g1、g2，但是可以通过电容的时间演变来识别轻击手势g3(如图9所示)。在轻击手势g3期间，用户的手40(或一根或几根手指)快速接近传感器电极5，在短时间间隔内保持在传感器电极5附近，然后快速移开。这引起具有高梯度和短持续时间的(相对于电容的标称值的)电容变化(如图12和图13所示，其中的后者示出了两次轻击)。

图3示出了具有三角形形状的第二传感器电极6。换句话说，传感器电极6的宽度沿着其长度从第一端部6.1到第二端部6.2线性减小。当然，也可以利用该第二传感器电极6来识别轻击手势g3。此外，可以想到的是识别轻扫手势g1、g2，其中，用户将他的手40(或一根或多根手指)在传感器电极6的长度上方从第一端部6.1移动到第二端部6.2，反之亦然。这是因为电容变化大致与传感器电极6被手40覆盖的面积成比例。因此，当手40定位在第一端部6.1上方时，电容变化最大，而当手40定位在第二端部6.2上方时，电容变化最小。通常，可以通过电容变化的梯度(对应于手40在传感器电极6的长度上方的运动)以及可能地通过其持续时间来识别轻扫手势g1、g2。例如，轻扫手势g1、g2应该在例如0.2秒和2秒之间的时间间隔内执行。如果电容变化的持续时间更短或更长，则对应的手部移动不会被识别为轻扫手势g1、g2，而是例如被识别为用户执行的随机运动。如果识别出这种随机运动，则控制单元10将其忽略。通过应用各种标准，控制单元10不仅可以区分不同的手势g1-g3，而且可以将随机运动与旨在用作控制系统1的输入的手势g1-g3区分开。所有这些都可以通过测量和分析单个传感器电极5-9的电容来实现。

尽管图3示出了宽度在其长度上连续变化的传感器电极6，图4示出了其宽度在其长度上不连续或阶跃式变化的第三传感器电极7。第三传感器电极7包括具有较大宽度的第一部分7.1和具有较小宽度的第二部分7.2。在手40邻近第一部分7.1定位的情况下，相对于标称值(对应于手40不在场)的电容变化大于手40邻近第二部分7.2定位的情况下的电容变化。因此，如果用户如图7所示地那样从左向右执行一系列的轻扫手势g1，则会引起如图10所示的电容的时间演变。电容的测量可以由控制单元10的测量模块10.1(如图6的流程图所示)执行。图10中所示的“原始”信号由信号处理模块10.2进一步处理，该信号处理模块10.2可以执行信号特征计算(例如，确定梯度、持续时间、幅度和/或连续信号之间的时间间隔)和信号滤波(例如，去除噪声)。然后，所确定的特征可以被转发到手势分离模块10.3，该手势分离模块10.3区分不同的手势g1-g3以及(预期的)手势和随机运动。这可以通过应用多项式分类器和/或支持向量机来实现。可以在车辆交付之前对支持向量机进行编程(或“训练”)。替代地或附加地，可以想到的是，控制单元10被配置用于由用户执行的学习或训练模式，其中用户执行与控制信号s相对应的某些手势g1-g3，并且控制单元10学习区分由该特定用户执行的这些手势g1-g3。

图8示出了从右向左的轻扫手势g2。电容的对应时间演变在图11中示出，其针对一系列连续的轻扫手势g2。通过比较图10和图11，很明显的是，随着执行从左向右的轻扫，当手40放置在第一部分7.1上方时，电容变化以高幅度开始，而当手40到达第二部分7.2时，电容变化以下降到低幅度继续。另一方面，随着执行从右向左的轻扫，电容变化以相对较低的幅度开始，随着手40从第二部分7.2移动到第一部分7.1，该幅度陡然增加。

图9a和图9b示出了轻击手势g3，其中手40快速接近传感器电极7(例如，第一部分7.1)，在非常短的时间间隔内保持邻近传感器电极7，然后快速移开。如图12所示，每个轻击在电容变化中引起非常短的脉冲，这可以与图10和图11的轻扫手势g1、g2清楚地区分开。图13示出了针对一系列两次轻击、引起成对短脉冲的电容的时间演变。

尽管可以通过分析单个传感器电极5-9的电容来识别手势g1-g3，但是控制单元10也可以基于多个传感器电极5-9的电容来识别手势g1-g3。图5示出了其中第四传感器电极8和第五传感器电极9彼此靠近布置的配置。每个传感器电极8、9为三角形形状。当第四传感器电极8的宽度沿着其长度减小时，第五传感器电极9的宽度增大。由于这两个电极8、9紧密地定位在一起，因此它们的电容可以被手40或者甚至单根手指同时影响。随着相应的身体部位的移动(例如从左向右)，第四传感器电极8的电容变化减小，同时，第五传感器电极9的电容变化增大。通过比较这两个传感器电极8、9的电容变化，可以以较高的精度确定身体部位的当前位置，因为电容变化的比例几乎与身体部位的尺寸及其与传感器电极8、9的距离无关。

附图标记列表

1控制系统

2方向盘

3表面

4覆盖层

5-9传感器电极

6.1第一端部

6.2第二端部

7.1第一部分

7.2第二部分

10控制单元

11导体

20车辆系统

30手

g1，g2，g3手势

s控制信号