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电容式感测方向盘离手侦测 提高驾驶安全
 

【作者: 艾邁斯半導體提供】2021年07月05日 星期一

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万物互联的程度正在不断地提升和完善中,汽车更是如此,更加安全、舒适、环保以及智慧的交通环境是我们共同的愿景。未来对於自动驾驶技术和汽车电动化的需求将日益增加,而汽车的智慧化升级首先在於对车内和车外状态进行检测。


实现ADAS和自动驾驶的关键要素

为了有效地提高驾驶安全性,方向盘离手侦测(HoD)已应用在许多先进辅助驾驶系统(ADAS)当中,这也是L1-L4级自动驾驶系统的要求。根据联合国第79号条例规定,提供车道维持辅助系统(LKAS)的所有新车,必须配备方向盘离手侦测(HoD)功能,欧盟也对2021年4月1日起生产的新车采纳了该条例。


车辆从低自动化到半自动化,再到全自动化,不同等级的自动驾驶系统对於手握方向盘状态有不同的要求。各系统会对不同的手势和抓握姿势进行判定,随後输出一个提醒讯号给驾驶员。例如在L3等级以後,就会要求在驾驶员手握方向盘时,系统能够识别和判定是否在进行主动驾驶还是自动驾驶的现况。



图一 : 不同等级的自动驾驶系统会对不同的手势和抓握姿势进行判定,以及输出讯号提醒驾驶员。(Source:艾迈斯半导体)
图一 : 不同等级的自动驾驶系统会对不同的手势和抓握姿势进行判定,以及输出讯号提醒驾驶员。(Source:艾迈斯半导体)

驾驶员在驾驶过程中,由於突发情况或者习惯原因,会导致双手离开方向盘,无论在低速还是高速行驶中,这都是一个非常危险的行为。方向盘离手侦测,即是藉由检测驾驶员的手是否离开方向盘进行提醒警示,进而在辅助驾驶系统中保障行车安全。


当前有多种实现HoD的方式,例如电容感应、图像识别、压力感应等。汽车厂商在设计此方面的功能时,也会综合考虑到可靠性、安全性、成本和植入该功能的便利程度等因素。


离手侦测的测量方式

图二 : 目前离手侦测方式的主流,可区分为扭矩测量、光学测量和电容测量等三种类型。(Source:艾迈斯半导体)
图二 : 目前离手侦测方式的主流,可区分为扭矩测量、光学测量和电容测量等三种类型。(Source:艾迈斯半导体)

目前主流的离手侦测方式可分为扭矩测量、光学测量和电容测量这三种类型。其中,电容测量在测量精度、可靠性、成本控制等方面均实现了不错的效果,相较其他两种测量方案具有比较明显的优势,比较如下:


一、复用扭矩测量来实现HoD功能,在於透过测量驾驶员作用在方向盘上的力矩大小和方向的方式来进行判定。它的成本较低,但是测量的必要条件是要转动方向盘,并且无法识别手部姿势,也不具备防骗功能。


二、光学系统测量借助光学感测设备对驾驶员进行状态监测,具有较高的测量精度,但是实施的成本相对的较高,通常需要有多个设备元件支援,例如补光器、摄影镜头、软体驱动等。而且由於拍摄角度等条件的限制,驾驶员手握方向盘的状态,例如手紧握或是虚接触,也都难以辨别确认。


三、电容式感测测量是根据驾驶员对方向盘的抓握状态来进行测量和判断,包括抓握的方式、左右手分辨等。测量不受手套、衣物等影响,并且无需转动方向盘。这种测量方式利用单晶片即可实现,并且可以复用方向盘的导电织布省去感测设备的金属导线,从而进一步地削减成本。


在下图所示的应用实例中,可以看到电容感测方案的电路结构比较简单,感测晶片的导线与方向盘的导电织布相连,使得手部只需要和方向盘的外表皮有所接触就,可以实现电容式感测。这样的设计方式也是方向盘厂商植入HoD功能的一个发展趋势。



图三 : 电容式感测的应用实例。(Source:艾迈斯半导体)
图三 : 电容式感测的应用实例。(Source:艾迈斯半导体)

电容式感测晶片

在感测器领域,针对离手侦测应用方面,艾迈斯半导体的电容式感测器AS8579,可以实现高精准度、高可靠的测量,并且适用於多种的环境条件。


AS8579电容感测器是一个标准的SPI平台,可以实现I&Q测量和资料分离,具有14-bit解析度,可编辑多个测量频率,藉以避免测量时受到车内其它频率波的干扰。它拥有10个独立的测量通道,方便设计时在方向盘上进行多个位置分区,也可为方案提供备援的通道选择。同时它也通过ISO26262认证的安全等级。


此外,该款晶片在测量手握方向盘的电容值同时,还会测量人体对地的电阻值,这样设计的优点,在於当电容测量出现较大偏差的情况下,例如空气潮湿、手部潮湿、座位上有水等,加入对阻值的测量可以对最终的结果进行修正,以保证在多种环境条件下测量的准确性。


应用领域

除了驾驶员离手侦测,该款晶片还可以应用於燃油液位感测、占座感测、後备箱自动打开和车内电容控制开关例如空调、收音机、导航等。



图四 : 车载电容方案应用(Source:艾迈斯半导体)
图四 : 车载电容方案应用(Source:艾迈斯半导体)

在未来,汽车对於人们的作用,将不仅仅局限在交通工具上,而会带来更为多元化的功能和体验。但无论在哪个时代,安全可靠是其承载的不变的核心,而且会随着科技的发展不断完善和进步。我们也期??更多诸如离手侦测的技术可以应用於汽车的辅助驾驶系统,让车辆行驶更加安全和便捷。


技术线上


I&Q测量的操作原理


图五 : I&Q测量的操作原理
图五 : I&Q测量的操作原理

感测器在测量时会向被测物体发射正弦波,在被测负载上建立电压,内部的检测器随後会接收到负载端回??的镜像电流。


内置的跨阻放大器将电流讯号转换成电压讯号,调变器进行I和Q的讯号调变和分离,根据相位值不同进行分离处理。I和Q值分别对应电阻R和电容C值。执行系统通过对电阻R和电容C讯号进行测量和判定。


基於I&Q测量方案的优点,在於测量时,它可以不受到佩戴手套或者湿手等情况的影响,并且可以准确地测量不同的抓握姿势和其他材料接触方向盘所产生的电容值,实现防骗功能。由於上述晶片的测量方式采取测量相对值,也可以让系统在计算时不会受到寄生阻抗的影响。


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