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電容式感測方向盤離手偵測 提高駕駛安全
 

【作者: 艾邁斯半導體提供】   2021年07月05日 星期一

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萬物互聯的程度正在不斷地提升和完善中,汽車更是如此,更加安全、舒適、環保以及智慧的交通環境是我們共同的願景。未來對於自動駕駛技術和汽車電動化的需求將日益增加,而汽車的智慧化升級首先在於對車內和車外狀態進行檢測。


實現ADAS和自動駕駛的關鍵要素

為了有效地提高駕駛安全性,方向盤離手偵測(HoD)已應用在許多先進輔助駕駛系統(ADAS)當中,這也是L1-L4級自動駕駛系統的要求。根據聯合國第79號條例規定,提供車道維持輔助系統(LKAS)的所有新車,必須配備方向盤離手偵測(HoD)功能,歐盟也對2021年4月1日起生產的新車採納了該條例。


車輛從低自動化到半自動化,再到全自動化,不同等級的自動駕駛系統對於手握方向盤狀態有不同的要求。各系統會對不同的手勢和抓握姿勢進行判定,隨後輸出一個提醒訊號給駕駛員。例如在L3等級以後,就會要求在駕駛員手握方向盤時,系統能夠識別和判定是否在進行主動駕駛還是自動駕駛的現況。



圖一 : 不同等級的自動駕駛系統會對不同的手勢和抓握姿勢進行判定,以及輸出訊號提醒駕駛員。(Source:艾邁斯半導體)
圖一 : 不同等級的自動駕駛系統會對不同的手勢和抓握姿勢進行判定,以及輸出訊號提醒駕駛員。(Source:艾邁斯半導體)

駕駛員在駕駛過程中,由於突發情況或者習慣原因,會導致雙手離開方向盤,無論在低速還是高速行駛中,這都是一個非常危險的行為。方向盤離手偵測,即是藉由檢測駕駛員的手是否離開方向盤進行提醒警示,進而在輔助駕駛系統中保障行車安全。


當前有多種實現HoD的方式,例如電容感應、圖像識別、壓力感應等。汽車廠商在設計此方面的功能時,也會綜合考慮到可靠性、安全性、成本和植入該功能的便利程度等因素。


離手偵測的測量方式

圖二 : 目前離手偵測方式的主流,可區分為扭矩測量、光學測量和電容測量等三種類型。(Source:艾邁斯半導體)
圖二 : 目前離手偵測方式的主流,可區分為扭矩測量、光學測量和電容測量等三種類型。(Source:艾邁斯半導體)

目前主流的離手偵測方式可分為扭矩測量、光學測量和電容測量這三種類型。其中,電容測量在測量精度、可靠性、成本控制等方面均實現了不錯的效果,相較其他兩種測量方案具有比較明顯的優勢,比較如下:


一、複用扭矩測量來實現HoD功能,在於透過測量駕駛員作用在方向盤上的力矩大小和方向的方式來進行判定。它的成本較低,但是測量的必要條件是要轉動方向盤,並且無法識別手部姿勢,也不具備防騙功能。


二、光學系統測量借助光學感測設備對駕駛員進行狀態監測,具有較高的測量精度,但是實施的成本相對的較高,通常需要有多個設備元件支援,例如補光器、攝影鏡頭、軟體驅動等。而且由於拍攝角度等條件的限制,駕駛員手握方向盤的狀態,例如手緊握或是虛接觸,也都難以辨別確認。


三、電容式感測測量是根據駕駛員對方向盤的抓握狀態來進行測量和判斷,包括抓握的方式、左右手分辨等。測量不受手套、衣物等影響,並且無需轉動方向盤。這種測量方式利用單晶片即可實現,並且可以複用方向盤的導電織布省去感測設備的金屬導線,從而進一步地削減成本。


在下圖所示的應用實例中,可以看到電容感測方案的電路結構比較簡單,感測晶片的導線與方向盤的導電織布相連,使得手部只需要和方向盤的外表皮有所接觸就,可以實現電容式感測。這樣的設計方式也是方向盤廠商植入HoD功能的一個發展趨勢。



圖三 : 電容式感測的應用實例。(Source:艾邁斯半導體)
圖三 : 電容式感測的應用實例。(Source:艾邁斯半導體)

電容式感測晶片

在感測器領域,針對離手偵測應用方面,艾邁斯半導體的電容式感測器AS8579,可以實現高精準度、高可靠的測量,並且適用於多種的環境條件。


AS8579電容感測器是一個標準的SPI平台,可以實現I&Q測量和資料分離,具有14-bit解析度,可編輯多個測量頻率,藉以避免測量時受到車內其它頻率波的干擾。它擁有10個獨立的測量通道,方便設計時在方向盤上進行多個位置分區,也可為方案提供備援的通道選擇。同時它也通過ISO26262認證的安全等級。


此外,該款晶片在測量手握方向盤的電容值同時,還會測量人體對地的電阻值,這樣設計的優點,在於當電容測量出現較大偏差的情況下,例如空氣潮濕、手部潮濕、座位上有水等,加入對阻值的測量可以對最終的結果進行修正,以保證在多種環境條件下測量的準確性。


應用領域

除了駕駛員離手偵測,該款晶片還可以應用於燃油液位感測、占座感測、後備箱自動打開和車內電容控制開關例如空調、收音機、導航等。



圖四 : 車載電容方案應用(Source:艾邁斯半導體)
圖四 : 車載電容方案應用(Source:艾邁斯半導體)

在未來,汽車對於人們的作用,將不僅僅局限在交通工具上,而會帶來更為多元化的功能和體驗。但無論在哪個時代,安全可靠是其承載的不變的核心,而且會隨著科技的發展不斷完善和進步。我們也期望更多諸如離手偵測的技術可以應用於汽車的輔助駕駛系統,讓車輛行駛更加安全和便捷。


【講技術】I&Q測量的操作原理


圖五 : I&Q測量的操作原理
圖五 : I&Q測量的操作原理

感測器在測量時會向被測物體發射正弦波,在被測負載上建立電壓,內部的檢測器隨後會接收到負載端回饋的鏡像電流。


內置的跨阻放大器將電流訊號轉換成電壓訊號,調變器進行I和Q的訊號調變和分離,根據相位值不同進行分離處理。I和Q值分別對應電阻R和電容C值。執行系統通過對電阻R和電容C訊號進行測量和判定。


基於I&Q測量方案的優點,在於測量時,它可以不受到佩戴手套或者濕手等情況的影響,並且可以準確地測量不同的抓握姿勢和其他材料接觸方向盤所產生的電容值,實現防騙功能。由於上述晶片的測量方式採取測量相對值,也可以讓系統在計算時不會受到寄生阻抗的影響。


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