用于在机动车中确定使用者的操纵元件、尤其为手指的位置的方法以及定位装置

摘要

本发明涉及用于在机动车(31)中确定使用者的操纵元件、尤其为手指在接近表面时的位置的方法以及定位装置(36)。为了确定尤其为手指(1)的操纵元件的位置，按照一种实施形式设置以下步骤：产生HF-信号；将HF-信号耦合到使用者(34)中；通过使用者(34)的身体(35)传输HF-信号；借助于多个传感器(8-11)接收通过身体(35)和使用者(34)的操纵元件、尤其为手指(1)而传输的HF-信号，并且根据传感器(8-11)的传感器信号获取尤其为手指(1)的操纵元件的位置，其中，传感器信号分别为关于接收的HF-信号的信号强度的度量，其中，根据传感器信号首先获取利用尤其为手指(1)的操纵元件接近的尤其为身体部分的对象的重心位置(14-17)，并且在考虑重心位置(14-17)的情况下算出尤其为手指(1)的操纵元件的位置。

说明书

本发明涉及带有权利要求1的前序部分特征的用于在机动车中确定使用者的操纵元件(尤其为手指)在接近表面时的位置，以及带有权利要求11的前序部分特征的定位装置。

在现有技术中已知的是，以非接触的方式获取(ermitteln)使用者的操纵元件(例如手指)的位置。为此设置，通过信号发生器(Signalgeber)产生高频发生器信号。将该发生器信号以电容的方式耦合(einkoppeln)到坐在车辆座椅上的使用者中。因此，信号发生器的布置优选地设置在车辆座椅处。为了可探测(erfassen)使用者的手指接近表面，将传感器布置到该表面处或其周围。如果手指接近这些传感器，则由信号发生器、使用者、以及再次通过车辆与信号发生器相连接或相耦合的传感器组成的信号环路中的电容发生变化。电容的变化(其可理解为接收的通过使用者的身体传输的发生器信号的信号强度的变化)为关于使用者的手指与相应的传感器的间距的度量(Mass)。可根据其它原理构造其它的传感器系统，然而无论如何都要评价(auswerten)通过使用者传输的HF-信号的信号强度。根据已知的传感器位置和分别指明关于身体部分与相应传感器的距离的度量的各个传感器信号，可通过三角测量确定身体部分的位置。

在文件WO 2004/078536中描述了通过机动车中的使用者的身体的这样的HF-信号传输以用于非接触地检测身体部分的接近的基本原理。

在机动车中，定位单元通常以与布置在驾驶员座椅和副驾驶员座椅之间的中控台中的指示装置和操控装置相关的方式而使用。尤其与包括指示表面的这样的指示装置和操控装置一起使用定位单元。然后使用定位单元，以用于确定使用者手指相对于指示表面的接近。然而由于布置在驾驶员座椅和副驾驶员座椅之间，通常不以垂直于指示表面的方式实现手指的接近。相反地在大多数情况下在倾斜的角度下实现接近。由于传感器布置在指示表面周围或以与指示表面带有间隔的方式布置在指示表面周围，因此手指并不总是最近地靠近传感器中的一个的身体部分。

在图1a至1d中显示了四种情形，在这四种情形中使用者分别地使其右食指1接近在其前方布置在右侧的构造成触摸屏的指示表面6的不同接触位置2-5。围着指示表面6分别地在角点7处布置有传感器8-11。在根据图1a的接触情形(在其中，使用者利用右食指1接触位于左下角中的接触位置2)中，传感器8-11中没有一个由其它的身体部分以值得注意的方式干扰地加以影响。

然而，当右食指1接近位于指示表面6的左上角中的接触位置3时，布置在左下角的传感器8由使用者的手12和前臂13一起加以影响。

在根据图1c的情形(在其中，使用者使右食指1接近布置在右上角中的接触位置4)中，布置在左下角的传感器8由手12和前臂13强烈地加以影响。

在图1d中示出的情形(在其中，使用者的右食指1接近位于右下角的接触位置5)中，相应地布置在左下角和右下角处的传感器8和11由手12和前臂13一起加以影响。由此根据传感器信号执行的三角测量通常无法得到用于接触的右食指1的准确的定位。

因此本发明的技术问题在于，无法满意地解决现有技术的定位。因此本发明的目的是，实现改进的定位装置以及用于在机动车中对操纵元件(尤其为的使用者的手指)在接近表面时进行位置确定的改进的方法。

该目的根据本发明通过带有权利要求1的特征的方法以及带有权利要求11的特征的装置而实现。本发明的有利的设计从从属权利要求中得到。

本发明以这样的基本思想为依据，即，在第一步中根据为关于传感器与例如身体部分的对象的距离的度量的传感器信号仅获取接近表面的对象(例如，身体部分)的重心位置。重心位置与操纵元件的位置(例如，手指的位置)有偏差。重心位置和操纵元件的位置(例如手指位置)之间的偏差又取决于所获取的重心位置。这是由于，一方面对象姿态或手姿态取决于重心位置而变化，另一方面在获取重心位置时所考虑的对象(身体)的部分是不同的。例如，相比于在根据图1b或1d的情形中，在图1c中示出的接近情形中，更大的前臂区段接受(eingehen)重心位置获取。除了手指或其它身体部分，与身体紧密相连接的由使用者所引导的物体也被考虑作为操纵元件。尤其可能的是，使用者穿戴例如手套的服饰。同样地，使用者可在手中握着例如笔或杆的元件。在此由此为出发点，即，当使用者使用笔或杆作为操纵元件时，使用者分别以相同的方式握着这样的笔或杆。在这种情况中，应不仅身体部分而且身体部分与操纵元件一起视作为对象。因此，对象总是包括身体部分并且如有可能附加地包括代替“身体自身的”操纵元件的“身体外部的”操纵元件。因此，根据本发明建议一种方法，该方法包括以下步骤：探测非接触测量的传感器的传感器信号，其中，传感器信号是关于对象(尤其为使用者的身体部分)与相应的传感器位置之间的间距的度量，以及根据传感器的传感器信号获取操纵元件(手指)的位置，其中，根据传感器信号首先获取利用操纵元件(手指)接近的对象(身体部分)的重心位置，并在考虑重心位置的情况下计算出操纵元件(手指)的位置。该方法的优点为，可十分更精确地确定操纵元件(手指)的位置。由此可更好地使用更精确地确定的操纵元件(手指)的位置，以用于影响在指示表面上指示的用户界面。例如，可在接近期间更好地预测接触位置。因此，例如用于通过接触而触发的处于预期接触位置的区域中的操控元件可放大地示出，以用于提高使用者的成功概率(Trefferwahrscheinlichkeit)。还可以其它方式有利地使用更精确地已知的操纵元件(手指)的位置以用于控制用户界面。例如，元件的移位、放大和/或缩小等可设计成取决于相应的操纵元件的位置(相应的手指位置)。此外，不同的动作可取决于所获取的操纵元件(手指)的位置而触发。

在一种实施形式中设置，信号的探测包括以下步骤：产生HF-信号；使HF-信号耦合到使用者中；通过使用者身体传输HF-信号；借助于多个传感器接收通过使用者的操纵元件(手指)和身体传输的HF-信号，其中，传感器信号分别地为关于所接收的HF-信号的信号强度的度量。然而也可使用例如探测屏幕前的区域中的电容变化的其它传感器。这样的“传感器”可例如通过优选地交叉布置在构造为触摸屏的指示装置前的透明导体电路而形成。这样的布置包括大量提供传感器信号的“传感器”。其它的非接触测量的传感器基于超声波而工作或使用光学方法。这种根据光学方法而工作的传感器可例如分别地根据如下原理而设计：发送LED(Sende-LED)发射出在光学或红外线波长范围中的方波(rechteckfoermig)调幅的光信号。在对象处反射的光信号由光电二极管探测。相位移动180°的同样为方波调幅的参考光信号由补偿LED通过不变的光路发送至光电二极管。补偿LED通过调节回路借助于调节信号如此地被调整，即，在光电二极管处所接收的补偿LED的参考光信号和所接收的发送LED的反射光信号相抵消，并检测平衡信号(Gleichsignal)。调节信号的变化为关于对象的间距的度量。根据该原理而设计的传感器单元很大程度上不受温度波动和湿度波动影响。

利用某一方法可能基于重心位置特别简单地获取操纵元件的位置(手指位置)，在其中，在考虑取决于重心位置的偏移(Versatz)的情况下基于重心位置获取操纵元件(手指)的位置。如上文已表明的，实际的操纵元件位置(实际的手指位置)的偏差取决于对象姿态(手姿态)以及各个传感器由手和前臂等(即，对象的结构)所影响的强度。因此，重心位置和操纵元件位置(手指位置)之间的偏移取决于重心位置而变化。因此通过考虑可变的、取决于重心位置的偏移得到准确的操纵元件位置(准确的手指位置)。

在本发明的一种优选的改进方案中设置，将例如指示表面的表面前的空间划分为子空间，并且将每个子空间关联(zuordnen)有偏移。由此可以简单的方式考虑，手姿态通常取决于力求到达的接触位置或者操纵元件(手指)的瞬时位置。例如，接触位置侧向离驾驶员越远，驾驶员的手掌以相对于待考虑的表面越加平行的指向而接近。这意味着，可根据已获取的重心位置推断出(zurueckschliessen)手姿态。这同样地使得获取重心位置和操纵元件位置(手指位置)之间的偏移成为可能。由此，以简单方式更精确地进行定位。当使用者在手中握有并引导笔或杆作为操纵元件时，也产生手姿态的改变。分配到子空间的各个偏移可例如储存在表格中。因此，操纵元件位置(手指位置)的确定仅需调取相应的偏移值以及将偏移值与重心位置相加，以用于确定操纵元件位置(手指位置)。

在本发明的另一种实施形式中设置，偏移为重心位置的函数。在该实施形式中，偏移以取决于重心位置的方式而参数化并作为函数而存储(hinterlegen)。这样的函数可例如从关于不同的重心位置的不同的确定的偏移中借助于插值法而获取。

用于获取操纵元件位置(手指位置)的另一方式所基于的是，可取决于获取的重心位置对与信号强度关联的间距进行匹配(anpassen)。这等同于对各传感器的特性曲线进行匹配。因此一种优选的实施形式设置，对接收的信号强度与获取的操纵元件(手指)与相应的传感器的距离的关联进行匹配以用于分别单独地取决于获取的重心位置计算手指位置。

因此，该方法使得第二精确的三角测量成为可能，在该三角测量中，相对于各个传感器信号的衰减(如有可能同样增强)使用重心位置。

操纵元件位置(手指位置)的确定还可利用这样的实施形式进一步改进，在该实施形式中，附加地将至少一个在接近期间之前获取的重心位置结合(einbeziehen)到操纵元件位置(手指位置)的获取中。通过考虑多个获取的重心位置可获取运动方向。尤其在这样的实施形式(即，在其中，取决于获取的重心位置对接收的信号强度与间距的关联进行匹配)中，有利的是获悉接近方向。对于各个传感器，关于不同接近方向的关联特性曲线可根据实验获取并被存储。根据该关联可然后实施非常精确的手指定位。对于线性特性曲线，这可导致取决于接近方向对特性曲线上升进行匹配。

在一种优选的实施形式中，操纵元件(手指)接近的表面为触摸屏，并且借助于触摸屏在通过操纵元件(手指)接触触摸屏时获取并提供接触位置。接触位置与已获取的操纵元件(手指)位置进行比较，并且根据偏差校正偏移和/或信号强度与距离的关联(即，传感器的特性曲线)。由此尤其使得匹配机动车中的单独的使用者成为可能。尤其同样在使用“身体外部的”操纵元件的情况中。在处于全新状态的车辆出厂时，使用提供对于大量使用者可认可的定位的偏移值和关联。然而偏好与通常座椅位置有偏差的座椅位置的、具有特别大或特别小的手的、和/或使其手和其手指或其它操纵元件以与通常所使用的轨迹有较大偏差的轨迹接近表面的使用者，可利用本发明的改进方案同样获得非常精确的操纵元件位置获取(手指位置获取)。因此逐渐地使定位装置或用于确定操纵元件(手指)的位置的方法优化且个性化。

因此作为一种尤其优选的改进方案设置，以个人相关的方式保存偏移和/或关联。一旦可探测使用者的识别信息，则因此可以个人相关的方式将偏移和/或关联储存在存储器中并从存储器中读入。

在一种尤其优选的方法中，可由定位单元区分使用者和另外的使用者(例如，驾驶员和副驾员)。因此一种优选的实施形式设置，定位装置包括另外的信号发生器以用于产生另外的HF-信号，该信号发生器如此地布置，即，使得另外的HF信号可耦合到另外的使用者中，并且传感器或另外的传感器构造成提供另外的传感器信号，这些传感器信号指明了关于所接收的通过另外的使用者的另外的操纵元件(另外的手指)和另外的身体传输的HF-信号的信号强度的度量，并且其中，根据另外的传感器信号首先可获取利用另外的操纵元件(手指)接近的另外的对象(身体部分)的另外的重心位置，并且在考虑另外的重心位置的情况下可获取另外的操纵元件位置(手指位置)。对于另外的使用者，相应于不同位置(另外的使用者自该位置起接近表面)的关联或偏移，相应地不同于使用者的关联或偏移。如果使用者例如利用其左食指从左侧接近，则这实际上相应于在使用者和另外的使用者之间的中心线处的镜像。然而如果例如使用者作为习惯使用右手的人同样利用其右食指接近布置在其左侧的表面，则应在原则上考虑其它的偏移。

根据本发明的定位装置的特征具有与根据本发明的方法的相应的特征同样的优点。

下文根据优选的实施例进一步阐明本发明。其中：

图1a-1d显示右食指到指示表面处的不同的接近情形，在指示表明中定位单元的传感器布置成邻近指示表面的角；

图2显示带有布置成邻近指示表面的定位单元的机动车的示意图；以及

图3a-3c显示右食指接近伸长的(langgestreckt)指示表面的不同情形，其中，定位单元的传感器布置在指示表面上方。

如上文已阐述的，在图1a至1d中示出了四种情形，在这四种情形中，右食指1作为操纵元件接近指示表面6上的不同接触位置2-5。接下来分别假定食指作为操纵元件。然而也可使用其它手指或手中所握和/或所引导的笔、杆或类似物作为操纵元件。由于手12和前臂13在不同情形中以不同的干扰方式影响各个传感器8-11，因此由定位单元根据传感器信号不是获取准确的右食指1的位置，而是相反地分别地获取重心位置14-17。可很好地看出的是，重心位置的“所在地”相对于利用右食指1接近指示表面6的身体部分(手12，前臂13)而变化。这意味着，右食指1的位置分别不同地相对于获取的重心位置14-17而偏移，因此根据本发明的一种实施形式设置，将指示表面前的空间区域划分成子空间18-21。划分为四个子空间18-21当然只是示例性的。由于在示出的示例中从左下向右上进行接近，因此所有四个子空间接触点22相对于传感器8-11的布置或指示表面6的中心点23向左下移位。根据重心位置14-17位于哪个子空间18-21中，可将不同的偏移24-27与重心位置14-17相加，以用于获得分别与图示的相应的接触位置2-5相符的手指位置。与子空间18-21相应地关联的不同的偏移24-27可例如储存在存储器中并且从存储器中取决于获取的重心位置14-17而调取。

对于专业人员可得出的是，表面(即指示表面6)前的空间的划分可相应于实际上出现的接近情况合适地进行划分。当然可使用更多或同样更少的子空间。在所示的示例中，子空间仅划分为四个子空间18-21。为了取决于接近的身体部分的距离适当地考虑对于各个传感器8-11的不同强度的影响，同样垂直于指示表面6的空间的划分当然是有意义的。这意味着，不仅右手指、手12以及前臂13的侧面位置，而且其与指示表面6的垂直间距都是重要的。

在一种备选实施形式中可能的是，制定取决于重心位置的偏移函数。

这或多或少等同于非常连续的空间划分(即，在一定程度上(quasi)将空间非常细地划分为分项(Unterpunkt))。

尤其有利的是，由构造成触摸屏的指示表面所提供的接触位置与获取的手指位置进行比较以用于校正各个偏移。由此可能的是，将对于各个子域或获取的重心位置所必需的偏移以个人相关的方式进行匹配并优选地存贮。如果定位系统可探测例如储存在个人相关的车辆钥匙中的个人识别，则可以以个人相关方式保存各个偏移数据。因此在车辆中，可为各个人员(其例如拥有并且在操作车辆时使用通过识别码而个性化的车辆钥匙)存储不同组(Satz)的偏移。

图2中示意性地示出了机动车31的内部空间。在中控台中布置有构造成触摸屏的操控元件32。一方面，在可自由编程的指示表面6上可显示关于使用者34的信息。另一方面，在可自由编程的指示表面6上可指示所谓虚拟的操控元件，使用者34可利用操纵元件(此处为右食指1)通过接触来触发和/或操纵该操控元件。操纵元件通常为使用者的手指。为了可在操控元件32前的空间(即，指示表面6前的监控范围)中探测手指1的位置，设置有非接触测量的定位装置36。定位装置36包括布置成邻近指示表面6的角41-44的传感器8-11。传感器8-11接收通过使用者34及其操纵元件(手指1)传输的并且以电容的方式耦合到传感器8-11中的高频信号。传输的称为发生器信号的高频信号由集成到驾驶员座椅46中的信号发生器45所产生。利用发送电平产生的发生器信号以电容的方式耦合到坐在驾驶员座椅46上的使用者34中，通过使用者34的身体35及其前臂13、手12以及食指1传输，并且以电容的方式耦合到传感器8-11中。传感器分别地提供关于所接收的信号强度的信息的传感器信号供使用。各个传感器8-11与评价及控制单元47相连接，该评价及控制单元47根据传感器信号获取食指1在指示表面6前的空间中的位置。在此利用的是，接收的信号强度分别地为关于食指1与相应的传感器8-11的间距的度量。首先通过三角测量确定利用手指1接近的身体部分(手12和前臂13)的重心位置，由此获取手指1的位置。为此评价及控制单元47具有重心位置获取模块50。

在存储器51中储存了与各个子空间相关联的偏移。操纵元件位置模块52(也称为手指位置计算模块)获取重心位置33所在的子空间。与该子空间相关联的偏移55从存储器51中调取或读取并且与重心位置33相加以用于获知手指位置53。可理解的是，偏移通常可通过三维向量示出。

如果手指1接触指示表面6，则指示表面6(当指示表面6构造成触摸屏)提供接触位置信息。比较模块54获取如有可能存在的接触位置与获取的手指位置的偏差。如果存在偏差，则借助于校正模块56相应地对偏移55进行匹配。可设置，仅当偏差位于预定的阈值之上时，才对偏移55进行校正。

为了还可探测例如副驾驶员(未示出)的另外的使用者的另外的操纵元件(另外的手指)，示出的实施形式的定位装置36包括集成到副驾驶员座椅49中的另外的信号发生器48。该另外的信号发生器48优选地产生具有其它的频率的或为相对于发生器信号不同调制的高频信号的高频信号。

信号发生器45和另外的信号发生器48还可布置在车辆中的其它部位处。然而，通过例如将导电的坐垫添入到座椅表面中，可尤其简单地实现发生器信号或另外的发生器信号的电容耦合。

对于另外的使用者使用通常与其它的子空间相关联的其它的偏移。在其它情况下可类似地实施另外的手指的另外的手指位置的获取。

在另一个实施形式中设置，操纵元件位置计算模块根据取决于重心位置33的偏移计算出手指位置，该偏移就自身而言借助于偏移计算模块57根据重心位置33的函数而算出。由此可能的是，进行在一定程度上将空间非常细地划分为分项。

函数可根据插值的偏移而参数化，这些偏移从各个测得的重心位置和手指位置中推导。

同样可能的是，可匹配地设计函数的各个参数，以使得可使用接触位置和获取的手指位置之间所确定的偏差以用于匹配用于计算偏移的函数。

在又一种实施形式中设置，操纵元件位置计算模块构造成，借助于三角测量确定手指位置，其中，然而对于传感器中的每一个借助于关联模块58取决于获取的重心位置或甚至取决于接近方向对接收的信号强度与距离的关联进行匹配。可在考虑至少一个先前获取的重心位置的情况下推导出手指的接近方向。同样可能的是，根据之前获取的手指位置获取接近方向。通常可根据之前获取的位置确定接近方向。对接收的信号强度与距离的关联进行的匹配相应于对传感器的特征曲线进行的匹配。如果特征曲线为线性的，则例如关联的变化可存在于直线上升(Geradensteigung)的匹配。例如对于不同的接近方向不同的特征曲线可被探测并储存在存储器中。如果特征曲线(接收的信号强度-距离的关联)可参数化，则其可以公式的形式储存。在其它情况下可能的是，以表格形式储存特征曲线，其中，在一些情况下，仅需储存接收的信号强度-距离的各个数值对。通常可插入中间值。操纵元件位置计算模块根据来自传感器信号的单独匹配的关联通过三角测量算出手指位置。

在该实施形式中还可使用所测量的接触位置和获取的手指位置之间的偏差，以用于在该情况下对关联进行匹配。

只要定位单元的识别模块59可例如根据车辆钥匙中被编码的传送给定位单元的识别码来识别使用者，则对于手指位置计算所必需的信息可分别地以使用者相关的方式储存在存储器中。

对于专业人员可理解的是，评价及控制单元的各个所述模块可转化为软件以及硬件或其组合。评价及控制单元可尤其包括可实施储存在存储器中的程序代码的计算单元。各个模块可然后转化作为程序代码模块。此外得出的是，各个模块的功能的清晰的限制常常是不可能的，并且这些模块可部分地或全部地相结合。

定位单元的不同组成部分可分散地布置在机动车中。这些组成部分同样可集成到一个或多个部件中。评价及控制单元可尤其集成到中央控制器和/或多功能操控器(上文所提及的指示表面也集成到其中)中。

在图3a至3c中示出了其它的情形，在这些情形中食指1接近伸长的指示表面6。在这种情况中，传感器8-10沿着指示表面6的上棱边61而布置。在食指接近指示表面6的左边缘62处的位置的情形中(见图3a)，传感器8-10中没有一个由手12或前臂13以值得注意的方式所干扰。图3b中示出了这样的情形，即，在其中，手指1接近在指示表面6的中部的接触位置63。在这种情形下，布置在指示表面6的左上角处的传感器8由手12和前臂13一起所影响，从而获取的重心位置与实际的手指位置有偏差。在根据图3c的情形(在其中，食指1接近指示表面6的右边缘64)中，布置在指示表面6左上角处以及指示表面6的上棱边61上方中间的传感器8和传感器9由手12和前臂13一起所影响，从而获取的重心位置明显地与手指位置有偏差。如上文所述，可根据获取的重心位置使用相应关联的偏移，以用于计算准确的手指位置。备选地，可对特征曲线(即，接收的信号强度与相应的距离的关联)进行匹配，以用于直接借助于三角测量方法获取手指位置。

该实施例虽然使用探测通过人的身体传输的HF-信号的传感器，然而还可使用任意其它的这样的传感器，即，其可非接触地探测对象接近表面并在此产生关于对象与传感器的间距的度量的传感器信号。尤其可使用上文所提及的传感器。

参考标号列表

1     食指

2-5   接触位置

6     指示表面

7     角点

8-11  传感器

12    手

13    前臂

14-17 重心位置

18-21 子空间

22    子空间的接触点

23    指示表面的中心

24-27 偏移

31    机动车

32    操控元件

33    重心位置

34    使用者

35    身体

36    定位装置

45    信号发生器

46    驾驶员座椅

47    评价及控制单元

48    另外的信号发生器

49    副驾驶员座椅

50    重心位置获取模块

51    存储器

52    操纵元件位置计算模块

53    手指位置

54    比较模块

55    偏移

56    校正模块

57    偏移计算模块

58    关联模块

59    识别模块

61    上棱边

62    左边缘

63    接触位置

64    右边缘