Bediengesten an Fahrzeugen

Die Erfindung betrifft Sensoranordnungen, welche zur optisch gestützten Erkennung von Bedienungsgesten oder

Bedienungshandlungen an Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Insbesondere betrifft die Erfindung Sensoranordnungen, welche zeitlich und räumlich aufgelöste Informationen erfassen und auswerten, um den Bedienwillen eines Benutzers zu erkennen.

Im Stand der Technik sind optische Verfahren bekannt, die

Betätigungen in Reaktion auf eine Auswertung von

Bildinformationen erkennen und daraufhin z.B. Schaltvorgänge auslösen. Beispielsweise sind hier automatische

Videoauswertungen von Überwachungssystemen zu nennen, welche Muster oder Bewegungen aus einzelnen Bildern oder einer Folge von Bilder herauslesen. Außerdem sind zahlreiche andere optisch gestützte Systeme bekannt, wobei zu den grundlegendsten

Lichtschranken oder Helligkeitssensoren gehören. Optische

Systeme mit höherer Komplexität bedienen sich jedoch oft eines Arrays von optisch sensitiven Erfassungseinheiten, meist als

Pixel bezeichnet, die parallel optische Informationen aufnehmen, beispielsweise in Gestalt eines CCD-Arrays.

Die DE 10 2008 025 669 AI offenbart einen optischen Sensor, welcher eine Geste detektiert, woraufhin ein Schließelement eines Fahrzeugs automatisch bewegt wird.

Die WO 2008/116699 A2 betrifft einen optischen Sensorchip und bezieht sich auf eine optische Einklemmschutzvorrichtung für die Überwachung einer Fensterscheibe, Schiebetür oder einer Heckklappe in einem Kraftfahrzeug.

Die WO 2012/084222 AI offenbart einen optischen Sensor zur

Betätigung und Überwachung eines Schließelements.

Da die Gestensteuerung in verschiedenen technischen

Bereichen immer größere Akzeptanz erfährt, wurden auch Versuche unternommen, solche rein optischen Systeme zur Erkennung des Bedienwunsches bei Kraftfahrzeugen zu verwenden. Bei diesen Systemen herrscht jedoch weiterhin die Erfassung von Bedienungen über kapazitive Systeme vor.

Im Bereich der optischen Erfassung sind Systeme bekannt, welche eine pixelbezogene Ortsinformation, insbesondere eine Distanz von der Sensor- oder Erfassungseinrichtung erfassen. Die WO 2013/001084 AI offenbart ein System zur berührungslosen

Erfassung von Gegenständen und Bediengesten mit einer optisch gestützten Einrichtung ähnlicher Art, wie sie auch für die

Erfindung einsetzbar ist.

Diese Systeme werden beispielsweise, je nach angewandtem

Auswertungsverfahren, als „Time-of-flight"-Systeme oder auch als „3D-Imager" oder „Range Imager" bezeichnet. Die

Anwendungsgebiete solcher Systeme liegen im Bereich der

industriellen Automatisierungstechnik, in der Sicherheitstechnik und im Automobilbereich. In einem Auto werden 3D-Sensoren in Spurhaltesystemen, zum Fußgängerschutz oder als Einparkhilfe eingesetzt. Sowohl Konzepte der Triangulation als auch der

Interferometrie und auch der LichtlaufZeitmessung (Time-of- flight (ToF) ) können mit optischen Sensoren umgesetzt werden. In diesem Zusammenhang wird auf diesbezügliche Ausarbeitungen verwiesen, welche die technischen Konzepte und deren

Realisierung detailliert beschreiben, insbesondere die

Dissertation „Photodetektoren und Auslesekonzepte für 3D-Time- of-Flight-Bildsensoren in 0,35 pm-Standard-CMOS-Technologie" , Andreas Spickermann, Fakultät für Ingenieurwissenschaften der, Universität Duisburg-Essen, 2010.

Außerdem wird auf die Publikation „Optimized Distance

Measurement with 3D-CMOS Image Sensor and Real-Time Processing of the 3D Data for Applications in Automotive and Safety

Engineering", Bernhard König, Fakultät für

Ingenieurwissenschaften der Universität Duisburg-Essen, 2008 verwiesen .

Die vorgenannten Arbeiten beschreiben das Konzept und die Realisierung von einsetzbaren optischen Sensorsystemen, so dass im Rahmen dieser Anmeldung auf deren Offenbarung verwiesen wird und nur zum Verständnis der Anmeldung relevante Aspekte

erläutert werden. Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung welche das Time- of-Flight- (ToF) Verfahren nutzt, so dass dieses hier kurz erläutert wird.

Beim ToF-Verfahren wird ein Raumbereich mit einer

Lichtquelle beleuchtet und die Laufzeit des von einem Objekt im Raumbereich zurück reflektierten Lichtes mit einem Flächensensor aufgenommen. Dazu sollten Lichtquelle und Sensor möglichst nah zueinander angeordnet sein. Aus dem linearen Zusammenhang von Lichtlaufzeit und Lichtgeschwindigkeit lässt sich die Distanz zwischen Sensor und Messobjekt bestimmen. Zur Messung der zeitlichen Verzögerung muss eine Synchronisation zwischen

Lichtquelle und Sensor gegeben sein. Durch die Nutzung gepulster Lichtquellen können die Verfahren optimiert werden, denn kurze Lichtpulse (im ns-Bereich) ermöglichen eine effiziente

Hintergrundlichtunterdrückung. Außerdem werden durch die

Verwendung des gepulsten Lichts mögliche Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Distanz vermieden, so lange der Abstand genügend groß ist.

Einerseits wird bei diesem Konzept die Lichtquelle gepulst betrieben. Außerdem wird die Detektionseinheit , also das

Pixelarray gepulst sensitiv geschaltet, also das

Integrationsfenster der einzelnen Pixel wird zeitlich mit der Lichtquelle synchronisiert und in der Integrationsdauer

begrenzt. Durch den Vergleich von Ergebnissen mit

unterschiedlichen Integrationsdauern können insbesondere Effekte von Hintergrundlicht herausgerechnet werden.

Wesentlich ist, dass diese Erfassungsmethode keine rein bildbasierte Erfassungsmethode ist. Es wir bei jedem Pixel eine Abstandsinformation ermittelt, was durch die zeitliche

Lichtdetektion erfolgt. Bei Verwendung eines Pixelarrays liegt schließlich eine Matrix von Abstandswerten vor, welche bei zyklischer Erfassung eine Interpretation und Verfolgung von Objektbewegungen zulässt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische

Sensoreinrichtung mit gesteigerter Bedienerfreundlichkeit zur Verfügung zu stellen. Die Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung mit den

Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung weist eine 3D-Kamera, insbesondere eine Time of Flight (ToF-Kamera) auf. Diese Kamera weist eine Pulslichtquelle und einen lichtsensitiven

Erfassungschip mit einem Pixelarray auf. Die Pulslichtquelle und der Erfassungschip werden mit einer Steuerschaltung gekoppelt, welche die Lichtpulse und die Auswertung der Sensorsignale koordiniert und steuert. Die Pulslichtquelle kann eine

Laserdiode sein, die mit einer entsprechenden Treiberschaltung zur Erzeugung kurzer Pulse gekoppelt ist. Entsprechende

Steuerschaltungen und Anordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt .

Sowohl die Pulslichtquelle als auch der Erfassungschip sind in einem gemeinsamen Bauraum angeordnet und zu einem

Erfassungsbereich der 3D-Kamera hin ausgerichtet.

Erfindungsgemäß ist in dem Bauraum eine weitere Lichtquelle, getrennt von der Pulslichtquelle ausgebildet. Diese Lichtquelle ist eine Markierungslichtquelle und strahlt Licht im sichtbaren Spektrum ab. Es kann sich dabei insbesondere um eine oder mehrere Hochleistungs-LED ( s ) handeln, die beispielsweise rotes, grünes oder mischfarbenes Licht, überwiegend im Bereich zwischen 500 nm und 700 nm abstrahlt /abstrahlen . Die

Markierungslichtquelle ist in dem Bauraum so angeordnet und ausgerichtet, dass von ihr im sichtbaren Spektrum abgestrahltes Licht in dem Erfassungsbereich der 3D-Kamera abgestrahlt wird. Die Markierungslichtquelle kann in einem Teil-Raumwinkel des Erfassungsbereiches hineinstrahlen oder auch weite Teile des Erfassungsbereiches ausleuchten. Es kann insbesondere auch ein kleiner Raumwinkelbereich des Erfassungsbereichs als

Spotbeleuchtung ausgeleuchtet werden. Diese

Markierungslichtquelle dient dazu, dem Benutzer einen

Bedienbereich zu markieren, der von dem Benutzer leicht

erkennbar ist. In diesem Bedienbereich kann der Benutzer

Bediengesten ausführen, die von der 3D-Kamera erfasst und ausgewertet werden. Durch eine solche Markierung und

Orientierung des Benutzers werden Fehlbedienungen vermindert. Es wird insbesondere vermieden, dass außerhalb des Zielbereiches ausgeführte Gesten fälschlicherweise als Bedienwunsch erkannt werden. Außerdem kann auf diese Weise ein Bereich mit

ausreichendem Signalkontrast markiert werden und Benutzer akzeptieren allgemein Systeme mit klar definiertem

Erfassungsbereich eher als Systeme, deren Bedienung

unübersichtlich bleibt. Benutzer wünschen üblicherweise,

Fahrzeugfunktionen gezielt ausführen zu können, wobei die optische Markierung in einem einheitlichen Bauraum ein System schafft, welches dem Benutzer sowohl die Vorteile einer 3D-

Kamera zur Gestenerfassung als auch die Orientierung über eine Beleuchtung liefert.

Bevorzugt ist die Sensoreinrichtung insgesamt in einem einheitlichen Gehäuse aufgenommen, also mit Pulslichtquelle, Erfassungschip, Markierungslichtquelle und zugehörigen

Komponenten in einem Gehäuse. Auf diese Weise ist eine kompakte Sensoreinrichtung geschaffen, die in Halterungen oder

Ausnehmungen am Fahrzeug einsetzbar ist. Die Ansteuerung und Auswertung sowie Versorgung erfolgt über einen einheitlichen Kabelbaum, wobei insbesondere eine Steckerverbindung zur

Kopplung mit einem Kabelbaum vorgesehen ist.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Sensoreinrichtung eine einheitliche Platine für die Pulslichtquelle, den

Erfassungschip und die Markierungslichtquelle aufweist. Auf diese Weise ist eine feste Relation der Abstände und

Ausrichtungen der Komponenten gewährleistet und eine

Verschiebung der Komponenten durch Vibrationen oder

Umwelteinflüsse ist ausgeschlossen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Pulslichtquelle, der Erfassungschip und die Markierungslichtquelle entlang einer optischen Achse in dem Bauraum angeordnet sind. Auf diese Weise ist die Erfassung und zugehörige Markierung besonders

verlässlich. Außerdem werden Fehlausleuchtungen durch Abweichen der Markierungslichtquelle gegenüber der optischen Achse, und damit Störungen für die Erfassung durch die 3D-Kamera im

Erfassungsbereich reduziert. Bei der Anordnung entlang der optischen Achse sind üblicherweise die Komponenten der 3D-Kamera unmittelbar

benachbart zueinander angeordnet. Dies ist bereits aufgrund der Signallaufzeiten zwischen Erfassung und Pulslichtquelle

erforderlich, da diese mit hoher Präzision zeitlich koordiniert arbeiten müssen.

Die Markierungslichtquelle ist in der geraden Verlängerung der optischen Achse zwischen Erfassungschip und Pulslichtquelle neben der 3D-Kamera-Anordnung angeordnet .

Es ist besonders bevorzugt, wenn die Markierungslichtquelle benachbart zu einer Anschlussanordnung zur externen Verbindung der Platine angeordnet ist und zur thermischen Ableitung von Verlustwärme mit der Anschlussanordnung gekoppelt ist.

Die Markierungslichtquelle ist eine lichtstarke und

verlustwärmereiche Lichtquelle. Dies liegt unter anderem daran, dass die Markierungsfunktion auch bei heller Umgebung

gewährleistet sein muss, um einen Benutzer verlässlich einen markierten Bereich zu kennzeichnen. Außerdem ist die Verwendung von leistungsstarken, aber verlustarmen Lichtquellen in Gestalt von Laserdioden strengen Reglementierungen hinsichtlich der Gefahr für Verletzungen unterworfen. Daher werden als

Markierungslichtquelle insbesondere leistungsstarke Leuchtdioden mit vorgesetzten Fokussierungsoptiken verwandt. Diese

Leuchtdioden geben in Betrieb erhebliche Verlustwärme ab. Die bevorzugte Anordnung der Markierungslichtquelle im Bereich der externen Anschlüsse, also insbesondere in Seitenbereichen der Platine und mit einer thermischen Kopplung zu den Anschlüssen führt einen Teil der Verlustwärme zu den Anschlüssen. Dabei wird insbesondere verhindert, dass die Verlustwärme die Erfassung der 3D-Kamera negativ beeinflusst oder die gesamte Sensoreinrichtung zu stark erwärmt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die

Markierungslichtquelle wenigstens mit einer flächigen

elektrischen Zuleitung als Kühlkörper für Verlustwärme versehen. Die elektrische Zuleitung gleichzeitig als Kühlkörper

einzusetzen und dafür mit einer möglichst großen

Flächenerstreckung auszubilden, sorgt für eine Ableitung und Abstrahlung der Wärme durch die vergrößerte Oberfläche der Zuleitung. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die flächige

Zuleitung als Blech ausgeführt ist, welches abschnittsweise freitragend ist und mit Abstand beispielsweise zu unterliegenden Platinen verläuft. Ein solches Zuleitungsblech kann auch in Seitenwandungen des Gehäuses verlaufen.

Die Kopplung der flächigen Zuleitungen kann mit der Kopplung an die Anschlussanordnung zur externen Verbindung kombiniert sein, um die thermische Ableitung weiter zu verbessern. Dann sind die flächigen elektrischen Zuleitungen, beispielsweise

Zuleitungsbleche, mit den Anschlusseinrichtungen zur Überführung von Wärme thermisch gekoppelt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Markierungslichtquelle mit einer Markierungsoptik ausgestattet ist, welche eine

Strahlformung vornimmt. Eine geeignete Markierungsoptik kann z.B. eine Ausnehmung zur zentrierten Aufnahme einer LED

aufweisen und einen Glas- oder KunstStoffkörper, welcher die Strahlen der LED in der gewünschten Weise bündelt oder/und ausrichtet. Eine Markierungsoptik mit einer Aufnahme für die LED in einer Grundseite und einer Abstrahlseite, welche gestuft ausgeführt ist, hat sich als vorteilhaft erwiesen. Durch die Umschließung der LED in einem aufgesetzten Glaskörper oder KunstStoffkörper werden Lichtverluste reduziert. Eine

Abstrahlseite der Markierungsoptik mit parallelen Schrägstufen sorgt für eine gerichtete Abstrahlung des Markierungslichts.

Die Erfindung wird nun anhand einer beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung einer

erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung an einem Fahrzeug;

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen

Sensoreinrichtung;

Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung;

Figuren 4a, 4b, 5a, 5b zeigen die Markierungslichtquelle und Markierungsoptik in verschiedenen Ansichten.

In Figur 1 ist das Heck eines Fahrzeuges 1 gezeigt. Eine Sensoreinrichtung 2 ist im heckseitigen Stoßfänger des Fahrzeuges angeordnet. Der Detektionsbereich 3 einer 3D- Sensoranordnung in der Sensoreinrichtung ist nach unten, hinten vom Fahrzeug weg gerichtet. Diese Sensoreinrichtung ist dazu vorgesehen, die Bediengeste für die Betätigung einer Heckklappe zu erfassen. Dazu kann der Benutzer in dem Bereich 3 eine Geste mit seinem Fuß ausführen, die als Bedienwunsch erkannt wird und eine elektrische Öffnung der Heckklappe des Fahrzeuges 1

auslöst .

Während der gesamte Erfassungsbereich 3 der 3D- Sensoranordnung sich über einen großen Raumwinkel erstreckt, ist in der Sensoreinrichtung 2 außerdem eine Markierungslichtquelle ausgebildet. Diese Markierungslichtquelle leuchtet einen Bereich 4 aus, der einen Teilbereich des Erfassungsbereiches 3 ist.

Diese Markierungslichtquelle leuchtet lichtstark in dem Bereich 4 und strahlt Licht in dem sichtbaren Spektrum ab. Ein Benutzer erkennt diesen markierten Bereich als ausgeleuchteten Bereich auf dem Boden im Heckbereich. Er kann nun zielgerichtet seinen Fuß in diesen Bereich bewegen, der durch das Licht markiert ist. Die Kameraeinrichtung in der Sensoreinrichtung 2 erfasst die Bediengeste und kann eine Heckklappenbetätigung auslösen. Die Markierung durch die Markierungslichtquelle erlaubt es, die Bediengeste zielgerichteter auszuführen und deutlicher von

Bewegungen in dem übrigen Bereich 3 zu unterscheiden. Es kann durchaus vorgesehen sein, dass auch die übrigen erfassbaren Bereiche in dem Erfassungsbereich 3 in die Auswertungen im

Fahrzeug einbezogen werden. Beispielsweise kann das System geweckt werden, wenn eine Annäherung in dem Bedienbereich 3 detektiert wird. Die Ausführung von konkreten

Entriegelungsgesten oder Bewegungsgesten ist jedoch

sinnvollerweise in dem markierten Bereich 4 auszuführen. Es ist festzuhalten, dass die Erfassung der 3D-Kamera nicht auf die Markierungslichtquelle angewiesen ist, sondern mit einer

Pulslichtquelle in einem anderen Spektralbereich arbeitet. Die Markierung erfolgt ausschließlich zu Leitung des Benutzers.

Figur 2 zeigt die Sensoreinrichtung 2 in einem schematischen

Blockschaltbild. Ein einheitliches Gehäuse 10 ist als Schutz ausgebildet und nimmt eine Platine 11 auf. Die Platine 11 weist Anschlüsse 12 auf, die mit einem Steckverbinder zur Kopplung der Sensoreinrichtung 2 mit einem Kabelbaum am Fahrzeug ausgebildet ist .

Auf der Platine 11 ist eine Pulslichtquelle 13 ausgebildet, in dieser Ausführungsform einer Laserdiode im nahen

Infrarotbereich mit einer vorgesetzten Aufweitungsoptik . Die Laserdiode 13 ist mit einer Treiberschaltung 14 gekoppelt, welche die Laserdiode zur Aussendung von kurzen Pulsem im

Nanosekundenbereich ansteuert. Die Treiberschaltung 14 wiederum ist mit einer Steuerschaltung 15 gekoppelt, die auch den

fotosensitiven Erfassungschip 16 ansteuert. Der Erfassungschip weist in dieser Ausführungsform ein Pixelarray von 30x30 Pixeln auf. Eine solche Pixelmatrix ist für Erfassungen von

Bewegungsgesten ausreichen, es können jedoch auch Arrays mit abweichender Auflösung eingesetzt werden.

Die Komponenten 13, 14, 15, 16 bilden die 3D-Kamera, die nach dem Laufzeitprinzip arbeitet. Entsprechende Kameramodule und Schaltungen sind dem Stand der Technik bekannt.

Die Pulslichtquelle 13 definiert mit dem Erfassungschip 16 zusammen eine optische Achse 20. In Verlängerung der optischen Achse 20 ist eine Markierungslichtquelle 21 ausgebildet. In diesem Beispiel ist die Markierungslichtquelle 21 eine

leistungsstarke Leuchtdiode. Die Markierungslichtquelle 21, der Erfassungschip 16 und die Pulslichtquelle 13 liegen also

innerhalb eines einheitlichen Gehäuses 10 und auf einer

gemeinsamen Platine 11 entlang einer optischen Achse 20. Die Markierungslichtquelle 21 ist außerdem benachbart zu den

Anschlüssen 12 angeordnet. Zuleitungsbleche 22a, 22b liefern die Betriebsspannung der Markierungslichtquelle 21 und dienen gleichzeitig als Kühlkörper für die Abgabe der Verlustwärme der Lichtquelle. Eine zugehörige Treiberschaltung 23 ist mit den Zuleitungen 22a, 22b gekoppelt und mit der Schaltung 15, welche auch die Zuschaltung der Markierungslichtquelle koordiniert.

Die Zuleitungsbleche 22a, 22b verlaufen beabstandet zu der Platine 11, um Wärme auch durch Konvektion zwischen Platine und Zuleitungsblechen 22a, 22b abzuführen. Außerdem können die

Zuleitungsbleche profiliert oder gefaltet sein, um die Kühlwirkung weiter zu verbessern. Auch eine thermische Kopplung mit den externen Verbindungselementen 12 kann vorgesehen sein, um Wärme durch die Verbindungselemente 12 in den Stecker und Zuleitungen abzuführen.

Die vorgeschlagene Anordnung ist eine kompakte, einheitliche

Sensoranordnung mit einer 3D-Erfassung und Markierung eines Bedienbereiches. Da die Komponenten gemeinsam mit einem Gehäuse aufgenommen sind und zueinander dauerhaft ausgerichtet sind, ist der Einbau am Fahrzeug besonders einfach und zuverlässig

In Figur 3 ist eine Baueinheit mit den

erfindungswesentlichen Komponenten in einer bevorzugten

Ausführungsform gezeigt.

Auf einer Platine 50 sind die Pulslichtquelle 51, die

Erfassungsoptik 52 mit Erfassungschip, und die

Markierungslichtquelle mit Markierungsoptik 55 dargestellt. Die Bauteile sind entlang einer Achse auf der Platine 50 angeordnet. In der Praxis ist die Platine mit den Komponenten durch ein Gehäuse umgeben, welches jeweils Sichtöffnungen für die

optischen Strahlengänge aufweist.

Die Figuren 4a und 4b zeigen die Markierungsoptik 55 und die

Markierungslichtquelle 54 getrennt von der Platine und in verschiedenen perspektivischen Ansichten. Es ist deutlich, dass die Markierungslichtquelle in Gestalt einer LED in die

Markierungsoptik 55 eintaucht. Die Markierungsoptik 55 hat einen Optikhalter 56, welcher auf der Platine mit Ansätzen an seiner Unterseite festgelegt ist. Die Markierungsoptik 55 ist ein

Glaskörper mit einer schräg gestuften Abstrahlseite, welcher die Strahlung der LED ausrichtet und formt. Sowohl die

Markierungslichtquelle 54 als auch die Markierungsoptik 55 werden durch den Optikhalter 56 zueinander ausgerichtet und in ihrer Lage gesichert.

Die Figuren 5a und 5b zeigen die Anordnung der Komponenten Markierungslichtquelle 54, Markierungsoptik 55 und Optikhalter 56 in verschiedenen Darstellungen. In Figur 5a ist eine

Explosionsdarstellung gezeigt. Der Glaskörper der

Markierungsoptik 55 weist eine gestufte Oberseite auf, welche eine Lenkung der Strahlung von der Markierungslichtquelle 54 bewirkt. Der Glaskörper ist konisch-bauchig geformt und hat Ansätze, die in komplementäre Öffnungen der Optikhalters 56 zum verdrehsicheren Halten eingreifen.

Figur 5b zeigt den montierten Zustand, in welchem die

Markierungslichtquelle in eine Ausnehmung der Markierungsoptik 55 eintaucht und die Markierungsoptik in dem Optikhalter aufgenommen ist. Der Optikhalter 56 kann mitsamt der

Markierungsoptik 55 über der Lichtquelle 54 auf einer

unterliegenden Platine montiert werden, wobei der Hohlraum in der Markierungsoptik und die Öffnung des Optikhalters eine Ausrichtung über der Lichtquelle erleichtern.