Für Entwicklungsingenieure in der Automobilindustrie ist es ungewöhnlich, eine neue Technologielösung zu finden, die eine bessere Leistung als die bisherigen Ansätze erbringt, die Kosten senkt und sich einfacher in die Anwendung implementieren lässt. Aber genau das bietet der neue kapazitive Sensorchip AS8579 von ams, wenn er für die Hands-On-Detection (HOD) in Fahrzeugen mit Fahrerassistenzfunktionen eingesetzt wird. Er ist das Ergebnis der Anwendung eines bekannten und bewährten Messprinzips – der so genannten I/Q-Demodulation – auf die Aufgabe, die Position der Hände des Fahrers am Lenkrad zu erfassen. Dabei ist diese Lösung allen bisherigen Technologien für HOD im Automobilbereich deutlich überlegen.
Die HOD-Funktion wird von der Vorschrift 79 der Vereinten Nationen gefordert und gilt für alle Neufahrzeuge, die über ein Spurhalte-Assistenzsystem (Lane Keeping Assist System, LKAS) verfügen, unabhängig davon, wo dieses ratifiziert wurde. Sie wurde bereits von der Europäischen Union für neue Serienfahrzeuge ab dem 1. April 2021 übernommen. Der Zweck des HOD-Systems ist die kontinuierliche Überwachung der Bereitschaft des Fahrers, im Notfall oder bei Ausfall des Spurhalte-Assistenzsystems die Kontrolle über das Lenksystem zu übernehmen.
Es wurden bereits verschiedene Technologien entwickelt, um diese HOD-Funktion zu gewährleisten, jedoch mit Einschränkungen: Es ist möglich, dass Fahrer, die das Lenkrad nicht dauerhaft halten möchten, das aktuelle Überwachungssystem täuschen – dies kann die Sicherheit beeinträchtigen. Außerdem liefern einige vorhandene Lösungen unter bestimmten Betriebsbedingungen eine schlechte Leistung.
Ein Ansatz für HOD war der Drehmomentsensor: Dieser erkennt die kontinuierlichen, winzigen Ausschläge, die entstehen, wenn der Fahrer das Lenkrad festhält. Der große Nachteil dieser Technologie ist, dass sie sich leicht überlisten lässt: Der Fahrer kann seine Hände vom Lenkrad nehmen und es „halten“, indem er es mit dem Knie nach oben drückt bzw. „hält“.
Aufgrund der Probleme mit Drehmomentsensoren hat die Autoindustrie eine kapazitive Sensorik für HOD eingeführt: Sie überwacht den Griff des Fahrers am Lenkrad, indem sie die Änderung der Leitfähigkeit des Lenkrads erfasst, wenn die Hände des Fahrers – die elektrische Ladung aufnehmen – mit dem Lenkrad in Berührung kommen. Für diese Technik wird nur ein einziger Sensorchip benötigt, der mit einem im Lenkrad eingebauten Metallsensorelement verbunden ist.
Bisher haben die Hersteller von Fahrzeugsystemen die Charge-Discharge-Methode der kapazitiven Abtastung verwendet: Dies ist eine allgemein bekannte Technik, da sie seit vielen Jahren in Produkten wie Touchscreens und berührungsempfindlichen Tasten eingesetzt wird. Aber die Erkennung schlägt fehl, wenn der Fahrer Handschuhe trägt. Außerdem beeinträchtigen falsche Erkennungssignale, die durch das Vorhandensein von Feuchtigkeit oder Nässe erzeugt werden, die Leistungsfähigkeit der Hands-On-Erkennung, die auf diesem Verfahren der kapazitiven Erfassung basiert. Diese kapazitive Sensorik kann sogar überlistet werden, wenn der Fahrer ein kapazitives Objekt, wie z. B. ein Stück Obst oder eine Plastikwasserflasche, in den Lenkradrahmen klemmt. Auch hier stellt die Anwendung dieser Charge-Discharge-Methode der kapazitiven Sensorik also eine potenzielle Gefährdung der Sicherheit dar.
Andere Technologien werden bereits für andere Fahrerüberwachungsfunktionen eingesetzt. Optische 2D-Abtastung wird beispielsweise in Systemen zur Überwachung der Kopfposition des Fahrers eingesetzt. Diese optischen 2D-Abtastsysteme sind jedoch nicht in der Lage, HOD durchzuführen. Das bedeutet, dass die kapazitive Abtastung die sinnvollste Technologie für HOD ist, die heute einsatzbereit ist. Mit dem neuen kapazitiven Sensor von ams werden alle Sicherheitsanforderungen der Automobilindustrie erfüllt – und er ist einfach zu implementieren.
Diese neue Lösung von ams bietet eine bessere Leistung und benötigt weniger Bauelemente als die bisherige Charge-Discharge-Technologie für kapazitive Sensorik.
Durch die Implementierung einer zuverlässigen kapazitiven Abtastung, die auf I/Q-Demodulation basiert, führt der kapazitive Sensor AS8579 die Hands-On-Detection manipulationssicher durch. Wie die Charge-Discharge-Methode ist die I/Q-Demodulation ein bewährtes und bekanntes Verfahren zur kapazitiven Abtastung. Ihr Vorteil ist jedoch, dass sie sowohl den ohmschen als auch den kapazitiven Anteil der Impedanz eines Systems misst. Dadurch arbeitet sie im Gegensatz zur Charge-Discharge-Methode auch unter schwierigen Bedingungen zuverlässig, z. B. bei Feuchtigkeit oder wenn der Fahrer Handschuhe trägt. Außerdem lässt sie sich nicht überlisten und erkennt somit zuverlässig den Griff des Fahrers am Lenkrad. Der zusätzliche Vorteil dieser Lösung auf Basis des AS8579 besteht darin, dass sie über das Heizelement eines beheizten Lenkrads betrieben werden kann, so dass kein separates Sensorelement im Lenkrad verbaut werden muss.
Der AS8579 eliminiert somit die üblichen Kompromisse im technischen Design:
Der AS8579 ist vollständig für den Einsatz im Automotive-Bereich qualifiziert und bietet mehrere On-Chip-Diagnosefunktionen, die die Unterstützung der Norm ISO 26262 für funktionale Sicherheit bis ASIL Grade B gewährleisten. Der AS8579 arbeitet mit einer von vier wählbaren Treiber-Ausgangsfrequenzen – 45,45 kHz, 71,43 kHz, 100 kHz oder 125 kHz – und bietet eine hohe Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen.
Fahrzeugentwickler können mit dem kapazitiven Sensor AS8579 für den Automobilbereich sofort mit der Entwicklung beginnen, wenn sie das zugehörige Evaluierungskit AS8579-TS_EK_DB verwenden.
Andreas Zenz kam 2013 zu ams. Seitdem arbeitet er in der Anwendungstechnik für Kunden aus den Bereichen Automotive, Industrie, Medizin und Robotik. Darüber hinaus hat er das Produktmanagement für den automotive-qualifizierten kapazitiven Sensor AS8579 übernommen.