拉斯维加斯的演出节目和客车的安全系统会有什么相关之处呢?如果看了“ Penn & Te ller ”的魔术表演,你就会产生一些灵感了。 Elesys 公司 的Phil Rittmueller 就是这样 --Elesys 公司以前曾是 NEC 的一部分, Phil 的主意可以用于汽车安全气囊的触发控制,以避免对幼龄乘客可能造成的严重伤害甚至死亡。
想象一下,当“ Penn & Teller ”的 Penn Gillette 坐在“心灵座椅“之中—那是一把综合了光学 和电子 学的旧式木椅—指挥着一个管弦乐队。 Penn 仅仅通过身体的动作,就能分别让各式各样的乐器表演起来。他的动作是非常夸张的,超过了真正乐队的指挥。当他跺脚的时候,鼓就会被敲响;当他在“心灵座椅”的灯柱上方摇手、或是前后摆手时,音量会相应增大或减小;抬起手会奏出一个高音,而向下挥手则会产生低音。而这些动作的反应时间是令人难以置信的。当 Penn 甩开手,或是做一个很快的动作,音乐几乎在转瞬间跟着发生变化。而这,正是 Phil 在寻求的一种可以辨别座椅上的人的大小和位置的传感技术 。
今天,这项技术为 Elesys 公司的 SeatSentry 系统提供了一个价格适宜的智能 传感器 。这种系统应用在本田公司的一些车型上,它可以感知是否有乘客、乘客的体形大小、以及乘客相对于气囊的位置,从而更安全地控制安全气囊。
“魔术”的背后
“心灵座椅”的技术背景是“对电场扰动的检测 ”,这项技术最初是由 MIT Media Labor atory - Physics and Media Group 的 Neil Gers henfeld 于九十年代初期开发出来的。而通过 MIT 、 Elesys 公司和 Motorola 的工程师 们的协作,进一步推出了电场成像 IC 这项技术也随之由实验室走向了生产。
“心灵座椅”实际上是一个让操作者进行三维的、复合 x 、 y 平面输入的计算机接口 。“心灵座椅”的一个 x 、 y 平面模式,为各种打击乐声响将整个感知平面划分为了 400 个区域。这个数目已经超过了计算机键盘的输入数。而这个接口的实现,是通过一系列电路将传感器送入的vwin
信号 数字化,并且提供 MIDI 、 RS-232 、 RS-485 等格式的数字信号 输出。场感知器的输出放大需要高增益、低噪声的同步电流 放大器 。最终的电路方案被昵称为“鱼”—因为它运用了与某些鱼类相似的三维感知技术,超越鼠标的二维输入能力。
“心灵座椅”的“鱼卡 (Fish Card) ”和其它功能单元如图 2 所示。这套系统通过对于发射状态下的电场的感知,测量座椅上的人手、脚的位置和动作。一个 70kHz 的发射天线 被隐藏于座椅的衬垫中,当有人坐在上面的时候,人体则延伸了天线的范围。而 4 支传感器接收天线则被装饰在椅子的前端,用来接收人体的运动。这些输入信号与脚部动作的拾取结合起来,从而提供了事件的触发信号。而距离表演者三英尺远处,在经过解调的感知接收信号和 8 位 AD 转换器 之间使用了一个对数放大器,令信号更加符合线性,便于进行表演者姿态的解析。
使用“心灵座椅”进行表演之前,需要做一些标定,以进行系统和表演者之间的校准。手的位置被映射为一个 3x3 的栅格,并通过最小二乘的线性拟合,对静电环境的变化进行补偿,包括电子仪器的漂移。表演者以座椅的灯为参照物,把握自己动作的范围,以及进入、离开栅格平面的时机。
安全气囊应用方案 : 谁在座椅之中 ?
截止上个世纪末,仅仅在北美就有超过 9500 万辆小客车和轻型货车为驾驶员配备了安全气囊。公路安全保险机构的报告称:安全气囊在超过 330 万起撞车事故中被触发。而依据美国国家公路交通安全部 (NHTSA) 的资料 ,仅在 1986 年至 2000 年 3 月之间,安全气囊已挽救了超过 5300 人的生命。尽管如此,由于没有特别考虑乘客身形的大小,原本用来保护正常体形成年人的安全气囊,反而可能给身形较小的乘客 -- 特别是儿童,带来严重的、甚至是致命的伤害。最直接的解决方法之一,就是当儿童坐在座椅之中时关闭安全气囊系统。而另一个值得推荐 的办法,则是让儿童坐在后排的座椅上。但是这些人工的解决办法,并不会比告诉司机“安全带可以救命,所以应该扣好安全带”更有效多少。
为了保护所有类型的乘客,需要一种所谓“智能的安全气囊”。智能的安全气囊应该能够区别儿童和成年人,并且能在适当的时候展开。为了进行乘客感知和探测,已经提出了数种构想 -- 诸如使用重量传感器、超声波距离感知技术、光学感知技术等。这些最初的构想所存在的问题是:在一些情形下,系统会出现误判。例如,车祸发生的时候,一袋食品就可能有足够的重量让安全气囊毫无必要地启动。而更换安全气囊是非常昂贵的,所以像这样不必要的安全气囊展开会引起消费者的不满。再举一个例子,如果乘客拿着一份报纸在看,会让基于超声波技术或是光学技术的系统误以为他距离安全气囊很近 -- 而实际上并非如此。重量感知技术很难在车辆 ( 以及乘客自身 ) 在运动的时候使用,而且当乘客把脚放在不同的位置、用不同的力量蹬地时,它也会受到影响。尽管如此,美国联邦机动车安全标准 (FMVSS)208 仍然草拟了推动更先进安全气囊的发展规划。从 2003 年 9 月开始到 2004 年 7 月 1 日,所有的汽车制造商必须保证他们售出的新车中,至少 20% 是通过了该项法规测试的新车型。而到 2006 年 7 月 31 日,则要达到 100% 。
电场感知技术似乎可以解决其它感知技术存在的所有缺陷。不过,以汽车电子 的标准来说,在“鱼卡”上所用到的电路太昂贵、面积也太大了。要将它变得实用而且价格适宜,就需要把电场技术相关的电路嵌入到一片集成电路 之中。
电场集成电路
在 Motorola 、 Elesys 和 MIT 的工程师们的协作下,试图完成某种意义上的另一个“魔术”—仅仅一片集成电路,可以让你十分简单地设计出一个电场感知系统。最终, Motorola MC33794 模拟集成电路诞生了,它可用于借助电场进行物体检测。
这片集成电路进行电场感知的基本电路其实是相当简单的。如图 3 所示,一个低压的大约 120kHz 的正弦信号被送到了发射电极上。而电极则是大电容 的一部分。
C = ε A/d ,
其中ε是介电常数,
A 是极板的面积,
而 d 则是极板的间距。
由于电容与面积是成正比的,面积翻倍则电容也翻倍,而若边长尺寸翻倍则电容相应变为原来的 4 倍。同时,电容与间距成反比,所以如果间距翻倍,则电容将减半。通常情况下,其阻抗为 13K 至 130K 欧姆 (10pF 至 100pF) 。理想状态下,电阻 值应该小于 1300 欧姆 (10%) ,因为电阻值太高会降低对电容量变化的灵敏度。
接收电极是系统中的探测器 。它输出的信号首先将经过一次低通滤波,信号随着电容量的增加而减弱。
几乎所有的物体都在一定程度上导电——或者说是有着各自的介电常数,所以它能对周围的电场环境带来影响,而这种影响可以被感知。集成电路所检测到的信号取决于集成电路中从电极到回路 ( 信号地 ) 之间的电流大小。而电流则是电导率沿着电场路径的积分。几乎任何导体都可以作为一个电场传感器,此时将其视为电容的一个极板。使用多个电极,则可以产生具有一定形状的电场——简单地说,一个适宜于被测物体的形状和位置的电场。
图 4 以框图的形式展现了此芯片 的全部功能。这片集成电路产生一个低频的正弦电磁波, 120kHz 、峰-峰值为 5.0V 。正弦波的波形谐波频率非常低,降低了高频干扰的可能性。在 ABCD 输入引脚和逻辑单元的控制下,一个内置的多路复用器 (MUX OUT) 将选定信号送至 11 个引脚 (9 个电极引脚和 2 个参考引脚 ) 中的某一个上。同时,一个接收的多路复用器 (MUX IN) 也与被选中的电极相连接,并且将信号送到一个探测器上,它将正弦信号转换为直流电平。而直流电平再经过一个外接电容 (LP Cap) 的滤波,随后做增益和补偿,从而提高灵敏度。设备中所有未被选中的电极输出都被下拉接地。
图 2 “心灵座椅”的系统构成 ( 来自 MIT Media Lab)
图3 电场感知的简化电路
图4 电场传感器芯片的框图
在被选中的电极和其它接地的电极中的电流,再加上电极附近其它接地的物体,会在内部电阻上产生电压降。而物体进入、离开电场将会改变电流的大小,从而影响集成电路内的电压,进一步影响到电容 (LP Cap) 上的电压以及电平引脚 (Level) 。
当使用同轴电缆连接远处的电极时,集成电路内置的屏蔽驱动器 可以将感应电容降到最低。将与被选中电极相等的电压加到电缆的屏蔽层上,在电缆屏蔽层和缆芯导体之间就不会有电压差,所以也就不会有电流。这带来的好处就是,可以降低感应电容,保持对电极电容的灵敏度。这就允许电极被安置于集成电路一定距离以外,而测量起来就像紧接着集成电路的输出脚一样。于是,可以使用单片集成电路来支持分布在较大区域的多个电极。
电场集成电路可以直接与微控制器 接口。该集成电路中提供了两个稳压器、一个上电复位 / 失压监测、看门狗 电路、指示灯驱动器、传感电路部分,还有一个在汽车领域以及其它一些领域常用的 ISO 9141 物理层通信接口 。
电场感知技术的其它应用
自 1991 年以来,电场扰动的感知技术就被用于音乐创作。 MIT's Media Lab 运用该技术制作了一件乐器“ hypercello ”,大提琴演奏家 马友友 则使用它演奏了 Tod Machover 的作品《 Begin Agai n Again 》。表演者的手、头、腿的运动将会改变发射和接收电极之间的电场,而 hypercello 则通过检测这种变化从而控制生成一系列的声音。同样的技术也被用来构建更加理想的计算机接口,比如 FishPad ——由 MIT 设计的一种基于动作的输入设备,它可用来进行虚拟空间中的定位——在未来或许能成为鼠标的替代品。所谓理想的接口,就是当使用者作动作的时候,无论是徒手动作或是操作着什么,计算机都能持续地获知他的状态。随着适于商业设计集成电路的推出,若干个新的构想已经逐渐浮现出来。
电场感知技术在手持设备应用中也有潜在的价值,适于检测用户是否还把设备握在手中。诸如电吹风或电熨斗之类的电器就是理想的候选方案。只要你松开手一段时间,这些电器就能自动断电。另一个应用是健身器械,在使用时需要握住的手柄中装上电极—松开手柄就能让器械停止。
另一个可能性是在底部耦合 了电场的小电炉,可以感知到平底锅的存在和尺寸。那么,可以让电炉仅仅加热符合平底锅大小的范围,而且可以在锅移走的时候自动关火、锅放回的时候继续加热。同样,也可能检测到沸腾溢出,并且相应地把火量关小。
感知技术还可用于煤气灶,它可以检测出煤气的泄漏,及时关火或者是切断煤气,从而避免发生爆炸。
还有一个应用是检测洗衣机里的水位。如果洗衣桶是非金属的,则可以在桶外安置金属的电极;而若是金属桶,则可以在桶内安置内藏电极的探测棒。
在自动咖啡机中,则可以有三种功能。咖啡机可以用电场感知倒入了多少水,并且调整添加量,总能保持咖啡有相同的浓度。而在加热器中有电极的咖啡机,可以感知到壶中的液体,当壶移开时就停止加热。同样,也可以感知水是否已经沸腾,及时停止加热。这些传感器或许不能放置在同一个位置,所以可能需要设置多个传感器。
如果在一个水泵的 PVC 管上安置电极,就可以知道是否已经抽干,从而避免损坏水泵。而考虑到干水泵需先添加水,也可以设置一个添水按钮或是定时开关。
全地形车 (ATV) 以及摩托艇可以在操纵杆 和座位中安置电极,当松开操纵杆或人的身体跌离座椅时,自动关闭发动机。另外,不仅能够对轮子、脚踏板,而且能够对人自身的动作做出响应的摩托车——也是一种吸引消费者的新概念。
除了这些想法以外,还有一些电场感知技术的汽车应用方案被提出来。
由电场感知技术驱动的座椅,可以确定乘客的体形和位置,然后仅需按一个按钮就可以自动调整到适合安全气囊的最佳位置。
在方向盘的边缘装置电极,可以察觉方向盘被松开,及时启动警报唤醒睡着了的驾驶员。如果驾驶员没有做出适当的反映,例如已经丧失驾驶能力,车控系统则会逐渐把车停下来。
座椅电极可以在车内无人而车开始移动的时候进行决策,通过 ABS 系统将车刹住。这样,可以在驾驶员离开汽车而又忘记拉手闸或是挂停车档时,防止车滑动发生意外。
以上仅是关于电场感知技术的一些构想,你也可以运用它创造更多的新产品——就像变魔术一样——正如以前其它新的技术出现时。
技术应用 (6379)
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电场感知 (5759)
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2018-01-17 17:29:45 7 风电场 实际运行监测结果显示,机网扭振问题己严重制约了风电机组的使用年限。而相比于单个风电机组,多个相同风电机组组成的单一机型风电场 的机网扭振会发生传递。实际风电场 多采用不同机型的风电机组互补运行
2018-02-27 16:38:18 9 1.3 电场 中的导体、电容、电场 屏蔽
2018-08-20 00:05:00 5576 电磁干扰问题是电力电子功率变换器的关键技术 之一,它与电磁技术 密切相关,其本质是电磁场问题,与磁性元件关系密切,从电磁场观点可以更深入更本质地理解电磁干扰问题。本章将介绍电场 基本概念,电磁干扰基本概念,传导电磁干扰模型,滤波器感性元件,以及与电磁干扰相关的磁技术 基础。
2020-05-29 10:51:00 2244 与数据上传次数;然后基于成本模型,分析感知 节点的日常移动轨迹,结合压缩感知 数据采集技术 ,提出了一种基于感知 节点轨迹的压缩感知 采样方法;其次通过区域全覆盖最少节点(RCLN)算法,选出最佳节点集合,对节点进行任务分配,利用压
2019-03-28 11:29:47 5 本文首先介绍了电场 传感器的概念,然后解释了电场 传感器的应用原理,最后提出了电场 传感器的部分应用。
2019-08-01 11:46:13 8913 屏蔽服是法拉第原理的具体应用,但屏蔽服实际为一金属网状结构,不可能是全封闭导体,会有部分电场 穿透屏蔽内部,存在着屏蔽效率的问题。
2020-03-15 15:55:00 12327 OPPO基于感知 技术 ,带来了一只机械狗,这个机械狗是OPPO在感知 技术 的体现,集成众多先进的技术 ,能实现跟随、避障等等的功能,这只机械狗上满满的黑科技。 OPPO的机械狗正面有镜头以及ToF传感器,并且拥有非常多的传感器,能识别人像,动作,具备3D建模能力,激活后识别带领人以及实时绘制3D地图。
2020-11-18 14:33:44 1217 “AIOT时代离不开3D视觉感知 底层技术 的支撑,但技术 越往底层深入,攻坚难度将越呈指数级增长。为此,展开3D视觉感知 全领域技术 路线布局,坚持全栈纵深式自主研发,将成为未来占据3D视觉感知 产业链、创新链、价值链制高点的关键。”
2021-06-15 09:58:36 3131 在极性反转过程,电阻率小的材料电场 不断增大,电阻率大的电场 有减小的趋势
2022-10-31 10:51:23 1025 电场 、磁场、电磁场简要介绍
2022-12-19 09:03:03 6634 维感核心团队早在2016年就开始了ToF感知 技术 和市场的研究,是国内最早的一批从事ToF感知 技术 的团队。
2023-01-11 14:00:14 453 实际上,三维感知 技术 的种类还是蛮多的。今天我想讲的,主要还是偏重于非接触式的三维感知 技术 。而即使是非接触式的三维感知 ,依然有很多分支,有光学的,还有非光学的,像超声、毫米波等。
2023-02-23 09:45:19 739 自动驾驶技术 是一项涉及多学科的复杂技术 ,其中感知 系统是至关重要的一部分。感知 系统主要用于实现对车辆周围环境的感知 ,从而为车辆提供精准的环境信息,以便进行决策和控制。
2023-03-07 09:25:08 2352 随着人工智能、边缘计算、无线通信和车载传感器等关键技术 的进步和突破,自动驾驶系统迎来了新一轮的发展。交通应用的安全攸关场景给自动驾驶系统提出了更高的质量保障要求。感知 系统是自动驾驶的核心,围绕感知
2023-05-17 10:56:56 666 感知 雷达技术 和摄像头技术 可以相互融合,以提高自动驾驶车辆的感知 能力。摄像头技术 可以提供更加详细的视觉信息,辅助感知 雷达技术 进行更精确的定位和分类。
2023-05-29 09:24:16 180 静电场 的亥姆霍兹定理 静电场 的亥姆霍兹定理是描述静电场 的一种重要定理,它是静电学中的一项基础定理,用于描述电势和电场 之间的关系,对于静电学的研究有着重要的意义。本文将介绍什么是静电场 的亥姆霍兹定理
2023-08-29 17:09:40 887 2023年10月,在IMT-2020(5G)推进组的组织下,华为基于5G-A通感融合技术 ,首测微形变和海洋轮船感知 监测能力,并且验证了无人机低空场景下的通感增强性能。 通信感知 融合技术 是5G-A
2023-10-23 14:59:43 478 11月7日,佛山美的全球创新中心, 美的中央研究院通过感知 技术 分委会联合各事业部与矽典微共同成立“毫米波雷达智能感知 联合实验室” ,助力智能家电、智能家居的感知 层技术 实现更智能化的非接触式感知 与交互
2023-11-09 11:29:24 206 负电荷电场 力做正功,即与电场 力方向相反的外力在负电荷的运动中进行正功,这将导致电荷的电势能增加。下面将逐步详述这个过程。 首先,我们先了解一下电场 力和电势能的概念。电场 力是指电场 对电荷施加
2024-02-26 14:58:29 176 电场 线、电场 强度、电势和电势能是描述电场 特性的重要概念,它们之间有密切的联系。本文将探讨这些概念的本质以及它们之间的关系。 首先,我们来了解电场 线。电场 线是一种形象化地描述电场 分布的方法。在一个电场
2024-02-26 16:06:18 135 电势能和电场 力是电力学中两个重要的概念。它们代表了电荷在电场 中的相互作用和能量转换的过程。尽管它们有相似之处,但是它们的概念和应用存在一些重要的区别。 首先,电势能(Potential Energy
2024-02-26 16:20:18 148
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