CN110072762A - 用于检测对方向盘的手动操控的装置和方法 - Google Patents

用于检测对方向盘的手动操控的装置和方法 Download PDF

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Abstract

借助一用于测量方向盘一方向盘扭矩(Ts)的扭矩传感器(3)检测由一驾驶员手动操控一方向盘的装置(1)和方法；角速度传感器(4)，用于测量一与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度(ωc)；以及计算单元(5)，它根据所测得方向盘扭矩(Ts)和所测得角速度(ωc)计算一由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩(Td)并对计算得出的驾驶员扭矩(Td)进行滤波，以确定一转向角分量该分量与一阈值(θtol)进行比较，以识别驾驶员对方向盘的手动操控情况。

Description

用于检测对方向盘的手动操控的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测对方向盘手动操控的方法和装置，尤其是一种用于驾驶员辅助系统的装置和方法。
背景技术
车辆的方向盘从纯粹的操控部件演变为一种具有复杂要求特性的安全部件。一般来说，人们将手识别(手在方向盘上/手不在方向盘上的检测)理解为，识别驾驶员的手是否在方向盘的方向盘轮圈上。除了考虑增强舒适性的观点外，借助这类检测还希望缓解车辆驾驶员的工作强度。
原则上，建立手动干预/不手动干预检测系统有两种可能性。第一种可能性是在方向盘上安装电容式传感器，以确定驾驶员的手是否触摸或握住方向盘。第二种可能性是设置用于测量方向盘转向扭矩的扭矩传感器并对由该传感器生成的转向扭矩信号进行分析，以确定方向盘是否由一驾驶员掌控。
用于检测方向盘手动操控的特有电容式传感器设置是相当复杂的，并且不适宜车辆的量产。为识别方向盘手动操控而进行的、所测得扭矩信号的分析可能方式要求相当高。由扭矩传感器生成的信号会有相当强的振荡，尤其是当车辆通过道路坑洼或一旦自主驾驶功能被激活，并执行车辆自主控制的情况下。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种用于检测由驾驶员对方向盘手动操控的装置和方法，该装置及方法是鲁棒/健壮的、以及能可靠检测方向盘的手动操控。
根据本发明，该任务将通过具备专利权利要求1中所述特征的装置来解决。
因此，本发明提供了一种用于检测驶员手动操控方向盘的装置，该装置具有：
扭矩传感器，用于测量方向盘的方向盘扭矩，
角速度传感器，用于测量与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度，并具有
计算单元，它用于根据所测得的方向盘扭矩和所测得角速度计算由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩，并将计算所得驾驶员扭矩进行滤波以用于确定一转向角分量，将该转向角分量与阈值进行比较，以识别驾驶员对方向盘的手动操控。
在根据本发明的检测装置一可能的实施方式中，计算单元有第一滤波器，该第一滤波器用于对由扭矩传感器所测得的方向盘扭矩进行滤波，以确定扭矩传感器的角速度。
在根据本发明的检测装置另一可能的实施方式中，计算单元有加法器，它将所确定扭矩传感器的角速度与由角速度传感器所测得的方向盘转向柱的角速度相加，以此生成一角速度总和。
在根据本发明的检测装置另一可能的实施方式中，计算单元具有第二滤波器，它用于对由加法器生成的角速度总和进行滤波，以计算由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩。
在根据本发明的检测装置另一可能的实施方式中，计算单元有第三滤波器，该第三滤波器用于对驾驶员扭矩进行滤波，以确定一转向角分量。
在根据本发明的检测装置另一可能的实施方式中，计算单元有一比较器，它用于将所确定转向角分量与阈值比较，以识别方向盘是否由驾驶员手动操控。
在根据本发明的检测装置一可能的实施方式中，计算单元的滤波器都是低通滤波器。
在根据本发明的检测装置另一可能的实施方式中，计算单元的比较器设置一标志，它用于说明，方向盘是否由驾驶员手动操控。
在根据本发明的检测装置另一可能的实施方式中，由比较器所设置的标志由一控制单元分析评估，用于向驾驶员发出警告和/或禁止对车辆的自动干预。
此外，根据另一方面，本发明还提供一种方法，用于借助权利要求10中所述特征对一驾驶员手动操控方向盘进行检测。
因此，本发明提供一种用于对驾驶员手动操控方向盘进行检测的方法，具有以下步骤：
测量方向盘的方向盘扭矩；
测量与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度；
根据所测得扭矩和所测得与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度计算由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩；
滤波所计算的驾驶员扭矩，以确定由驾驶员扭矩所导致的转向角分量，以及
将所确定转向角分量与阈值相比较，以此识别方向盘是否由驾驶员手动操控。
在根据本发明的方法一可能的实施方式中，对由扭矩传感器所测得的方向盘扭矩进行滤波，用于确定扭矩传感器的角速度。
在根据本发明的方法另一可能的实施方式中，将所确定扭矩传感器的角速度与所测得与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度相加，以此生成角速度总和。
在根据本发明的方法另一可能的实施方式中，对所生成角速度总和进行滤波，以计算由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩。
在根据本发明的方法另一可能的实施方式中，对驾驶员扭矩进行滤波，以确定转向角分量。
在根据本发明的方法另一可能的实施方式中，将所确定转向角分量与一阈值相比较，以识别方向盘由驾驶员的手动操控。
附图说明
以下将参考附图对根据本发明的检测装置以及根据本发明的检测方法可能的实施方式做更详细的解释。
图中示出：
图1用以说明一根据本发明的检测装置实施例的一方框示意图；
图2用以说明一根据本发明的检测装置实施例的另一方框示意图；
图3用以说明一根据本发明的方法实施例的流程图。
具体实施方式
在图1所示的方框示意图中示出了一种用于检测驾驶员手动操控方向盘的装置1的一个实施例。这种检测装置1可在输出端与车辆的控制单元2相连接。
在所示实施例中，检测装置1包括至少一个扭矩传感器3，用于测量车辆方向盘的转向扭矩。此外，检测装置1至少包括角速度传感器4，用于测量与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度。两个传感器3和4与检测装置1的计算单元5相连接。计算单元5根据由扭矩传感器3所测得的方向盘扭矩和根据由角速度传感器4所测得的角速度计算驾驶员施加到方向盘上的驾驶员扭矩。计算得出驾驶员扭矩随后由计算单元5的一个单元滤波，以确定一转向角分量，该转向角分量例如通过计算单元5的比较器与一阈值进行比较，以识别方向盘由驾驶员手动操控的情形。
图2所示方框示意图展示包含在检测装置1中的计算单元5的实施例。如在图2中可见，计算单元5包括第一滤波器5A，它对由扭矩传感器3所测得的方向盘扭矩进行滤波，以确定扭矩传感器3的角速度。第一滤波器5A可以是一种低通滤波器。
此外，计算单元5还具有加法器5B，它将扭矩传感器3所确定的角速度与由角速度传感器4所测得的方向盘转向柱的角速度相加，以生成角速度总和。
另外，计算单元5还包括第二滤波器5C，该第二滤波器对由加法器5B生成的角速度总和进行滤波，以计算由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩。第二滤波器5C同样也可以是一种低通滤波器。第二滤波器5C的输出信号是由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩Td。由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩Td由第三滤波器5D在其方面进行滤波，以确定转向角分量。第三滤波器5D同样也可以是低通滤波器。
另外，在所示实施例中，计算单元5还包括比较器5E，该比较器将所确定的转向角分量与一阈值θtol进行比较，以识别由驾驶员手动操控方向盘的情况。在一可能的实施方式中，计算单元5的比较器5E设置一标志F，用于表明，方向盘是否由驾驶员手动操控。在控制单元2的一可能的实施方式中，可输入由计算单元5的比较器5E所设置的标志F，控制单元可对所接收的标志进行分析评估，以对驾驶员实施警告和/或禁止车辆的自动干预。这类车辆的自动干预例如是车辆的控制或加速。这可根据所生成的标志F激活或禁用。
图3展示了用以检测驾驶员对方向盘进行手动操控的根据本发明的方法的实施例的流程图。图3所示实施例中，根据本发明的检测方法主要包括五个主要步骤。
在第一步骤S1中，测量方向盘的方向盘扭矩。
在下一步骤S2中，测量与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度。
在第三步骤S3中，根据所测得的扭矩Ts以及所测得的、与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度ωc计算驾驶员施加到方向盘上的驾驶员扭矩Td。
在进一步的步骤S4中，对所计算的驾驶员扭矩Td进行滤波，以确定由驾驶员扭矩Td导致的转向角分量
在进一步的步骤S5中，将在步骤S4中所确定的转向角分量与一阈值θtol进行比较，以识别方向盘是否由驾驶员手动操控。
在步骤S1中方向盘扭矩Ts的测量可如图1和图2所示，通过为其设置的扭矩传感器3实施。
在步骤S2中，与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度ωc的测量同样可用一相应传感器，即如图1和图2中所示的角速度传感器4实施。
如根据图2的实施例中所示，步骤S3、S4和S5可由计算单元5执行。
在第一步骤S1中由扭矩传感器3所测得的方向盘扭矩Ts首先可在一可能的实施方式中滤波，以确定扭矩传感器3的角速度。这例如通过图2中所示的计算单元5的第一滤波器5A来完成。随后，所确定的扭矩传感器3的角速度与步骤S2中所测得的、与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度测量ωc相加，以生成角速度总和。这例如由图2中所示的计算单元5的加法器5B来完成。随后，由加法器所生成的角速度总和可被滤波，以计算由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩Ts。这例如可用图2中所示的计算单元的第二滤波器5C来完成。随后，所生成的驾驶员扭矩可进行滤波，以生成转向角分量这例如可使用图2中所示的第三滤波器5D来完成。最后，在步骤S5中，将所确定的转向角分量与一预定的阈值进行比较θtol，以在步骤S5中识别驾驶员对方向盘的手动操控。
凭借本发明所述方法实施的方向盘手动操控检测是以一由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩为基础的。这可使用描述系统动态特性的传递函数来完成。在一可能的实施方式中，根据本发明的检测方法可借助由计算单元5实施的算法进行。在一可能的实施方式中，该检测算法可执行如下。
使用扭矩传感器测量方向盘扭矩Ts；
使用角速度传感器测量与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度ωc；
应用一传递函数以获取施加到方向盘上的驾驶员扭矩Td的一项估计；
用第二传递函数对所估计的驾驶员扭矩Td进行滤波，以获取转向角分量
假设(如果)那么
检测手不放在方向盘上；
否则(要不然)检测手在方向盘上。
循环结束。
在上述算法实施例中，阈值θtol表示一个误差参数。这是考虑到数值计算的测量中出现噪声而设置的。理想情况下，该误差参数为θtol＝0[rad]。在实际实施中，可根据所期望的检测精度对该误差参数θtol进行调整。
在图2所示的实施方式中，计算单元5包括三个滤波器5A、5C和5D。这些滤波器优选为低通滤波器。在一可能的实施方式中这些滤波器是无源数字低通滤波器。
根据本发明的手检测方法是以电动转向系统的动态特性为基础的。
这种动态特性可表示如下：
其中，
θc是方向盘转向柱角度，
θm是电机角度，
im是电机电流，
Fr是道路作用于控制系统的反作用力，以及
Td表示由驾驶员所施加的扭矩。
在方程式(1)、(2)中所示的参数如下所述：
Jc是方向盘转向柱的惯性矩，
Bc是方向盘转向柱的阻尼系数，
Kc是方向盘转向柱的刚度，
Fc是方向盘转向柱的摩擦力，
N是电机的传动比，
Rp是方向盘转向柱半径，
Kt是电机的一个扭矩常数，
Jeq是电动助力转向(EPS)系统下部的等效惯性，它由电机的惯性和控制系统参考点组成，
Beq是电动助力转向(EPS)系统下部的等效阻尼系数，它由电机的粘性阻尼和导向系统的粘性阻尼组成，
Keq是电动助力转向(EPS)系统下部的等效刚度，它由轮胎的弹簧刚度和方向盘转向柱的刚度组成，
Fm是电机摩擦系数。
上述方程式(1)描述带有方向盘和转向传感器的方向盘转向柱上面部分的动态特性。第二个方程式(2)结合了电机和机架的动态特性。在忽略转向柱摩擦分量的情况下，方程式(1)可改写如下：
在使用拉普拉斯变换情况下，方程式(3)可如下给出：
从方程式(4)出发，方向盘转向柱的动态特性可通过下列传递函数给出：
其中，方向盘转向柱角度θc被看作是输出，与此同时，发动机角度θm和由驾驶员所施加的扭矩Td表示两个输入，并对方向盘转向柱角度θc有影响。
从方程式(5)出发，可考虑两个不同的角度分量。通过电机角度θm生成一个角度分量，即：
通过驾驶员扭矩Td生成另一个角度分量：
从方程式(2)中可知，电机角度取决于两个输入，即一个是用于转向控制装置的电机电流im，以生成扭矩，所生成的扭矩是驾驶员转向支持或自主驾驶所需的，另一个输入是道路或地面的作用力，它展示由于道路和车轮接触所产生的力Fr。如果车辆被自动控制或控制车轮滚过道路上的坑洼，会对电机角度产生影响。这会与方向盘角度θc中的角度分量相加，并不会对角度分量产生影响。道路中的坑洼或不平整情况以及自动转向操纵以此方式通过电机角度θm对方向盘角度施加影响。
如果有自动转向操纵或道路反作用力时，可基于方程式(5)、(6)和(7)分离在转向扭矩测量中能被识别的影响和作用，仅分析由发动机扭矩导致或造成的角度分量。
如方程式(7)中可推断出，一旦由驾驶员施加的扭矩为0[Nm]，则驾驶员已将其双手从方向盘上拿开。通过借助方向盘角度θc对驾驶员扭矩的作用进行分析，即对角度分量的振幅进行分析，可检测或确定，驾驶员的手是否处于方向盘上。一旦获取当前或此刻由驾驶员所施加的扭矩Td，则可进行可靠的方向盘手动操控检测。
为了确定或估计驾驶员在方向盘上所施加的驾驶员扭矩Td，可使用方程式(1)中给定的模型。在忽略非线性摩擦分量情况下，可给出如下方程式：
方程式右侧的第一项表示由扭矩传感器3所测得的扭矩。这可如下描述：
根据它，方程式(8)可改写如下：
在使用拉普拉斯变换并考虑到情况下，可确定一传递函数如下：
当前或此刻的驾驶员扭矩Td可由方程式(11)导出如下：
为了消除由方程式(12)右侧的传递函数引入的动态特性，方程式(12)可乘以该传递函数的倒数。在使用低通滤波器情况下，驾驶员扭矩Td可以下列方式给出：
其中，是相关滤波器的实系数，其中，滤波器的阶数由给出，其中n≥m+1。
计算单元5产生一个标志F，该标志说明，驾驶员是否将他的手置于方向盘上或他已将其手从方向盘上拿开。例如，标志F＝0表示，驾驶员的手在方向盘上，而标志F＝1表示驾驶员已将其手从方向盘上拿开。方程式(13)中给出的滤波器例如可作为简单的第二阶低通滤波器
根据本发明的检测方法基于一个精确模型，用于估计或计算当前施加在方向盘上的驾驶员扭矩。通过将驾驶员扭矩信号转换成一个方向盘的角度分量，可进行简单的量化、调整或匹配。根据本发明的方法不需要复杂的确定逻辑来确定驾驶员的手是否在方向盘上。此外，根据本发明的方法相对于外部影响，尤其是相对于作用于转向扭矩传感器测量的各种影响来说极为稳定。根据本发明的方法只需要两个测量信号，即一个已测得的、方向盘的方向盘扭矩和一个已测得的、与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度。这两种测量信号已存在于大多数车辆系统中。因此，根据本发明的、用于方向盘手动操控的方法和装置提供了特殊的优点，不必设置其它的传感器，就能执行所需的方向盘手动操控的检测。所以，实现根据本发明的检测方法和根据本发明的检测装置1的技术费用相对较低。
由检测装置1的计算单元5生成的标志可被提供给驾驶员辅助系统的其他控制单元。例如，可根据标志向驾驶员发出驾驶员警告。此外，可根据所设置的标志自动禁止某些自动车辆干预。

Claims (15)

1.用于检测驾驶员手动操控方向盘的装置(1)，该装置具有：
(a)扭矩传感器(3)，用于测量方向盘的方向盘扭矩(Ts)；
(b)角速度传感器(4)，用于测量与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度(ωc)，并具有
(c)计算单元(5)，该计算单元根据所测得的方向盘扭矩(Ts)和所测得的角速度(ωc)计算由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩(Td)，以及为了确定转向角分量对所计算的驾驶员扭矩(Td)进行滤波，将该转向角分量与一阈值(θtol)进行比较，以识别驾驶员对方向盘的手动操控。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，计算单元(5)具有第一滤波器(5A)，该第一滤波器对由扭矩传感器(3)所测得的方向盘扭矩(Ts)进行滤波，以确定扭矩传感器(3)的角速度。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，计算单元(5)具有加法器(5B)，该加法器将扭矩传感器(3)的确定的角速度与由角速度传感器(4)所测得的方向盘转向柱的角速度(ωc)相加，以生成角速度总和。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，计算单元(5)具有第二滤波器(5C)，该第二滤波器用于对由加法器(5B)生成的角速度总和进行滤波，以计算由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩(Td)。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，计算单元(5)具有第三滤波器(5D)，该第三滤波器用于对驾驶员扭矩(Td)进行滤波，以确定转向角分量
6.根据权利要求5所述的装置，其中，计算单元(5)具有比较器(5E)，该比较器用于将所确定的转向角分量与所述阈值(θtol)加以比较，以识别由驾驶员对方向盘的手动操控。
7.根据上述权利要求2至6中任一权利要求所述的装置，其中，计算单元(5)的滤波器(5A、5C、5D)都是低通滤波器。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，计算单元(5)的比较器(5E)设置一标志(F)，该标志用于说明，方向盘是否由驾驶员手动操控。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，由比较器(5E)所设置的标志(F)由控制单元分析评估，用于向驾驶员发出警告和/或禁止对车辆的自动干预。
10.一种用于检测驾驶员手动操控方向盘的方法，具有下列步骤：
(a)测量(S1)方向盘的方向盘扭矩(Ts)；
(b)测量(S2)与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度(ωc)；
(c)根据所测得的扭矩(Ts)以及所测得的、与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度(ωc)计算(S3)由驾驶员施加到方向盘上的驾驶员扭矩(Td)；
(d)滤波(S4)所计算的驾驶员扭矩(Td)，以确定由驾驶员扭矩(Td)所导致的转向角分量以及
(e)将所确定的转向角分量与一阈值相比较(S5)，用于识别方向盘是否由驾驶员手动操控。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，对由扭矩传感器(3)所测得的方向盘扭矩(Ts)进行滤波，以确定扭矩传感器(3)的角速度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所确定的扭矩传感器(3)的角速度与所测得的、与方向盘相连接的方向盘转向柱的角速度(ωc)相加，用于生成一角速度总和。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，对所生成角速度总和进行滤波，以计算由驾驶员施加在方向盘上的驾驶员扭矩(Td)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，对驾驶员扭矩(Td)进行滤波，以确定转向角分量
15.根据权利要求14所述的方法，其中，将所确定的转向角分量与一阈值(θtol)进行比较，以识别由驾驶员对方向盘的手动操控。
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