DE10121693A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren des Kontakts von Händen mit dem Lenkrad - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren des Kontakts von Händen mit dem LenkradInfo
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Abstract
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren des Kontakts zwischen Händen und einem Lenkrad beschrieben, welche sicherstellen, dass der Fahrer eines Fahrzeugs die Hände am Lenkrad hat.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Detektieren des Kontakts von Händen mit einem Lenkrad.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird der
Begriff "Lenkrad" synonym zu jeder Art von Lenkhandhabe
verwandt. Somit fallen auch Steuerknüppel, wie sie bspw.
aus Flugzeugen bekannt sind, unter den Begriff eines
Lenkrads im Sinne der Erfindung.
Mit zunehmender Automatisierung der Spurführung eines
Fahrzeugs wird es notwendig festzustellen, ob der Fahrer
des Fahrzeugs seinen Aufgaben nachkommt oder nicht. So ist
es bspw. aus dem Eisenbahnwesen seit langem bekannt, durch
einen sog. "Totmann"-Schalter in regelmäßigen Abständen zu
prüfen, ob der Zugführer wach ist oder nicht. Auch aus dem
Kraftfahrzeugwesen sind Vorrichtungen und Verfahren
bekannt, die Reaktionsgeschwindigkeit und damit auch die
Wachheit des Fahrers regelmäßig zu überprüfen. Aus der DE 195 18 914 A1
ist eine Einrichtung zur Aufmerksamkeits- und
Reaktionsprüfung eines Autofahrers bekannt, welche ein
Signal erzeugt, das durch einen Fingerdruck des Fahrers am
Lenkrad quittiert werden muss. Die Dauer vom Auftreten des
Signals bis zu dessen Quittierung wird als Maß für die
Reaktionsfähigkeit und Aufmerksamkeit des Fahrers
verwertet.
Bei den zumindest in zukünftigen Fahrzeugen eingesetzten
Fahrerassistenzsystemen sind z. B. eine
Spurführungsunterstützung oder eine Seitenwindkompensation
vorgesehen. Diese Funktionen können den Fahrer
möglicherweise dazu verleiten, während der Fahrt die Hände
vom Lenkrad zu nehmen. Für diese Situation sind die
Fahrerassistenzsysteme nicht vorgesehen. Vielmehr soll der
Fahrer stets die Kontrolle über das Fahrzeug haben und nur
zusätzlich durch die Fahrerassistenzsysteme unterstützt
werden. Um diese Aufgabenteilung zwischen Fahrer und
Fahrerassistenzsystem sicherzustellen, ist es notwendig,
den Kontakt der Hände des Fahrers mit dem Lenkrad des
Fahrzeugs kontinuierlich zu überwachen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Detektieren des Kontakts von Händen
mit einem Lenkrad bereitzustellen, welche einfach aufgebaut
ist und über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs
zuverlässig arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein
Verfahren zur Detektion des Kontakts zwischen Händen und
einem Lenkrad, bei welchem ein erstes Signal mit einer
ersten Frequenz erzeugt wird, wobei die erste Frequenz
davon abhängt, ob die Hände des Fahrzeugführers Kontakt zum
Lenkrad haben oder nicht, ein zweites Signal mit einer
zweiten Frequenz erzeugt wird und ein Ausgangssignal in
Abhängigkeit der Frequenzen des ersten und des zweiten
Signals erzeugt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bewirken die Hände des
Fahrzeugführers eine Frequenzänderung eines ersten Signals,
wenn sie Kontakt zum Lenkrad haben. Zur Erhöhung der
Detektionsrate wird die Frequenz des ersten Signals mit
einer Frequenz eines zweiten Signals in geeigneter Weise in
Beziehung gesetzt und in Abhängigkeit der Frequenzen des
ersten und des zweiten Signals ein Ausgangssignal erzeugt.
Das Ausgangssignal gibt Aufschluss darüber, ob die Hände
des Fahrzeugführers Kontakt zum Lenkrad haben oder nicht.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne
mechanische Sensoren auskommt, ist es verschleißfrei.
Außerdem wird es durch nachträgliche Modifikationen des
Lenkrads, bspw. durch einen Lederüberzug des Lenkrads nicht
beeinträchtigt.
Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass das
Ausgangssignal in Abhängigkeit der Differenz bzw. des
Betrags der Differenz der ersten und der zweiten Frequenz
erzeugt wird, so dass auf einfache Weise eine Änderung der
Frequenz, die durch den Kontakt der Hände mit dem Lenkrad
ausgelöst wird, detektierbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sehen vor, dass in einem Frequenz-/Spannungs-
Umsetzer eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit der ersten
und zweiten Frequenz erzeugt wird, und/oder dass der
Kontakt zwischen Händen und Lenkrad detektiert wird, wenn
das Ausgangssignal größer als ein Schwellwert ist. Durch
diese Maßnahmen kann die Detektionsrate des
erfindungsgemäßen Verfahrens weiter verbessert werden.
Zur Kompensation von Änderungen der ersten Frequenz
aufgrund äußerer Störgrößen kann eine Kompensation
vorgesehen sein. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren in
einen ersten Schwingkreis mit einer Kapazität eine Frequenz
einspeist und die Kapazität des Schwingkreises durch den
Kontakt zwischen Händen und Lenkrad verändert wird, dann
werden Änderungen der ersten Frequenz aufgrund äußerer
Störgrößen in einer weiteren erfindungsgemäßen
Weiterbildung des Verfahrens kompensiert.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine
Vorrichtung zur Detektion des Kontakts zwischen Händen und
einem Lenkrad mit Mitteln zum Erzeugen eines ersten Signals
mit einer ersten Frequenz, wobei die erste Frequenz davon
abhängt, ob die Hände Kontakt zum Lenkrad haben oder nicht,
mit Mitteln zum Erzeugen eines zweiten Signals mit einer
zweiten Frequenz und mit Mitteln zum Erzeugen eines
Ausgangssignals in Abhängigkeit der ersten und zweiten
Frequenz. Diese Vorrichtung setzt das erfindungsgemäße
Verfahren um, so dass sie auch die dem Verfahren
innewohnenden Vorteile aufweist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass die Mittel zum Erzeugen eines ersten Signals mit
einer ersten Frequenz einen ersten Oszillator und eine
parallel dazu geschaltete erste Kapazität umfassen und dass
die erste Kapazität am Lenkrad angeordnet ist. Insbesondere
kann eine Lenkradheizung auch Teil der ersten Kapazität
sein. Durch die Verwendung eines ersten Oszillators und
einer ersten Kapazität kann auf einfache Weise detektiert
werden, ob sich die Hände des Fahrers am Lenkrad befinden
oder nicht. Wenn als erste Kapazität die bei Fahrzeugen der
Luxusklasse ohnehin vorhandene Lenkradheizung verwendet
wird, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einfachste
Weise und nahezu ohne zusätzlichen Aufwand realisiert
werden.
Bei weiteren Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird die Differenz der ersten und der zweiten
Frequenz in einem Mischer gebildet und/oder anschließend in
einem Frequenz-Spannungs-Umsetzer in eine dem Betrag der
Differenz proportionale Ausgangsspannung umgesetzt. Wenn
die Ausgangsspannung größer als eine Schaltschwelle ist,
wird der Kontakt zwischen Händen und Lenkrad detektiert.
Die bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehene
Kompensation äußerer Störgrößen kann durch Einstellen der
zweiten Frequenz erfolgen. Wenn eine vollständige
Kompensation stattgefunden hat, sind die erste Frequenz und
die zweite Frequenz gleich, wenn die Hände des Fahrers sich
nicht am Lenkrad befinden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den
nachfolgenden Zeichnungen, deren Beschreibung und.den
Patentansprüchen entnehmbar.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 2 ein Signalschema der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Detektieren des Kontakts zwischen Händen und Lenkrad
dargestellt. In einem ersten Oszillator OSC 1, welcher eine
erste Kapazität C1 umfasst, wird ein erstes Signal mit
einer Frequenz f1 erzeugt. Die erste Kapazität C1 ist am
nicht dargestellten Lenkrad eines ebenfalls nicht
dargestellten Fahrzeugs angeordnet. Sie kann bspw. Teil
einer ohnehin vorhandenen Lenkradheizung sein.
In einem zweiten Oszillator OSC 2 mit einer zweiten
Kapazität C2 und einer einstellbaren dritten Kapazität C3
wird ein zweites Signal mit einer zweiten Frequenz f2
erzeugt. Wenn sich die Hände des Fahrers nicht am Lenkrad
befinden, sind erste Frequenz f1 und zweite Frequenz f2
gleich. In einem Mischer MIX wird der Betrag der Differenz
der ersten und der zweiten Frequenz f1 und f2 gebildet. Der
Betrag der Differenz wird in einem Frequenz-Spannungs-
Umsetzer 1 in eine Ausgangsspannung U umgewandelt.
Wenn die Ausgangsspannung U größer als eine erste
Schaltschwelle S1 ist, wird ein entsprechendes
Ausgangssignal SAusgang generiert. Dieses Ausgangssignal wird
an ein nicht dargestelltes Steuergerät eines
Fahrerassistenzsystems übermittelt, welche in Abhängigkeit
des Ausgangssignals SAusgang bestimmte Funktionalitäten
aktiviert oder deaktiviert.
Es hat sich gezeigt, dass eine Kompensation der Änderungen
von erster Frequenz f1 und zweiter Frequenz f2 aufgrund
äußerer Störgrößen in den meisten Fällen verzichtet werden
kann, da die Unterschiede in der Drift der ersten Kapazität
C1 und der zweiten Kapazität C2 im Normalfall nahezu
identisch sind und die Differenz von erster Frequenz f1 und
zweiter Frequenz f2 ausgewertet wird. Es empfiehlt sich
deshalb den ersten Oszillator OSC 1 und den zweiten
Oszillator OSC 2 an einem Ort im Fahrzeug oder an zwei
Orten, die den gleichen Umgebungseinflüssen ausgesetzt
sind, zu verbauen. Weiterhin ist es vorteilhaft die zweite
Kapazität C2 an einem gut durchlüfteten Platz am Lenkrad
und nicht auf einer Platine des zweiten Oszillators OSC 2
anzubringen.
Falls trotz dieser Maßnahmen dennoch eine Kompensation von
äußeren Störgrößen erforderlich ist, kann eine statische
Kapazitätskompensation 3 vorgesehen werden. Dies kann bspw.
erforderlich werden, wenn die Luftfeuchtigkeit im
Fahrzeuginnenraum extremen Änderungen unterworfen ist und
damit die erste Frequenz f1 ändert. Die statische
Kapazitätskompensation steuert die dritte Kapazität C3 des
zweiten Oszillators OSC 2 so an, dass die erste Frequenz f1
und die zweite Frequenz f2 gleich sind. Diese Angleichung
erfolgt nur bei langsamen Änderungen der ersten Frequenz
f1, da der Kontakt zwischen Händen und Lenkrad innerhalb
von Bruchteilen einer Sekunde hergestellt wird. Die
statische Kapazitätskompensation 3 erhält vom Mixer MIX
über Frequenzspannungsumwandler 5 und 7 Spannungen U1 und
U2, welche von der ersten Frequenz f1 und der zweiten
Frequenz f2 abhängen.
Um die Geschwindigkeit von Änderungen der ersten Frequenz
f1 oder der zweiten Frequenz f2 erkennen zu können, sind
Mittel zum Erkennen der Änderungsgeschwindigkeit 9
vorgesehen. Diese Mittel können, wie bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, als Differenzierer 9
ausgebildet sein, welcher die erste zeitliche Ableitung der
Spannung U, nachfolgend als Ud bezeichnet, bildet. Wenn die
Spannung Ud kleiner als ein dritter Schwellwert S3 ist,
handelt es sich um eine langsame Frequenzänderung, die
kompensiert werden muss.
In die statische Kapazitätskompensation 3 wird auch die
Ausgangsspannung U eingebracht. Durch die Redundanz der in
der Ausgangsspannung U sowie der Spannung U1 und U2
enthaltenen Informationen kann die Funktionsfähigkeit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest teilweise überprüft
werden.
Anhand der Fig. 2 werden drei typische Situationen
beschrieben und deren Auswirkungen auf das Ausgangssignal
SAusgang erläutert.
In dem Zeitintervall t1 bis t3 nähern sich die Hände des
Fahrers dem Lenkrad und umfassen dieses schließlich.
Dadurch wird die erste Kapazität C1 beeinflußt und in Folge
dessen ändert sich die erste Frequenz f1. Die Änderung der
ersten Kapazität C1 durch die am Lenkrad befindlichen Hände
sind in Fig. 1 durch die stilisierte Hand, die Kapazität C
und die strichpunktierten Leitungen von der Kapazität C zur
ertsen Kapazität C1 dargestellt.
Da in diesem Fall f1 von f2 verschieden ist, ergibt sich
hinter dem Frequenz-Dpannungs-Wandler 1 eine Spannung U,
die von 0 verschieden ist und während der Annäherung der
Hände an das Lenkrad kontinuierlich ansteigt. Sobald der
erste Schwellwert S1 zum Zeitpunkt t2 überschritten wird,
wird der Kontakt zwischen Händen und Lenkrad detektiert und
das Ausgangssignal SAusgang ist von 0 verschieden. In dem
Zeitintervall t3 bis t4 hat der Fahrer die Hände am Lenkrad.
In dem Zeitraum zwischen t4 und t6 löst der Fahrer die Hände
vom Lenkrad, was sich in einer abnehmenden Spannung U
niederschlägt. Sobald die Spannung U kleiner als der erste
Schwellwert S1 ist, geht das Ausgangssignal SAusgang (zur Zeit
t5) auf 0 zurück. Es wird detektiert, dass der Fahrer die
Hände nicht am Lenkrad hat.
Diese Situation ist in dem Zeitabschnitt zwischen t7 und t10
dargestellt. Die Kapazität und damit auch die
Ausgangsspannung U ändert sich zwischen t7 und t8 durch das
Einsteigen des Fahrers und zwischen t9 und t10 durch das
Aussteigen des Fahrers nicht so stark, dass die Spannung U
den ersten Schwellwert S1 überschreitet. Deshalb bleibt das
Ausgangssignal SAusgang auch im Zeitraum zwischen t7 und t10 bei
0. Die Änderungsrate der Spannung U in den Zeiträumen t1
bis t3, t4 bis t6, t7 bis t8 und t9 bis t10 gleich groß, so
dass die Spannung Ud, die im Differenziere 9 aus der
Spannung U (t) gebildet wird, in den genannten Zeiträumen
jeweils gleich groß ist. In den verbleibenden Zeiträumen
ändert sich die Spannung U nicht, so dass Ud gleich 0 ist.
Eine solche Kapazitätsänderung, bspw. durch Regen
verursacht, findet in dem Zeitintervall t11 bis t12 statt. Da
sich diese Kapazitätsänderung über einen längeren Zeitraum
dt erstreckt und außerdem groß genug ist, um den zweiten
Schwellwert S2 der Ausgangsspannung U und den dritten
Schwellwert 3 der Ausgangsspannung Ud des Differenzierers 9
zu überschreiten, wird diese Kapazitätsänderung
kompensiert. Diese Kompensation findet im Zeitintervall t12
bis t13 statt, mit dem Ergebnis, dass die Ausgangsspannung U
nach t13 wieder auf 0 ist, weil die erste Frequenz f1 und
die zweite Frequenz f2 wieder gleich groß sind.
Claims (24)
1. Verfahren zur Detektion des Kontakts zwischen Händen
und einem Lenkrad, gekennzeichnet durch folgende
Verfahrenschritte:
- - Erzeugen eines ersten Signals mit einer ersten Frequenz (f1), wobei die erste Frequenz (f1) davon abhängt, ob die Hände des Fahrzeugführers Kontakt zum Lenkrad haben oder nicht,
- - Erzeugen eines zweiten Signals mit einer zweiten Frequenz (f2),
- - Erzeugen eines Ausgangssignals (SAusgang) in Abhängigkeit der Frequenzen (f1, f2) des ersten und des zweiten Signals.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Ausgangssignal (SAusgang) in Abhängigkeit der
Differenz (f1 - f2) der ersten und der zweiten Frequenz
erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Ausgangssignal (SAusgang) in Abhängigkeit des Betrags
der Differenz (|f1 - f2|) der ersten und der zweiten
Frequenz erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Frequenz-Spannungs-
Umsetzer (1) in Abhängigkeit der ersten und der zweiten
Frequenzen (f1, f2) eine Ausgangsspannung (U) erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen Händen
und Lenkrad detektiert wird, wenn das Ausgangssignal
(SAusgang) größer als ein erste Schwellwert (S1) ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompensation (3) von
Änderungen der ersten Frequenz (f1) aufgrund äußerer
Störgrößen vorhanden ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass in einen ersten Schwingkreis mit einer Kapazität eine
Frequenz eingespeist wird, dass die Kapazität des
Schwingkreises durch den Kontakt zwischen Händen und
Lenkrad verändert wird, und dass Änderungen der ersten
Frequenz (f1) aufgrund äußerer Störgrößen kompensiert
werden.
8. Vorrichtung zur Detektion des Kontakts zwischen Händen
und einem Lenkrad mit Mitteln zum Erzeugen eines ersten
Signals mit einer ersten Frequenz (f1), wobei die erste
Frequenz (f1) davon abhängt, ob die Hände Kontakt zum
Lenkrad haben oder nicht, mit Mitteln zum Erzeugen eines
zweiten Signals mit einer zweiten Frequenz (f2) und mit
Mitteln zum Erzeugen eines Ausgangssignals (SAusgang) in
Abhängigkeit der ersten und zweiten Frequenz (f1, f2).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zum Erzeugen eines ersten Signals mit einer
ersten Frequenz (f1) einen ersten Oszillator (OSC 1) und
eine parallel dazu geschaltete erste Kapazität (C1)
umfassen, und dass die erste Kapazität (C1) am Lenkrad
angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Lenkradheizung Teil der ersten Kapazität (C1)
ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass die Lenkradheizung zur Kapazitätsbestimmung
ausschaltbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen des zweiten
Signals mit einer zweiten Frequenz (f2) einen zweiten
Oszillator (OSC 2) mit einer zweiten Kapazität (C2)
umfassen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen des ersten
Signals und die Mittel zum Erzeugen des zweiten Signals den
gleichen äußeren Bedingungen ausgesetzt sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Kapazität C1 und die zweite Kapazität C2 in
unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen des zweiten
Signals mit einer zweiten Frequenz (f2) eine parallel zum
zweiten Oszillator (OSC 2) geschaltete zweite Kapazität
(C2) umfassen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, dass die Differenz der ersten und zweiten
Frequenz (f1, f2) in einem Mischer (MIX) gebildet wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass die Differenz der Frequenzen (f1) und
(f2) in einem Frequenz-Spannungs-Umsetzer (1) in eine dem
Betrag der Differenz (|f1 - f2|) proportionale
Ausgangsspannung (U) umgesetzt wird.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen Händen und
Lenkrad detektiert wird, wenn das Ausgangssignal (U) größer
als die erste Schaltschwelle (S1) ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Kompensation (3) der zweiten
Frequenz (f2) aufgrund äußerer Störgrößen vorgesehen ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kompensation der zweiten Frequenz (f2) aufgrund
äußerer Störgrößen durch Einstellen einer parallel zum
zweiten Oszillator (OSC 2) geschalteten dritten Kapazität
(C3) erfolgt.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Frequenz f1 und die zweite
Frequenz f2 gleich sind, wenn die Hände keinen Kontakt zum
Lenkrad haben.
22. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur
Durchführung eines der vorhergehenden Verfahren geeignet
ist.
23. Computerprogramm nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, dass es auf einem Speichermedium
abgespeichert ist.
24. Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass es zur
Durchführung eines der vorhergehenden.
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