DE10121693C2 - 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 Lenkrad

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Description

Stand der Technik
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.
Aus der DE 44 32 936 A1 ist eine Totmanneinrichtung bekannt bei welcher der Kontakt zwischen der Hand eines Benutzers und einem Handgriff einer motorgetriebenen Bearbeitungsmaschine durch einen kapazitiven Sensor und eine Auswerteelektronik erfolgt.
Aus der US 6,218,947 ist eine Einrichtung bekannt bei welcher der Kontakt zwischen einer Hand des Fahrers eines Fahrzeugs und einem Lenkrad durch den Vergleich einer ersten Kapazität mit einer zweiten Kapazität erfolgt.
In der US 3,703,217 wird eine Totmanneinrichtung beschrieben bei der der Kontakt zwischen der Hand des Fahrers eines Fahrzeugs über eine Kapazität, die parallel zu einem Oszillator geschaltet ist detektiert wird.
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 Differenz der ersten und der zweiten Frequenz erzeugt wird. Langsame durch äußere Störungen verursachte Abweichungen der Frequenzen werden durch eine einstellbare dritte Kapazität im zweiten Schwingkreis kompensiert.
Vorteile der Erfindung
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 Differenz bzw. des Betrags der Differenz der ersten und der zweiten Frequenz ein Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal gibt Aufschluss darüber, ob die Hände des Fahrzeugführers Kontakt zum Lenkrad haben oder nicht. Über eine Kompensationseinrichtung wird der Einfluß langsamer äußerer Störungen auf das Ausgangssignal kompensiert.
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 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.
Zeichnung
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 2 ein Signalschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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.
Fall 1 Der Fahrer berührt das Lenkrad
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 rste 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.
Fall 2 Kapazitätsveränderung durch Einsteigen des Fahrers in das Fahrzeug
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.
Fall 3 Langsame Kapazitätsänderung durch eine äußere Störung
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 (19)

1. Verfahren zur Detektion des Kontakts zwischen Händen und einem Lenkrad, wobei
eine erste Frequenz (f1) in einem ersten Schwingkreis mit einer ersten Kapazität (C1) erzeugt wird,
diese Frequenz durch die Veränderung der Kapazität infolge des Kontakts zwischen Händen und Lenkrad verändert wird,
eine zweite Frequenz (f2) in einem zweiten Schwingkreis mit einer zweiten Kapazität (C2) erzeugt wird,
ein Ausgangssignal (SAusgang) aus der Differenz der ersten Frequenz (f1) und der zweiten Frequenz (f2) gebildet wird,
der Kontakt zwischen Hand und Lenkrad detektiert wird, wenn das Ausgangssignal (SAusgang) größer als ein erster Schwellwert (S1) ist und eine einstellbare dritte Kapazität (C3) im zweiten Schwingkreis langsame, durch äußere Störungen verursachte Abweichungen der Frequenzen (f1, f2) kompensiert.
2. 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.
3. 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.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompensation (3) von Änderungen der ersten Frequenz (f1) aufgrund äußerer Störgrößen vorhanden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, 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.
6. 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), mit Mitteln zum Erzeugen eines Ausgangssignals (SAusgang) in Abhängigkeit der ersten und zweiten Frequenz (f1, f2), wobei die Mittel zum Erzeugen eines zweiten Signals mit einer zweiten Frequenz (f2) eine Einrichtung (C3) zur Kompensation von langsamen, durch äußere Störungen verursachten Abweichungen der Frequenzen aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, 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.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lenkradheizung Teil der ersten Kapazität (C1) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkradheizung zur Kapazitätsbestimmung ausschaltbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, 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.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen des ersten Signals und die Mittel zum Erzeugen des zweiten Signals den gleichen äußeren Bedingungen ausgesetzt sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kapazität C1 und die zweite Kapazität C2 in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, 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.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der ersten und zweiten Frequenz (f1, f2) in einem Mischer (MIX) gebildet wird.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, 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.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen Händen und Lenkrad detektiert wird, wenn das Ausgangssignal (U) größer als die erste Schaltschwelle (S1) ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, 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.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz f1 und die zweite Frequenz f2 gleich sind, wenn die Hände keinen Kontakt zum Lenkrad haben.
19. Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines der vorhergehenden Verfahren geeignet ist.
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