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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung mittels
haptischer Arbitrierung mit:
- – einer
Steuerungsbefehlsautomatik zur automatischen Generierung von Steuerungssignalen,
- – einer
haptischen Steuerbefehls-Eingabevorrichtung, die mindestens einen
Aktor zur Betätigung der
Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung in Abhängigkeit von den automatisch
generierten Steuerungssignalen und mindestens einen Sensor zur Detektion
manueller Steuerungsbefehlseingaben durch manuelle Betätigung der
Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung hat, und
- – eine
Arbitrierungseinheit zur Generierung von Steuerungssignalen, die
an eine der Arbitrierungseinheit nachfolgenden Regelungsstrecke geleitet
werden, in Abhängigkeit
von den automatisch generierten Steuerungssignalen und den manuellen
Steuerungsbefehlseingaben.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Generierung von Steuerungssignalen
für technische
Vorrichtungen, die mindestens eine Regelungsstrecke mit Totraum
und eine solche Steuerungseinrichtung haben.
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Technische
Vorrichtungen werden zunehmend automatisch gesteuert. Aus Gründen der
Sicherheit und Akzeptanz ist aber auch oftmals eine manuelle Steuerung
erforderlich und erwünscht.
So wird beispielsweise in Flugzeugen in bestimmten Flugphasen eine
vollautomatische Steuerung durch einen Autopiloten gewählt. Bei
manuellem Eingriff wird jedoch die manuelle Steuerung priorisiert.
Entsprechendes ist von Kraftfahrzeugen bekannt, die mit einer automatischen
Geschwindigkeitssteuerung ausgerüstet
sind.
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Durch
den technischen Fortschritt wird die Automation zum Beispiel in
Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen immer komplexer und leistungsfähiger. Automatische
Steuerungseinrichtungen erhalten zunehmend die Fähigkeit, auch Handlungen auszuführen, die
mit den Absichten oder Handlungen eines Bedieners nicht übereinstimmen.
Dies ist manchmal erwünscht,
wenn zum Beispiel der Bediener durch Müdigkeit gefährliche Aktionen ausführt, und
manchmal unerwünscht,
wenn zum Beispiel die Automation über ungenügende Information verfügt. Herkömmliche
Interaktionsverfahren mit derartigen automatischen Steuerungen basieren
auf dem Eindrehen von Zahlenwerten im Dreheingabeelement, auf dem
Drücken
von Knöpfen
oder der Programmierung der dahinter liegenden Automation. Eine Übersteuerung der
Automation durch den Menschen wird vor allem durch Ausschalten der
Automation erreicht. Eine Beeinflussung des Bedieners durch die
Automation erfolgt vor allem durch Warnungen, die von dem Bediener
wieder über
die Aktuatoren umgesetzt werden, oder durch Begrenzung der Steuereingaben
in einer tieferen technischen Schicht. Vereinzelt wird bereits zum
Beispiel in der Fahrzeugsteuerung ein haptisches Feedback der Automation
zum Beispiel über ein
Einspielen von Kräften
oder Momenten in eine Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung eingesetzt, ohne
dass jedoch die Automation eine Vorstellung davon hat, wie dieses
Feedback vom Bediener aufgenommen wird.
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Das
Verstehen und Bedienen einer solchen komplexen Automation wird für den Benutzer
immer schwieriger. In dem Flugzeugbereich kann beispielsweise ein
so genanntes Out-Off-the-Loop-Problem auftreten, bei dem der Bediener
durch die fehlende Rückkoppelung
nicht mehr genügend
involviert ist. Oftmals können
auch die unterschiedlichen Regler und Bedienknöpfe vom Benutzer mental nicht
mehr erfasst werden („One-Box-At-Time"-Automation). Es kann
auch zu einer Konfusion des Benutzers hinsichtlich des gültigen Steuerungsmodus
kommen („Mode
Confusion"), bei
dem unterschiedliche Betriebszustände und die beabsichtigte Aktion
der Automation nicht oder falsch erfasst werden. Derartige herkömmliche
Steuerungseinrichtungen mit kombinierter automatischer und manueller
Steuerungsbefehlseingabe sind unfallträchtig, da Bediener und Automation
möglicherweise
gegeneinander arbeiten, ohne dass es zu einer angemessenen Auflösung des Handlungskonfliktes
kommt.
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In
F. Flemisch, C. Adams, S. Conway, K. Goodrich, M. Palmer, P. Schutte: "The H-Methaphor as a Guideline
for Vehicle Automation and Interaction", NASA/TM-2003-212672, Dezember 2003 ist ein Steuerungskonzept
basierend auf der sogenannten Horse-Metapher beschrieben. Das Steuerungskonzept
geht von einem intelligent mit Sensoren ausgerüsteten automatischen Steuerungssystem
aus, das mit Hilfe haptischer Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtungen
durch manuelle Steuerungsbefehlseingabe vom Menschen beeinflusst
werden kann. Wie beim Führen
eines sich an sich selbsttätig
fortbewegenden Pferdes gleichen sich die automatisch generierten
und manuellen Steuerungsprofile mit Hilfe von Kraft und Gegenkraft
einer haptischen Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung ab. Bei „losem
Zügeln", d. h. geringem
Einfluss durch manuelle Steuerungsbefehlseingaben, übernimmt
die Steuerungsbefehlsautomatik die Steuerung, während bei „angezogenen Zügeln", d. h. bei starken
Einfluss durch manuelle Steuerungsbefehlseingaben, der Bediener
im Wesentlichen die Steuerung übernimmt.
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In
F. Flemisch, K. Goodrich, S. Conway: „At the Crossroads of manually
controlled and automated transport: The H-Metapher and its first
applications", in
Fifth European Congress exhibition an intelligent transport systems
and services (ITS); Hannover 1.–3.
Juni 2005 ist eine auf der H-Metapher basierende Flug- und Fahr zeugsteuerungseinrichtung
mit einer haptischen Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung und einer Steuerungsbefehlsautomatik
zur automatischen Generierung von Steuerungssignalen beschrieben.
Die Steuerung eines Fahrzeugs erfolgt mit einer haptischen Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung,
auf die mit Hilfe mindestens eines Aktors und automatisch generierten
Steuerungssignalen eine für den
Benutzter spürbare,
die Steuerungsbefehlseingabe kennzeichnende Kraft eingeleitet wird.
Dieser Kraft kann der Benutzer entgegenwirken oder folgen. Zur Abstimmung
der manuellen und automatischen Steuerungsbefehle kann eine Priorisierung
zwischen der Intension des Benutzers und der Steuerungsbefehlsautomatik
erfolgen.
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Aus
der
DE 20 2004
055 584 A1 ist eine Einparkhilfe für ein Fahrzeug bekannt, bei
dem ein zusätzliches
Lenkmoment mittels eines Lenkmomenten-Regelungsmoduls auf das Lenkrad
aufgebracht wird, wodurch der Fahrer des Fahrzeugs beim Einparkvorgang
unterstützt
wird. Das aufgebrachte Lenkmoment ist dabei derart gewählt, dass
dem Fahrer des Fahrzeugs eine Führung
des Fahrzeuges simuliert wird, die er jederzeit durch ein Gegenansteuern
beenden kann.
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Aus
der
DE 10 2004
026 067 A1 ist ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug bekannt,
bei dem die Lenksäule
des Kraftfahrzeuges durch ein Kupplungsmechanismus unterbrochen
ist und das Lenksystem unter entsprechender Ansteuerung des Kupplungsmechanismus' selektiv in einem „Steer-by-wire"-Modus, einem Servolenkungsmodus
oder einem manuellen Modus betrieben werden kann.
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Des
Weiteren ist aus der
EP
0 743 581 B1 ein System zur Rückstellung der Pilotensteuerung während der
automatischen Führung
mittels eines Autopiloten bekannt. Dabei werden die Aktionen des Autopiloten,
die sich in der Ansteuerung der entsprechenden Flugzeugsteuerungsmittel
niederschlagen, auf die Flugsteuerungseingabevorrichtungen für die Piloten
beaufschlagt, sodass die Piloten erkennen können, welche Aktion der Autopilot
momentan gerade ausführt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Steuerungseinrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird mit einer Steuerungseinrichtung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Arbitrierungseinheit eingerichtet ist, um bei sich widersprechenden
oder übersteuernden
(d. h. sich zu stark ergänzenden) manuellen
Steuerungsbefehlseingaben und automatisch generierten Steuerungssignalen
innerhalb einer in Abhängigkeit
von dem Totraum der haptischen Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung und/oder der Regelungsstrecke
gewählten
Arbitrierungsphase kontinuierlich die manuellen Steuerungsbefehlseingaben
und die automatisch generierten Steuerungssignale durch regelbasierte
Generierung eines Anpassungssignals und Rückkoppelung des Anpassungssignals
auf mindestens einen Aktor der haptischen Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung
aufeinander abzustimmen.
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Der
Totraum umfasst Totzeiten, räumliche Totzonen
und/oder Bereiche niedrigerer Übertragung (bzw.
höherer
Dämpfung)
im Frequenzbereich. In den Toträumen
bewirken Eingaben an der haptischen Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung
nicht oder nur bedingt eine Änderung
des Verhaltens der Regelungsstrecke.
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Durch
das (kontinuierliche) Aufspielen der gewünschten Aktionen der Steuerungsbefehlsautomatik
auf die haptische Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung und Erfassung
der Reaktion des Benutzers, d. h. der manuellen Steuerungsbefehlseingaben auf
die von der Steuerungsbefehlsautomatik gewünschten Aktionen sowie Anpassung
der automatisch generierten Steuerungssignale in Abhängigkeit von
der erfassten Reaktion wird ein Regelungsstrecken-Steuerungssignal
für die
nachfolgende Regelungsstrecke generiert, die eine für Automatik
und Benutzer gemeinsame sinnvolle Handlungsaktion bewirkt. Für diese
Abstimmung der automatisch generierten Steuerungsbefehle und manuellen
Steuerungsbefehlseingaben wird die in der nachfolgenden Regelstrecke
meist vorhandenen und/oder in die Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung
eingebauten Toträume
als Arbitrierungsphase genutzt, um Eingaben an die Arbitrierungseinheit
zu ermöglichen,
ohne dass die Regelungsstrecke bereits hierauf reagiert. Durch die
Berücksichtigung
des Totraumes wird somit eine Reaktion der Regelungsstrecke auf
die widersprüchlichen
Steuerbefehle des Bedieners und des Automaten verhindert. Die Berücksichtigung
der Kombination von Totzeit und Totzone ist dabei besonders vorteilhaft.
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Während der
Totraum bisher als unvermeidliche und zu minimierende Eigenschaft
einer Regelstrecke angesehen wurde, wird diese nunmehr vorteilhaft
als Arbitrierungsraum ausgenutzt, innerhalb der die an die Regelungsstrecke
geleiteten Regelungsstrecken-Steuerungssignale aus der manuellen und
automatischen Steuerbefehlseingabe in die Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung
generiert werden. D. h., dass die Abstimmung zwischen automatischer
und manueller Steuerung innerhalb der Arbitrierungsphase erfolgt
und vorzugsweise abgeschlossen wird.
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Die
Arbitrierungsphase kann beispielsweise gestartet werden, wenn der
Unterschied zwischen manueller Steuerungsbefehlseingabe und automatisch
generiertem Steuerungssignal einen definierten Schwellwert überschreitet.
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Die
Rückkoppelung
des Anpassungssignals der Arbitrierungseinheit an mindestens einen
der Aktoren der haptischen Steuerbefehls-Eingabevorrichtung kann
direkt durch Beaufschlagung des Aktors in Abhängigkeit von dem Anpassungssignal
und/oder indirekt durch Rückführung des
Anpassungssignals an die Steuerungsbefehlsautomatik erfolgen. Das Anpassungssignal
kann als Korrekturgröße zu einem von
der Steuerungsbefehlsautomatik generierten Steuerungssignals genutzt
werden, wobei die Aktoren mit einem zum korrigierten Signal korrelierten
Ansteuerungssignal beaufschlagt werden. Es ist aber auch denkbar,
dass die haptische Steuerbefehls-Eingabevorrichtung
eine erste Gruppe von Aktoren hat, die ausschließlich mit den automatisch generierten Steuerungssignalen
der Steuerungsautomatik angesteuert werden, und eine zweite Gruppe
von Aktoren aufweist, die ausschließlich mit den Anpassungssignalen
der Arbitrierungseinheit angesteuert werden und ggf. der ersten
Gruppe mechanisch entgegenwirken.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Steuerungseinrichtung zur variablen
Einstellung der Totzeit der Regelungsstrecke eingerichtet ist. Durch
Verringerung oder vorzugsweise Vergrößerung der Totzeit kann die
Steuerungseinrichtung parametrisiert werden, so dass sie im Ergebnis
mehr oder weniger schnell bzw. temperamentvoll auf Steuerungseingaben
reagiert.
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Die
Arbitrierungseinheit ist vorzugsweise zur Beseitigung der Sicherheit
und Dringlichkeit der durch die automatisch generierten Steuerungssignale
und manuellen Steuerungsbefehlseingaben jeweils vorgegebenen Handlungsabsichten
und zur Priorisierung derjenigen Steuerungsbefehlseingabe, die eine
sicherere oder dringlichere Steuerungshandlung bewirkt, eingerichtet.
Auf diese Weise werden Konflikte zwischen manueller und automatischer Steuerung
gelöst
und sichergestellt, dass der als sicherer und dringlicher vorbewertete
Steuerungsbefehl Vorrang erhält.
Die Arbitrierung kann mit Hilfe von Entscheidungsmatrizen erfolgen,
in denen vorgegebene Steuerungsbefehle (Entscheidungen) in Abhängigkeit
von Zuständen
der automatischen und manuellen Steuerung verzeichnet sind.
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Zur
Priorisierung können
die automatisch generierten Steuerungssignale verstärkt werden,
d. h. beispielsweise übergewichtet
werden, wenn die durch die automatisch generierten Steuerungssignale
zu bewirkenden Steuerungshandlungen sicherer und/oder dringlicher
sind, als die durch die manuellen Steuerungsbefehlseingaben zu bewirkenden
Steuerungshandlungen. Auf der anderen Seite können die automatisch generierten
Steuerungssignale reduziert werden, wenn die durch die manuellen
Steuerungsbefehlseingaben zu bewirkenden Steuerungshandlungen als
sicherer und/oder dringlicher vorbewertet sind, als die durch automatisch
generierten Steuerungsbefehlseingaben zu bewirkenden Steuerungshandlungen.
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Zur
Abstimmung der automatischen und manuellen Steuerungsbefehle im
Konfliktfall ist es zudem vorteilhaft, wenn die automatisch generierten Steuerungssignale
zur Priorisierung reduziert werden, falls sowohl die durch die automatisch
generierten Steuerungssignale zu bewirkenden Steuerungshandlungen,
als auch die durch die manuellen Steuerungsbefehlseingaben zu bewirkenden
Steuerungshandlungen als sicher und/oder dringlich vorbewertet sind.
D. h., dass in diesem Fall, wenn sowohl die automatische, als auch
die manuelle Steuerungshandlung als sicher und/oder dringlich vorbewertet
ist, der manuellen Steuerungshandlung der Vorrang gegeben wird.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Steuerungseinrichtung einen mit der
Arbitrierungseinheit verbundenen diskreten Umschalter oder ein kontinuierliches
Schaltelement (bspw. ein Potentiometer) zur Priorisierung der manuellen
Steuerungsbefehlseingabe oder automatisch generierten Steuersignale hat.
Die Priorisierung kann beispielsweise durch unterschiedliche Gewichtung
der manuellen und automatischen Steuerungsbefehle erfolgen.
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Eine
an die Arbitrierungsphase anschließende sekundäre Arbitrierungsphase
bietet der nachgebenden Instanz, Mensch oder Automation, noch die Möglichkeit
eine Änderung
des in der Arbitrierungsphase generierten Steuerungssignals durch
manuellen Eingriff oder indirekt durch zusätzliche visuelle, akustische
oder haptische Kommunikation herbeizuführen. Die Kommunikation kann
auch über
Sprachein-/ausgabe, Geräuschein-/ausgabe
oder visuelle Anzeige ergänzt
werden. Weiterhin kann eine Koppelung mit Zuständen des Bedieners erfolgen,
die durch Erkennung der Blick- oder
Kopfrichtung oder Lidschlag detektiert werden. Diese Zustände werden dann
an die Arbitrierungseinheit geleitet.
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Die
Steuerungseinrichtung kann beispielsweise mindestens eine mit der
Arbitrierungseinheit gekoppelte optische, akustische und/oder haptische Signaleinheit
zur Ausgabe eines von der Anpassung der automatisch generierten
Steuerungssignale abhängigen
Kommunikationssignals haben. Damit kann die Steuerungsbefehlsautomatik
zum Beispiel durch akustische oder visuelle Ausgaben darauf aufmerksam
machen, dass sie eine andere Steuerungshandlung vorschlägt, als
in der Arbitrierungsphase oder sekundären Arbitrierungsphase abgestimmt
ist.
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Die
Steuerungseinrichtung ist vorzugsweise zur Erkennung von diskreten
Befehlseingaben aus manuellen Steuerungsbefehlseingaben innerhalb
einer Arbitrierungsphase und Generierung von zusätzlichen Steuerungssignalen
eingerichtet, die nicht an die nachfolgende Regelungsstrecke weitergeleitet werden.
Damit kann neben der kontinuierlichen Steuerung auch eine diskrete
Befehlseingabe erfolgen, ohne dass dies Auswirkungen auf die Regelungsstrecke
hat. So ist es zum Beispiel möglich,
durch kurze ruckartige Bewegungen an einem Joystick oder Lenkrad
Schaltanweisungen zu geben, ohne dass sich diese ruckartigen Bewegungen
auf das Lenk- oder
Steuerverhalten auswirken. Diese diskreten Steuerungsbefehlseingaben
sind wiederum durch Ausnutzung der Toträume für die Arbitrierungsphase möglich.
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Entsprechend
sieht eine vorteilhafte Ausführungsform
vor, dass die Steuerungsbefehlsautomatik durch Aktivierung der haptischen
Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung
diskrete Befehle an den Benutzer übermittelt, die z. B. durch
den Totraum oder durch Ausfilterung nicht oder nur begrenzt an die
Regelungsstrecke weitergeleitet werden.
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Zur
Erkennung der diskreten Steuerungsbefehle hat die Steuerungseinrichtung
vorzugsweise eine Mehrzahl von Zustandsautomaten oder Mustererkennern,
die in Abhängigkeit
von detektierten Signalmustern aus manuellen Steuerungsbefehlseingaben
aktivierbar und zur Ausgabe definierter Steuerungssignale miteinander
zur gegenseitigen Aktivierung gekoppelt sind. Die Erkennung der
diskreten Steuerungsbefehle erfolgt in Abstimmung mit der Arbitrierungseinheit,
um manuelle Steuerungsbefehlseingaben von automatisch generierten
Steuerungssignalen zu unterscheiden und um ggf. die diskreten Steuerungsbefehle
aus der Arbitrierung auszublenden. Die Zustandsautomaten bzw. Mustererkenner
ermöglichen
somit in Echtzeit diskrete Steuerungseingaben zu erkennen und umzusetzen
sowie auszufiltern, so dass die diskreten Steuerungseingaben keine
Auswirkungen auf die auf die Regelungsstrecke gegebenen kontinuierlichen
Steuerungssignale haben.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Steuerungsbefehlsautomatik zur Generierung
von nicht auf die Regelungsstrecke wirkenden neutralen Steuerungssignalen
und die Arbitrierungseinheit zur Detektion der Reaktion durch manuelle
Steuerungsbefehlseingaben auf diese neutralen Steuerungssignale
und Generierung von Regelungsstrecken-Steuerungssignalen für die nachfolgende
Regelungsstrecke in Abhängigkeit
von der detektierten Reaktion eingerichtet ist. Die neutralen Steuerungssignale können zeitlich
definiert begrenzte, amplitudenbegrenzte, impulsförmige oder
definiert frequenzbegrenzte Signale sein, die aufgrund ihrer Eigenschaft in
der Arbitrierungseinheit herausfilterbar sind, um sie nicht auf
die Regelungsstrecke zu leiten. Die Steuerungsbefehlsautomatik gibt
auf diese Weise nicht kontinuierlich ein Steuerungssignal für die Regelungsstrecke
vor, das lediglich mit einem nicht notwendigerweise vorhandenen
manuellen Steuerungssignal abgeglichen wird. Vielmehr werden die
neutralen Steuerungssignale nur dazu genutzt, dem Benutzer über die
Steuerbefehls-Eingabevorrichtung die von der Steuerungsbefehlsautomatik
vorgeschlagene Steuerungshandlung anzuzeigen. Für die Beeinflussung der Regelungsstrecke,
d. h. für
die Steuerung einer technischen Vorrichtung, ist dann die Reaktion
des Benutzers auf die signalisierten Vorschläge bedeutend.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein verbessertes Verfahren
zur Generierung von Steuerungssignalen für technische Vorrichtungen
der eingangs genannten Art zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß gelöst durch
die Schritte:
- – automatische Generierung
von Steuerungssignalen und aktuatorische Betätigung einer Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung
in Abhängigkeit von
den automatisch generierten Steuerungssignalen,
- – Detektion
von manuellen Steuerungsbefehlseingaben über die Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung
als Reaktion auf die aktuatorische Betätigung der Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung durch
die automatisch generierten Steuerungssignale,
- – Generierung
von Regelungsstrecken-Steuerungssignalen für die Regelungsstrecke durch
die Arbitrierungseinheit mit einer im Fall von sich widersprechenden
oder übersteuernden
manuellen Steuerungsbefehlseingaben und automatisch generierten
Steuerungssignalen
- – kontinuierlichen
Abstimmung der manuellen Steuerungsbefehlseingaben und der automatisch generierten
Steuerungssignale durch regelbasierte Generierung eines Anpassungssignals
aufeinander und
- – Rückkoppelung
des Anpassungssignals auf mindestens einen Aktor der haptischen
Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung innerhalb einer in Abhängigkeit
von dem Totraum der haptischen Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung und/oder der Regelungsstrecke
gewählten
Arbitrierungsphase.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
des Verfahrens sind entsprechend der der beschrieben Merkmale der
Steuerungseinrichtung in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 – Blockdiagramm
einer ersten Ausführungsform
der Steuerungseinrichtung;
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2 – Darstellung
des Zusammenhangs zwischen Mensch, Automation und Umgebung mit einer
Arbitrierung zwischen Mensch und Automation;
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3 – Blockdiagramm
einer zweiten Ausführungsform
der Steuerungseinrichtung;
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4 – Blockdiagramm
einer dritten Ausführungsform
der Steuerungseinrichtung.
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Die 1 lässt eine
Skizze einer Steuerungseinrichtung 1 erkennen, die im Wesentlichen eine
Steuerungsbefehlsautomatik 2, eine haptische Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung 3 und
eine Arbitrierungseinheit 4 hat. Die Steuerungsbefehlsautomatik 2 ist
zur automatischen Generierung von Steuerungssignalen SA vorgesehen
und kann hierzu in an sich bekannter Weise mit Sensoren etc. (nicht dargestellt)
verbunden sein.
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Die
haptische Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung 3 hat mindestens
einen Aktor 5 zur Betätigung
der Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung 3 in Abhängigkeit
von einem Anpassungssignal S1. In das vom
Bediener genutzte Steuerungseingabeelement, wie zum Beispiel ein
Joystick oder ein Lenkrad, wird somit eine Kraft eingeleitet, die
das Steuerungseingabeelement entsprechend des Anpassungssignals
S1 verlagert. Auf diese Weise wird dem Benutzer fühlbar das
Ergebnis der Arbitrierung mitgeteilt.
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Weiterhin
ist mindestens ein Sensor 6 in der haptischen Steuerbefehls-Eingabevorrichtung 3 vorgesehen,
um die manuelle Steuerungsbefehlseingabe SM zu
detektieren. Hierzu kann beispielsweise die vom Benutzer auf das
Steuerungseingabeelement aufgebrachte Gegenkraft gemessen werden.
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Die
automatisch generierten Steuerungssignale SA und
manuellen Steuerungsbefehlseingaben SM werden
an die Arbitrierungseinheit 4 geleitet und zur Generierung
des Anpassungssignals S1, S2 und eines
Regelungstreckens-Steuerungssignals SR,
das auf eine nachfolgende Regelungsstrecke 7 gegeben wird,
miteinander korreliert. Die nachfolgende Regelungsstrecke 7 kann
beispielsweise die Lenkautomatik, Bremsautomatik o. ä. eines
Kraftfahrzeuges sein.
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Von
der Arbitrierungseinheit wird der Totraum der nachfolgenden Regelungsstrecke 7 für die Arbitrierung
als Arbitrierungsraum genutzt. Bei der Arbitrierung findet eine
Abstimmung zwischen den manuellen und automatischen Steuerungswünschen statt,
die geeignet gewichtet (regelbasiert abgestimmt) zur Generierung
des Regelungsstrecken-Steuerungssignals SR miteinander
korreliert werden.
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Optional
kann, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, eine Rückkoppelung
von Zuständen
der Regelungsstrecke 7 auf die Steuerungsbefehlsautomatik 2 mit
dem Rückkoppelungssignal
S3 oder auf die Arbitrierungseinheit 4 mit
dem Rückkoppelungssignal
S4 erfolgen. Damit wird eine Feedback-Regelung
der automatisch generierten Steuerungssignale SA bzw.
des Anpassungssignals S1 und Regelungsstrecken-Steuerungssignals
SR realisiert.
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Die 2 lässt die
Zusammenhänge
zwischen Mensch, Automation und Umgebung als Skizze erkennen. Es
wird deutlich, dass zwischen der Benutzereingabe (Mensch) und der
Steuerungsautomatik (Automation) eine Arbitrierung, d. h. eine Abstimmung
der automatischen und manuellen Steuerungsbefehle erfolgt. Die Absichten
des Menschen und der Automation werden in eine gemeinsame Aktion
umgewandelt, die an die Umgebung, d. h. die Regelungsstrecke 7 zur
Bewirkung einer Steuerungshandlung geleitet wird.
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Um
die Steuerungssignale durch den Menschen manuell und durch die Automation
automatisch generieren zu können,
erfolgt eine Wahrnehmung der hierzu mindestens erforderlichen Randbedingungen,
beispielsweise durch Sensoren oder Sinne des Menschen.
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Im
Unterschied zu rein manuell gesteuerten technischen Vorrichtungen,
wie zum Beispiel Fahrzeugen, verfügen die assistenz- oder automationsunterstützten zu
steuernden technischen Vorrichtungen über eine zusätzlich Entität, die nun
parallel zum Menschen die Umgebung wahrnimmt, Absichten bildet und
damit wieder durch Aktion auf die Umgebung wirken kann. Durch zum
Beispiel Unterschiede in der Wahrnehmung können die Absichten von Mensch und
Automation unterschiedlich sein. Diese Konflikte werden über eine
gemeinsame Willensbildung oder Arbitrierung aufgelöst.
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Eine
beispielhafte Arbitrierung wird am Beispiel des Führens eines
Fahrzeuges im Folgenden erläutert.
Es wird die fundamentale Aufgabe des sich in Bewegung setzen oder
Anhaltens beschrieben. In entsprechender Weise können auch andere, gegebenenfalls
komplexere Aufgaben gelöst
werden.
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Bei
der Steuerungseinrichtung 1 ist das Fahrzeug im Gegensatz
zu einem traditionellen, rein manuell zu steuernden Fahrzeug mit
einem zusätzlichen
Willen ausgestattet, der parallel, sogar entgegensetzt zum Fahrer
auf das Fahrzeug wirken kann. Dieser Wille wird in der Steuerungsbefehlsautomatik 2 gebildet.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird der Aktionsraum für
die Arbitrierung seitens des Menschens und der Automation in fünf unterschiedliche
Zustände
diskretisiert, die sich leicht auf weitere exemplarische Verkehrssituationen übertragen
lassen:
- – Stoppanforderung:
Rote
Ampel mit Gefahrensituation (zum Beispiel Fußgänger, die gleichzeitig direkt
vor dem Fahrzeug über
die Straße
laufen)
- – Stopp:
Rote
Ampel ohne Gefahrensituation (zum Beispiel ansonsten freier Kreuzung)
- – Unbestimmt:
Alle
Zustände
sind akzeptierbar („egal")
- – Bewegung:
Anfahren
ohne Gefahrensituation (z. B. ein Fahrzeug steht an einer Ampel,
die auf Grün
umschaltet)
- – Bewegungsanforderung:
Anfahren
bei Gefahrensituation (z. B ein Fahrzeug steht auf einem Bahnübergang,
auf den ein Zug zurast).
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Um
Konflikte zwischen derartigen unterschiedlichen Zuständen aufzulösen, die
als Steuerungssignale automatisch und manuell generiert werden,
empfiehlt sich das folgende reihenfolgeabhängige Regelungskonzept:
- 1. Der Mensch kann sich immer durchsetzen, wenn
eine (sichere und dringliche) Handlungsabsicht deutlich kommuniziert
(Stoppanforderung oder Bewegungsanforderung bei Gefahrensituation
(Person demand) setzt sich durch);
- 2. Derjenige Partner setzt sich durch, der deutlicher eine (sichere
und dringlichere) Handlungsabsicht kommuniziert (Stoppanforderung
oder Bewegungsanforderung (demand) setzt sich durch);
- 3. Der Partner mit der konservativeren Handlungsabsicht setzt
sich durch (Stopp setzt sich durch).
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Zur
Auflösung
von Konflikten ist es auch vorteilhaft, eine zweite Arbitrierungsphase
vorzusehen, die sich an die erste Arbitrierungsphase anschließt. Damit
kann verhin dert werden, dass sich der Benutzer mit aller Kraft versucht
gegen den Willen der Steuerungsbefehlsautomatik 2 durchzusetzen.
Der Benutzer hat dann die Gelegenheit, bei einem Stopp durch die
Automation erst einmal stehen zubleiben, zu reflektieren und sich
erst wenn nötig
mit einer dringlichen Steuerungseingabe durchzusetzen (demand).
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Die
sekundäre
Arbitrierungsphase bietet der nachgebenden Instanz, Mensch oder
Automation, noch die Möglichkeit
eine Änderung
des in der Arbitrierungsphase generierten Steuerungssignals durch manuellen
Eingriff oder indirekt durch zusätzliche
visuelle, akustische oder haptische Kommunikation herbeizuführen. Die
Kommunikation kann auch über Sprachein-/ausgabe,
Geräuschein-/ausgabe
oder visuelle Anzeige ergänzt
werden. So kann nach Ablauf der Arbitrierungsphase mit Hilfe von
diskreten Umschaltern oder kontinuierlichen Schaltelementen (bspw.
ein Potentiometer) eine Priorisierung beispielsweise durch unterschiedliche
Gewichtung der manuellen und automatischen Steuerungsbefehle erfolgen.
Weiterhin kann eine Koppelung mit Zuständen des Bedieners erfolgen,
die durch Erkennung der Blick- oder Kopfrichtung oder Lidschlag
detektiert werden.
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Mit
Hilfe von einer optischen, akustischen und/oder haptischen Signaleinheit
zur Ausgabe eines von der Anpassung der automatisch generierten Steuerungssignale
abhängigen
Kommunikationssignals kann zum Beispiel durch akustische oder visuelle
Ausgaben darauf aufmerksam gemacht werden, dass die Steuerungsbefehlsautomatik 2 eine
andere Steuerungshandlung vorschlägt, als in der Arbitrierungsphase
oder sekundären
Arbitrierungsphase abgestimmt ist.
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Die
Arbitrierungseinheit 4 kann durch geeignete Bewertung der
automatischen Steuerungssignale SA und manuellen
Steuerungsbefehlseingaben SM genutzt werden,
um Fahrzeuge unterschiedlich „temperamentvoll" zu parametrisieren.
So kann im Extremfall (insbesondere für Sonderfälle) erreicht werden, dass
sich Fahrzeuge deutlich selbständiger in
Bewegung setzen oder eine sichere und dringliche Handlungsabsicht
der Steuerungsbefehlsautomatik 2 deutlich schwerer oder
nicht mehr durch den Benutzer übersteuerbar
ist.
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Entscheidend
ist, dass in der primären
Arbitrierungsphase von beispielsweise etwa zwei Sekunden, in denen
die Steuerungsbefehlsautomatik 2 und der Benutzer unterschiedlich
auf die haptische Steuerbefehls-Eingabevorrichtung 3 einwirken
können, zur
gemeinsamen Willensbildung genutzt wird. Hierzu wird der Aktor 5 der
haptischen Steuerbefehls-Eingabevorrichtung 3 mit dem Anpassungssignal
S1 nachgeregelt. Die Anpassung des automatisch
generierten Steuerungssignals SA erfolgt
durch Rückkoppelung
des Anpassungssignals S2 auf die Steuerungsbefehlsautomatik 2.
Beispielsweise kann hierdurch signalisiert werden, dass sich die
Steuerungsbefehlsautomatik 2 zurückhält, obwohl sie das Fahrzeug
immer noch anfahren möchte,
indem keine oder nur reduzierte Kräfte auf die Steuerbefehls-Eingabevorrichtung 3 ausgeübt werden.
Während
dieser „Verhandlung" hat sich das Fahrzeug
noch nicht in Bewegung gesetzt, da aufgrund der Parametrisierung
der haptischen Steuerbefehls-Eingabevorrichtung 3 die Beschleunigung
des Fahrzeugs erst bei einer Position der haptischen Steuerbefehls-Eingabevorrichtung 3 einige
Grad vor einer Neutralstellung eingeleitet wird. Ein durch die Fahrzeug-
und Lenkdynamik vorgegebener Totraum wird also als Raum für die Arbitrierung
genutzt.
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Die 3 lässt eine
zweite Ausführungsform der
Steuerungseinrichtung 1 erkennen, die sich von der ersten
Ausführungsform
lediglich in der Ansteuerung des mindestens einen Aktors 5 unterscheidet. Die
Arbitrierungseinheit 4 ist auf die Steuerungsautomatik 2 rückgekoppelt,
um die automatisch generierten Steuerungssignale SA in
Abhängigkeit
von dem Anpassungssignal S2 mindestens innerhalb
einer Arbitrierungsphase anzupassen. Der mindestens eine Aktor wird
dabei immer in direkter Abhängigkeit
von dem automatisch generierten Steuerungssignal SA angesteuert.
Die detektierten manuellen Steuerungsbefehlseingaben SM sind
dabei die Reaktion des Bedieners auf die aktuatorische Verstellung
der Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung 3 durch
die automatisch generierten Steuerungssignale SA.
Da zur Anpassung der automatisch generierten Steuerungssignale SA das Anpassungssignal S2 von
der Arbitrierungseinheit an die Steuerungsautomatik 2 übermittelt
wird und dadurch eine Adaption der Aktivität des mindestens einen Aktors 5 erfolgt,
findet eine Abstimmung der Steuerungshandlungen zwischen Bediener und
Steuerungsbefehlsautomatik 2 an der haptischen Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung 3 statt.
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Die 4 lässt eine
dritte Ausführungsform der
Steuerungseinrichtung 1 erkennen. Sie unterscheidet sich
von der zweiten Ausführungsform
dadurch, dass eine erste Gruppe von Aktoren 5a in der haptischen
Steuerungsbefehls-Eingabevorrichtung 3 vorgesehen ist,
die direkt über
die Steuerungsbefehlsautomatik 2 mit einem zum automatisch
generierten Steuerungssignal SA korrelierten
Signal angesteuert werden. Weiterhin ist eine zweite Gruppe von Aktoren 5b vorgesehen,
die in Abhängigkeit
von dem Anpassungssignal S1 angesteuert
werden. Die Rückkoppelung
des Anpassungssignals S2 auf die Steuerungsbefehlsautomatik 2 ist
optional.
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Bei
dieser Ausführungsform
erfolgt die Anpassung der Wirkung des automatisch generierten Steuerungssignal
SA durch das Anpassungssignal S1 mechanisch,
indem die erste und zweite Gruppe von Aktoren 5a, 5b je
nach Arbitrierung mit- oder gegeneinander arbeiten.