DE102007039332A1

DE102007039332A1 - Verfahren und Lenkassistenzsystem zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an der Lenkhandhabe eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102007039332A1
Application number: DE102007039332A
Authority: DE
Inventors: Xiuxun Dr. Yin; Gerhard Schürings
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2008-02-28

Abstract

Verfahren zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an der Lenkhandhabe eines Fahrzeuges. Hierbei werden die Lenkbewegung der Lenkhandhabe mit einem Momentsensor und einem Winkelsensor erfasst, die freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe unter Berücksichtigung der nichtlinearen Reibungseffekte anhand von experimentellen Messdaten modelliert, und das Fahrerlenkmoment mit einem Zustandsbeobachter als ein Zustand beobachtet, wobei ein Zustandsbeobachter für die Schätzung des Fahrerlenkmoments eingesetzt und anhand des geschätzten Fahrerlenkmoments der Kontaktzustand zwischen den Händen und dem Lenkhandhabe detektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Lenkassistenzsystem zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an der Lenkhandhabe eines Fahrzeuges.
Eine Lenkhandhabe mit den vorgenannten Merkmalen ist aus der DE 196 31 502 C1 bekannt. Im Rahmen der Einführung moderner Fahrer-Assistenzsysteme wie z. B. Brems- oder Spurhalteunterstützungen wie auch von modernen Sicherheitssystemen werden zunehmend Informationen über das Verhalten des Fahrzeugführers in den auftretenden Fahrsituationen benötigt. Aus der gattungsbildenden Druckschrift ist es hierzu bekannt, an der Lenkhandhabe einen faseroptischen Sensor anzubringen, mittels dessen die elastische Verformung der Ummantelung der Lenkhandhabe aufgrund der Umgreifung durch den Fahrer erfasst werden kann und als Messsignal zur Steuerung fahrzeugseitiger Funktionen über eine eingeschaltete Auswerteeinrichtung herangezogen wird.
Mit der fortschreitenden Entwicklung von Fahrdynamikregelungen und Fahrerassistenzsystemen gewinnt die Erfassung des Kontaktzustandes von Händen des Fahrzeugführers mit der Lenkhandhabe zunehmend an Bedeutung. So ist es beispielsweise aus der μ-Split Bremsung mit der aktiven überlagerten Lenkung, oder aus DSR (Driver Steering Recommendation) bekannt, dass abhängig vom detektierten Kontaktzustand zwischen den Händen des Fahrzeugführers und der Lenkhandhabe die Reglerparameter so angepasst werden, dass die möglichen Schwingungen der Lenkhandhabe und das dadurch beeinträchtigte Fahrverhalten des Fahrzeugs beseitigt oder minimiert werden. Auch bei Fahrerassistenzsystemen mit Spurführungsunterstützung ist es notwendig, den Kontaktzustand der Hände mit der Lenkhandhabe ständig zu überwachen, um eine Fahrsituation zu vermeiden, bei der der Fahrer während der Fahrt die Hände von der Lenkhandhabe nimmt.
DE 10048956 offenbart eine Lenkhandhabe mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Handauflage des Fahrzeugführers und mit einer mit der Messeinrichtung gekoppelten Auswerteschaltung, die wenigstens eine fahrzeugspezifische Einrichtung ansteuert, wobei an der Lenkhandhabe eine gemeinsam mit der Handauflagefläche des Fahrzeugführers und mit einem das Dielektrikum bildenden Lenkhandhabebezug einen Kondensator ausbildende leitende Fläche angeordnet ist, wobei die leitende Fläche der Lenkhandhabe an einer??? An??? eine Spannungsversorgung angeschlossenen? Messschaltung derart angeschlossen ist, dass bei??? an??? der Lenkhandhabe aufliegender Hand des Fahrzeugführers aufgrund der durch den Fahrzeugführer verursachten kapazitiven Kopplung zwischen Lenkhandhabe und Fahrzeugkarosserie vom Ausgang der Messschaltung zur Fahrzeugmasse fliessenden Messstromes eine Messgrösse aufgenommen und ein entsprechendes Messsignal der Auswerteschaltung.
Die DE 10121693 A1 und DE 10027922 A1 offenbaren Verfahren und Vorrichtungen zum Detektieren des Kontakts zwischen den Händen und der Lenkhandhabe basierend auf speziell für diesen Zweck vorgesehene Sensoren, die an der Lenkhandhabe anzubringen sind.
In der US 6219603 wird offenbart, dass der Kontakt zwischen Händen und Lenkhandhabe mit einem geschätzten Lenkmoment des Fahrers, das durch eine Momentengleichung berechnet wird, detektiert wird. Allerdings wird in diesem Verfahren der starke Einfluss der nichtlinearen Reibungseffekte an der Lenksäule nicht berücksichtigt. Dadurch kann dieses Verfahren den Kontaktzustand bei kleinen Fahrerlenkmomenten nicht eindeutig detektieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum zuverlässigeren Detektieren des Kontaktzustands zwischen den Händen eines Fahrers und der Lenkhandhabe bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 und der Merkmale des Anspruchs 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es versteht sich, dass unter dem Begriff der Lenkhandhabe im Weiteren alle Vorrichtungen fällen, die zur Lenkung eines Fahrzeuges einsetzbar sind.
In einer Ausführungsform des Verfahren zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an der Lenkhandhabe eines Fahrzeuges, wird die Lenkbewegung der Lenkhandhabe mittels mindestens eines Momentsensors und mindestens eines Winkelsensors erfasst wird, die freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe unter Beachtung nicht-linearen Reibungseffekten anhand von experimentellen Messdaten modelliert, das Fahrerlenkmoment mittels des Zustandsbeobachter als ein Zustand ermittelt, dass ein Zustandsbeobachter für die Schätzung des Fahrerlenkmoments eingesetzt und mittels des geschätzten Fahrerlenkmoments der Kontaktzustand zwischen den Händen und dem Lenkhandhabe detektiert.
In einer weiteren Ausführungsform ist das dynamische Modell eine nichtlineare Differentialgleichung, welches die freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe beschreibt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das nichtlineare dynamische Modell der Lenkhandhabe durch numerische Behandlung in ein lineares Modell umgeformt wird.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Detektion des Hand-On/Off Zustands durch einen Vergleich des gleitenden Mittelwertes des Betrags des geschätzten Fahrerlenkmoments in einem vordefinierten Zeitfenster τ mit einem vordefinierten Schwellwert ε1 und ein Vergleich des gleitenden Mittelwertes des Betrags des Quotienten |x₂/M_s| mit einem vordefinierten Schwellwert ε2.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich aus, dass bei einem Nulldurchgang des gemessenen Momentes M_s der modifizierten Quotient |x₂/M ^_s| zur Berechnung des gleitenden Mittelwertes des Quotienten |x₂/M_s| verwendet wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine aktive Detektion des Hand-Off-Zustands durchgeführt, wenn das geschätzte Fahrerlenkmoment in einem vordefinierten Zeitfenster τ kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ε1 ist und der Quotient |x₂/M_s|, gegebenenfalls |x₂/M ^_s|, größer als ein vordefinierter Schwellwert ε2 ist.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Lenkassistenzsystem gelöst, das eine Lenkhandhabe (1), eine Lenkstange (2), Mittel zur Erfassung und Ermittlung von Lenkbewegungssignalen (3, 4), Mittel zur Lenksignalfilterung (5, 6), Mittel zur Bildung von mathematischen Ableitungen (7), einen Beobachter für das Fahrerlenkmoment (8) und einen Hand-Off Detektor (9) umfasst.
Die Lenkbewegung einer Lenkhandhabe wird vorteilhaft mit einem nichtlinearen dynamischen Modell unter Berücksichtigung sowohl der viskosen als auch der Coulombschen Reibung dargestellt, wodurch in vorteilhafter Weise der Schätzfehler reduziert wird.
Es wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Störgrößenbeobachter für die Schätzung des Fahrerlenkmoments eingesetzt. Hierdurch ist ein zweifaches explizites Differenzieren des Lenkwinkelsignals nicht notwendig und es erfolgt in vorteilhafter Weise eine Reduktion des Berechnungsaufwandes für das Schätzen des Fahrerlenkmomentes.
Des Weiteren wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht der Kontaktzustand direkt detektiert, sondern das aktuelle Fahrerlenkmoment ermittelt. Dies ermöglicht bei bestimmten sicherheitskritischen Anwendungen die Reglerparameter nicht nur von dem Kontaktzustand von Händen an der Lenkhandhabe sondern auch von dem aktuellen Fahrerlenkmoment abhängig zu konfigurieren.
Oft sind Lenkwinkel- und Lenkmomentsensor bei einem Lenkassistentensystem schon vorhanden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft diese Sensorsignale, die nicht speziell für das Detektieren des Kontaktzustands zwischen Händen und der Lenkhandhabe vorgesehen sind, zu verwenden, um den Kontaktzustand zwischen Händen und Lenkhandhabe zu detektieren. Die Lenkhandhabe bleibt hierdurch wie ein konventionelles Lenkrad unverändert und es ist nicht erforderlich, wie in der DE 196 31 502 C1 angegeben, das Lenkrad entsprechend zu modifizieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1 Einen schematische Aufbau eines erfindungsgemäßen Lenkassistenzsystems
2 Ein Vergleich zwischen Messung und Simulation
3 und 4 Der Einfluss des Zeitfensters τ auf Hand-Off-Detektion
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass der Fahrer beim Fahren ständig Lenkkorrekturen vornimmt. Auch bei einer Geradeausfahrt ist immer noch gewisses „Haltemoment" beim Festhalten der Lenkhandhabe vorhanden.
In der 1 ist schematisch dargestellt, dass die Rotationsbewegung der Lenkhandhabe (1) durch folgende Momente hervorgerufen und beeinflusst werden kann:

• Durch das vom Fahrer auf die Lenkhandhabe ausgeübte Lenkmoment M_h.
• Durch die Momente, die durch aktives Lenken von Aktuatoren wie EPS etc., oder durch unebenen Fahrbahn hervorgerufene Störmoment, oder als ein Gegenmoment des Lenkmomentes M_h. All diese Momente werden an dem Wirkungspunkt A, wo sich der Momentsensor befindet, als M_s zusammengefasst und lassen sich mit dem Momentsensor (4) ermitteln.
• Durch das durch Reibung verursachte Moment M_r. Dieses Moment wirkt ständig als Widerstand gegen die Rotationsbewegung der Lenkhandhabe (1).

Es lässt sich die Rotationsbewegung der Lenkhandhabe durch folgende Momentengleichung beschreiben ϕ .. = 1J (Ms + Mr + Mh) Gl.(1)
Wobei J das Trägheitsmoment der Lenkhandhabe (1) und der Lenkstange (2) oberhalb der Momentsensors (4) ist und ϕ .. die Winkelbeschleunigung der Lenkhandhabe.
Bei einem Hand-off Zustand, bei dem der Fahrzeugführer seine Hände nicht auf die Lenkhandhabe legt, ist das Fahrerlenkmoment M_h gleich null und die Gl. (1) lässt sich durch ϕ .. = 1J (Ms + Mr) Gl.(2)beschreiben. In folgenden wird dies als „freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe" bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise in drei Phasen aufgeteilt, wobei die einzelnen Phasen weiter aufteilbar sind:

1. Die nicht durch Fahrer beeinflusste „freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe" möglichst genau mit einem nichtlinearen dynamischen Modell darzustellen.
2. Das aus experimentellen Messdaten ermittelte nichtlineare Lenkhandhabemodell in ein numerisch behandelbaren linearen Modell zu transformieren.
3. Das vom Fahrer ausgeübte Lenkmoment als eine Störgröße in dieses Modell einzubeziehen, wobei dies mit einem Zustandsbeobachter ermittelt wird.

Das Reibungsmoment in Gl. (1) und Gl. (2) wird wie folgend modelliert:
Hier ist γ_ν der Koeffizient der viskosen Reibung und γ_c der Koeffizient der Coulombschen Reibung. Die Coulombsche Reibung lässt sich allein mit sign(ϕ .)·γ_c darstellen, der hier einbezogene Term
verbessert die numerische Behandelbarkeit der Gl. (3). Für die weitere Beschreibung werden Gl. (2) und Gl. (3) folgendermaßen zusammengefasst:
wobei x₁ die Lenkwinkelgeschwindigkeit ist und
b = 1 / J. Die Zustandsgleichung Gl. (4) stellt die Modellstruktur der Lenkhandhabedynamik dar. Die unbekannten Parameter a, b, b_c und ν in diesem Modell werden aus experimentellen Messdaten mit Parameteridentifikationsverfahren ermittelt.
2 zeigt einen Vergleich zwischen einer Messung und einem Simulationsergebnis eines aus Messdaten identifizierten Modells. Es ist zu erkennen, dass das Modell die Lenkbewegung der Lenkhandhabe sehr gut darstellt.
Das Lenkhandhabemodell Gl. (4) beschreibt eine nichtlineare Dynamik der Lenkhandhabe und ist für den Entwurf eines linearen Störgrößenbeobachters nicht geeignet. Um das Modell als ein lineares Modell behandeln zu können, wird die Lenkgeschwindigkeit x₁ in dem nichtlinearen Term
durch die aus der gemessenen ϕ berechnete ϕ . ersetzt und dies wird mit dem Koeffizienten γ_c zusammen als Mc definiert:
Da M_c nicht mehr von dem Modellzustand x₁ abhängig ist, kann dies als ein unabhängiges Eingangssignal des Modells betrachtet werden. So lässt sich das Modell Gl. (4) als ein lineares Modell umformen: x .1 = a·x1 + b·Mc + b·Ms Gl. (6)
Eine andere Möglichkeit Mc von x₁ zu entkoppeln ist, bei der Berechnung von Mc(t_k) nicht x₁(t_k) zu verwenden, sondern immer die mit dem Beobachter (8) geschätzten x ⁀₁(t_k–1) zu verwenden:
Weil am Abtastpunkt t_k der beobachtete Zustand am Abtastpunkt t_k–1 für die Berechnung von Mc(t_k) zur Verfügung steht, kann Mc(t_k) als ein bekanntes Eingangssignal des Modells betrachtet werden.
Um das Fahrerlenkmoment zu ermitteln wird das umgeformte lineare Lenkhandhabemodell Gl. (6) um einen zu beobachtenden Zustand erweitert:
wobei die erweiterte Zustandsvariable x₂ das Fahrerlenkmoment darstellt. ξ beschreibt das lineare dynamische Verhalten des Fahrerlenkmomentes. Bei einem Hand-Off Zustand, wobei der Fahrer seine Hände nicht auf der Lenkhandhabe legt, ist das Fahrerlenkmoment gleich 0 und bleibt unverändert. Daher kann x₂ als eine Konstante betrachtet werden und ξ hat bei einem Hand-Off Zustand einen Wert von 0.
Auch bei einem Hand-On Zustand, bei dem der Fahrer seine Hände auf der Lenkhandhabe liegen hat und sich das Lenkmoment des Fahrers nicht schnell verändert, kann man dies in einem bestimmten Zeitintervall mit einer Konstante annähern und ξ kann als 0 betrachtet werden. So lässt sich die erweiterte Zustandsgleichung wie folgt darstellen:
Anhand des erweiterten Zustandmodells Gl. (9) kann ein Zustandsbeobachter entworfen werden, der das Fahrerlenkmoment schätzt.
Das von dem Beobachter (8) ermittelte Fahrerlenkmoment spiegelt nicht exakt das reale Fahrerlenkmoment wider, denn das Modell ist nur eine Annäherung an die reale Lenkhandhabedynamik und die Umformung des Modells mit Gl. (5). oder Gl. (7) beeinträchtig mehr oder wenige die Genauigkeit des Modells. Der Beobachter selbst hat auch eigene Dynamik und liefert den Schätzwert x₂ für M_h mit gewisser Zeitverzögerung. In dem erweiterten Lenkhandhabemodell Gl. (9) wird das Fahrerlenkmoment als konstant betrachtet, was bei einem Hand-On Zustand im allgemeinen nicht der Fall ist.
Daher ist es bei einem Hand-Off Zustand möglich, dass das mit dem Beobachter geschätzte Fahrerlenkmoment nicht gleich null ist. Um den Hand-Off Zustand möglichst sicher zu detektieren, wird erfindungsgemäß folgendes Kriterium für Hand-Off Erkennung eingesetzt:
Wenn der gleitende Mittelwert des Betrags des geschätzten Fahrerlenkmoments x₂ in einem vorgegebenen Zeitfenster τ kleiner als ein vorgegebener positiver Schwellwert ε1 ist, und der gleitende Mittelwert des Quotienten |x₂/M_s| kleiner als positiver ε2 ist, dann ist der Hand-Off Zustand (11) wahr.
Wenn der Quotient |x₂/M_s| größer als ε2 und |M_s| kleiner als ε3 (Nulldurchgang des gemessenen Momentes M_s) ist, dann wird geprüft, ob der Quotient |x₂/M ^_s| kleiner als ε2 ist. Hierbei ist M ^_s = M_s + dM_s/dt·Δt Gl. (10). Wird die Bedingung |x₂/M ^_s| < ε2 erfüllt, dann wird bei der Berechnung des gleitenden Mittelwertes statt |x₂/M_s| den nach Gl. (10) modifizierten Quotient |x₂/M ^_s| verwendet.
Wenn der gleitende Mittelwert des Betrags des geschätzten Fahrerlenkmoments x₂ in einem vorgegebenen Zeitfenster τ kleiner als ε1 ist und der gleitende Mittelwert des Quotienten |x₂/M_s| größer als ε2 ist, dann wird eine aktive Hand-Off-Detektion durchgeführt. Hierbei wird ein vordefiniertes Drehmoment vom Aktuator an der Lenkanlage ausgeübt, so dass der Lenkwinkel der Lenkhandhabe sich beispielsweise sinusförmig mit einer vordefinierten Amplitude und Frequenz verändert. Für diese aktive Lenkbewegung wird die Hand-off-Detektion wie oben beschrieben erneut durchgeführt.
Wenn die zeitliche Verzögerung der Hand-Off-Detektion für die einzelne Anwendung nicht kritisch ist, wird das Zeitfenster τ einen relativ großen Wert nehmen. Vorzugsweise ist das Zeitfenster τ hierzu zwischen 50 [ms] und 200 [ms] zu wählen.
3 und 4 zeigen den Einfluss des Zeitfensters auf die Detektion des Hand-Off-Zustandes. Es ist zu erkennen, dass bei einem größeren Zeitfenster τ das Verfahren den Hand-Off-Zustand mit höherer Sicherheit, aber auch mit einer größeren zeitlichen Verzögerung, detektiert.

Claims

Verfahren zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an der Lenkhandhabe eines Fahrzeuges, gekennzeichnet durch die Schritte 1. die Lenkbewegung des Lenkhandhabe mittels mindestens eines Momentsensors und mindestens eines Winkelsensors erfasst wird, 2. die freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe unter Beachtung nicht-linearen Reibungseffekten anhand von experimentellen Messdaten modelliert wird, 3. das Fahrerlenkmoment mittels des Zustandsbeobachters als ein Zustand ermittelt wird, 4. dass ein Zustandsbeobachter für die Schätzung des Fahrerlenkmoments eingesetzt wird und mittels des geschätzten Fahrerlenkmoments der Kontaktzustand zwischen den Händen und dem Lenkhandhabe detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch kennzeichnet, dass das dynamische Modell, welches die freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe beschreibt, eine nichtlineare Differentialgleichung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch kennzeichnet, dass das nichtlineare dynamische Modell der Lenkhandhabe durch numerische Behandlung in ein lineares Modell umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass das Detektieren des Hand-On/Off Zustands durch einen Vergleich des gleitenden Mittelwertes des Betrags des geschätzten Fahrerlenkmoments in einem vordefinierten Zeitfenster τ mit einem vordefinierten Schwellwert ε1 und ein Vergleich des gleitenden Mittelwertes des Betrags des Quotienten |x₂/M_s| mit einem vordefinierten Schwellwert ε2 erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass bei einem Nulldurchgang des gemessenen Momentes M_s der modifizierten Quotient |x₂/M ^_s| zur Berechnung des gleitenden Mittelwertes des Quotienten |x₂/M_s| verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass das geschätzte Fahrerlenkmoment in einem vordefinierten Zeitfenster τ kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ε1 ist und der Quotient |x₂/M_s|, gegebenenfalls |x₂/M ^_s|, größer als ein vordefinierter Schwellwert ε2 ist, eine aktive Detektion des Hand-Off-Zustands durchgeführt wird.
Lenkassistenzsystem zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an der Lenkhandhabe eines Fahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkassistenzsystem eine Lenkahandhabe (1), eine Lenkstange (2), Mittel zur Erfassung und Ermittlung von Lenkbewegungssignalen (3, 4), Mittel zur Lenksignalfilterung (5, 6), Mittel zur Bildung von mathematischen Ableitungen (7), einen Beobachtet für das Fahrlenkmoment (8) und einen Hand-Off Detektor (9) umfasst.