DE102007039332A1 - Driver`s hand contact condition detecting method for use in vehicle, involves evaluating driver steering moment using condition observer, and detecting contact condition between hands and handle by hand-off detector using evaluated moment - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Lenkassistenzsystem zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an der Lenkhandhabe eines Fahrzeuges.The The invention relates to a method and a steering assistance system for Detecting the contact state of at least one hand of a driver on the steering handle of a vehicle.
Eine
Lenkhandhabe mit den vorgenannten Merkmalen ist aus der
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.With the progressive development of vehicle dynamics control and driver assistance systems gains the detection of the contact state of hands of the driver with the steering handle increasingly important. That's the way it is, for example from the μ-split braking with the active superimposed Steering, or known from DSR (Driver Steering Recommendation), that dependent from the detected contact state between the hands of the driver and the steering handle, the controller parameters are adjusted so that the potential Vibrations of the steering handle and thereby impaired Driving behavior of the vehicle eliminated or minimized. Also in driver assistance systems with guidance assistance it is necessary to constantly monitor the contact state of the hands with the steering handle, to avoid a driving situation in which the driver during the Ride hands from the steering handle takes.
Die
In
der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum zuverlässigeren Detektieren des Kontaktzustands zwischen den Händen eines Fahrers und der Lenkhandhabe bereitzustellen.Of the Invention is based on the object, a method for more reliable Detecting the contact state between the hands of a driver and the To provide steering handle.
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.The Task is solved by the features of claim 1 and the features of the claim 7. Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Es versteht sich, dass unter dem Begriff der Lenkhandhabe im Weiteren alle Vorrichtungen fällen, die zur Lenkung eines Fahrzeuges einsetzbar sind.It is understood that under the concept of steering handle hereinafter make all the devices, which are used for steering a vehicle.
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 one embodiment of the method for detecting the contact state of at least one driver's hand on the steering handle of a vehicle, the steering movement of the steering handle is detected by means of at least one torque sensor and at least one angle sensor, the free steering movement of the steering handle taking into account non-linear friction effects based on modeled experimental measurement data, the driver steering torque determined by the state observer as a state that a Used state observer for the estimation of the driver steering torque and detected by means of the estimated driver steering torque, the contact state between the hands and the steering handle.
In einer weiteren Ausführungsform ist das dynamische Modell eine nichtlineare Differentialgleichung, welches die freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe beschreibt.In a further embodiment the dynamic model is a nonlinear differential equation which describes the free steering movement of the steering handle.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das nichtlineare dynamische Modell der Lenkhandhabe durch numerische Behandlung in ein lineares Modell umgeformt wird.A particularly advantageous embodiment is characterized by that the nonlinear dynamic model of the steering handle by numerical Treatment is transformed into a linear model.
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/Ms| mit einem vordefinierten Schwellwert ε2.In a further particularly advantageous embodiment, the detection of the manual on / off state by comparing the moving average of the amount of the estimated driver's steering torque in a predefined time window is carried τ with a predefined threshold value ε1, and a comparison of the moving average of the amount of the quotient | x 2 / M s | with a predefined threshold ε2.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich aus, dass bei einem Nulldurchgang des gemessenen Momentes Ms der modifizierten Quotient |x2/M ^s| zur Berechnung des gleitenden Mittelwertes des Quotienten |x2/Ms| verwendet wird.A further advantageous embodiment is characterized in that at a zero crossing of the measured torque M s, the modified quotient | x 2 / M ^ s | for calculating the moving average of the quotient | x 2 / M s | is used.
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/Ms|, gegebenenfalls |x2/M ^s|, größer als ein vordefinierter Schwellwert ε2 ist.In a further advantageous embodiment, an active detection of the hand-off state is performed when the estimated driver steering torque in a predefined time window τ is smaller than a predefined threshold value ε1 and the quotient | x 2 / M s |, optionally | x 2 / M ^ s |, greater than a predefined threshold ε2.
Die
Aufgabe wird ebenfalls durch ein Lenkassistenzsystem gelöst, das
eine Lenkhandhabe (
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.The Steering movement of a steering handle is advantageous with a non-linear considering dynamic model both the viscous and the Coulomb friction, whereby the estimation error is advantageously reduced.
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.It is in the inventive method a disturbance observer for the estimate used the driver's steering torque. This is a double explicit Differentiating the steering angle signal is not necessary and it takes place Advantageously, a reduction of the calculation effort for estimating the Driver steering torque.
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.Of Further, in the method according to the invention is not the contact state detected directly, but determines the current driver steering torque. this makes possible For certain safety-critical applications, the controller parameters not only from the contact state of hands on the steering handle but also dependent on the current driver steering torque to configure.
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
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.One embodiment The invention is illustrated in the drawings and will be described below described in more detail.
Es zeigenIt demonstrate
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.Of the Invention is based on the idea that the driver while driving constantly Makes steering corrections. Even when driving straight ahead is always still some "holding moment" when holding the steering handle available.
In
der
- • Durch das vom Fahrer auf die Lenkhandhabe ausgeübte Lenkmoment Mh.
- • Durch
die Momente, die durch aktives Lenken von Aktuatoren wie EPS etc.,
oder durch unebenen Fahrbahn hervorgerufene Störmoment, oder als ein Gegenmoment
des Lenkmomentes Mh. All diese Momente werden
an dem Wirkungspunkt A, wo sich der Momentsensor befindet, als Ms zusammengefasst und lassen sich mit dem
Momentsensor (
4 ) ermitteln. - • Durch
das durch Reibung verursachte Moment Mr.
Dieses Moment wirkt ständig
als Widerstand gegen die Rotationsbewegung der Lenkhandhabe (
1 ).
- • By the steering torque M h exerted by the driver on the steering handle.
- • By the moments, by the active steering of actuators such as EPS, etc., or by uneven road surface caused disturbance torque, or as a counter torque of the steering torque M h . All these moments are summarized as M s at the point of action A where the torque sensor is located, and can be combined with the torque sensor (FIG.
4 ) determine. - • Due to the moment caused by friction M r . This moment constantly acts as a resistance to the rotational movement of the steering handle (
1 ).
Es
lässt sich
die Rotationsbewegung der Lenkhandhabe durch folgende Momentengleichung
beschreiben
Wobei
J das Trägheitsmoment
der Lenkhandhabe (
Bei
einem Hand-off Zustand, bei dem der Fahrzeugführer seine Hände nicht
auf die Lenkhandhabe legt, ist das Fahrerlenkmoment Mh gleich
null und die Gl. (1) lässt
sich durch
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.
- 1. The non-driver influenced "free steering movement of the steering handle" as accurately as possible to represent a non-linear dynamic model.
- 2. To transform the non-linear steering handle model determined from experimental measurement data into a numerically treatable linear model.
- 3. To include the steering torque exerted by the driver as a disturbance variable in this model, this being determined by a condition observer.
Das Reibungsmoment in Gl. (1) und Gl. (2) wird wie folgend modelliert: The friction moment in Eq. (1) and Eq. (2) is modeled as follows:
Hier ist γν der Koeffizient der viskosen Reibung und γc der Koeffizient der Coulombschen Reibung. Die Coulombsche Reibung lässt sich allein mit sign(ϕ .)·γc darstellen, der hier einbezogene Termverbessert die numerische Behandelbarkeit der Gl. (3). Für die weitere Beschreibung werden Gl. (2) und Gl. (3) folgendermaßen zusammengefasst: wobei x1 die Lenkwinkelgeschwindigkeit ist undb = 1 / J. Die Zustandsgleichung Gl. (4) stellt die Modellstruktur der Lenkhandhabedynamik dar. Die unbekannten Parameter a, b, bc und ν in diesem Modell werden aus experimentellen Messdaten mit Parameteridentifikationsverfahren ermittelt.Here, γ ν is the coefficient of viscous friction and γ c is the Coulomb friction coefficient. The Coulomb friction can be represented by sign (φ.) · Γ c , the term used here improves the numerical treatability of Eq. (3). For further description Eq. (2) and Eq. (3) summarized as follows: where x 1 is the steering angular velocity and b = 1 / J. The equation of state Eq. (4) represents the model structure of the steering handle dynamics. The unknown parameters a, b, b c and ν in this model are determined from experimental measurement data with parameter identification methods.
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 γc zusammen als Mc definiert: The steering handle model Eq. (4) describes a non-linear dynamics of the steering handle and is not suitable for the design of a linear disturbance observer. In order to treat the model as a linear model, the steering speed becomes x 1 in the nonlinear term by the φ calculated from the measured φ. and this is defined together with the coefficient γ c as Mc:
Da
Mc 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:
Eine
andere Möglichkeit
Mc von x1 zu entkoppeln ist, bei der Berechnung
von Mc(tk) nicht x1(tk) zu verwenden, sondern immer die mit dem
Beobachter (
Weil am Abtastpunkt tk der beobachtete Zustand am Abtastpunkt tk–1 für die Berechnung von Mc(tk) zur Verfügung steht, kann Mc(tk) als ein bekanntes Eingangssignal des Modells betrachtet werden.Because at the sampling point t k the observed state at the sampling point t k-1 is available for the calculation of Mc (t k ), Mc (t k ) can be considered as a known input signal of the model.
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.To determine the driver steering torque, the converted linear steering handle model Eq. (6) extended by a condition to be observed: wherein the extended state variable x 2 represents the driver steering torque. ξ describes the linear dynamic behavior of the driver's steering torque. In a hand-off state where the driver does not put his hands on the steering handle, the driver's steering torque is 0 and remains unchanged. Therefore, x 2 can be considered as a constant and ξ has a value of 0 in a hand-off state.
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: Even in a hand-on condition where the driver has his hands on the steering handle and the driver's steering torque does not change rapidly, one can approximate this at a constant time interval and ξ can be considered 0. Thus, the extended equation of state can be represented as follows:
Anhand des erweiterten Zustandmodells Gl. (9) kann ein Zustandsbeobachter entworfen werden, der das Fahrerlenkmoment schätzt.Based of the extended state model Eq. (9) can be a state observer designed to appreciate the driver's steering torque.
Das
von dem Beobachter (
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/Ms|
kleiner als positiver ε2
ist, dann ist der Hand-Off Zustand (
When the moving average value of the estimated driver steering torque x 2 in a predetermined time window τ is smaller than a predetermined positive threshold value ε1, and the moving average value of the ratio | x 2 / M s | is less than positive ε2, then the hand-off state is (
Wenn der Quotient |x2/Ms| größer als ε2 und |Ms| kleiner als ε3 (Nulldurchgang des gemessenen Momentes Ms) ist, dann wird geprüft, ob der Quotient |x2/M ^s| kleiner als ε2 ist. Hierbei ist M ^s = Ms + dMs/dt·Δt Gl. (10). Wird die Bedingung |x2/M ^s| < ε2 erfüllt, dann wird bei der Berechnung des gleitenden Mittelwertes statt |x2/Ms| den nach Gl. (10) modifizierten Quotient |x2/M ^s| verwendet.If the quotient | x 2 / M s | greater than ε2 and | M s | is smaller than ε3 (zero crossing of the measured moment M s ), then it is checked whether the quotient | x 2 / M ^ s | is less than ε2. Here, M s = M s + d M s / dt × Δt Eq. (10). Is the condition | x 2 / M ^ s | <ε2, then the moving average is calculated instead of | x 2 / M s | according to Eq. (10) modified quotient | x 2 / M ^ s | used.
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/Ms| 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.If the moving average value of the estimated driver steering torque x 2 in a predetermined time window τ is less than ε1 and the moving average of the ratio | x 2 / M s | is greater than ε2, then an active hand-off detection is performed. Here, a predefined torque is exerted by the actuator on the steering system, so that the steering angle of the steering handle, for example, changes sinusoidally with a predefined amplitude and frequency. For this active steering movement, the hand-off detection is performed again as described above.
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.If the time delay the hand-off detection for the single application is not critical, the time window τ becomes a relative huge Take value. Preferably, the time window τ is between 50 [ms] and 200 [ms] to select.
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