DE102011109711A1

DE102011109711A1 - Hands-On-Erkennung im Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011109711A1
Application number: DE102011109711A
Authority: DE
Inventors: Marek Musial; Thanh-Binh To
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-08-06
Filing date: 2011-08-06
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2031-08-07
Also published as: DE102011109711B4

Abstract

Ein Verfahren zur Erkennung einer Hands-ON- oder Hands-Off-Situation eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug sich im Betriebszustand befindet, weist die folgenden Schritte auf: – Bestimmen erster Messsignale, die zur Bestimmung sicherer Hands-On-Situationen dienen, – Bestimmen zweiter Messsignale, welche mit der Annäherung einer Hand des Fahrers an das Lenkrad korreliert sind, – Bestimmen einer Kalibrierfunktion zur Kalibrierung der zweiten Messsignale anhand sicherer Hand-On-Ereignisse der ersten Messsignale, und Erkennen von Hands-On oder Hands-Off-Situationen anhand der zweiten Messsignale.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Freihandfahrt eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs, also zur Beantwortung der Frage, ob der Fahrer eines Kraftfahrzeugs das Lenkrad ergriffen hat oder nicht, was auch als Hands-On-Erkennung bezeichnet wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10.
Dabei wird im Folgenden eine Situation, in der der Fahrer das Lenkrad ergriffen hat, als Hans-On-Situation, und eine Situation, in der der Fahrer das Lenkrad nicht ergriffen hat, also eine Freihandfahrt, als Hands-Off-Situation bezeichnet, was den in diesen technischen Bereichen verwendeten Begriffe entspricht.
Zur Erhöhung der Fahrsicherheit eines Kraftfahrzeugs im Straßenverkehr werden zunehmend Fahrerassistenzsysteme eingesetzt, welche auf die Erhöhung der aktiven Sicherheit gerichtet sind. Dies sind beispielsweise ADR-Systeme (Automatische Distanzregelung), auch bekannt als ACC-System (Autonomes Cruise Control), bei denen sowohl eine Geschwindigkeitsregelung als auch eine Abstandsregelung miteinander verknüpft sind. Bei Annäherung eines Eigenfahrzeugs an ein vorausfahrendes Kraftfahrzeug wird die Eigengeschwindigkeit beim Unterschreiten eines Mindestabstandes automatisch herabgesetzt, um den Mindestabstand zu dem vorausfahrenden Kraftfahrzeug einzuhalten.
Weiter sind Spurhaltesysteme bekannt, die auch als HC-Systeme (Heading Control) genannt sind, bei denen mittels einer entsprechenden Sensorik die Fahrspur erkannt und das Fahrzeug durch entsprechend erzwungenen Lenkvorgänge auf der Fahrspur gehalten wird. Diese Systeme setzen beispielsweise eine elektromotorisch unterstützte Lenkung voraus.
Ferner sind Kombinationen aus ADR- und HC-Systemen in der Entwicklung. Um nun eine weitere Verbesserung der aktiven Sicherheit zu erreichen, ist es notwendig, den Fahrer des Kraftfahrzeugs hinsichtlich seiner Reaktionsfähigkeit zu überwachen, da beispielsweise bei einem übermüdeten Fahrer auch die genannten Fahrassistenzsysteme versagen. Eine derartige Überwachung des Fahrers und eine anschließende Qualifikation seines Zustandes sind auf verschiedene Art und Weise möglich, so kann beispielsweise die Lenkaktivität und/oder das Beschleunigungs- und Bremsverhalten des Fahrers überwacht und ausgewertet werden.
Eine grundlegende Frage bei der Überwachung der Fahreraktivität ist, ob der Fahrer während der Fahrt überhaupt das Lenkrad erfasst hat oder nicht, mit anderen Worten, ob eine Fahreraktivität am Lenkrad erkennbar ist oder nicht. Hat er das Lenkrad nicht erfasst, so liegt die Vermutung nahe, dass der Fahrer sich in einem Zustand eingeschränkter Aktionsfähigkeit befindet, und dass Maßnahmen, beispielsweise in Form einer Warnung, ergriffen werden müssen.
So beschreibt die Druckschrift DE 10 2005 056 438 A1 ein Verfahren zur Lenkradüberwachung, d. h. zur Bestimmung der Frage, ob ein Fahrer eines Kraftfahrzeuges das Lenkrad ergriffen hat oder nicht, bei dem das Systemverhalten bestimmende Parameter des Lenkrades des Kraftfahrzeuges gemessen werden, eine Auswertung der so bestimmten Parameter erfolgt, die ausgewerteten Parameter mit Referenzparametern verglichen werden, und ein Signal erzeugt wird, wenn die Abweichung zwischen ausgewerteten und referenzierten Parametern größer als eine vorgegebene Schranke ist. Dabei werden die Referenzparameter üblicherweise einmal für das Fahrzeugsystem bestimmt und gespeichert, so dass sich mit einer Änderung des Fahrzeugsystems, beispielsweise als Folge der Fahrzeugalterung, die Referenzparameter ändern können und daher eine Fehlbestimmung möglich ist.
Weiterhin ist aus der DE 198 06 458 A1 eine Kraftfahrzeuglenkvorrichtung mit einer Freihandfahrt-Erkennungsvorrichtung bekannt, bei der eine freihändige Fahrt auf der Basis von wenigstens der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Lenkdrehmoment erkannt wird. Dabei wird die Fahrt als freihändig bewertet, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit größer als ein vorbestimmter Geschwindigkeitswert und des gemessene Lenkmoment kleiner als eine vorgegebene Schwelle sind.
Ferner offenbart die DE 103 41 366 A1 ein System zur Erfassung unbeabsichtigter Fahrbahnabweichungen, wobei das System eine Fahreraktivitätsüberwachungseinheit aufweist, die unter Anderem den Lenkwinkel überwacht. Dabei stellt ein großer Lenkwinkel ein Indiz für eine Fahreraktivität dar, mit anderen Worten, der Fahrer hat das Lenkrad ergriffen. Derartige Auswertungen von, auf eine Fahreraktivität hindeutenden Parameter sind mit Schwellwerten verbunden, die fest vorgegeben sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Freihandfahrterkennung, d. h. zur Klärung der Frage, ob der Fahrer eines Kraftfahrzeuges das Lenkrad ergriffen hat oder nicht, zu vereinfachen und sicherer zu gestalten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung einer Hands-On oder Hands-Off-Situation eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug sich im Betriebszustand befindet, weist die folgenden Schritte auf:

– Bestimmen erster Messsignale, die zur Bestimmung sicherer Hands-On-Situationen dienen,
– Bestimmen zweiter Messsignale, welche mit der Annäherung einer Hand des Fahrers an das Lenkrad korreliert sind,
– Bestimmen einer Kalibrierfunktion zur Kalibrierung der zweiten Messsignale anhand sicherer Hand-On-Ereignisse der ersten Messsignale, und Erkennen von Hands-On oder Hands-Off-Situationen anhand der zweiten Messsignale.

Der Erfindung liegt daher die grundlegende Idee zugrunde ein a priori Wissen der ersten Messsignale über sichere Hands-On-Situationen oder Ereignisse zu verwenden, um damit die zweiten Messsignale zu kalibrieren, so dass nach erfolgter Kalibrierung aus den zweiten Messsignalen ableitbar ist, ob eine Hands-On- oder eine Hands-Off-Situation gegeben ist.
Vorzugsweise weist das Verfahren die folgenden weiteren Schritte auf:

– Bilden von Messereignissen bestehend jeweils aus Paaren erster und zweiter Messwerte zu einem gemeinsamen Zeitpunkt t, Bestimmen derjenigen Messereignisse für sichere Hand-On-Situationen, Bilden eines Histogramms der zweiten Messsignale derjenigen Messereignisse für sichere Hand-On-Ereignisse, und Bilden einer Kalibrierfunktion für die zweiten Messsignale aus der kumulativen Dichtefunktion, so dass für zweite Messsignale kleiner als eine erste Schwelle eine sichere Hands-Off-Situation und für zweite Messsignale größer als eine zweite Schwelle eine sichere Hands-On-Situation angenommen wird.

Weiter bevorzugt wird eine kumulative Dichtefunktion aus der zeitlichen Normierung der Histogrammfunktion gebildet, aus der dann die Kalibrierfunktion abgeleitet wird.
Weiter bevorzugt wird für die zwischen der ersten und der zweiten Schwelle liegenden zweiten Messsignale ein linearer Übergang zwischen Hands-Off und Hands-On angenommen. Mit anderen Worten, innerhalb der Schwellen kann letztlich keine genaue Zuordnung für Hands-On oder Hands-Off getroffen werden. Ein linearer Übergang ermöglicht eine einfache Wahrscheinlichkeitsaussage in diesem Bereich, ob der Fahrer das Lenkrad ergriffen hat oder nicht.
Insbesondere können die ersten und zweiten Messsignale kontinuierlich ermittelt werden.
Vorzugsweise werden die ersten Messsignale durch Handmomente des Fahrers am Lenkrad und/oder Lenkwinkel gebildet. Derartige Handmomente des Fahrers können beispielsweise aus dem Momentsensor der Servolenkung ermittelt werden. Daraus, gegebenenfalls noch in Verbindung mit dem Lenkwinkel, können Ereignisse herausgefiltert werden, bei denen a priori feststeht, dass der Fahrer der Lenkrad ergriffen hat und diese Ereignisse können mit den zweiten Messsignalen für gleiche Zeiten in Verbindung gebracht, also korreliert, werden.
Vorzugsweise werden die zweiten Messsignale durch eine Frequenz gebildet. Dies ergibt sich beispielsweise bei der Verwendung eines kapazitiven Näherungssensors. Derartige Sensoren arbeiten mit einem Oszillator, dessen frequenzbestimmende Kapazität teilweise von seiner Umgebung gebildet wird. Ändert sich die Kapazität durch Einbringen eines Gegenstandes in das Feld der Umgebung, hier der Hand des Fahrers, so ändert sich die Oszillatorfrequenz und damit das zweite Messsignal.
Vorzugsweise wird die Kalibrierfunktion während der gesamten Betriebsdauer des Kraftfahrzeugs ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass Änderungen wie Frequenzdrift durch Temperaturänderungen, Feuchtigkeitsänderungen innerhalb des Fahrzeugs, Änderung in der Berührungskraft oder der Art des Festhaltens des Lenkrades durch den Fahrer etc. fortlaufend berücksichtigt werden.
Es ist auch möglich, die Kalibrierfunktion während eines vorgegebenen Zeitintervalls nach der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs zu bilden und anschließend für den Rest der Fahrt spezifisch für den Fahrer beizubehalten.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des im Vorangegangenen erläuterten Verfahrens zur Erkennung einer Hands-On- oder Hands-Off-Situation eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs umfasst:

– eine Einrichtung zur Bestimmung erster Messsignale, die zur Bestimmung sicherer Hands-On-Situationen dienen,
– einen im Lenkrad des Kraftfahrzeugs angeordneten Näherungssensor zur Bestimmung zweiter Messsignale, die mit der Annäherung einer Hand des Fahrers an das Lenkrad korreliert sind, und
– eine Einrichtung zur Bestimmung einer Kalibierfunktion zum Kalibrieren der zweiten Messsignale aus den ersten und zweiten Messsignalen, d. h. aus der Korrelation der ersten und zweiten Messsignale.

Vorzugsweise wird die Einrichtung zur Bestimmung sicherer Hands-On-Situationen durch einen Lenkmomentsenor und/oder einen Lenkwinkelsensor gebildet. Dies bietet sich an, da ein Lenkmomentsensor bzw. ein Lenkwinkelsensor in heutigen Kraftfahrzeugen in den meisten Fällen vorhanden sind.
Weiter bevorzugt weist die Vorrichtung zur Bestimmung der zweiten Messsignale mindestens einen im Lenkrad angeordneten kapazitiven Näherungssensor auf, mit dem die Annäherung einer Hand des Fahrers an das Lenkrad und das Ergreifen des Lenkrades detektiert werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Zeichnung erläutert. Dabei zeigt
1 am Graph der kumulativen Verteilung sicherer Hands-On-Ereignisse und die daraus resultierende Schwelle zur Kalibrierung.
Wie bereits oben erwähnt, ist das grundlegende Ziel des Verfahrens das Treffen einer Aussage darüber, ob der Fahrer eines Kraftfahrzeugs seine Hände am Lenkrad hat oder nicht, was in der Fachterminologie als Hands-On-Erkennung bezeichnet wird. Diese Aussage kann mit einer binären Funktion h, also h ∊ {0, 1} beschrieben werden, die möglicherweise noch mit einer kontinuierlichen Konfidenzschätzung, beispielsweise c ∊ [0, 1], angereichert ist.
Um zu dieser Aussage zu gelangen, müssen in der bevorzugten Ausführungsform mindestens die folgenden Messsignale zur Verfügung stehen:

– eine kontinuierliche, analoge Ausgabe eines kapazitiven Näherungssensors in der Lenkradoberfläche, z. B. in Form einer mit der Näherung der Hand korrelierten Oszillationsfrequenz f, und
– ein kontinuierlich gemessenes Handmoment M am Lenkrad, wie dies beispielsweise aus einem zur Servolenkung gehörenden Handmomentsensor ableitbar ist.

Nun kann die Funktion h nicht direkt aus dem Handmoment M bestimmt werden, weil die Situationen:

– Hands-Off, oder
– Lenkrad gefasst, aber kein Handmoment aufgebracht

Die Bestimmung der Funktion h aus der Frequenz f kann über eine zu kalibrierende Schwelle f₁ erfolgen, beispielsweise durch
Allerdings stößt die Bestimmung einer Schwelle f1, d. h. die Kalibrierung, auf folgende Herausforderungen:

– die Schwelle f1 ist beispielsweise abhängig von dem Fahrer und der Raumumgebung, beispielsweise der Luftfeuchtigkeit und der Temperatur, etc. Es ist also eine Online-Kalibrierung im Betrieb des Fahrzeugs erforderlich.
– Referenzwerte der Frequenz f für die Situation Hands-Off, also h = 0, lassen sich wegen der oben genannten Ununterscheidbarkeit nicht im Einzelfall ermitteln.

Ein Messereignis ist definiert als ein Paar der zwei genannten Messwerten (f(t), M(t)) zu einem Zeitpunkt t. Anhand einer a priori fixierten Schwelle M₁ des Handmoments lassen sich sichere Hands-On-Ereignisse erkennen anhand der Bedingung: M(t) ≥ M₁ (2)
Die Näherungsmessungen f(t) gemäß (2) über einen Menge T von Messzeitpunkten werden in einem Histogramm über N(f) gezählt: N(f) = |{t ∊ T: f(t) = f ∧ M(t) ≥ M₁ (3)
Aus diesem Histogramm wird eine kumulative Dichtefunktion F für die Verteilung der Hands-On-Messwerte wie folgt gebildet:
Ein Beispiel der kumulativen Dichtefunktion F(f) ist in 1 dargestellt. Über zwei feste Schwellen F₀ und F₁ mit F₀, F₁ ∊ [0, 1] werden aus der kumulativen Dichtefunktion F(f) die zugehörigen Messwerte f₀ und f₁ bestimmt: F(f₀) = F₀ (5) F(f₁) = F₁ (6)
Diese Werte stellen die gesuchte Kalibrierungsinformation dar. Mit Ihrer Hilfe wird eine Kalibrierfunktion H: f → [0, 1] gebildet, die einen Messwert f in eine Wahrscheinlichkeit überführt, dass es sich um eine Hands-On-Situation handelt: H(f) = P(h = 1|f) (7)
Ein Beispiel einer solchen Kalibrierfunktion H ist in 1 dargestellt. Außerhalb des Schwellenpaares f₀ und f₁ werden sichere Hands-On- bzw. Hands-Off-Situationen angenommen, dazwischen erfolgt ein linearer Übergang:
Der Ansatz gemäß Gleichung (1) ist quasi ein Spezialfall von Gleichung (8). Durch den ”unscharfen” Mittelbereich kann leicht eine stochastische Inferenz (z. B. Bayes, Dempster-Shafer) verwendet werden, um ein Konfidenzmaß für die Ausgabe zu erhalten.
Bezugszeichenliste

F

Kumulative Dichtefunktion

H

Kalibrierfunktion

f

Frequenz

P

Wahrscheinlichkeit

f₀

Frequenzschweele

f₁

Frequenzschwelle

F₀

Schwelle Dichtefunktion

F₁

Schwelle Dichtefunktion

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005056438 A1 [0007]
DE 19806458 A1 [0008]
DE 10341366 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Erkennung einer Hands-On- oder Hands-Off-Situation eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug sich im Betriebszustand befindet, gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmen erster Messsignale, die zur Bestimmung sicherer Hands-On-Situationen dienen, Bestimmen zweiter Messsignale, welche mit der Annäherung einer Hand des Fahrers an das Lenkrad korreliert sind, Bestimmen einer Kalibrierfunktion (H) zur Kalibrierung der zweiten Messsignale anhand sicherer Hand-On-Ereignisse der ersten Messsignale.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: – Bilden von Messereignissen bestehend jeweils aus Paaren erster und zweiter Messwerte zu einem Zeitpunkt t, Bestimmen derjenigen Messereignisse für sichere Hand-On-Situationen, Bilden eines Histogramms derjenigen zweiten Messsignale der Messereignisse für sichere Hand-On-Ereignisse, und Bilden einer Kalibrierfunktion (F) für die zweiten Messsignale aus der kumulativen Dichtefunktion (F), so dass für zweite Messsignale kleiner als eine erste Schwelle eine sichere Hands-Off-Situation und für zweite Messsignale größer als eine zweite Schwelle eine sichere Hands-On-Situation angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine kumulative Dichtefunktion aus der zeitlichen Normierung der Histogrammfunktion gebildet wird, aus der die Kalibrierfunktion abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für zwischen der ersten und der zweiten Schwelle liegende zweite Messsignale ein linearer Übergang zwischen Hands-Off und Hands-On angenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Messsignale kontinuierlich ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Messsignale Handmomente des Fahrers am Lenkrad und/oder Lenkwinkel sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Messsignale durch eine Frequenz gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierfunktion während der gesamten Betriebszustands des Kraftfahrzeugs gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierfunktion während eines vorgegebenen Zeitintervalls nach der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs gebildet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit einer Einrichtung zur Bestimmung erster Messsignale, die zur Bestimmung sicherer Hands-On-Situationen dienen, einem im Lenkrad des Kraftfahrzeugs angeordneten Näherungssensor zur Bestimmung zweiter Messsignale, die mit der Annäherung einer Hand des Fahrers an das Lenkrad korreliert sind, und einer Einrichtung zur Bestimmung einer Kalibierfunktion bezügliche der zweiten Messsignale aus den ersten und zweiten Messsignalen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bestimmung sicherer Hands-On-Situationen durch einen Lenkmomentsenor und/oder einen Lenkwinkelsensor gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Bestimmung der zweiten Messsignale mindestens einen im Lenkrad angeordneten kapazitiven Näherungssensor aufweist.