DE102013209459A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung des Kontakts von Händen mit dem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung des Kontakts von Händen mit dem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Erkennung des Kontakts von Händen mit dem Lenkrad (12) eines Fahrzeugs (Hands-On-Off-Erkennung), wobei dem Lenkrad (12) ein Aktuator (14) zur selektiven Aufbringung einer Lenkkraft sowie Sensoren (22) zur Messung der aktuellen Lenkkraft und/oder des Lenkwinkels zugeordnet sind, erfolgt eine Aufprägung (32) eines Testimpulsmusters auf das Lenkrad (12) durch den Aktuator (14), ein Messen der Reaktion der Lenkradbewegung auf das Testimpulsmuster durch den Lenkkraftsensor und/oder den Lenkwinkelsensor (22) und eine Entscheidung anhand der Reaktion der Lenkradbewegung, ob sich wenigstens eine Hand des Fahrers im Kontakt mit dem Lenkrad (12) befindet oder nicht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung des Kontakts von Händen mit dem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs.
  • Die kurz als "Hands-On-Off"-Detektion bezeichnete Erkennung, ob ein Handkontakt des Fahrers zum Lenkrad besteht, ist angesichts der zunehmenden Verbreitung hochentwickelter Fahrassistenzsysteme (z.B. bei der Spurhalteunterstützung) von zunehmender Bedeutung. Diese Systeme sollen den Fahrer lediglich unterstützen, sind jedoch nicht dazu konzipiert, einen Fahrer zu ersetzen, der keine Kontrolle über das Fahrzeug mehr hat, insbesondere in dem Fall, dass der Fahrer das Lenkrad des Fahrzeugs losgelassen hat. Zu einem derartigen Loslassen des Lenkrads kann der Fahrer jedoch durch das Vorhandensein der Assistenzsysteme besonders verleitet werden.
  • Daher ist es aus Sicherheitsgründen geboten, zu überprüfen, ob der Fahrer mit wenigstens einer Hand Kontakt mit dem Lenkrad hat, um notfalls noch manuell eingreifen zu können, oder ob dies nicht der Fall ist.
  • Für den Fall, dass der Fahrer keinen Kontakt mit dem Lenkrad mehr hat, sind verschiedene Maßnahmen möglich. Beispielsweise könnte der Fahrer eine optische und/oder akustische Warnung erhalten, Assistenzsysteme könnten sich, ggf. mit einer gewissen Verzögerung, abschalten, oder das Fahrzeug könnte kontrolliert unter Einhaltung der Spur und unter Einschaltung der Warnblinkanlage automatisch abgebremst werden.
  • Insofern entspricht die "Hands-On-Off"-Detektion in etwa dem aus dem Schienenfahrzeugbereich schon seit langem bekannten "Totmannschalter", der in gewissen Abständen von einem Fahrer zu betätigen ist, um zu gewährleisten, dass der Fahrer lebt, wach ist und auf Umweltreize reagieren kann.
  • Die Erkennung, ob der Fahrer wenigstens eine Hand am Lenkrad hat oder nicht, ist in den Fällen einfach, in denen der Fahrer eine aktive Lenkbewegung durchführt. Eine derartige Lenkbewegung kann durch die heutzutage für sonstige Fahrdynamiksysteme obligatorischen Lenkwinkel- und Lenkkraftsensoren erfasst werden.
  • Schwieriger wird es allerdings, wenn z.B. auf längeren, geraden Strecken oder bei Einsatz automatischer Lenkassistenzsysteme keine größeren manuellen Lenkeingriffe erforderlich sind. In diesen Fällen kann es vorkommen, dass beispielweise nur ein Finger der Hand des Fahrers das Lenkrad führt.
  • Es ist jedenfalls erforderlich, dass die "Hands-On-Off"-Detektion sehr zuverlässig erfolgt. Beispielsweise sollte auch ein leichtes Führen des Lenkrads mittels eines Fingers auf gerader Strecke noch als "Hands-On"-Zustand detektiert werden können.
  • Aus der DE 101 21 693 C2 ist es bekannt, die Hände des Fahrers an einem Lenkrad über eine elektronische Schaltung zu erkennen, die auf der Änderung der Kapazität in einem Schwingkreis beruht (Prinzip des Näherungsschalters). Derartige Näherungsschalter benötigen jedoch zusätzliche Elektroden, die sich gemäß dem genannten Dokument prinzipiell in die Heizdrähte einer Lenkradheizung integrieren lassen. Allerdings stellen Lenkradheizungen kein sonderlich verbreitetes Ausstattungsmerkmal für Kraftfahrzeuge dar. Ferner sind kapazitive Sensoren grundsätzlich relativ unzuverlässig und können häufig nicht feststellen, ob die Hände wirklich Kontakt mit dem Lenkrad aufweisen, oder sich nur in dessen Nähe befinden.
  • Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erkennung des Kontakts von Händen mit dem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, das bzw. die eine besonders zuverlässige Unterscheidung zwischen "Hands-On/Off"-Zuständen ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Hardware ermöglicht.
  • Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie mittels einer zur Ausführung dieses Verfahrens ausgebildeten Vorrichtung gemäß Patentanspruch 7.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist für den Einsatz bei einem Fahrzeug geeignet, bei dem dem Lenkrad ein Aktuator zur selektiven Aufbringung einer Lenkkraft sowie Sensoren zur Messung der aktuellen Lenkkraft und/oder des Lenkwinkels zugeordnet sind. Derartige Aktuatoren sind heutzutage sowohl zur Lenkkraftunterstützung (Servolenkung) sowie zur Durchführung von Lenkeingriffen über Assistenzsysteme (z.B. Spurhalteunterstützung) häufig bereits serienmäßig vorgesehen. Entsprechende Lenkwinkel und/oder Lenkkraftsensoren sind bei üblichen Fahrzeugen regelmäßig auch bereits serienmäßig implementiert.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende Schritte vorgesehen:
    • a) Aufprägung eines Testimpulsmusters auf das Lenkrad durch den Aktuator;
    • b) Messen der Reaktion der Lenkradbewegung auf das Testimpulsmuster durch den Lenkkraftsensor und/oder den Lenkwinkelsensor, und
    • c) Entscheiden anhand der Reaktion der Lenkradbewegung, ob sich wenigstens eine Hand des Fahrers im Kontakt mit dem Lenkrad befindet oder nicht.
  • Die Erfindung geht davon aus, dass eine Lenkwinkelstörung durch den Testimpuls eine unterschiedliche Reaktion bei einem freien Lenkrad ohne Kontakt mit wenigstens einer Fahrerhand erzeugt im Vergleich zu einem "festgehaltenen" Lenkrad.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für den Fall, dass in Schritt c) nicht erkannt wird, dass sich wenigstens eine Hand des Fahrers in Kontakt mit dem Lenkrad befindet, das Verfahren erneut, vorzugsweise mit einem stärkeren und/oder längeren Testimpulsmuster, durchgeführt wird, und dass erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Iterationen, vorzugsweise frühestens nach der dritten Iteration, entschieden wird, dass sich keine Hand des Fahrers in Kontakt mit dem Lenkrad befindet. Dies stellt eine Art Eskalationsstrategie dar. Durch diese Eskalationsstrategie kann zunächst ein Testimpulsmuster mit möglichst geringer Intensität aufgeprägt werden, so dass dieses vom Fahrer nicht oder kaum wahrgenommen wird.
  • Da diese Intensität möglicherweise jedoch nicht ausreicht, um ein nur sehr "locker" festgehaltenes Lenkrad von einem losgelassenen Lenkrad zu unterscheiden, wird die Abfrage mehrfach, beispielsweise mindestens dreimal, mit jeweils höherer Testsignalintensität und/oder -dauer wiederholt. Erst wenn auch bei höherer Intensität keine "Behinderung" der Lenkradbewegung durch den Fahrer erkannt wird, gilt der "Hands-Off-Zustand" als erkannt.
  • Bevorzugt wird das vorstehende beschriebene Erkennungsverfahren vorzeitig unterbrochen, sobald der Lenkwinkelsensor und/oder der Lenkkraftsensor eine Lenkbewegung und/oder eine Lenkkraft detektieren, die auf eine Lenkradbewegung des Fahrers zurückzuführen ist. In diesem Falle wird festgestellt wird, dass sich wenigstens eine Hand in Kontakt mit dem Lenkrad befindet.
  • Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Betätigung eines am Lenkrad angeordneten Bedienelements (z.B. Tasten oder Blinkerschalter) als Indiz dafür angenommen werden, dass sich der Fahrer mit wenigstens einer Hand zumindest in ausreichender Nähe des Lenkrades befindet.
  • Wie vorstehend bereits erwähnt, sind die Testimpulsmuster hinsichtlich Signalverlauf und Amplitude derart ausgebildet, dass diese den Lenkwinkel nicht dauerhaft beeinflussen, und/oder, dass die Aufbringung des Testimpulsmusters für den Fahrer – zumindest beim ersten Durchlauf des Verfahrens – im Wesentlichen nicht wahrnehmbar ist.
  • Bevorzugt wird das Testimpulsmuster durch ein periodisches Signal gebildet, mit im Wesentlichen symmetrischen Signalverlauf in beide Lenkrichtungen. Dabei kann es sich im einfachsten Falle um zwei kurze, rechteckförmige Signalabschnitte mit positiver und negativer Amplitude handeln, es sind aber auch sinusförmige Signale über eine oder mehrere Perioden denkbar.
  • Sofern die Testsignale periodischer Natur sind, so kann die Frequenz des Testimpulsmusters bevorzugt im Wesentlichen der Resonanzfrequenz für Drehschwingungen des durch eine Fahrerhand nicht gedämpften Lenkrades entsprechen. In diesem Falle lässt dich die gewünschte Erkennung besonders selektiv durchführen, da das ursprünglich resonante System durch die Fahrereinwirkung "verstimmt" wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erörtert. Es zeigen:
  • 1 eine Prinzipskizze eines Lenksystems mit Aktuatorunterstützung, und
  • 2 ein schematisches Flussdiagramm einer möglichen Implementierung eines erfindungsgemäßen Erkennungsverfahrens.
  • Gemäß 1 weist ein typisches Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit elektromechanischer Lenkkraftunterstützung ein Lenkrad 12 auf, welches in bekannter Weise über ein Lenkritzel 16 die Drehbewegung des Lenkrades 12 in eine translatorische Bewegung einer Lenkstange 18 umwandelt, wodurch eine Lenkkraft FL ausgeübt wird und eine Auslenkung der Lenkstange 18 um die Strecke xZ mit einer Geschwindigkeit x .Z erfolgt. Die Lenkbewegung wird durch einen in der Nähe des Lenkritzels 16 positionierten Elektromotor 14 unterstützt, der von einer Fahrzeugbatterie 20 mit Energie versorgt wird und von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 10 stufenlos gesteuert werden kann.
  • Die Steuerung erfolgt u.a. abhängig von Sensorparametern, die das aktuelle Lenkradmoment ML, den absoluten Lenkradwinkel sowie die Lenkradwinkelgeschwindigkeit δL, δ .L umfassen; die entsprechende Sensorik ist mit 22 bezeichnet. Die Lenkradwinkelgeschwindigkeit δ .L wird in der Regel nicht direkt gemessen, sondern aus dem Lenkradwinkel δL durch Differentiation abgeleitet.
  • Auch wenn der Elektromotor 14 primär dazu konzipiert ist, zusätzliches Lenkmoment zur Unterstützung des Fahrers aufzubringen, wirkt sich das vom Elektromotor 14 aufgebrachte Drehmoment auch auf das Lenkrad 12 aus. Daher kann der Elektromotor 14 dazu verwendet werden, ein Testimpulsmuster zu erzeugen, dessen Auswirkungen auf die Lenkradbewegung anschließend analysiert werden. Dabei kann es sich um einen kurzen, einzelnen Impuls, z.B. einen Rechteckimpuls, handeln. Damit dieser Impuls zu keiner unterwünschten absoluten Lenkwinkeländerung führt, ist es jedoch zweckmäßig, periodische Impulsmuster zu verwenden, bei denen die Lenkausschläge in beide Lenkrichtungen erfolgen, so dass sich die Auswirkung der Testimpulse wegmittelt.
  • Die Wirkung der Testimpulse wird mittels des Lenkkraft- und/oder des Lenkwinkelsensors 22 erfasst, wobei aufgrund der vorzugsweise als Testsignale verwendeten geringen Auslenkungen der Lenkwinkelsensor hierfür eher eine zu geringe Auflösung aufweisen dürfte, so dass die Auswertung primär über den Lenkkraftsensor erfolgt.
  • Die auf das Testsignalmuster gemessene Reaktion unterscheidet sich je nachdem, ob die Drehbewegung des Lenkrades 12 durch den Kontakt mit wenigstens einer Hand des Fahrers gedämpft wird, oder ob ein freies Schwingen des Lenkradsystems erfolgen kann.
  • Im letzteren Falle werden die auf die Testsignale hin gemessenen Lenkkräfte größer sein als im ersteren Falle. Daraus kann folglich erkannt werden, ob ein Hands-On-Zustand vorliegt. Dadurch, dass das Lenkradsignal durch geeignete Signalverarbeitung (z.B. Fourier-Analyse) gezielt auf die Reaktion auf das Testsignal untersucht werden kann, ist die Detektion prinzipiell sehr robust und weitgehend unabhängig von Störeinflüssen.
  • In 2 ist der mögliche Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt, wobei einzelnen Schritte – soweit sinnvoll – auch ausgelassen oder in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können. Die entsprechenden Schritte sind in bekannter Weise als Software-Algorithmus innerhalb der elektronischen Steuereinheit (ECU) 10 implementiert, wobei die Steuereinheit selbstverständlich auch gleichzeitig andere Steueraufgaben erledigen kann.
  • Ausgehend vom Start der Hands-On-Off-Erkennung in Schritt 30 wird in Schritt 32 zunächst ein kurzer erster Testimpuls generiert, beispielsweise eine Periode eines Sinus mit einer Frequenz, die möglichst nah an der ungedämpften Eigentorsionsfrequenz des Lenksystems liegt. Diese Frequenz ist typischerweise so hoch, dass keine fühlbaren Auswirkungen auf die Lenkung bzw. den Kurs des Fahrzeugs auftreten. Daraufhin (bzw. je nach Dauer und Geschwindigkeit des Testimpulses gleichzeitig) wird in einem Schritt 34 analysiert, ob das von einem Lenkkraftsensor gemessene Lenkkraftsignal so hohe Amplituden korrespondierend mit dem Testsignal aufweist, dass von einem losgelassenen Lenkrad ausgegangen werden kann. Andernfalls ist die Erkennung bereits beendet und endet bei Schritt 46 mit der Feststellung, dass ein Hands-On-Zustand vorliegt.
  • Die Erkennung anhand der Aufprägung eines Testsignals mit der Eigenfrequenz des Lenkradsystems ist insofern von Vorteil, als sich bei einem durch wenigstens eine Hand des Fahrers "verstimmten" Lenkrad eine gedämpfte Schwingung ergibt, die dann vom Fahrer weniger deutlich wahrgenommen wird, wohingegen bei einem freien Lenkrad die Schwingung stärker ausgeprägt ist, was dann aber vom Fahrer mangels taktilem Lenkradkontakt nicht störend wahrgenommen wird.
  • Falls in Schritt 34 kein Hands-On-Zustand erkannt wird, so wird zur Verifikation des gegenteiligen Ergebnisses ein zweiter, stärkerer Testimpuls in Schritt 36 erzeugt und wiederum die Reaktion des Antwortsignals analysiert (Schritt 38). Ist auch hierdurch noch keine eindeutige Hands-On-Erkennung möglich, so wird in Schritt 42 sicherheitshalber ein dritter, noch stärkerer Testimpuls erzeugt und die Reaktion hierauf in Schritt 44 überprüft. Wird auch hier kein Hinweis auf einen Handkontakt zum Lenkrad gefunden, so wird in Schritt 48 schließlich ein Hands-Off-Zustand erkannt, der dann – wie eingangs beschrieben – zu Fahrerwarnungen optischer und/oder akustischer Art oder zu Eingriffen in verschiedene Fahrzeugsysteme führen kann.
  • Wie bei Schritt 40 angedeutet, wird, sobald ein aktiver Lenkimpuls durch den Fahrer erkannt wird, die Erkennung ebenfalls sofort beendet und der Hands-On-Zustand erkannt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dies nur für Schritt 38 explizit dargestellt; die entsprechende Überwachung auf vorzeitigen Abbruch der Überprüfung erfolgt bevorzugt jederzeit.
  • Generell muss die vorstehend Hands-On-Off-Erkennung nicht permanent durchgeführt zu werden. Ein Intervall von typischerweise 10 s zwischen den Überprüfungen reicht für viele Anwendungen aus, so dass bei kurzem Loslassen des Lenkrades auch noch nicht direkt Maßnahmen getroffen werden, was der Fahrer ansonsten als Gängelung empfunden könnte. Auch zwischen den einzelnen Eskalationsschritten können jeweils einige Sekunden Pause eingeschoben werden, so dass bis zur Erkennung eines Hands-Off-Zustandes stets einige Sekunden vergehen.
  • Dadurch, dass sich die Testsignalmuster im Laufe der Eskalation intensivieren, bleibt es für den Fahrer bei korrekter Lenkradbenutzung stets bei dem eher schwach fühlbaren ersten Testsignal. Die stärkeren Testsignale im Rahmen der Eskalation sind möglicherweise deutlicher spürbar; da derartige Eskalationen jedoch andererseits eher selten auftreten dürften, wird der Fahrer hier durch kaum irritiert.
  • 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 10121693 C2 [0009]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Erkennung des Kontakts von Händen mit dem Lenkrad (12) eines Fahrzeugs, wobei dem Lenkrad (12) ein Aktuator (14) zur selektiven Aufbringung einer Lenkkraft sowie wenigstens ein Sensor (22) zur Messung der aktuellen Lenkkraft und/oder des Lenkwinkels zugeordnet ist, gekennzeichnet durch die Schritte a) Aufprägung (32) eines Testimpulsmusters auf das Lenkrad (12) durch den Aktuator (14); b) Messen der Reaktion der Lenkradbewegung auf das Testimpulsmuster durch den Lenkkraftsensor und/oder den Lenkwinkelsensor (22); c) Entscheiden anhand der Reaktion der Lenkradbewegung, ob sich wenigstens eine Hand des Fahrers im Kontakt mit dem Lenkrad (12) befindet oder nicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass in Schritt c) nicht erkannt wird, dass sich wenigstens eine Hand des Fahrers in Kontakt mit dem Lenkrad (12) befindet, das Verfahren erneut vorzugsweise mit einem stärkeren und/oder längeren Testimpulsmuster durchgeführt wird, und dass erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Iterationen, vorzugsweise frühestens nach der dritten Iteration, entschieden wird, dass sich keine Hand des Fahrers in Kontakt mit dem Lenkrad (12) befindet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren vorzeitig unterbrochen wird und festgestellt wird, dass sich wenigstens eine Hand in Kontakt mit dem Lenkrad (12) befindet, sobald der Lenkwinkelsensor und/oder der Lenkkraftsensor (22) eine Lenkbewegung und/oder eine Lenkkraft detektieren, die auf eine Lenkradbewegung des Fahrers zurückzuführen ist, und/oder, sobald eine Betätigung eines am Lenkrad angeordneten Bedienelements festgestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Testimpulsmuster hinsichtlich Signalverlauf und Amplitude derart ausgebildet sind, dass diese den Lenkwinkel nicht dauerhaft beeinflussen, und/oder dass die Aufbringung des Testimpulsmusters für den Fahrer zumindest beim ersten Durchlauf des Verfahrens im Wesentlichen nicht wahrnehmbar ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Testimpulsmuster durch ein periodisches Signal gebildet wird, mit im Wesentlichen symmetrischen Signalverlauf in beide Lenkrichtungen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Testimpulsmusters im Wesentlichen der Resonanzfrequenz für Drehschwingungen des durch die den Fahrer nicht gedämpften Lenkrades (12) entspricht.
  7. Vorrichtung zur Erkennung des Kontakts von Händen mit dem Lenkrad (12) eines Fahrzeugs, wobei dem Lenkrad (12) ein Aktuator (14) zur selektiven Aufbringung einer Lenkkraft sowie wenigstens ein Sensor (22) zur Messung der aktuellen Lenkkraft und/oder des Lenkwinkels zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit (10) aufweist, die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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