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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel, ein Lenksystem sowie ein Verfahren zur Rückmeldung an einen Anwender eines motorisch unterstützten Lenksystems. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Selektion zwischen Nutz- und Störinformationen bei der haptischen Rückmeldung an einen Fahrzeugführer.
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Zur Erhöhung von Fahrsicherheit und Anwenderkomfort werden moderne Fahrzeuge mit unterstützten Lenksystemen ausgestattet, welche die vom Anwender aufzubringenden Lenkkräfte verringern. Um hierbei ein natürliches Lenkgefühl für den Anwender zu bewahren, werden erhebliche Anstrengungen unternommen, die von der befahrenen Straßenoberfläche erhaltenen Rückmeldungen für den Fahrer des Fahrzeugs erlebbar ans Lenkrad zu übertragen. Gewünschte Informationen im Rückmeldungspfad sind dabei bestimmte Momentenverläufe, die mit einer konkreten Ursache in Verbindung gebracht werden können.
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Im Stand der Technik wird bspw. eine Unterscheidung zwischen Nutz- und Störinformationen anhand einer Frequenzanalyse der von der Fahrbahn stammenden Wechselsignale vorgeschlagen. Dabei werden bestimmte Frequenzbereiche ursachenbezogen zugeordnet und als wünschenswert zu beurteilende Frequenzbereiche weitergeleitet bzw. als störend empfundene Frequenzbereiche im Rückmeldepfad unterdrückt oder zumindest stark abgeschwächt.
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Da den jeweiligen Ursachen von Nutz- oder Störinformationen jeweils nur ein statischer Frequenzbereich, jedoch keine konkrete Frequenz, zugeordnet werden kann, kommt es zu weitreichenden Überschneidungen bei der bekannten Frequenzanalyse. Eine eindeutige Zuordnung und damit auch Erkennung von Nutz- oder Störinformationen ist damit alleine durch Betrachtung der Frequenzen der am Lenksystem anliegenden Kräfte nicht möglich. Das bisherige Vorgehen bei der Auslegung der Lenkungsrückmeldung bzw. des "Lenkgefühls" beschränkt sich stets auf die Abstimmung im Rahmen aufwendiger Testfahrten durch ausgewählte Expertenfahrer.
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DE-10-2010 025 197 A1 offenbart ein Verfahren zur Filterung eines Soll-Wertsignals für eine Unterstützungsfunktion in einem Lenksystem. In Abhängigkeit einer Fahrsituation wird ein Filter parametriert, mittels dessen ein Teil eines resultierenden Soll-Wertsignals für ein Unterstützungsmoment erzeugt wird. Eine filtertechnische Behandlung einer Rückmeldung an den Fahrer ist indes nicht vorgeschlagen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Rückmeldungen eines Lenksystems hinsichtlich des Nutz-/Störinformationsgehaltes zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Rückmeldung an einen Anwender eines motorisch unterstützten Lenksystems gelöst. Das Lenksystem kann bspw. ein mittels Öldruck, mittels elektromotorischer Kraft oder anderweitig unterstütztes Lenksystem sein. Insbesondere kann das Lenksystem auch ein sogenanntes "Steer-by-Wire"-Lenksystem sein, bei welchem auf eine mechanische Kraftübertragung gänzlich verzichtet wird. Bei den vorgenannten Lenksystemen ist eine geeignete Rückmeldung an den Anwender über ein Handmoment (haptisch erfassbares Moment am Lenkhandrad) vorteilhaft für das Anwendererlebnis. In einem ersten Schritt wird ein Signal repräsentierend eine Zahnstangenkraft des Lenksystems ermittelt. Dies kann bspw. eine sensorische Ermittlung und/oder eine Berechnung der Zahnstangenkraft umfassen. Sensorwerte können bspw. über Kraftsensoren und/oder elektrische Stromsensoren ermittelt werden. Das Signal kann auch als CAN-Nachricht oder unter Vermittlung eines anderen BUS-Systems empfangen werden. Das Signal kann einen Gleichanteil und einen Wechselanteil der Zahnstangenkraft repräsentieren. Zusätzlich wird erfindungsgemäß ein Fahrzustand des Fahrzeugs ermittelt, welcher sich durch einen Bewegungszustand und/oder einen Betriebszustand und/oder einen Fahrzeugzustand charakterisieren lässt. Beispielsweise wird ein Zustand der Längsführung und/oder der Querführung und/oder ein Zustand einer durch das Fahrzeug befahrenen Oberfläche im Fahrzustand charakterisiert. Insbesondere wird durch den Fahrzustand eine Information bezüglich der maximal übertragbaren Seitenkraft ("Seitenführungskraft") und/oder die Information der Haftreibungsgrenze an den Fahrer über das Handmoment am Lenkhandrad kommuniziert. Die Information der Haftreibungsgrenze ermöglicht dem Fahrer vorausschauend, die Kurvenfahrt im Grenzbereich anzupassen. Die Information der maximal übertragbaren Seitenkraft ermöglicht dem Fahrer eine Kurvenfahrt mit maximaler Querbeschleunigung. Weitere den Fahrzustand des Fahrzeugs beschreibende Größen sind die Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs, der Lenkwinkel, die Beschleunigung, die Änderung des Lenkwinkels sowie ein Druck im Bremssystem repräsentierend eine aktuelle Bremskraft. Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit des Fahrzustandes das Signal repräsentierend die Zahnstangenkraft angepasst. Dies kann bspw. eine Filterung des Signals bzw. des in ihm enthaltenen Spektrums umfassen. Hierbei kann eine Grenzfrequenz bzw. können Grenzfrequenzen und Dämpfungen eines Filterbereiches angepasst werden, mittels welcher das Signal verarbeitet wird. Anschließend wird eine haptische Rückmeldung an den Anwender auf Basis des angepassten Signals ausgegeben. Mit anderen Worten wird das Signal als Eingangsgröße für einen motorischen Antrieb eines Lenkhandrades verwendet, sodass der Anwender ein durch das angepasste Signal repräsentiertes Moment am Lenkhandrad erlebt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt erfolgt das Anpassen des Signals repräsentierend die Zahnstangenkraft in Abhängigkeit eines vordefinierten Rückmeldungsprofils. Dies kann bspw. von einem Anwender gewählt und insbesondere gestaltet werden. Beispielsweise kann der Anwender ein sportliches Fahrwerksprofil anwählen und im Zuge dessen eine detailreiche Übertragung von Fahrzuständen über das Lenkhandrad in erfindungsgemäßer Weise begünstigt werden. Wählt der Anwender hingegen eine komfortable Fahrwerkseinstellung, können in der haptischen Rückmeldung weniger Details in Form fahrbahninduzierter Schläge oder Stöße enthalten sein bzw. deren Amplituden stark vermindert übertragen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Anpassen des Signals repräsentierend die Zahnstangenkraft in Abhängigkeit eines ermittelten Reibwertes zwischen der Fahrbahn und einer Bereifung des Fahrzeugs erfolgen. Beispielsweise kann sich der Reibwert in Abhängigkeit der Fahrbahnoberfläche ändern, im Ansprechen worauf die Zahnstangenkraft einen anderen Wert, insbesondere Mittelwert, einnimmt, ohne dass sich der eingeschlagene Lenkwinkel und die gefahrene Geschwindigkeit ändern.
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Der Fahrzustand kann bspw. einen Bewegungszustand für das Fahrzeug kennzeichnen und insbesondere eine Kurvenfahrt und/oder eine Gierrate und/oder eine Geradeausfahrt und/oder ein Übersteuern und/oder ein Untersteuern beschreiben. Alternativ oder zusätzlich kann ein Betriebszustand des Fahrzeugs durch den Fahrzustand gekennzeichnet werden, welcher insbesondere einen Bremszustand, bevorzugt eine Bremskraft und/oder ein Lenkmoment und/oder eine bremserregte Lenkunruhebeschreibt. In Abhängigkeit der vorgenannten Fahrzustände kann die Anpassung des Signals repräsentierend die Zahnstangenkraft dahingehend erfolgen, die vorstehenden Informationen nicht in der haptischen Rückmeldung des Anwenders derart zu unterdrücken, dass sie der Anwender nicht mehr erlebt. Auf diese Weise kann die Fahrsicherheit und das Anwendererlebnis verbessert werden, da für den Anwender relevante Informationen vom motorisch unterstützten Lenksystem nicht "verschluckt" werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lenksystem für ein Fahrzeug vorgeschlagen, wobei das Lenksystem ein motorisch, insbesondere hydraulisch oder elektrisch, unterstütztes Lenksystem sein kann. Auch Steer-by-Wire-Lenksysteme können erfindungsgemäß ausgestaltet werden, um das Anwendererlebnis zu verbessern. Das Fahrzeug kann bspw. ein Pkw, ein Lkw oder ein Transporter sein. Das Lenksystem umfasst Mittel zum Ermitteln eines Signals repräsentierend eine Zahnstangenkraft des Fahrzeugs. Die Mittel können Sensoren, BUS-Teilnehmer (CAN-BUS o. ä.) und Auswerteeinheiten zum Errechnen einer Zahnstangenkraft umfassen. Zusätzlich sind erfindungsgemäß Mittel zum Ermitteln eines Fahrzustandes des Fahrzeugs vorgesehen, wobei für den Fahrzustand die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemachten Ausführungen entsprechend gelten. Auch die Mittel zum Ermitteln des Fahrzustandes können Sensoren und/oder Informationsleitungen, insbesondere BUS-Teilnehmer und Auswerteeinheiten zum Errechnen von Kenngrößen und Vergleichen derselben mit vordefinierten Referenzen umfassen. Eine Verarbeitungseinheit ist eingerichtet, das Signal repräsentierend die Zahnstangenkraft in Abhängigkeit des Fahrzustandes anzupassen. Beispielsweise kann die Verarbeitungseinheit ein adaptives Filter umfassen, mittels dessen in Abhängigkeit des Fahrzustandes unterschiedliche Filterkennlinien (auch "Frequenzgänge") realisiert werden können. Zusätzlich ist ein Aktuator (auch "Motor") vorgesehen, welcher eingerichtet ist, eine haptische Rückmeldung an den Anwender auf Basis des angepassten Signals auszugeben, und diesen also in Abhängigkeit des ermittelten Fahrzustandes über die mit der Zahnstangenkraft zusammenhängenden Fahrzustandsgrößen zu informieren. Insbesondere ist der Aktuator daher eingerichtet, ein Wechselmoment auf das Lenkhandrad des Fahrzeugs aufzubringen.
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Für das erfindungsgemäße Lenksystem ergeben sich die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile derart ersichtlich entsprechend denjenigen des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Zusammengefasst berücksichtigt das erfindungsgemäße Rückmeldungskonzept zur Identifikation der gewünschten Nutzinformationen neben den Frequenzen auch den jeweiligen Fahrzustand. Durch Analyse der Fahrzustände, bei denen Nutz- oder Störinformationen auftreten, lassen sich weitere Ausschlusskriterien ableiten. Um eine Nutz- oder Störinformation zu identifizieren, wird demnach neben der Frequenz der anliegenden Zahnstangenkraft auch der jeweils aktuelle Fahrzustand betrachtet. Beispielsweise werden Frequenzen im Zahnstangenkraftverlauf, die durch ungleichförmige Bremsscheiben beim Bremsvorgang entstehen, im Allgemeinen als Störinformation angesehen. Diese Störinformation lässt sich nun beim Fahrbetrieb zum einen dadurch identifizieren, dass die zugehörigen Änderungen der Zahnstangenkraft nur beim Bremsvorgang auftreten. Zum anderen sind den Änderungen der Zahnstangenkraft Frequenzen zuzuordnen, die periodisch von der Drehzahl der Bremsscheibe bzw. des Rades und damit von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängen. Weiterhin beinhaltet das erfindungsgemäße Rückmeldungskonzept einen Lernalgorithmus, der kontinuierlich die an der Zahnstange anliegenden Kräfte beobachtet und mit dem aktuellen Fahrzustand in Verbindung setzt. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit der Erkennung und damit auch Rückmeldung von Nutzinformationen erhöht. Wird bspw. über einen definierten Zeitraum des Fahrbetriebes bei Bremsvorgängen eine Frequenz im Zahnstangenkraftverlauf identifiziert, die periodisch von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängt, wird die Information plausibilisiert, dass eine Bremsscheibendickenvariation vorliegt. Ein Untersteuern, also eine Haftreibungsgrenze bzw. ein Seitenkraftmaximum äußert sich in Wechselmomenten im Frequenzbereich unterhalb von 2 Hertz. Fahrzustände, in welchen diese Informationen relevant für den Fahrer sind, sind durch eine relativ zum aktuellen Reibbeiwert hohe Querbeschleunigung gekennzeichnet und lassen sich z. B. durch einen Gierratenvergleich erkennen. Ein Übersteuern äußert sich durch Wechselsignale unterhalb von 5 Hertz. Das Übersteuern tritt in Fahrzuständen mit relativ zum aktuellen Reibbeiwert hoher Querbeschleunigung auf und lässt sich entsprechend dem Untersteuern durch Gierratenvergleich erkennen. Eine Reibwertänderung zwischen der Fahrbahn und der Bereifung des Fahrzeugs äußert sich in einem Frequenzbereich zwischen 2 und 25 Hertz. Relevant sind diese Informationen insbesondere während der Kurvenfahrt und äußern sich durch Änderungen der Zahnstangenkraft trotz gleichbleibender Lenkwinkel und konstanter Reisegeschwindigkeit. Reifenunwucht und Dickenvariationen der Bremsscheibe äußern sich durch proportional der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Abrollumfang des betreffenden Reifens erzeugte Frequenzen in der Zahnstangenkraft. Während eine Reifenunwucht in allen Fahrsituationen in Abhängigkeit der Geschwindigkeit relevant ist, sind Dickenvariationen der Bremsscheibe lediglich im Falle eines Bremsvorgangs erheblich. Straßenunebenheiten schließlich äußern sich in einem Frequenzbereich von 1 bis 30 Hertz und treten periodisch, stochastisch oder transient auf. Erkennbar sind die vorgenannten Frequenzbereiche zumindest anteilig kongruent, sodass die Berücksichtigung des Fahrzustandes den Anwenderkomfort und das subjektive Qualitätsempfinden durch den Anwender erheblich verbessern kann, ohne in betreffenden Zuständen ggf. für den Anwender relevante Informationen zu "verschlucken".
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Die Definition, welche Informationen im Handmomentenverlauf der Lenkung als nützlich oder störend empfunden wird, ist stark subjektiv. Im erfindungsgemäßen Rückmeldungskonzept kann daher dem Fahrer bzw. der jeweiligen Lenkungsapplikation (auch "Programmfavorit") überlassen werden, welche Informationen im Lenkmoment aktuell dargestellt werden. Dabei können in voreingestellten Abstimmungen bestimmte Informationen unterdrückt und andere verstärkt werden. Bei einer sportlichen Abstimmung werden bspw. möglichst viele Informationen im Lenkmoment rückgemeldet, insbesondere aber die Information zum Übersteuern, Untersteuern und der Reibwertänderung. Auch eine Reifenunwucht kann für den sehr sportlich versierten Fahrer eine nützliche Information sein, da diese mit lokalem Verschleiß sowie mit Beschädigungserscheinungen (Bremsplatten etc.) in Verbindung gebracht werden kann. Wird der (Renn-)Fahrer darüber frühzeitig informiert, kann Einfluss auf das Fahrverhalten (Ausnutzung des Grenzbereichs) oder auf die Rennstrategie (z. B. durch Einfahrt in die Boxengasse) genommen werden. Für Untersteuersituationen besteht entsprechend der Informationserkennung die Möglichkeit, sowohl das Abreißen der Haftreibung an den Reifen der Vorderachse als auch den Punkt der maximal übertragbaren Seitenkraft an den jeweiligen Fahrer zu kommunizieren. Für die Kommunikation ist dabei ein entsprechender Verlauf des Handmomentes vorgesehen. Prinzipiell ist aber auch eine akustische oder optische Rückmeldung der jeweiligen Information an den Fahrer möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Übersicht über Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Lenksystems;
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2 eine Detailansicht veranschaulichend Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lenksystems;
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3 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Verfahrens zur Rückmeldung an einen Anwender eines motorisch unterstützten Lenksystems für ein Fahrzeug; und
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4 eine Gegenüberstellung zweier unterschiedlicher haptischer Rückmeldungen in Form eines Momentenverlaufes über der Zeit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Pkw 10 als Fortbewegungsmittel, in welchem ein elektromotorisch unterstütztes Lenksystem 1 vorgesehen ist. Die Vorderräder 2 werden über eine Zahnstange 14 gelenkt, welche mittels eines Elektromotors 13 verschieblich ist. Ein Kraftsensor 3 überträgt die Zahnstangenkraft an eine (nicht dargestellte) Auswerteeinheit, welche elektrische Signale an einen Aktuator 6 auf der Längssäule 7 zur Ausgabe einer haptischen Rückmeldung an den Anwender ausgibt. An ihrem unteren Ende steht die Längssäule 7 über ein Kegelzahnrad 8 mechanisch in Wirkverbindung mit der Zahnstange 14. An ihrem oberen Ende ist ein Lenkhandrad 5 angeordnet.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines elektromotorisch unterstützten Lenksystems 1, wie es in Verbindung mit 1 bereits in den Grundzügen diskutiert worden ist, sodass auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Zusätzlich zu 1 sind in 2 eine Auswerteeinheit in Form eines elektronischen Steuergerätes 9 mit einem Bandpassfilter 11 dargestellt, um vom Kraftsensor 3 erhaltene Zahnstangenkraft-Signale auszuwerten und in Abhängigkeit über einen CAN-BUS erhaltene Informationen bezüglich Fahrzustände zu filtern. Hierzu verbindet eine Sensorleitung 15 den Kraftsensor 3 mit dem elektronischen Steuergerät 9. Eine elektrische Leitung 16 gibt die gefilterten (angepassten) Signale repräsentierend die Zahnstangenkraft an den Aktuator 6 auf der Längssäule 7. Zur Erzeugung eines Lenkmomentes ist das elektronische Steuergerät 9 zu dem über eine elektrische Leitung 12 mit dem Elektromotor 13 zu Erzeugung der Lenkunterstützung verbunden. Beispielsweise kann ungleichförmiger Verschleiß an den Bremsscheiben 4 im Falle eines über den CAN-BUS gemeldeten Bremsvorgangs bevorzugt an das Lenkhandrad 5 gemeldet werden, indem in Abhängigkeit der aktuellen Geschwindigkeit sowie eines Signals repräsentierend einen Bremsvorgang (beides über den CAN-BUS gemeldet) der jeweilige Frequenzbereich durch das Bandpassfilter 11 nicht so stark wie üblich unterdrückt wird.
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3 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Rückmeldung an einen Anwender eines motorisch unterstützten Lenksystems für ein Fahrzeug. In Schritt 100 wird ein Signal repräsentierend eine Zahnstangenkraft des Lenksystems ermittelt. Zudem wird in Schritt 200 ein Fahrzustand in Form eines Bewegungszustandes und eines Betriebszustandes ermittelt, um eine zustandsabhängige Verarbeitung der Zahnstangenkraft (Schritt 300) zu ermöglichen. In Schritt 400 wird entsprechend dem angepassten Signal eine haptische Rückmeldung an den Anwender ausgegeben. Dies kann bspw. durch eine Aufbringung eines entsprechenden Momentes über der Zeit auf das Lenkhandrad des Fahrzeugs erfolgen.
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4 zeigt zwei Momentenverläufe 16, 17 über der Zeit, welche unterschiedliche untere Grenzfrequenzen aufweisen. Um eine sportliche ("direkte") Übertragung möglichst vieler Informationen von der Bereifung an das Lenkhandrad des Fahrzeugs zu ermöglichen, wird die Grenzfrequenz des mit einer sportlichen Abstimmung korrespondierenden Rückmeldungssignals 16 höher abgestimmt, als die Grenzfrequenz des mit einer komfortableren Abstimmung korrespondierenden Rückmeldungssignals 17. Entsprechend weisen die Momentenverläufe 16, 17 unterschiedliche Glättungsgrade auf.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromotorisch unterstütztes Lenksystem
- 2
- Vorderrad
- 3
- Kraftsensor
- 4
- Bremsscheibe
- 5
- Lenkhandrad
- 6
- Aktuator
- 7
- Lenksäule
- 8
- Kegelzahnrad
- 9
- elektronisches Steuergerät
- 10
- Pkw
- 11
- Bandpassfilter
- 12
- elektrische Leitung
- 13
- Elektromotor
- 14
- Zahnstange
- 15
- Sensorleitung
- 16
- Momentenverlauf (sportliche Abstimmung)
- 17
- Momentenverlauf (komfortable Abstimmung)
- 18
- elektrische Leitung
- 100–400
- Verfahrensschritte
- CAN
- Controller Area Network (BUS)
- M(t)
- Momentenverlauf
- t
- Zeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10-2010025197 A1 [0005]
