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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen dem Fahrer eines Kraftfahrzeugs ein Ereignis signalisiert werden kann, das seine Aufmerksamkeit erfordert.
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In zukünftigen halbautonomen Fahrzeugen werden Assistenzsysteme dem Fahrer so viele Aufgaben abnehmen, dass dieser während der Fahrt Nebenbeschäftigungen wie Lesen, Betrachten von Videos etc. nachgehen kann, die seine Aufmerksamkeit so weit in Anspruch nehmen, dass Signale herkömmlicher optischer oder akustischer Signalgeber nicht mehr zuverlässig wahrgenommen werden.
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Aus
DE 10 2007 043 604 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die die Aufmerksamkeit eines Fahrers durch Generieren eines Giermoments erregen. Indem das Giermoment ausgehend von einem Ausgangswert zunächst linear mit der Zeit erhöht und dann wieder auf den Ausgangswert zurückgeführt wird, wird eine Transversalbeschleunigung des Fahrzeugs erzeugt, die der Fahrer mit hoher Sicherheit wahrnimmt.
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Ein Problem dieses bekannten Verfahrens liegt darin, dass die Aufmerksamkeit des Fahrers, die durch die Transversalbeschleunigung hervorgerufen wird, sofort benötigt wird, um das Fahrzeug wieder auf die Trajektorie zu bringen, von der es durch den Eingriff dieses herkömmlichen Verfahrens abgebracht worden ist. Diese Ablenkung kann den Fahrer daran hindern, angemessen auf das Ereignis zu reagieren, dessentwegen es für notwendig befunden wurde, seine Aufmerksamkeit zu wecken.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zu schaffen, mit dem zuverlässig die die Aufmerksamkeit des Fahrers geweckt werden kann und gleichzeitig vermieden werden kann, dass der Fahrer von dem seine Aufmerksamkeit erfordernden Ereignis abgelenkt wird.
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Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten
- a) Ausüben einer Transversalbeschleunigung auf das Fahrzeug, die quer zu einer geplanten Trajektorie in einer ersten Richtung orientiert ist;
- b) Zurückführen des Fahrzeugs auf die geplante Trajektorie durch Ausüben einer Transversalbeschleunigung in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung.
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Da das Fahrzeug, nachdem durch die Transversalbeschleunigung die Aufmerksamkeit des Fahrers geweckt worden ist, sofort und selbststätig wieder zur geplanten Trajektorie zurückkehrt, kann die Abweichung von der Trajektorie klein gehalten werden, so dass der Fahrer sie entweder gar nicht bemerkt oder, wenn er sie bemerkt, bevor das Fahrzeug zur geplanten Trajektorie zurückgekehrt ist, sich nicht zu einer sofortigen Korrektur gezwungen fühlt.
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Die Transversalbeschleunigung ist nicht zwangsläufig mit einer Gierbewegung des Fahrzeugs verknüpft; insbesondere wenn das Fahrzeug zwei lenkbare Achsen hat, kann durch gleichsinniges Einschlagen der Räder von Vorder- und Hinterachse eine Transversalbeschleunigung ohne jegliche Gierbewegung erzeugt werden.
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Um das Fahrzeug stabil auf die ursprünglich geplante Trajektorie zurückzubringen, kann anschließend an die Transversalbeschleunigung in der zweiten Richtung wieder eine Transversalbeschleunigung in der ersten Richtung ausgeübt werden.
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Wenn die Transversalbeschleunigung durch Ausüben eines Drehmoments, etwa durch Lenken einer einzigen Achse oder durch einseitiges Bremsen oder Beschleunigen, hervorgerufen wird, dann ist sie auch mit einer Veränderung der Gierrate des Fahrzeugs verknüpft. Indem eine Zeitlang ein Drehmoment in Gegenrichtung ausgeübt wird, kann die der ursprünglichen Trajektorie entsprechende Gierrate wieder eingestellt werden.
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Im Allgemeinen bleibt dabei aber ein seitlicher Versatz zwischen der aktuellen und der ursprünglich geplanten Trajektorie bestehen. Um das Fahrzeug exakt auf die geplante Trajektorie zurückzuführen, kann das Drehmoment in Gegenrichtung ausgeübt werden, bis die Gierrate über die der ursprünglichen Trajektorie in Gegenrichtung überschießt, und anschließend wieder ein Drehmoment in der ersten Richtung ausgeübt werden.
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Um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass ein mit der Transversalbeschleunigung verknüpfter Seitwärtsversatz des Fahrzeugs als Abweichung des Fahrzeugs von einer vom Fahrer erwarteten Trajektorie bemerkt wird oder ein Gegenlenken des Fahrers provoziert, kann der Versatz zwischen der aufgrund der Transversalbeschleunigung gefahrenen aktuellen Trajektorie und der geplanten Trajektorie in seitlicher Richtung auf maximal 10 cm begrenzt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann der maximal zulässige Versatz auch abhängig von der verfügbaren Fahrspurbreite festgelegt werden, indem etwa der Abstand zwischen dem Fahrzeug und einem Fahrbahnrand überwacht wird und der Versatz gegen die geplante Trajektorie in seitlicher Richtung auf einen vorgegebenen Bruchteil des Abstands begrenzt wird.
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Wenn der der Abstand zwischen dem Fahrzeug und zwei Fahrbahnrändern überwacht wird kann als erste Richtung die Richtung gewählt werden, in der der Abstand zum Fahrbahnrand größer ist, so dass die aktuelle Trajektorie gegen die ursprünglich geplante zur Fahrbahnmitte hin versetzt ist.
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Die obigen Schritte können mehrfach wiederholt werden.
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Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn nach einmaliger Durchführung der Fahrer nicht umgehend durch eine geeignete Aktion wie etwa eine Lenkbewegung oder eine Betätigung eines Pedals quittiert, dass er das Manöver wahrgenommen hat und bereit ist, die Kontrolle über das Fahrzeug zu übernehmen.
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Die Aufgabe wird einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch eine Steuereinheit für ein Fahrzeug, die mit einem Umgebungssensor zum Erfassen eines einen Eingriff des Fahrers erfordernden Ereignisses und mit Mitteln zum Eingreifen in die Lenkung des Fahrzeugs verbunden und eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Die Aufgaben der Steuereinheit können über das Erregen der Aufmerksamkeit des Fahrers bei Bedarf hinausgehen. Insbesondere kann die Steuereinheit zwischen einem das Fahrzeug autonom steuernden Betriebsmodus, in dem sie unter anderem die oben erwähnte geplante Trajektorie festlegen kann, und einem manuell gesteuerten Betriebsmodus umschaltbar und eingerichtet sein, das oben beschriebene Verfahren auszuführen, um den Fahrer zu einem Umschalten in den manuell gesteuerten Betriebsmodus zu veranlassen, wenn dies aufgrund des erfassten Ereignisses nötig oder zweckmäßig erscheint.
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Weitere Gegenstände der Erfindung sind ein Computerprogramm-Produkt mit Programmcode-Mitteln, die einen Computer befähigen, als Steuereinheit wie oben beschrieben zu arbeiten oder das obige Verfahren auszuführen, sowie ein computerlesbarer Datenträger, auf dem Programmanweisungen aufgezeichnet sind, die einen Computer befähigen, in besagter Weise zu arbeiten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit;
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2 ein Flussdiagramm eines Arbeitsverfahrens der Steuereinheit;
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3 die zeitliche Entwicklung von Radeinschlagwinkel, Transversalbeschleunigung und Transversalkoordinate des Fahrzeugs gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung; und
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4 die zeitliche Entwicklung von Transversalbeschleunigung und Transversalkoordinate des Fahrzeugs gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines halbautonomen Kraftfahrzeugs 1, an dem die vorliegende Erfindung realisiert ist. Eine Steuereinheit 2, typischerweise ein Mikrocomputer, ist mit einem Umgebungssensor 3 wie etwa einer Kamera, einem Radarsensor oder einer Anordnung von Kameras bzw. Radarsensoren verbunden, die Daten zur Verkehrssituation rings um das Fahrzeug 1 an die Steuereinheit 2 liefern. Des Weiteren können ein Navigationssystem 4 für die geographische Lokalisierung des Fahrzeugs und zum Liefern von die Auswertung der Daten des Umgebungssensors 3 unterstützender Information zum Fahrbahnverlauf und/oder eine Funkschnittstelle 5 für die Kommunikation mit kompatiblen Steuereinheiten anderer Fahrzeuge mit der Steuereinheit 2 verbunden sein.
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Anhand der Informationen aus diesen Quellen ist die Steuereinheit 2 in der Lage, Verkehrssituationen wie etwa Einparken und insbesondere Kolonnenfahrt autonom zu steuern, so dass der Fahrer des Fahrzeugs 1 sich währenddessen anderen Aufgaben widmen kann, und Verkehrssituationen zu erkennen, die sie autonom möglicherweise nicht mit der erforderlichen Zuverlässigkeit bewältigen kann, wie etwa Spurwechsel beim Einfahren in einen Baustellenbereich, in dem sich gültige zeitweilige und ungültige Fahrbahnmarkierungen überschneiden.
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Um das Kraftfahrzeug 1 lenken zu können, ist die Steuereinheit 2 ferner mit Aktoren 6, 7, 8 verbunden, die in der Lage sind, in die Richtungs- bzw. Geschwindigkeitssteuerung des Kraftfahrzeugs 1 einzugreifen. Der Aktor 6 wirkt analog zu einem Gaspedal 9 auf die Kraftstoffzumessung des Motors; der Aktor 7 ist angeordnet, um ein Drehmoment auf eine Lenkspindel 10 auszuüben, die ein Lenkrad 11 über eine Spurstange 12 an Vorderräder 13 und, einer ersten Ausgestaltung der Erfindung zufolge, auch an Hinterräder 14 des Kraftfahrzeugs 1 koppelt. Die Aktoren 8 sind an Bremszylindern der Räder 13, 14 angeordnet und selektiv ansteuerbar, um rechte und linke Räder 13, 14 unabhängig voneinander zu bremsen.
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Basierend auf den Daten des Navigationssystems 4 und des Umgebungssensors 3 zum Fahrbahnverlauf plant die Steuereinheit 2 eine Trajektorie des Fahrzeugs 1, die typischerweise dem Fahrbahnverlauf in gleichbleibendem Abstand von einer Fahrbahnbegrenzung folgt.
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Wenn die Steuereinheit 2 zu einem Zeitpunkt t = 0 in einem Schritt S1 des in 2 gezeigten Verfahrens eine Verkehrssituation erkennt, die das Eingreifen des Fahrers erfordert oder zumindest eine aufmerksame Überwachung durch den Fahrer wünschenswert erscheinen lässt, ermittelt sie zunächst (S2) anhand der Daten des Umgebungssensors 3 die Abstände dl bzw. dr des Fahrzeugs 1 vom linken und rechten Fahrbahnrand. Wenn diese unter einem (eventuell als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgegebenen Mindestwert liegen, wird in Schritt S3 ein vorgegebener Prozentsatz eines dieser Abstände als maximal zulässiger Versatz ymax festgelegt; anderenfalls wird ymax auf einen festen Wert, z. B. 10 cm, gesetzt. In Schritt S4 wird als Ausweichrichtung diejenige Richtung gewählt, in der der Abstand vom Fahrbahnrand größer ist.
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Anschließend (S5) greift sie der ersten Ausgestaltung der Erfindung zufolge in die Lenkung ein, indem sie abweichend von der zuvor geplanten Trajektorie die Vorder- und Hinterräder 13, 14 gleichzeitig und in gleichem Maße in die in Schritt S4 gewählte Richtung einschlägt. Während die Räder 13, 14 die Einschlagbewegung durchführen, ist das Fahrzeug einer Transversalbeschleunigung ay ausgesetzt. Die zeitlichen Verläufe von Einschlagwinkel θ und Transversalbeschleunigung ay sind in Zeilen a und b von 3 dargestellt, der Einfachheit halber können die Winkelgeschwindigkeit der Einschlagbewegung und die Transversalbeschleunigung während eines Zeitintervalls [0, τ] als konstant angenommen werden; dann nimmt der in Zeile c gezeigte seitliche Versatz y zwischen der ursprünglich geplanten und der tatsächlich gefahrenen Trajektorie mit dem Quadrat der Zeit t zu. Der Drehimpuls des Fahrzeugs 1 ändert sich währenddessen nicht, wie entlang der Kurve der Zeile c angezeichnete Umrisse des Fahrzeugs 1 veranschaulichen, bleibt die Längsrichtung des Fahrzeugs 1 unverändert und parallel zur ursprünglich geplanten Trajektorie.
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Sobald der Versatz y den Wert ymax/2 erreicht hat (S6), werden die Räder 13, 14 in ihre Ausgangsstellung zurückgeschwenkt (S7), wodurch das Fahrzeug 1 während des Zeitintervalls [τ, 2τ] einer Transversalbeschleunigung ay in Gegenrichtung ausgesetzt ist. Bis die Räder 13, 14 zum Zeitpunkt 2τ ihre Ausgangsstellung wieder erreicht haben, verdoppelt sich der Versatz y noch einmal. Um das Fahrzeug 1 auf die ursprünglich geplante Trajektorie zurückzubringen, werden die Räder 13, 14 im Zeitintervall [2τ, 3τ] über die Ausgangsstellung hinaus eingeschlagen und anschließend im Zeitintervall [3τ, 4τ] wieder in die Ausgangsstellung zurückgeschwenkt (S8).
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Sobald die Steuereinheit 2 anhand einer Betätigung des Lenkrads durch den Fahrer hat erkennen können, dass dieser bereit ist, die Kontrolle über das Fahrzeug 1 zu übernehmen, endet das Verfahren, und die Steuereinheit geht in einen manuellen Betriebsmodus über, in dem sie zumindest den Einschlagwinkel der Räder 13, 14 entsprechend der vom Fahrer eingestellten Lenkradstellung steuert.
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Wenn die Steuereinheit 2 bis zum Zeitpunkt t = 4τ keine Bereitschaft des Fahrers zur Kontrollübernahme erkannt hat (S9), kann das Verfahren zu diesem Zeitpunkt beendet werden. Bevorzugtermaßen wird jedoch in diesem Fall die Einschlagbewegung der Räder 13, 14 kontinuierlich über t = 4τ hinaus fortgesetzt, und der zwischen t = 0 und t = 4τ dargestellte Bewegungsablauf wird wiederholt. So führt das Fahrzeug 1 solange eine Rüttelbewegung aus, bis der Fahrer reagiert.
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Die Steuereinheit 2 kann eine Rüttelbewegung des Fahrzeugs auch steuern, indem sie allein die Vorderräder 13 abwechselnd in verschiedene Richtungen einschlägt, allerdings wirkt dann ein Drehmoment auf das Fahrzeug 1 und der Zusammenhang zwischen Einschlagwinkel und Transversalbeschleunigung ist ein anderer; anstatt zur Änderungsgeschwindigkeit des Einschlagwinkels ist die Transversalbeschleunigung ay dann zum Einschlagwinkel selber proportional. 4 zeigt für diesen Fall die Entwicklung des Einschlagwinkels θ, der Transversalbeschleunigung ay, des Gierwinkels ψ und des Versatzes y im Laufe der Zeit. Der Einfachheit halber kann hier die zum Verstellen des Einschlagwinkels benötigte Zeit vernachlässigt und der Einschlagwinkel θ in einer ersten Phase des Verfahrens, von t = 0 bis t = τ, als konstant angenommen werden. Dann ist in dieser Phase auch die Transversalbeschleunigung ay konstant, ein Gierwinkel ψ, um den die Fahrzeuglängsrichtung von der ursprünglichen Fahrtrichtung zur Zeit t = 0 abweicht, nimmt linear mit der Zeit zu, und der Versatz y wächst wieder mit dem Quadrat der Zeit t.
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Zum Zeitpunkt τ werden die Räder in Gegenrichtung eingeschlagen. Dadurch richtet sich das Fahrzeug 1 bis zum Zeitpunkt 2τ wieder parallel zur zur Zeit t = 0 innegehabten Fahrtrichtung aus (ψ = 0), ist dann aber gegen die ursprünglich geplante Trajektorie seitwärts versetzt. Die Räder 13 bleiben daher auch nach t = 2τ unverändert eingeschlagen, das Fahrzeug 1 bewegt sich wieder in Richtung der ursprünglichen Trajektorie, und der Gierwinkel ψ wechselt sein Vorzeichen.
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Wenn bis zum Zeitpunkt 3τ die Steuereinheit 2 die Bereitschaft des Fahrers zur Kontrollübernahme erkannt hat, dann wird zum Zeitpunkt 3τ wieder derselbe Einschlagwinkel θ wie im Zeitintervall [0, τ] eingestellt, und zum Zeitpunkt 4τ befindet sich das Fahrzeug wieder auf der ursprünglichen Trajektorie (y = 0), seine Fahrtrichtung stimmt mit der ursprünglichen Trajektorie überein (ψ = 0), und das Verfahren endet. Gibt der Fahrer nicht rechtzeitig seine Bereitschaft zur Kontrollübernahme zu erkennen, dann bleibt der Einschlagwinkel θ zum Zeitpunkt 3τ unverändert und ändert, wie in 4 durch gestrichelte Kurven dargestellt, erst dann sein Vorzeichen, wenn θ zum Zeitpunkt 3τ + δ der Versatz y = 0 geworden ist. In der Folge erreicht der Versatz y ein Extremum zum Zeitpunkt 4τ + 2δ. Die resultierende Rüttelbewegung des Fahrzeugs 1 kann kontinuierlich beibehalten werden, bis der Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug übernimmt.
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Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Einschlagen der Räder 13 (oder 13 und 14) nach links oder rechts ersetzt durch asymmetrisches Bremsen der Räder 13, 14 nur auf der linken oder nur auf der rechten Seite des Fahrzeugs 1 mittels der Aktoren 8. Auch dadurch wirkt ein Drehmoment auf das Fahrzeug 1. Wenn die Bremskraft als konstant angenommen wird, ändert sich der Gierwinkel ψ linear mit der Zeit t, wie in Zeile b von 4 dargestellt, und daher ist auch die in Zeile c der 4 gezeigte zeitliche Entwicklung des Versatzes y durch abwechselndes Bremsen auf der linken und rechten Fahrzeugseite realisierbar. Das Umschalten zwischen Bremsen auf der linken und der rechten Fahrzeugseite ist mit erheblich höherer Frequenz realisierbar als eine Änderung des Einschlagwinkels der Räder; daher kann auf diese Weise bei vorgegebenem maximalem seitlichen Versatz y eine höhere Transversalbeschleunigung und damit ein schneller und deutlicher vom Fahrer wahrnehmbares Signal erzeugt werden.
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Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Steuereinheit
- 3
- Umgebungssensor
- 4
- Navigationssystem
- 5
- Funkschnittstelle
- 6
- Aktor
- 7
- Aktor
- 8
- Aktor
- 9
- Gaspedal
- 10
- Lenkspindel
- 11
- Lenkrad
- 12
- Spurstange
- 13
- Vorderrad
- 14
- Hinterrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007043604 A1 [0003]
