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Die Erfindung betrifft ein Lenkradsystem für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein Kraftwagen wird typischerweise dadurch gelenkt, dass ein Fahrer das Lenkrad des Kraftwagens betätigt. Durch das Drehen des Lenkrades wird der Lenkeinschlag von den Rädern des Kraftwagens verändert. Zum Lenken umgreift der Fahrer einen Lenkradkranz des Lenkrades mit einer oder mit beiden Händen. Üblicherweise weist der Lenkradkranz eine kreisringförmige Form auf und ist über eine Lenkradnabe mit einer Lenksäule des Kraftwagens gekoppelt.
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Zudem ist es bekannt, Kraftwagen mit Fahrerassistenzsystemen auszustatten, um die Sicherheit und/oder den Komfort zu erhöhen. Beispiele für solche Fahrerassistenzsysteme sind unter anderem ein automatischer Notbremsassistent, ein Tempomat mit Abstandshaltefunktion oder ein Spurwechselwarnsystem. Weiterhin bekannt sind Fahrerassistenzsysteme, die in die Lenkung des Kraftwagens eingreifen können. Derartige Systeme sind unter anderem Spurhaltesysteme oder Assistenzsysteme zum zumindest teilweisen autonomen Fahren.
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Für die Bereitstellung von Fahrerassistenzsystemen ist es wichtig, feststellen zu können, dass der Fahrer seine Pflichten zur Führung des Fahrzeugs nicht vernachlässigt. Insbesondere soll vermieden werden, dass Fahrerassistenzsysteme durch den Fahrer dahingehend missbraucht werden können, dass der Kraftwagen zumindest teilweise autonom fährt. Um dies zu überprüfen, sind bereits Sensoriksysteme bekannt, die feststellen zu können, ob der Fahrer das Lenkrad beziehungsweise den Lenkradkranz zumindest mit einer Hand umgreift. Insbesondere darf eine solche Greiferkennung nicht ohne weiteres durch den Fahrer überlistbar sein, so dass die Greiferkennung fälschlicherweise einen Griff des Fahrers erkennt. Dies ist notwendig, um sicherheitstechnische und rechtliche Probleme eines autonomen Fahrens mit Hilfe der Fahrerassistenzeinrichtung zu vermeiden.
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Gängige Systeme zur Greiferkennung arbeiten mit Hilfe einer Momenterkennung, die ein auf das Lenkrad wirkendes Drehmoment registrieren.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2011 076 174 A1 ein Lenkrad bekannt, dessen Lenkradkranz eine Vielzahl von berührungsempfindlichen und vorzugsweise drucksensitiven Sensoren aufweist. Mittels dieser Sensoren kann ein Greifinformationssignal bereitgestellt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Lenkrad für einen Kraftwagen bereitzustellen, mit dem ein Greifen des Lenkrades durch einen Fahrer auf besonders zuverlässige Weise ermittelbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Lenkradsystem für einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Um Lenkradsystem für einen Kraftwagen zu schaffen, mit dem ein Greifen des Lenkrades durch einen Fahrer auf besonders zuverlässige Weise ermittelbar ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Sensorik einen Vibrationssensor zur Erfassung einer Mikrovibration umfasst. Anhand der Art der Mikrovibration ist die Sensorik in der Lage, zu unterscheiden, ob das Lenkrad von einem Fahrer umgriffen wird oder nicht. Insbesondere ist die Sensorik dazu ausgelegt, eine das Lenkrad umgreifende Hand des Fahrers von einem am Lenkrad befestigten Gegenstand zu unterscheiden.
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Dabei kann für eine Greiferkennung ein Antwortverhalten des Lenkrades auf die Mikrovibration durch die Sensorik messbar sein. Das bedeutet, dass die Sensorik dazu ausgebildet ist, bei Eintritt einer Mikrovibration eine daraus resultierende Bewegung des Lenkrades auszuwerten. Beispielhafte Messgrößen hierfür sind eine Dämpfung einer Bewegung des Lenkrades, eine Bewegung des Lenkrades, ein Drehmoment oder Trägheitsmoment des Lenkrades und/oder eine Amplitude der Mikrovibration. Für diese Messgrößen kann eine zeitliche oder räumliche Auswertung vorgesehen sein. Die Sensorik ist in einer Ausführungsform dazu ausgebildet, bei einem gleichförmigen Antwortverhalten auf die Mikrovibration auf einen am Lenkrad befestigten Gegenstand zu entscheiden. Ein Griff des Fahrers wird in diesem Fall durch ein unterschiedliches Antwortverhalten auf die Mikrovibration erkannt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Mikrovibration um eine Rotationsbewegung bezüglich der Längsachse. Das heißt, das Lenkrad vibriert mit einer sehr geringen Amplitude um seine Rotationsachse. Die Sensorik ist dann beispielsweise dazu ausgebildet, eine Winkelbeschleunigung oder ein Drehmoment als Antwortverhalten des Lenkrades auf die Mikrovibration zu messen. Befindet sich am Lenkrad ein dort befestigter Gegenstand, so wird das Antwortverhalten des Lenkrades stets gleichförmig ausfallen. Wird das Lenkrad hingegen von einer Hand des Fahrers umgriffen, so wird das Antwortverhalten des Lenkrades auf die Mikrovibration stets unterschiedlich ausfallen. Der Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung ist, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Sensorik zur Erkennung eines Drehmomentes an einem Lenkrad nur leicht modifiziert werden muss und dennoch eine sehr zuverlässige Greiferkennung bereitgestellt ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Lenkradsystem weiterhin eine Vibrationseinheit, mittels derer das Lenkrad zu einer Mikrovibration anregbar ist. Auf diese Weise kann das Antwortverhalten des Lenkrades auf eine stets gleichförmige Mikrovibration gemessen werden. Das bedeutet, das Lenkrad wird aktiv zu einer Mikrovibration angeregt und anschließend das Antwortverhalten des Lenkrades auf die Mikrovibration gemessen. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche und besonders zuverlässige Greiferkennung möglich.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Mikrovibration um eine mechanische Welle im Lenkrad, insbesondere im Lenkradkranz. Die mechanische Welle kann eine Ultraschallwelle im Lenkradkranz, insbesondere eine Oberflächenwelle des Lenkradkranzes, sein. Die Sensorik ist dazu ausgebildet, eine die mechanische Welle betreffende Größe zu messen. Beispiele hierfür sind eine Amplitude, eine Frequenz, eine Ausbreitungsgeschwindigkeit oder eine Phasenlage der mechanischen Welle. Über den Lenkradkranz verteilt befindet sich mindestens ein Vibrationssensor, vorzugsweise aber mehrere Vibrationssensoren. Die Sensorik ist dazu ausgebildet, anhand der die mechanische Welle betreffenden Größe einen Griff des Fahrers zu erkennen. Insbesondere ist die Sensorik dazu ausgebildet, einen Griff eines Fahrers von einem am Lenkrad befestigten Gegenstand zu unterscheiden. Durch ein Greifen des Lenkradkranzes durch den Fahrer wird beispielsweise eine besonders starke Dämpfung der mechanischen Welle erreicht. In einer Ausbildung der Erfindung ist die Sensorik dazu ausgebildet bei eine besonders hohe Dämpfung an einer Stelle des Lenkrades einen Griff des Fahrers zu erkennen. Ein am Lenkrad fixierter Gegenstand resultiert beispielsweise in einer geringeren Dämpfung der mechanischen Welle.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Lenkrad, insbesondere der Lenkradkranz, eine Ultraschallquelle zur Erzeugung der mechanischen Welle auf. Das bedeutet, das Lenkrad wird in zumindest einem Punkt zu einer Ultraschallschwingung angeregt, wobei die Ultraschallschwingung mittels einer mechanischen Welle, insbesondere einer Oberflächenwelle, über den gesamten Lenkradkranz propagiert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist durch mehrere Vibrationssensoren nicht nur das Greifen des Lenkradkranzes durch den Fahrer ermittelbar, sondern es ist weiterhin die Art des Greifens und/oder der Ort des Greifens und/oder die Anzahl der Greifpunkte ermittelbar. Auf diese Weise ergibt sich ein genaueres Bild des Griffes des Fahrers um den Lenkradkranz.
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Die Mikrovibration, egal ob es sich um eine Rotationsbewegung oder um eine mechanische Welle handelt, ist so schwach auszubilden, dass diese für den Nutzer unmerklich ist. Ist die Mikrovibration so stark, dass der Fahrer sie spürt, so kann dies den Fahrkomfort oder die Fahrsicherheit negativ beeinflussen. Außerdem wäre eine Ablenkung des Fahrers durch die Mikrovibration möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Sensorik eine Ultraschallquelle sowie einen Ultraschallsensor auf, die zur Bereitstellung von räumlichen Informationen einer lenkradnahen Umgebung ausgebildet sind. Eine Ultraschallabgabe erfolgt dann an die lenkradnahe Umgebung, insbesondere erfolgt eine Übertragung zumindest teilweise durch Luft. Die Sensorik weist eine Auswerteeinheit zur Auswertung des reflektierten Ultraschalls, insbesondere reflektiert von Gegenständen in der lenkradnahen Umgebung, auf, wobei die Auswertung der Bereitstellung der räumlichen Informationen dient. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, anhand der räumlichen Informationen den Griff eines Fahrers zu erkennen. In diesem Fall ist die Sensorik dazu ausgebildet, ein Greifen des Lenkradkranzes durch den Fahrer mittels der räumlichen Informationen der lenkradnahen Umgebung zu ermitteln. In einer Weiterbildung sind für die Greiferkennung nicht nur räumliche Informationen auswertbar, sondern die Sensorik ist außerdem zur Bereitstellung weiterer Wellengrößen einer Ultraschallwelle, beispielsweise Reflexionsintensitäten und/oder Phasenbeziehungen, für die Greiferkennung, insbesondere für die Unterscheidung zwischen einem Griff des Fahrers oder einem Gegenstand, ausgebildet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Vorderansicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenksystems mit einem Lenkrad, einer Lenksäule sowie einem Lenkgetriebe; und
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2 eine schematische Vorderansicht auf ein Lenkrad einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenksystems mit einer am Lenkrad vorgesehenen Ultraschallquelle zur Erzeugung einer mechanischen Welle.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Lenksystem 1 mit einem Lenkrad 2, wobei das Lenkrad einen Lenkradkranz 20, Lenkradspeichen 22 und eine Lenkradnabe 24, über die das Lenkrad 2 an der Lenksäule 10 befestigt ist, umfasst. Der Lenksäule 10 zugeordnet ist das Lenkgetriebe 16. Das Lenkgetriebe 16 umfasst einen Vibrationssensor 12 sowie eine Vibrationseinheit 14. Die Vibrationseinheit 14 ist dazu ausgebildet, die Lenksäule 10 zu einer Mikrovibration 3 anzuregen. Die Mikrovibration 3 ist eine Rotation bezüglich der Rotationsachse der Lenksäule 10. Da das Lenkrad 2 über die Lenkradnabe 24 an der Lenksäule 10 befestigt ist, wird das Lenkrad 2 ebenfalls zu einer Mikrovibration 3 angeregt.
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Durch den Griff 4 eines Fahrers ergibt sich ein Antwortverhalten des Lenkrades 2 auf die Mikrovibration 3. Als Antwortverhalten des Lenkrades 2 ist durch den Vibrationssensor 12 ein Gegenmoment, beispielsweise ein Drehmoment beziehungsweise ein Trägheitsmoment, messbar. Dieses Gegenmoment fällt trotz der stets gleichförmigen Mikrovibration 3 stets unterschiedlich aus. Dadurch ist ein Griff 4 eines Fahrers als Ursache für das Antwortverhalten des Lenkrades 2 um erkennbar. Der Vibrationssensor 12 ist dazu ausgebildet, bei einem unterschiedlichen Antwortverhalten Lenkrades 2 auf die gleichförmige Mikrovibration 3 auf einen am Lenkrad 2 befestigten Gegenstand 5 zu entscheiden.
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Ein Antwortverhalten, wie es durch einen am Lenkrad 2 beziehungsweise am Lenkradkranz 20 befestigten Gegenstand 5 hervorgerufen wird, unterscheidet sich deutlich von dem Antwortverhalten, das durch den Griff 4 eines Fahrers hervorgerufen wird. Ist in einem Nutzungsbeispiel etwa ein Gegenstand 5 am Lenkrad 2 befestigt, ist beispielsweise stets ein gleichartiger Verlauf des Gegenmoments auf die Mikrovibration 3 hin messbar. Der Vibrationssensor 12 ist dazu ausgebildet, bei einem gleichförmigen Antwortverhalten des Lenkrades 2 auf die Mikrovibration 3 auf einen am Lenkrad 2 befestigten Gegenstand zu entscheiden.
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In einem anderen Fall ist kein Gegenmoment zusätzlich zum Drehmoment beziehungsweise Trägheitsmoment des Lenkrades 2 selbst erkennbar. Der Vibrationssensor 12 ist dann dazu ausgebildet, zu erkennen, dass das Lenkrad 2 weder mit dem Griff 4 eines Fahrers noch mit einem Gegenstand 5 beaufschlagt ist. Mit anderen Worten: Ist auf die definierte Mikrovibration 3 hin kein Widerstand beziehungsweise kein Gegenmoment zusätzlich zum Widerstand beziehungsweise Gegenmoment des Lenkrades 2 selbst durch den Vibrationssensor 12 feststellbar, so ist das Lenkrad frei, das heißt es wird weder durch den Griff 4 eines Fahrers gehalten, noch ist ein Gegenstand 5 am Lenkrad 2 befestigt. Ist dagegen als Antwort auf die Mikrovibration 3 ein höherer aber stets gleichförmiger Widerstand beziehungsweise Gegenmoment messbar, so ist das Lenkrad 2 nicht durch den Griff 4 eines Fahrers gehalten, sondern es ist ein Gegenstand 5 am Lenkrad 2 befestigt. Ist hingegen der Widerstand beziehungsweise das Gegenmoment des Lenkrades 2 auf die Mikrovibration 3 stets unterschiedlich, so ist das Lenkrad 2 durch den Griff 4 eines Fahrers gehalten.
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Die Mikrovibration 3 ist so schwach ausgelegt, dass sie für den Fahrer unmerklich ist. Dies ist sowohl aus Komfortgründen als auch aus Sicherheitsgründen bevorzugt. Außerdem sind Mikrovibrationen 3, die nicht aus dem Fahrbetrieb sondern von der Vibrationseinheit 14 stammen bevorzugt, da diese definierte Eigenschaften aufweisen können.
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Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform der Erfindung ist, dass bisherige Lenksysteme 1 zur Momenterkennung mit leichten Modifikationen weitergenutzt werden können. Die Mikrovibration kann direkt in der Lenkachse oder an der Zahnstange eingebracht werden.
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2 zeigt ein Lenkrad 2 eines erfindungsgemäßen Lenksystems 1 mit einer Ultraschallquelle 18, die dem Lenkradkranz 20 zugeordnet ist. Die Ultraschallquelle 18, beispielsweise umfassend ein piezoelektrisches Element, emittiert eine Ultraschallschwingung, die sich in Form einer mechanischen Welle, insbesondere einer Oberflächenwelle 46, über den Lenkradkranz 20 ausbreitet. Über den gesamten Lenkradkranz 20 sind Vibrationssensoren 12 zur Messung zumindest einer Größe der Oberflächenwelle 46, 48 verteilt.
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Durch den Griff 4 eines Fahrers wird die Oberflächenwelle 46 stark gedämpft, es ergibt sich eine gedämpfte Oberflächenwelle 48. Die Vibrationssensoren 12 zur Messung der Amplitude beziehungsweise der Intensität sowie der Phasenlage der Oberflächenwelle 46, 48 ausgebildet. Anhand der Lage der Ultraschallquelle 18 sowie der Amplitude und der Phasenlage der Oberflächenwelle 46, 48 am Ort der Vibrationssensoren 12 ist die Position des Griffes 4 eines Fahrers ermittelbar. In diesem Fall mit zwei Griffen 4 eines Fahrers sind die Positionen der Griffe 4 des Fahrers durch Auswertung der Amplitude der Oberflächenwelle 46, 48 ermittelbar. Die Griffpositionen befinden sich zwischen zwei Vibrationssensoren 12, von denen einer eine hohe Amplitude und der andere eine geringe Amplitude misst. Im Falle eines einzelnen Griffes 4 durch einen Fahrer kann entweder durch die geringe Amplitude in einem bestimmten Punkt beziehungsweise bei einem bestimmten Vibrationssensor 12 oder durch Einbeziehung der Phasenlage der Oberflächenwelle 46, 48 auf die Position des Griffes 4 des Fahrers geschlossen werden.
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Ein am Lenkrad 2 befestigter Gegenstand 5 ruft eine geringere Dämpfung der Oberflächenwelle 46, 48 hervor. Die Vibrationssensoren 12 sind in einem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet anhand der Dämpfungswerte zwischen einem am Lenkrad 2 befestigten Gegenstand 5 und einem Griff 4 des Fahrers zu unterscheiden.
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Die Vibrationssensoren 12 können zur Erkennung eines wechselnden Antwortverhaltens des Lenkradkranzes 20 auf die Oberflächenwelle 46, 48 ausgebildet sein. So ist ein Griff 4 des Fahrers beispielsweise aufgrund einer variierenden Intensität des Griffes durch eine sich verändernde Amplitude der Oberflächenwelle 46, 48 erkennbar. Demgegenüber ist ein am Lenkrad 2 befestigter Gegenstand 5 durch eine konstante Amplitude der Oberflächenwelle 46, 48 festgelegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011076174 A1 [0006]
