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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Berührung eines Lenkrads in einem Fahrzeug. Eine solche Vorrichtung wird zur Steuerung mancher Fahrerassistenzsysteme benötigt, z.B. um sicherzustellen, dass bestimmte Funktionen dieser Systeme, insbesondere solche, die mit autonomem Fahren zusammenhängen, nur dann aktiviert werden, wenn mit ausreichender Sicherheit feststeht, dass der Fahrer seine Hände fest genug am Lenkrad hat, um schnell eingreifen zu können, falls dies nötig werden sein sollte.
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Wenn der Fahrer das Lenkrad festhält, dann bilden seine Hände und das Lenkrad eine träge Masse, deren Trägheitsmoment größer ist als das des Lenkrads allein. Wenn das Lenkrad zu Schwingungen angeregt wird, verschiebt sich durch den Angriff der Hände die Resonanzfrequenz, d.h. es ändern sich Phase und Amplitude einer Schwingung, die das Lenkrad in Reaktion auf eine äußere Anregung von gegebener Frequenz ausführt. Anhand dieser Phase oder Amplitude kann daher unterschieden werden, ob das Lenkrad mit den Händen gehalten ist oder nicht. Allerdings wird hierfür ein Resonator zum Anregen der Schwingung benötigt. Außerdem kann eine Schwingung des Lenkrads, die keinen für den Fahrer erkennbaren Anlass hat, den Fahrer irritieren, da es als Symptom einer Funktionsstörung interpretiert werden kann.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung zu schaffen, die mit einfachen Mitteln die Berührung eines Lenkrads zu erfassen erlaubt und eine Irritation des Fahrers vermeidet.
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Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst, durch eine Vorrichtung zur Erfassung der Berührung eines Lenkrads, mit einem Drehmomentsensor zum Erfassen eines zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern eines Fahrzeugs wirkenden Drehmoments, einer Mittelwerteinheit, die von den Messwerten abgeleitete Eingangswerte empfängt und einen Mittelwert ausgibt, und einer Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, anhand des Mittelwerts zu entscheiden, ob das Lenkrad vom Fahrer gehalten ist oder nicht.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern eines Fahrzeugs auftretende Drehmomente auch durch äußere Einflüsse, insbesondere durch Fahrbahnunebenheiten verursacht sein können. Diese äußeren Einflüsse setzen sich zusammen aus vielen untereinander unkorrelierten Stößen, die auf die Räder des Fahrzeugs einwirken, und haben ein breites Frequenzspektrum. Es ist nicht möglich, aus diesem Spektrum eine einzelne Frequenz herauszugreifen und die aus einer Anregung mit dieser Frequenz resultierende Phase oder Amplitude zu ermitteln. Dennoch ist das aus einem einzelnen solchen Stoß resultierende Drehmoment an einem mit den Händen gehaltenen Lenkrad aufgrund der höheren Trägheit höher als bei einem nicht gehaltenen Lenkrad, so dass anhand eines von Messwerten des Drehmomentsensors abgeleiteten Mittelwerts eine Unterscheidung zwischen gehaltenem und nicht gehaltenem Lenkrad dennoch möglich ist.
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Insbesondere kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, zu entscheiden, dass das Lenkrad gehalten ist, wenn der Mittelwert über einen ersten Grenzwert gestiegen ist und/oder zu entscheiden, dass das Lenkrad nicht gehalten ist, wenn der Mittelwert unter einen zweiten Grenzwert gefallen ist.
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Von einer auf einer Mittelwertbildung beruhenden Entscheidung kann nicht verlangt werden, dass sie zu jedem Zeitpunkt richtig ist, sie kann lediglich mit hoher Wahrscheinlichkeit richtig sein, und insbesondere sollte die Entscheidung wenigstens unmittelbar nach einer Änderung mit hoher Wahrscheinlichkeit richtig sein. Eine Maßnahme, um dies zu erreichen, kann sein, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, erst dann zu entscheiden, dass das Lenkrad gehalten ist, wenn der Mittelwert nach Überschreiten des ersten Grenzwerts eine vorgegebene Wartezeit lang über dem ersten Grenzwert geblieben ist und/oder erst dann zu entscheiden, dass das Lenkrad nicht gehalten ist, wenn der Mittelwert nach Unterschreiten des zweiten Grenzwerts eine vorgegebene Wartezeit lang unter dem zweiten Grenzwert geblieben ist.
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Der zweite Grenzwert sollte niedriger sein als der erste.
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Die Intensität der Stöße, denen die gelenkten Räder des Fahrzeugs ausgesetzt sind und die die zwischen Lenkrad und Rädern wirkenden Drehmomente anregen, ist umso größer, je schneller sich das Fahrzeug bewegt. Deswegen sollte die Vorrichtung einen Eingang für ein Geschwindigkeitssignal aufweisen und der erste und/oder der zweite Grenzwert proportional zu der von dem Geschwindigkeitssignal repräsentierten Geschwindigkeit sein.
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Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, auch dann zu entscheiden, dass das Lenkrad gehalten ist, wenn der aktuelle Eingangswert den Mittelwert um ein vorgegebenes Maß überschreitet. Zu einer solchen Überschreitung kommt es insbesondere dann, wenn die Messwerte des Drehmoments, auf denen der Mittelwert basiert, zu einer Zeit erhoben worden sind, in der das Lenkrad nicht gehalten war, und der Fahrer, indem er das Lenkrad greift, selber eine kurzzeitige Erhöhung des zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern wirkenden Drehmoments hervorruft.
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Das vorgegebene Maß kann absolut oder proportional zum Mittelwert vorgegeben sein.
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Die Mittelwerteinheit kann einen Ringspeicher zum Speichern von Eingangswerten und eine Recheneinheit zum Erzeugen des Mittelwerts anhand der im Ringspeicher gespeicherten Messwerte umfassen.
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Um zufällige Schwankungen des Mittelwerts in Grenzen zu halten, sollte die Speicherkapazität des Ringspeichers sollte ausreichen, um Messwerte bis zu einem Alter von wenigstens 1 s zu speichern. Eine Speicherzeit von über 10 s sollte nicht überschritten werden, um den Mittelwert nicht zu träge zu machen.
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Ein Hochpassfilter kann zwischen den Drehmomentsensor und die Mittelwerteinheit geschaltet sein, um eine Beeinflussung des Mittelwerts durch sehr langsam veränderliche Beiträge zum gemessenen Drehmoment, z.B. aufgrund einer seitwärts abschüssigen Fahrbahn, zu unterdrücken.
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Die Zwischenschaltung kann physischer Art sein, in Form einer Leitungsverbindung zwischen verschiedenen Schaltungskomponenten, es kann sich aber auch um eine abstrakte Zwischenschaltung im Sinne eines Einschiebens eines Verarbeitungsschritts in einer Verarbeitungskette handeln.
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Des weiteren kann die Unterscheidung zwischen für die Entscheidung relevanten, schnell veränderlichen Beiträgen zum Drehmoment und nicht relevanten, langsam veränderlichen durch ein Zeitableitungsglied verbessert werden, das zwischen den Drehmomentsensor und die Mittelwerteinheit geschaltet ist
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Ferner kann eine Absolutwerteinheit zwischen den Drehmomentsensor und die Mittelwerteinheit, insbesondere zwischen das Zeitableitungsglied und die Mittelwerteinheit, geschaltet sein.
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Um die Kosten der Vorrichtung zu minimieren, kann ein herkömmlicherweise in vielen Fahrzeugen zum Steuern einer Servolenkung vorhandener Drehmomentsensor im Rahmen der Erfindung mitgenutzt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung wie oben beschrieben und wenigstens einem anhand der Entscheidung der Vorrichtung gesteuerten Instrument.
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Weitere Erfindungsgegenstände sind
ein Verfahren zum Erfassen der Berührung eines Lenkrads mit den Schritten
- - Erfassen eines zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern eines Fahrzeugs wirkenden Drehmoments, und
- - anhand der zeitlichen Entwicklung des Drehmoments entscheiden, ob das Lenkrad vom Fahrer gehalten ist oder nicht;
ein Computerprogramm-Produkt mit Programmcode-Mitteln, die einen Computer befähigen, als Vorrichtung wie oben beschrieben zu arbeiten oder das obige Verfahren auszuführen, und
ein computerlesbarer Datenträger, auf dem Programmanweisungen aufgezeichnet sind, die einen Computer befähigen, als Vorrichtung wie oben beschrieben zu arbeiten oder das obige Verfahren auszuführen.
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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:
- 1 ein Blockdiagramm eines Kraftfahrzeugs;
- 2 ein Blockdiagramm der Vorrichtung.
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1 zeigt in einer schematischen Draufsicht den Frontbereich eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung der Berührung eines Lenkrads. Ein Laufrad 2 ist über einen Achsschenkel 3 mit einer Spurstange 4 verbunden. Mit der Spurstange 4 kämmt ein Lenkritzel 5, das am Ende einer Lenkspindel 6 befestigt ist. Am anderen Ende der Lenkspindel 6 ist ein Lenkrad 7 montiert. An der Lenkspindel 6 ist ein Drehmomentsensor 8 angebracht, um ein zwischen Lenkrad 7 und den gelenkten Laufrädern 2 des Fahrzeugs wirkendes Drehmoment zu messen.
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Eine Servolenkung umfasst neben dem Drehmomentsensor 8 einen Stellmotor 9, der an der Lenkspindel 6 angreift, und eine Steuereinheit 10, die anhand des vom Drehmomentsensor 8 gemessenen Drehmoments den Stellmotor 9 ansteuert, um so eine Lenkbewegung des Fahrers zu unterstützen.
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Derselbe Stellmotor 9 oder ein zweiter Stellmotor kann ferner mit einem Lenkautomaten 11 verbunden sein, der, wenn er aktiv ist, das Kraftfahrzeug autonom lenkt.
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Das vom Drehmomentsensor 8 gemessene Drehmoment kann einerseits zurückgehen auf ein Drehmoment, das der Fahrer auf das Lenkrad 7 ausübt, um das Fahrzeug 1 in eine gewünschte Richtung zu lenken. Ein Drehmoment kann aber auch auf Kräfte zurückgehen, die von außerhalb des Fahrzeugs auf die Räder 2 einwirken, z.B. darauf, dass die zwei Räder 2 aufgrund von Fahrbahnunebenheit unterschiedlichen Rollwiderständen ausgesetzt sind und deswegen die Kräfte, die sie auf die Spurstange 4 ausüben, nicht im Gleichgewicht sind und deshalb die Spurstange 4 eine Drehung der Lenkspindel 6 antreibt. Das daraus an der Lenkspindel 6 resultierende Drehmoment ist in etwa proportional zum Trägheitsmoment des Lenkrads bzw., falls der Fahrer das Lenkrad mit den Händen festhält, zum Trägheitsmoment von Händen und Lenkrad. Letzteres ist etwa doppelt so groß wie ersteres. Da diese Kräfte schneller schwanken, als die Servolenkung reagieren kann, hat die Servolenkung keinen wesentlichen Einfluss auf die Messwerte des aus ihnen resultierenden Drehmoments.
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Eine Auswerteeinheit 12 ist mit dem Drehmomentsensor 8 verbunden, um anhand der Messwerte des letzteren zu entscheiden, ob der Fahrer das Lenkrad 7 in den Händen hält oder nicht. Ein Ausgang der Auswerteeinheit 12 kann direkt mit dem Lenkautomaten 11 verbunden sein, um autonomes Fahren je nach Ergebnis der Entscheidung zuzulassen oder zu sperren. Ferner kann ein Anzeigeinstrument 13 an den Ausgang angeschlossen sein, um, falls die Auswerteeinheit 12 entscheidet, dass der Fahrer das Lenkrad 7 nicht in Händen hält, diesen darauf hinzuweisen, dass er dies tun sollte und anderenfalls der Lenkautomat 11 z.B. die Fahrgeschwindigkeit reduzieren oder das Fahrzeug zum Stehen bringen wird.
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2 zeigt ein Blockdiagramm der Auswerteeinheit 12. Die in diesem Blockdiagramm gezeigten Komponenten können als Schaltungen realisiert sein, es kann sich aber auch um Programmteile handeln, die entsprechend den in der 2 dargestellten Signalwegen Informationen untereinander weitergeben. In letzterem Falle können insbesondere die Auswerteeinheit 12 und der Lenkautomat 11 auf einem gleichen Mikrocomputer implementiert sein.
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Eine erste, unmittelbar an den Ausgang des Drehmomentsensors 8 angeschlossene Verarbeitungsstufe ist ein Hochpassfilter 14. Dessen Aufgabe ist es, niederfrequente oder konstante Anteile des Drehmomentsignals zu unterdrücken, die z.B. darauf zurückzuführen sind, dass der Fahrer beim Fahren einer Kurve das Lenkrad 7 längere Zeit ausgelenkt hält oder beim Fahren auf seitwärts abschüssigem Untergrund gegenlenkt, um das Fahrzeug auf einer geraden Bahn zu halten. Die Grenzfrequenz dieses Hochpassfilter 14 sollte im niedrigen einstelligen Hz-Bereich oder, vorzugsweise, unter 1 Hz liegen.
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Drehmomente, die auf die Einwirkung äußerer Kräfte auf die Räder zurückgehen, sind im Vergleich zu solchen, die der Fahrer beim Lenken ausübt, eher klein, aber schnell veränderlich. Um sie hervorzuheben, ist als nächstes Glied der Verarbeitungskette ein Zeitableitungsglied 15 vorgesehen. Wenn die Komponenten der Auswerteeinheit 12 als Software implementiert sind und zeitdiskret arbeiten, stehen neue Eingangsdaten für das Zeitableitungsglied 15 in einem festen Zeitabstand Δt zur Verfügung; in diesem Fall kann das Zeitableitungsglied 15 als Maß für die Zeitableitung des Drehmoments einfach die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Eingangsdaten bilden. Die Abtastfrequenz 1/Δt des Zeitableitungsglieds 15 sollte ein Mehrfaches der Grenzfrequenz des Hochpassfilters sein und kann zwischen 5 und 20 Hz, z.B. 10 Hz, betragen.
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Das Zeitableitungsglied 15 liefert zwangsläufig Ausgangsdaten mit wechselnden Vorzeichen, die einander bei Mittelwertbildung gegenseitig kompensieren. Deswegen ist als nächstes Glied der Verarbeitungskette eine Absolutwerteinheit 16 vorgesehen.
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Eine darauf folgende Mittelwerteinheit 17 umfasst hier einen Ringspeicher 18, in dessen Speicherzellen jedesmal, wenn die Absolutwerteinheit 16 einen neuen Datenwert ausgibt, der älteste gespeicherte Datenwert mit diesem neuen Datenwert überschrieben wird. Die Inhalte der Speicherzellen werden mit der Abtastfrequenz 1/Δt gelesen und in einer Summationseinheit 19 addiert, um einen aktuellen Mittelwert T‘m zu erhalten.
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Die Speicherdauer eines Datenwerts im Ringspeicher beträgt wenige Sekunden. Die Zahl der Speicherzellen kann z.B. 256 betragen; bei einer Abtastfrequenz 1/Δt von 10 Hz resultiert daraus eine Speicherdauer von 2,56 s.
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Andere Arten der Mittelwertbildung, z. B. eine gleitende Mittelung, bei der das Gewicht, mit dem ein Datenwert in den Mittelwert eingeht, mit seinem Alter kontinuierlich abnimmt, kommen auch in Betracht.
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Der von der Mittelwerteinheit 17 gelieferte Mittelwert T‘m wird in einem ersten Komparator 20 mit einem Grenzwert Thr in Beziehung gesetzt. Diese Beziehung kann ein direkter Vergleich sein, d.h. das Ausgangssignal des Komparators 20 ändert seinen Wert, z.B. von F (Lenkrad nicht berührt) auf T (Lenkrad berührt), sobald der Mittelwert T‘m den Grenzwert Thr überschreitet, und geht zurück auf F, sobald er unter Thr abfällt. Vorzugsweise ist der Komparator 20 hysteresebehaftet, d.h. sein Ausgangssignal geht erst dann von F auf T, wenn der T‘m über Thr+ε angewachsen ist, und von T auf F, wenn es unter Thr-ε gefallen ist.
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Den Schwellwert Thr bestimmt eine Recheneinheit
21 in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die sie über einen Eingang
22 von einem Tachometer
23 des Fahrzeugs empfängt. Da die Drehbeschleunigung, die ein Hindernis auf der Fahrbahn über die Spurstange
4 auf das Lenkrad ausübt, proportional zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist, legt die Recheneinheit
21 den Grenzwert Thr proportional zur Geschwindigkeit fest, ggf., um auch bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten eine Unterscheidung zu ermöglichen, zuzüglich eines geschwindigkeitsunabhängigen Offsets. D.h. Thr ist eine lineare Funktion der Geschwindigkeit v:
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Damit das Ausgangssignal des Komparators 20 den Zustand des Lenkrads 7 mit der größtmöglichen Wahrscheinlichkeit korrekt anzeigt, werden die Parameter a, b der Funktion für jedes Modell von Fahrzeuglenkung vorab empirisch optimiert.
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Am Ausgang des Komparators 20 kann ein Entpreller 23 vorgesehen sein. Die Funktion des Entprellers 23 ist, eine Änderung seines Eingangssignals erst dann an seinem Ausgang wiederzugeben, wenn das Eingangssignal seit der Änderung eine vorgegebene Zeitspanne δt lang konstant geblieben ist. Änderungen des Eingangssignals, deren Dauer kürzer als δt, werden unterdrückt. Auch δt kann empirisch optimiert werden, um die Wahrscheinlichkeit zu maximieren, dass das Ausgangssignal des Entprellers 23 den Zustand des Lenkrads 7 korrekt wiedergibt. Er kann aber auch einfach dazu dienen, dem Fahrer ein kurzzeitiges Loslassen des Lenkrads 7 zu ermöglichen, ohne dass dies zu einer sofortigen Änderung des Ausgangssignals der Auswerteeinheit 12 führt.
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Eine abrupte Änderung des vom Sensor 8 erfassten Drehmoments muss nicht zwangsläufig auf die Wechselwirkung der Räder 2 mit der Fahrbahn zurückgehen, auch der Fahrer erzeugt in dem Moment, in dem seine Hände das Lenkrad 7 ergreifen, unvermeidlicherweise einen Drehmomentstoß. Während die von den Rädern 2 ausgehenden Drehmomentimpulse den Sensor 8 nur in durch Trägheit, Elastizität und Spiel zahlreicher Komponenten des Lenksystems wie etwa der Achsschenkel 3, der Spurstange 4 und des Lenkritzels 5 gedämpfter Form erreichen, wirkt der Drehmomentstoß des Fahrers auf den Sensor 8 in allenfalls durch die Trägheit des Lenkrads 7 gedämpfter Form und ist daher - insbesondere nach Differenzierung im Zeitableitungsglied 15 - mit hoher Wahrscheinlichkeit deutlich größer als die Drehmomentimpulse, die im unmittelbar vorhergehenden Zeitraum - noch ohne Angreifen der Hände am Lenkrad - beobachtbar waren und das Ausgangssignal T‘m der Mittelwerteinheit 17 bestimmen. Deshalb kann, wie in 2 gezeigt, um den Moment des Ergreifens des Lenkrads 7 zu erfassen, ein zweiter Komparator 24 einerseits mit dem Ausgang der Absolutwerteinheit 16 und andererseits über einen Addierer 25 mit dem Ausgang der Mittelwerteinheit 17 verbunden sein, um ein Ausgangssignal mit dem logischen Wert T zu liefern, wenn das Ausgangssignal der Absolutwerteinheit 16 das Ausgangssignal T‘m der Mittelwerteinheit 17 um mehr als einen vorgegebenen Offset übersteigt. Ein Monoflop 26 erhält diesen Wert T über eine Zeitspanne δt1 aufrecht.
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In der Darstellung der 2 treffen die die Ausgangssignale des Monoflops 26 und des Entprellers 23 an einem Oder-Gatter 27 zusammen. Dieses gibt den logischen Wert T aus, wenn entweder der Entpreller 23 oder das Monoflop 26 den Wert T ausgeben, d.h. sein Ausgangssignal springt sofort von F auf T, wenn der Komparator 24 das Ergreifen des Lenkrads 7 erkennt. Die Zeitspanne δt1 sollte länger als δt gewählt sein, um dem Entpreller 23 nach dem Ergreifen des Lenkrades Zeit zu geben, auch auf Ausgangssignal T umzuschalten, so dass das Oder-Gatter 27 auch dann weiterhin T ausgibt, wenn das Monoflop nach der Zeitspanne δt1 in seinen stabilen Zustand zurückkehrt und sein Ausgangssignal wieder auf F wechselt.
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Alternativ könnte das Oder-Gatter auch zwischen den Komparator 20 und den Entpreller 23 eingefügt sein. In diesem Fall muss die Zeitspanne δt1 kürzer als δt sein. So kann im Laufe der Zeitspanne δt1 das Ausgangssignal der Mittelwerteinheit 17 so weit anwachsen, dass der Komparator 20 auf T umschaltet. Ein Umschalten des Entprellers 23 erfolgt dann zwar später als bei dem in 2 gezeigten Schaltdiagramm, aber immer noch um δt1 früher als bei Fehlen des Komparators 24.
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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
- Kraftfahrzeug
- 2
- Laufrad
- 3
- Achsschenkel
- 4
- Spurstange
- 5
- Lenkritzel
- 6
- Lenkspindel
- 7
- Lenkrad
- 8
- Drehmomentsensor
- 9
- Stellmotor
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Lenkautomat
- 12
- Auswerteeinheit
- 13
- Anzeigeinstrument
- 14
- Hochpassfilter
- 15
- Zeitableitungsglied
- 16
- Absolutwerteinheit
- 17
- Mittelwerteinheit
- 18
- Ringspeicher
- 19
- Summationseinheit
- 20
- Komparator
- 21
- Recheneinheit
- 22
- Eingang
- 23
- Entpreller
- 24
- Komparator
- 25
- Addierer
- 26
- Monoflop
- 27
- Oder-Gatter
