DE102023200821B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Interaktion eines Fahrers mit einem elektromechanischen Lenksystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Interaktionen eines Fahrers mit einem elektromechanischen Lenksystem (1), wobei das elektromechanische Lenksystem (1) mindestens ein Fahrerassistenzsystem (14) aufweist oder mit diesem verbunden ist, wobei das Fahrerassistenzsystem (14) Momente TAvorgibt, die von dem elektromechanischen Lenksystem (1) umgesetzt werden, wobei in einem teil- oder vollautomatischen Betrieb das Fahrerassistenzsystem (14) die Fahraufgabe komplett übernehmen kann, wobei mittels eines Fahrerarmimpedanzmodell (11) mindestens ein KonfliktmomentTDCermittelt wird, wobei das KonfliktmomentTDCdas Moment ist, was der Fahrer aufbringt, um dem Eingriff des Fahrerassistenzsystems (14) entgegenzuwirken, wobei im Fahrerarmimpedanzmodell (11) als Randbedingung berücksichtigt wird, dass das KonfliktmomentTDCentgegen dem Moment TAdes Fahrerassistenzsystems (14) wirkt und betragsmäßig kleiner/gleich dem Moment TAdes Fahrerassistenzsystems (14) ist, sowie eine geeignete Vorrichtung (10).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 zur Ermittlung der Interaktion eines Fahrers mit einem elektromechanischen Lenksystem.
• Mit voranschreitender Entwicklung (teil-)autonomer Fahrzeugkonzepte greifen Fahrerassistenzsysteme zunehmend aktiv in die Fahrzeugsteuerung ein. Dabei wird nicht auf den individuellen Fahrstil eines Fahrers Rücksicht genommen, da die Fahrerassistenzsysteme ein vorprogrammiertes „optimales“ Ziel verfolgen, welches nicht unbedingt den Fahrstil des Fahrers wiederspiegelt. Der Spurhalteassistenz z.B. hat als optimales Ziel die Mitte der Fahrspur und berücksichtigt nicht, ob der Fahrer in einer bestimmten Situation gerade weiter rechts oder weiter links innerhalb der Spur fahren möchte. Dies kann dazu führen, dass der Fahrer das Fahrerassistenzsystem als störend empfindet und sogar dazu tendiert, es lieber auszuschalten. Eine auf den Fahrer angepasste Eingriffsstärke des Systems könnte die Akzeptanz des Fahrers gegenüber des Fahrerassistenzsystems steigern. Dazu muss zunächst die individuelle Interaktion vom Fahrer mit dem System analysiert werden. Ein größter Anteil der Interaktion zwischen Fahrer und Assistenz findet über das Lenkrad statt. Über dieses wirkt der Fahrer einerseits durch Lenkmomente auf das Fahrzeug ein und erhält andererseits kontinuierlich Feedback über die wirkenden Straßenkräfte sowie über gegebenenfalls vorhandene Eingriffe des Assistenzsystems. Durch eine mathematische Modellierung dieser Interaktion am Lenkrad kann detektiert werden, ob der Fahrer gerade in Konflikt mit dem System steht oder ob er die Systemeingriffe zulässt. Diese Information kann dann genutzt werden, um die Eingriffe des Systems auf den Fahrer zu adaptieren.
• Beispielsweise sind aus den Fachartikeln „Z. Ercan. A. Carvalho, M. Gokasan, F. Borrelli: Modeling, Identification, and Predictive Control of a Driver Steering Assistance System; IEEE Transactions on Human-Machine Systems PP. 1-11.10.1109/THMS.2017.2717881, 2017“ oder „Y. Tanaka et al.: Vehicle Active Steering Control System Based on Human Mechanical Impedance Properties of the Arms; Intelligent Transportation Systems, IEEE Transactions on 15.1758-1769.10.1109/TITS.2014.2312458, 2014“ Fahrerarmimpedanzmodelle bekannt, um Konflikt und Passivität des Fahrers gegenüber dem Fahrerassistenzsystem zu bestimmen.
• Allerdings sind die Ergebnisse mittels dieser Fahrerarmimpedanzmodelle nicht immer zufriedenstellend, was später noch ausgeführt wird.
• Aus der EP 3 702 247 A1 oder der JP 2020075576 A sind jeweils Verfahren bekannt, bei denen ein aktives Gegenlenken des Fahrers gegen das Moment des Fahrerassistenzsystems erfasst wird und das Fahrerassistenzsystem sich dann anpasst. Allerdings lässt dies nur begrenzt Rückschlüsse zu, wie zufrieden bzw. wie sehr im Konflikt der Fahrer mit den Vorgaben des Fahrerassistenzsystems ist.
• Aus dem Fachartikel „VC - A Method For Estimating Time-Varying Coefficients in Linear Models; E. Schlicht; ISSN: 2365-9793“ ist ein Verfahren zur Parameterbestimmung bekannt.
• Aus der DE 10 2019 208 732 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung der Interaktionen eines Fahrers mit einem elektromechanischen Lenksystem bekannt.
• Aus der DE 10 2013 211 052 B3 ist ein Verfahren zum Detektieren eines Zustandes einer Hand-Lenkrad-Berührung unter Verwendung eines Modells eines Lenkrad-Hand-Systems bekannt.
• Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Interaktionen eines Fahrers mit einem elektromechanischen Lenksystem zur Verfügung zu stellen, wobei das elektromechanische Lenksystem mindestens ein Fahrerassistenzsystem aufweist oder mit diesem verbunden ist, mittels dessen ein Konfliktpotential besser bestimmt werden kann. Ein weiteres technisches Problem ist die Schaffung einer geeigneten Vorrichtung.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Das Verfahren zur Ermittlung der Interaktionen eines Fahrers mit einem elektromechanischen Lenksystem, wobei das elektromechanische Lenksystem mindestens ein Fahrerassistenzsystem aufweist oder mit diesem verbunden ist, wobei das Fahrerassistenzsystem Momente vorgibt, die von dem elektromechanischen Lenksystem umgesetzt werden, wobei in einem teil- oder vollautomatischen Betrieb das Fahrerassistenzsystem die Fahraufgabe komplett übernehmen kann, erfolgt mittels eines Fahrerarmimpedanzmodells. Mittels des Fahrerarmimpedanzmodells wird mindestens ein Konfliktmoment ermittelt. Das Konfliktmoment ist das Moment, was der Fahrer aufbringt, um dem Eingriff des Fahrerassistenzsystems entgegenzuwirken, wobei im Fahrerarmimpedanzmodell als Randbedingung berücksichtigt wird, dass das Konfliktmoment entgegen dem Moment des Fahrerassistenzsystems wirkt und betragsmäßig kleiner/gleich dem Moment des Fahrerassistenzsystems ist. Hierdurch kann ermittelt werden, wie stark der Fahrer die Armmuskeln anspannt, um gegen das Fahrerassistenzsystem zu arbeiten, oder aber auch, ob der Fahrer die Hände entspannt auf das Lenkrad legt oder gar vom Lenkrad wegnimmt. Dieses Konfliktmoment erlaubt erheblich bessere Rückschlüsse auf das Konfliktpotential mit dem Fahrerassistenzsystem. Das Fahrerarmimpedanzmodell berücksichtigt dabei auch, dass ohne Handmoment sich der Lenkradwinkel nicht in die Neutralstellung, sondern in den Lenkradwinkel des Fahrerassistenzsystems einstellen würde. Weiter berücksichtigt das Fahrerarmimpedanzmodell vorzugsweise auch, dass das Moment zur Kompensation der Straßenkräfte und der Serienlenkkraftunterstützung nicht in allen Fällen nur vom Fahrer kompensiert wird, sondern dass auch das Fahrerassistenzsystem anteilig oder komplett (je nach Situation) dieses Moment kompensieren muss.
• In einer Ausführungsform wird zusätzlich ein Aktivitätsmoment des Fahrers mittels des Fahrerarmimpedanzmodells ermittelt, wobei das Aktivitätsmoment ein Moment ist, das der Fahrer auf eine Lenkhandhabe gibt, um das Fahrzeug aktiv zu lenken, wobei das Aktivitätsmoment mindestens zwei Komponenten umfasst, wobei die erste Komponente das Moment ist, das der Fahrer aufbringen muss, um seinen Wunschlenkwinkel zu stellen, und die zweite Komponente ein Moment ist, das der Fahrer zur Kompensation der Straßenkräfte und einer Serienlenkkraftunterstützung aufbringen muss. Konfliktmoment und Aktivitätsmoment zusammen ergeben das Fahrermoment.
• In einer weiteren Ausführungsform weist das Fahrerarmimpedanzmodell die Form $$\left({\ddot{\delta }}_e{\dot{\delta }}_e{\delta }_{e}1\right)\cdot \left(\begin{array}{c}{J}_D\\ b_D\\ k_D\\ T_D^{\delta }\end{array}\right)=J_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }+T_S-T_{r,D}$$

  

  auf, wobei δ_e = δ_a - δ ist, wobei δ der aktuelle Lenkradwinkel und δ_a der Lenkradwinkel ist, den das Fahrerassistenzsystem einstellen will, wobei J_D das Trägheitsmoment des Feder-Masse-Dämpfer-Systems Fahrerarm-Lenkrad ist, b_D die Dämpfung und k_D das Steifigkeitsmoment des Fahrerarm-Lenkrad-Systems sind, $T_D^{\delta }$

  

  das Moment ist, welches der Fahrer aufbringen muss, um seinen Wunschlenkwinkel zu folgen, J_S das Trägheitsmoment des Lenkrades und b_S die
• Dämpfung des Lenkrades sind, T_S das Torsionsstabmoment eines Torsionsstabes zwischen einer Lenksäule und einer Ritzelwelle und T_r,D das vom Fahrer gestellte Moment zur Kompensation des Momentes, welches aufgrund der Straßenkräfte und der Serienlenkkraftunterstützung am Lenkrad zu spüren ist.
• Die vier unbekannten zeitvariierenden Parameter J_D, b_D, k_D und $T_D^{\delta }$

  

  können durch mathematische Methoden der Parameteridentifikation und/oder Optimierung unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen berechnet werden. Anschließend können daraus die resultierenden Konfliktmomente und Aktivitätsmomente berechnet werden.
• In einer weiteren Ausführungsform wird mindestens das ermittelte Konfliktmoment an das mindestens eine Fahrerassistenzsystem übermittelt, das dann das Moment des Fahrerassistenzsystems anpasst, sodass das Konfliktmoment reduziert wird bzw. unterhalb eines Schwellwertes liegt. Hierdurch adaptiert sich das Fahrerassistenzsystem quasi in Echtzeit an den Fahrer.
• In einer weiteren Ausführungsform werden mindestens die Konfliktmomente über der Zeit abgespeichert und stehen somit für off-line-Anpassungen zur Verfügung. Dabei gilt, dass je höher das Konfliktmoment ausfällt, desto stärker agiert der Fahrer gegen die Assistenz, was ein Index für eine Unzufriedenheit mit dem Systemeigriff ist. Die Höhe des Aktivitätsmoments beschreibt, wie aktiv bzw. passiv der Fahrer am Lenkrad agiert, was ein Index dafür ist, wie sehr sein Ziel mit dem Ziel des Systems zusammenpasst bzw. wie sehr der Fahrer dem System die Fahraufgabe überlässt.
• Die Vorrichtung zur Ermittlung der Interaktionen eines Fahrers mit einem elektromechanischen Lenksystem, wobei das elektromechanische Lenksystem mindestens ein Fahrerassistenzsystem aufweist oder mit diesem verbunden ist, wobei das Fahrerassistenzsystem Momente vorgibt, die von dem elektromechanischen Lenksystem umgesetzt werden, wobei in einem teil- oder vollautomatischen Betrieb das Fahrerassistenzsystem die Fahraufgabe komplett übernehmen kann, wobei die Vorrichtung ein Fahrerarmimpedanzmodell sowie eine Berechnungseinheit aufweist, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die Berechnungseinheit mittels des Fahrerarmimpedanzmodells mindestens ein Konfliktmoment ermittelt, wobei das Konfliktmoment das Moment ist, was der Fahrer aufbringt, um dem Eingriff des Fahrerassistenzsystems entgegenzuwirken, wobei im Fahrerarmimpedanzmodell als Randbedingung berücksichtigt wird, dass das Konfliktmoment entgegen dem Moment des Fahrerassistenzsystems wirkt und betragsmäßig kleiner/gleich dem Moment des Fahrerassistenzsystems ist.
• Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen verfahrensmäßigen Ausgestaltungen Bezug genommen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Lenksystems (Stand der Technik),
• 2 einen Freischnitt durch das Lenksystem,
• 3a-3c Darstellung verschiedener Momente an einem Lenkrad
• 4 eine schematische Darstellung des Feder-Masse-Dämpfer-Systems Arm-Lenkrad,
• 5a eine Verkehrssituation ohne Anpassung der Fahrerassistenz,
• 5b eine Verkehrssituation mit Anpassung der Fahrerassistenz und
• 6 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung.
• Nachfolgend soll zunächst die Herleitung des Fahrerarmimpedanzmodells näher erläutert werden, wobei in 1 schematisch ein elektromechanisches Lenksystem 1 dargestellt ist. Das Lenksystem 1 umfasst eine Lenkhandhabe in Form eines Lenkrades 2, eine Lenksäule 3, einen Torsionsstab 4, eine Ritzelwelle 5 und eine Zahnstange 6. Die Zahnstange 6 ist über eine Spurstange und eine Radaufhängung jeweils mit einem Reifen 7 verbunden. Weiter weist das elektromechanische Lenksystem einen elektrischen Servomotor 8 auf, der über eine Motorwelle 9 mit der Zahnstange 6 verbunden ist, gegebenenfalls über ein nicht dargestelltes Getriebe. Dabei bringt der Servomotor 8 ein Motormoment T_EPS auf, das die Summe ist aus einer serienmäßigen Lenkunterstützung $T_{Serie}^{EPS}$

  

  und einem Moment $T_A^{EPS}$

  

  eines Fahrerassistenzsystems, um beispielsweise das Fahrzeug entlang einer Trajektorie zu führen.
• Die Modellierung der Lenkraddynamik kann dann daher erst einmal wie folgt beschrieben werden:
• Modellierung der Lenkraddynamik
  • - Motormoment: $T_{EPS}=T_{serie}^{EPS}+T_A^{EPS}$
    
  • - Torsionsstabmoment: T_S = k_S · (δ - δ_PS)
  mit
  • - k_S: Torsionsfedersteifigkeit
  • - δ: Lenkradwinkel
  • - δ_PS: Winkel der Ritzelwelle
• Im nächsten Schritt wird zur Modellierung der Lenksäule 3 und der Ritzelwelle 5 das System freigeschnitten und die folgenden Gleichungen aufgestellt:
• Momentengleichgewicht für das System aus Lenkrad 2 und Lenksäule 3: $$T_D-T_S-J_S\ddot{\delta }-b_S\dot{\delta }=0$$
  
  mit
  • - δ: Lenkradwinkel, δ: Lenkradwinkelgeschwindigkeit, δ: Lenkradwinkelbeschleunigung
  • - J_S: Trägheitsmoment des Lenkrads
  • - b_S: Dämpfung des Lenkrads
  • - T_D: Fahrermoment
  • - T_S: Torsionsstabmoment
• Momentengleichgewicht für Ritzelwelle 5: $$T_S+T_A-T_r=0$$
  
  mit
  • - T_r: Moment, welches der Fahrer im Serienbetrieb (T_A = 0) aufgrund der Straßenkräfte und der Serienlenkkraftunterstützung am Lenkrad spüren würde,
  • - T_A: das auf der Ritzelwelle wirkende zusätzliche Unterstützungsmoment, mit
  $$T_A=\frac{i_g}{i_{EPS}}\cdot T_A^{EPS}$$
  
  mit i_g das Übersetzungsverhältnis vom Ritzelwellenmoment auf die Zahnstangenkraft und i_EPS das Übersetzungsverhältnis vom EPS-Motormoment auf die Zahnstangenkraft
• Gleichungen ineinander einsetzen ergibt: $$T_A+T_D=T_r+J_s\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }$$
  
  Anschließend erfolgt die Modellierung des Fahrermoments.
• Modellierung des Fahrermoments: $$T_D=T_D^S+T_D^C$$
  
  mit
  • - $T_D^S:$
    
    Aktivitätsmoment, welches der Fahrer auf das Lenkrad gibt, um das Fahrzeug aktiv zu steuern
  • - $T_D^C:$
    
    Konfliktmoment, was der Fahrer aufbringt, um den Eingriffen des Assistenzsystems entgegenzuwirken $$\{\begin{array}{cc}-T_A\le T_D^C\le 0& T_A\ge 0\\ 0\le T_D^C\le -T_A& T_A<0\end{array}$$
    
• Modellierung des Aktivitätsmoments: $$T_D^S=T_D^{\delta }+T_{r,D}$$
  
  mit
  • - $$T_D^{\delta }$$
    
    : Moment, welches der Fahrer aufbringen muss, um seinem Wunschlenkradwinkel δ zu folgen
  • - T_r,D: das vom Fahrer gestellte Moment zur Kompensation des Moments, welches aufgrund der Straßenkräfte und der Serienlenkkraftunterstützung am Lenkrad zu spüren ist $$\{\begin{array}{cc}0\le T_{r,D}\le T_r& T_r\ge 0\\ T_r\le T_{r,D}\le 0& T_r<0\end{array}$$
    
• Modellierung des Moments, welches aufgrund der Straßenkräfte und der Serienlenkkraftunterstützung am Lenkrad zu spüren ist:
  • - $$T_rƒT_{r,D}+T_{r,A}$$
    
    $$\{\begin{array}{cc}0\le T_{r,A}\le T_A& T_A\ge 0\\ T_A\le T_{r,A}\le 0& T_A<0\end{array}$$
    
• Die erste Nebenbedingung drückt dabei aus, dass das Konfliktmoment $T_D^C$

  

  nie größer als das Moment T_A des Fahrerassistenzsystems sein kann.
• Die zweite Nebenbedingung drückt aus, dass der Fahrer maximal das ganze T_r kompensieren muss, aber eben auch nicht mehr.
• Die dritte Nebenbedingung drückt aus, dass das Moment T_A des Fahrerassistenzsystems immer seinen Anteil an T_r mindestens kompensiert.
• Nebenbedingungen an T_r,D:
• Aus den Gleichungen und den Nebenbedingungen gelten folgende Zusammenhänge für T_r,D
  • - $$\{\begin{array}{cc}{T}_{r,D}=T_r& ƒ\ddot{\text{u}}r{T}_r\cdot T_A<0\\ \text{max}\left\{T_S\mathrm{,0}\right\}\le T_{r,D}\le T_r& ƒ\ddot{\text{u}}r{T}_r\ge 0und{T}_A\ge 0\\ T_r\le T_{r,D}\le \text{min}\left\{T_S\mathrm{,0}\right\}& ƒ\ddot{\text{u}}r{T}_r<0und{T}_A<0\end{array}$$
    
• Außerdem muss folgende Anforderung gelten:
  • - $$\{\begin{array}{cc}0\le T_{r,D}\le T_S& ƒ\ddot{\text{u}}r{T}_S\ge 0\\ T_S\le T_{r,D}\le 0& ƒ\ddot{\text{u}}r{T}_S<0\end{array}$$
    
• Begründet werden kann diese Nebenbedingung damit, dass bei manueller Fahrt (T_A = 0) das gesamte Moment T_r vom Fahrer kompensiert werden muss, da in diesem Fall gilt: $$T_{r,D}=T_r=T_S.$$

  
• Zusammengefasst gilt dann:
• - $$T_{r,D}=\{\begin{array}{cc}{T}_r& ƒ\ddot{\text{u}}r{T}_r\cdot T_A<0\\ max\left\{T_S\mathrm{,0}\right\}& ƒ\ddot{\text{u}}r{T}_r\ge 0und{T}_A\ge 0\\ min\left\{T_S.0\right\}& ƒ\ddot{\text{u}}r{T}_r<0und{T}_A<0\end{array}$$
  
• D.h. T_r,D kann allein aus dem gemessenen Torsionsstabmoment T_S und dem bekannten Assistenzmoment T_A berechnet werden.
• In den 3a-3c ist das Momentengleichgewicht am Lenkrad (3a) sowie die Modellierung des Fahrermoment T_D als Summe des Aktivitätsmoments $T_D^S$

  

  und Konfliktmoments $T_D^C$

  

  (3b) und des Aktivitätsmoments $T_D^S$

  

  (3c) dargestellt, wobei sich das Momentengleichgewicht am Lenkrad 2 ergibt:
• - $$T_D^{\delta }+T_{r,D}+T_D^C-T_S-J_S\ddot{\delta }-b_S\dot{\delta }=0$$
  
• Nebenbedingungen an $$T_D^{\delta }$$

  

  :
• - $$\{\begin{array}{cc}0\le T_D^{\delta }\le J_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }& ƒ\ddot{\text{u}}r{J}_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }\ge 0\\ J_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }\le T_D^S\le 0& ƒ\ddot{\text{u}}r{J}_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }<0\end{array}$$
  
• Begründet werden kann diese Nebenbedingung damit, dass bei manueller Fahrt (T_A = 0) die Beziehung $T_D^{\delta }=J_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }$

  

  gilt. Wird der Fahrer jedoch unterstützt, kann die Beschleunigung des Lenkrads und die Überwindung der Reibung ebenfalls vom Assistenzmoment anteilig oder komplett hervorgerufen werden, sodass das vom Fahrer aufgebrachte Moment $T_D^{\delta }$

  

  in der unterstützten Fahrt vom Betrag her maximal dem Moment $J_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }$

  

  entsprechen kann.
• Nachfolgend wird das Konfliktmoment $T_D^C$

  

  modelliert.
• Das System aus Fahrerarm und Lenkrad wird als Feder-Masse-Dämpfer-System mit den zeitveränderlichen Parametern J_D, b_D, k_D ≥ 0 modelliert. Für das Konfliktmoment gilt:
• - $$T_D^C=J_S{\ddot{\delta }}_e+b_S{\dot{\delta }}_e+k_D{\delta }_e.$$
  
• Dabei ist δ_e = δ_A - δ. Damit wird sichergestellt, dass das Feder-Masse-Dämpfer-System nicht auf die Neutralposition des Lenkr ads (δ = 0) bezieht, sondern auf den vom Assistenzsystem gewünschten Lenkradwinkel δ_A, d.h. sobald der Fahrer während der unterstützten Fahrt das Lenkrad loslässt, regelt das Assistenzsystem seinen Lenkradwinkelwunsch δ_A ein. Möchte der Fahrer beispielsweise einen anderen Lenkwinkel wählen (schwarz durchgezogenes Lenkrad), muss er bildlich gesprochen an dem Feder-Masse-Dämpfer-System ziehen, indem er ein Moment $T_D^C$

  

  ausübt. Durch das Feder-Masse-Dämpfer-System wirkt jedoch ein Trägheitsmoment J_D, ein Dämpfungsmoment b_D und ein Steifigkeitsmoment k_D in die entgegengesetzte Richtung. Dies ist in 4 dargestellt.
• Daraus ergibt sich dann das folgende Fahrerarmimpedanzmodell:
• - $$J_S{\ddot{\delta }}_e+b_S{\dot{\delta }}_e+k_D{\delta }_e+T_D^{\delta }+T_{r,D}=\left(J_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }+T_S\right)\}\begin{array}{l}\begin{array}{l}-Messdatenbzw.ausMessdaten\\ berechnet\end{array}\hfill \\ -Fahrzeugparameter\hfill \end{array}$$
  
• - $$\left({\ddot{\delta }}_e{\dot{\delta }}_e{\delta }_{e}1\right)\cdot \left(\begin{array}{c}{J}_D\\ b_D\\ k_D\\ T_D^{\delta }\end{array}\right)=J_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }+T_S-T_{r,D}$$
  
• Die vier unbekannten, zeitvarianten Größen J_D, b_D, k_D, $T_D^{\delta }$

  

  können dann durch mathematische Methoden der Parameteridentifikation und/oder Optimierung unter Berücksichtigung der vorgestellten Nebenbedingungen berechnet werden. Dies kann beispielsweise wie folgt erfolgen. Die Modellgleichung gilt jeweils für einen Zeitschritt. Dann werden mehrere Zeitschritte über ein vorgegebenes Zeitintervall ausgewertet (z.B. die letzten 2 Sekunden mit einer Abtastrate von 5 ms, was 400 Zeitschritten entspricht). Mittels der Varying Coefficients (VC) Methode können diese Gleichungen für die verschiedenen Zeitschritte in ein einziges quadratisches Programm umgeformt werden. Methoden zur Lösung von quadratischen Programmen sind in vielen Solver und Skriptsprachen bereits Standard (z.B. MATLAB, Mathematica, Python, R, IPOPT).
• Nach Lösen des Problems können Konfliktmoment und Aktivitätsmoment ausgerechnet werden:
• - Konfliktmoment: $T_D^C=J_D\ddot{\delta }+b_D{\dot{\delta }}_e+k_D{\delta }_e$
  
• - Aktivitätsmoment: $T_D^S=T_D^{\delta }+T_{r,D}$
  
• In den 5a und 5b ist beispielshaft eine Verkehrssituation dargestellt, wobei in 5a keine Anpassung des Momentes des Fahrerassistenzsystems erfolgt und in 5b eine Anpassung erfolgt. Dabei ist die punkt-gestrichelte Linie die Trajektorie, die das Fahrerassistenzsystem fahren möchte (Fahrzeug soll in der Mitte der Fahrspur gehalten werden). Gestrichelt ist die Trajektorie dargestellt, die der Fahrer fahren möchte (weiter rechts). Hierzu muss der Fahrer das Assistenzsystem übersteuern, wobei unterhalb der Verkehrssituation das Konfliktmoment $T_D^C$

  

  in [Nm] über den Weg s in [m] dargestellt ist. Dabei erkennt man, dass das Konfliktmoment $T_D^C$

  

  sehr groß ist und einen Schwellwert S überschreitet.
• In 5b ist nun die gleiche Fahrsituation dargestellt, wobei das Fahrerassistenzsystem sein Moment T_A an das Konfliktmoment $T_D^C$

  

  anpasst, sodass das Konfliktmoment $T_D^C$

  

  reduziert wird und den Schwellwert S nicht überschreitet.
• In der 6 ist stark vereinfacht eine Vorrichtung 10 zur Ermittlung der Interaktionen eines Fahrers mit einem elektromechanischen Lenksystem 1 dargestellt. Dabei weist die Vorrichtung 10 ein Fahrerarmimpedanzmodell 11, eine Berechnungseinheit 12 und einen Speicher 13 auf. Als Eingangsgrößen erhält dann die Vorrichtung 10 die notwenigen Messdaten für das Fahrerarmimpedanzmodell, wobei die Fahrzeugparameter wie beispielsweise J_S und b_S fest abgelegt sein können. Die von der Berechnungseinheit 12 berechneten Konflikt- und Aktivitätsmomente $T_D^C,T_D^S$

  

  werden dann im Speicher 13 abgespeichert und stehen dann für nachträgliche Auswertungen zur Verfügung. Alternativ können diese Daten über eine Luftschnittstelle an einen Sensor oder in eine Cloud übermittelt werden. Zusätzlich kann die Vorrichtung 10 das jeweils ermittelte Konflikt- und Aktivitätsmoment $T_D^C,T_D^S$

  

  an ein Fahrerassistenzsystem 14 übermitteln, das dann sein Moment T_A anpassen kann, um das Konfliktmoment $T_D^C$

  

  zu minimieren.
• Bezugszeichenliste

1

Lenksystem

2

Lenkrad

3

Lenksäule

4

Torsionsstab

5

Ritzelwelle

6

Zahnstange

7

Reifen

8

Servomotor

9

Motorwelle

10

Vorrichtung

11

Fahrerarmimpedanzmodell

12

Berechnungseinheit

13

Speicher

14

Fahrerassistenzsystem

s

Weg

S

Schwellwert

bS

Dämpfung des Lenkrads

bD

Dämpfungsmoment

ig

Übersetzungsverhältnis

iESP

Übersetzungsverhältnis

JS

Trägheitsmoment des Lenkrads

JD

Trägheitsmoment

kS

Torsionsfedersteifigkeit

kD

Steifigkeitsmoment

TD

Fahrermoment

TS

Torsionsstabmoment

Tr

Moment

Konfliktmoment

Aktivitätsmoment

TEPS

Motormoment

serienmäßige Lenkunterstützung

Moment eines Fahrerassistenzsystems

δ

Lenkradwinkel

Lenkradwinkelgeschwindigkeit

Lenkradwinkelbeschleunigung

δPS

Winkel der Ritzelwelle

δA

Lenkradwinkel des Fahrerassistenzsystems

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung der Interaktionen eines Fahrers mit einem elektromechanischen Lenksystem (1), wobei das elektromechanische Lenksystem (1) mindestens ein Fahrerassistenzsystem (14) aufweist oder mit diesem verbunden ist, wobei das Fahrerassistenzsystem (14) Momente T_A vorgibt, die von dem elektromechanischen Lenksystem (1) umgesetzt werden, wobei in einem teil- oder vollautomatischen Betrieb das Fahrerassistenzsystem (14) die Fahraufgabe komplett übernehmen kann, wobei mittels eines Fahrerarmimpedanzmodells (11) mindestens ein Konfliktmoment $T_D^C$

   

   ermittelt wird, wobei das Konfliktmoment $T_D^C$

   

   das Moment ist, was der Fahrer aufbringt, um dem Eingriff des Fahrerassistenzsystems (14) entgegenzuwirken, dadurch gekennzeichnet, dass im Fahrerarmimpedanzmodell (11) als Randbedingung berücksichtigt wird, dass das Konfliktmoment $T_D^C$

   

   entgegen dem Moment T_A des Fahrerassistenzsystems (14) wirkt und betragsmäßig kleiner/gleich dem Moment T_A des Fahrerassistenzsystems (14) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Aktivitätsmoment $T_D^S$

   

   des Fahrers mittels des Fahrerarmimpedanzmodells (11) ermittelt wird, wobei das Aktivitätsmoment $T_D^S$

   

   ein Moment ist, das der Fahrer auf eine Lenkhandhabe gibt, um das Fahrzeug aktiv zu lenken, wobei das Aktivitätsmoment $T_D^S$

   

   mindestens zwei Komponenten umfasst, wobei die erste Komponente das Moment $T_D^{\delta }$

   

   ist, das der Fahrer aufbringen muss, um seinen Wunschlenkradwinkel zu stellen, und die zweite Komponente ein Moment T_r,D ist, das der Fahrer zur Kompensation der Straßenkräfte und einer Serienlenkkraftunterstützung aufbringen muss.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerarmimpedanzmodell (11) die Form $$\left({\ddot{\delta }}_e{\dot{\delta }}_e{\delta }_{e}1\right)\cdot \left(\begin{array}{c}{J}_D\\ b_D\\ k_D\\ T_D^{\delta }\end{array}\right)=J_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }+T_S-T_{r,D}$$

   

   aufweist, wobei δ_e = δ_a - δ ist, wobei δ der aktuelle Lenkradwinkel und δ_a der Lenkradwinkel ist, den das Fahrerassistenzsystem (14) einstellen will, wobei J_D das Trägheitsmoment des Feder-Masse-Dämpfer-Systems Fahrerarm-Lenkrad ist, b_D die Dämpfung und k_D das Steifigkeitsmoment des Fahrerarm-Lenkrad-Systems sind, $T_D^{\delta }$

   

   das Moment ist, welches der Fahrer aufbringen muss, um seinen Wunschlenkwinkel zu folgen, J_S das Trägheitsmoment des Lenkrades (2) und b_S die Dämpfung des Lenkrades (2) sind, T_S das Torsionsstabmoment eines Torsionsstabes (4) zwischen einer Lenksäule (3) und einer Ritzelwelle (5) und T_r,D das vom Fahrer gestellte Moment zur Kompensation des Momentes, welches aufgrund der Straßenkräfte und der Serienlenkkraftunterstützung am Lenkrad (2) zu spüren ist.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Konfliktmoment $T_D^C$

   

   an das mindestens eine Fahrerassistenzsystem (14) übermittelt wird, das dann das Moment T_A des Fahrerassistenzsystems (14) derart anpasst, dass das Konfliktmoment $T_D^C$

   

   unter einen Schwellwert (S) fällt oder reduziert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Konfliktmomente $T_D^C$

   

   und die Momente T_A des Fahrerassistenzsystems (14) über der Zeit aufgenommen und abgespeichert werden.
6. Vorrichtung (10) zur Ermittlung der Interaktionen eines Fahrers mit einem elektromechanischen Lenksystem (1), wobei das elektromechanische Lenksystem (1) mindestens ein Fahrerassistenzsystem (14) aufweist oder mit diesem verbunden ist, wobei das Fahrerassistenzsystem (14) Momente T_A vorgibt, die von dem elektromechanischen Lenksystem (1) umgesetzt werden, wobei in einem teil- oder vollautomatischen Betrieb das Fahrerassistenzsystem (14) die Fahraufgabe komplett übernehmen kann, wobei die Vorrichtung (10) ein Fahrerarmimpedanzmodell (11) sowie eine Berechnungseinheit (12) aufweist, wobei die Vorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass die Berechnungseinheit (12) mittels des Fahrerarmimpedanzmodells (11) mindestens ein Konfliktmoment $T_D^C$

   

   ermittelt, wobei das Konfliktmoment $T_D^C$

   

   das Moment ist, was der Fahrer aufbringt, um dem Eingriff des Fahrerassistenzsystems (14) entgegenzuwirken, dadurch gekennzeichnet, dass im Fahrerarmimpedanzmodell (11) als Randbedingung berücksichtigt wird, dass das Konfliktmoment $T_D^C$

   

   entgegen dem Moment T_A des Fahrerassistenzsystems (14) wirkt und betragsmäßig kleiner/gleich dem Moment T_A des Fahrerassistenzsystems (14) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) weiter derart ausgebildet ist, dass zusätzlich ein Aktivitätsmoment $T_D^S$

   

   des Fahrers mittels des Fahrerarmimpedanzmodells (11) ermittelt wird, wobei das Aktivitätsmoment $T_D^S$

   

   ein Moment ist, das der Fahrer auf eine Lenkhandhabe gibt, um das Fahrzeug aktiv zu lenken, wobei das Aktivitätsmoment $T_D^S$

   

   mindestens zwei Komponenten umfasst, wobei die erste Komponente das Moment $T_D^{\delta }$

   

   ist, das der Fahrer aufbringen muss, um seinen Wunschlenkradwinkel zu stellen, und die zweite Komponente ein Moment T_r,D ist, das der Fahrer zur Kompensation der Straßenkräfte und einer Serienlenkkraftunterstützung aufbringen muss.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerarmimpedanzmodell (11) die Form $$\left({\ddot{\delta }}_e{\dot{\delta }}_e{\delta }_{e}1\right)\cdot \left(\begin{array}{c}{J}_D\\ b_D\\ k_D\\ T_D^{\delta }\end{array}\right)=J_S\ddot{\delta }+b_S\dot{\delta }+T_S-T_{r,D}$$

   

   aufweist, wobei δ_e = δ_a - δ ist, wobei δ der aktuelle Lenkradwinkel und δ_a der Lenkradwinkel ist, den das Fahrerassistenzsystem einstellen will, wobei J_D das Trägheitsmoment des Feder-Masse-Dämpfer-Systems Fahrerarm-Lenkrad ist, b_D die Dämpfung und k_D das Steifigkeitsmoment des Fahrerarm-Lenkrad-Systems sind, T_D das Moment ist, welches der Fahrer aufbringen muss, um seinen Wunschlenkwinkel zu folgen, J_S das Trägheitsmoment des Lenkrades (2) und b_S die Dämpfung des Lenkrades (2) sind, T_S das Torsionsstabmoment eines Torsionsstabes (4) zwischen einer Lenksäule (3) und einer Ritzelwelle (5) und T_r,D das vom Fahrer gestellte Moment zur Kompensation des Momentes, welches aufgrund der Straßenkräfte und der Serienlenkkraftunterstützung am Lenkrad zu spüren ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass das Konfliktmoment $T_D^C$

   

   an das mindestens eine Fahrerassistenzsystem (14) übermittelt wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass mindestens die Konfliktmomente $T_D^C$

    

    und die Momente T_A des Fahrerassistenzsystems (14) über der Zeit aufgenommen und abgespeichert werden.

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