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Die Erfindung betrifft eine Bedieneinrichtung mit
einem Bedienelement und ein Verfahren zur Ermittlung eines Sollwertes
aus der Betätigung
des Bedienelements.
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Es sind zum Beispiel aus der
DE 19625501 A1 Bedieneinrichtungen
bekannt, die ein Bedienelement aufweisen, dessen Betätigung durch
einen Sensor erfasst wird. Aus der Betätigung wird dann in einer Auswerteeinheit
ein Sollwert ermittelt. Der Sensor erfasst die in das Bedienelement
eingeleitete Betätigungskraft
in einer vorgesehenen Betätigungsrichtung.
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Bei solchen Bedieneinrichtungen kann
es sich als nachteilig erweisen, wenn die vorgesehene Betätigungsrichtung
des Bedienelementes nicht genau genug reproduzierbar ist. Der Bezug
zwischen eingeleiteter Betätigungskraft
und Sollwert kann sich für
den Bediener nicht mehr intuitiv ergeben, wenn aufgrund von unterschiedlichen
Abweichungen der Betätigungsrichtung
von der vorgesehenen Betätigungsrichtung
bei für
den Bediener gleicher Betätigung
unterschiedliche Sollwertergeben.
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Entsprechendes gilt, wenn die Position
des Bedienelementes veränderbar
ist. Ist es beispielsweise aus Gründen der Ergonomie oder der
Anpassung an unterschiedliche Bediener möglich, die Position und die
Ausrichtung des Bedienelementes zu verändern, so ändert sich damit auch die vorgegebene
Betätigungsrichtung
des Bedienelementes. Auch dies kann dazu füh ren, dass ein Bediener, der
die Position und Ausrichtung des Bedienelementes verändert, die
intuitive Beziehung zwischen Betätigung und
Wirkung der Betätigung
verliert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
auch bei die Betätigungskraft
erfassenden Bedienelementen die intuitive Beziehung zwischen eingeleiteter
Betätigungskraft
und Sollwert sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Bedieneinrichtung
und ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Ermittlung des Sollwertes gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Bedieneinrichtung weist
ein Bedienelement auf. Ein Sensor erfasst die Betätigung des
Bedienelementes. Es ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die aus
der Betätigung
des Bedienelementes einen Sollwert ableitet. Der Sensor erfasst
dabei die auf das Bedienelement eingeleitete Betätigungskraft. Gemäß der Erfindung
erfasst der Sensor die in unterschiedliche Richtungen einwirkenden
Kräfte
und ermittelt den Sollwert in Abhängigkeit aller erfassten Kräfte.
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Durch die Ausbildung der Bedieneinrichtung mit
einem Sensor, der die Betätigungskraft
in unterschiedlichen Richtungen erfasst, wird die Bedieneinrichtung
unabhängig
von dem Einhalten einer vorgegebenen Betätigungsrichtung. Die Bedieneinrichtung ist
daher variabler, sie kann vorteilhafter weise verstellbar ausgebildet
werden.
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Ausgestaltungen der Erfindung können es vorsehen,
dass die auf das Bedienelement einwirkende Betätigungskraft in zwei oder drei
Richtungen erfasst wird. Die Richtungen in denen die Betätigungskraft
erfasst wird, können
insbesondere rechtwinklig zueinander sein und schließen einen
Winkel zwischen 0° und
180° ein.
Die Ausrichtung der Richtungen der Messung der Betätigungskraft
kann beispielsweise entlang einer erwarteten Vorzugsrichtung, in
deren Richtung die größte Betätigungs kraft erwartet
wird, und in einer oder zwei dazu orthogonalen Richtungen erfolgen.
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Andererseits kann es auch von Vorteil
sein, wenn die Richtungen von der erwarteten Vorzugsrichtung abweichen.
Insbesondere kann ein Winkel von 30° bis 60°, vorzugsweise um 45° zwischen
der erwarteten Vorzugsrichtung und den Richtungen des Erfassens
der Kräfte
vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil, dass dann in allen Richtungen
ein Messsignal gleicher Größenordnung
auftritt und damit die Anfälligkeit
gegen Störungen
und Messfehler verringert wird. Darüber hinaus ist dadurch eine
gegenseitige Überprüfbarkeit
der vom Sensor erfassten Werte in unterschiedlichen Richtungen gegeben.
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Zum Erfassen der Betätigungskraft
kann der Sensor als in mehreren Richtungen messendes Bauteil ausgebildet
sein oder aber als Kombination mehrerer Messelemente, die jeweils
die Betätigungskraft in
eine Richtung erfassen, wobei die Messelemente dabei sowohl unmittelbar
nebeneinander als auch an unterschiedlichen Stellen am Betätigungselement angeordnet
sein können.
Selbstverständlich
können einzelne
Teile der Bedieneinrichtung sowie – abgesehen vom Bedienelement
selbst – die
gesamte Bedieneinrichtung redundant ausgebildet sein, falls dies
für die
Betriebssicherheit der durch die Bedieneinrichtung bedienten Anlage,
beispielsweise ein Kraftfahrzeug, wünschenswert oder erforderlich
ist.
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Das Bedienelement kann feststehend
angeordnet sein. Ein feststehendes Bedienelement im Sinn der vorliegenden
Erfindung ist ein Bedienelement, das beim Betätigen seine Lage gegenüber einem
Halteteil, an dem das Bedienelement angeordnet ist, im Wesentlichen
nicht verändert.
Es kann sich dabei beispielsweise auch um ein Bedienelement handeln,
auf das Steller entgegen der Betätigung
des Bedienelements so einwirken, dass das Bedienelement lageunverändert bleibt.
In diesem Fall ist also nicht das Bedienelement an sich unbeweglich,
es wird lediglich ständig
eine der Bedienung entgegenwirkende Gegen kraft eingesteuert bzw.
eingeregelt. Dennoch ändert
sich die Lage des Bedienelementes nicht, weshalb es im vorliegenden
Zusammenhang auch als feststehendes Bedienelement angesehen werden
kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sehen
vor, dass das Bedienelement flächig
ausgebildete Betätigungselemente
aufweist. Ein Beispiel für
ein solch flächiges
Betätigungselement
ist eine Platte, insbesondere eine Trittplatte. Dabei wird insbesondere
die Betätigungskraft
in Richtung der Flächennormalen sowie
einer weiteren Richtung, die in der Ebene der Fläche liegt gemessen. Ist das
flächige
Element gegenüber
einer Bezugsebene, wie beispielsweise dem Fahrzeugboden geneigt,
so liegt eine weitere Richtung vorteilhafter Weise in Richtung dieser
Neigung.
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Bei der Bedieneinrichtung handelt
es sich gemäß Ausgestaltungen
der Erfindung um eine in einem Fahrzeug angeordnete Bedieneinrichtung.
Das Bedienelement der Bedieneinrichtung ist insbesondere mit dem
Fuß betätigbar,
vorzugsweise ist es als vom Fahrer zu betätigendes Bedienelement ausgebildet.
Es ist insbesondere im Fahrer-Fußraum angeordnet. Es kann vorzugsweise
der Vorgabe einer die Längsdynamik
des Fahrzeugs beschreibenden Größe dienen.
In diesem Fall ersetzt die Bedieneinrichtung das herkömmliche
Gaspedal und/oder das herkömmliche
Bremspedal. Es wird über
die Bedieneinrichtung ein Sollwert vorgegeben, der sich auf die Geschwindigkeit
oder die Beschleunigung bzw. die Fahrzeugverzögerung beziehen kann.
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Eine besondere Ausführungsform
der Erfindung sieht die Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Bedieneinrichtungen
unmittelbar nebeneinander vor. Die Bedieneinrichtungen weisen dabei
ein gemeinsames Bedienelement auf. Es wird neben dem Erfassen der
Betätigungskraft
in wenigstens zwei Richtungen auch die Position der Betätigung des
Bedienelementes erfasst. Die Betätigung
wird in Abhängigkeit
der Position der Betätigung
ei nem der Bedienelemente zugeordnet, der zu der Bedieneinheit mit diesem
zugeordneten Bedienelement gehörende Sollwert
wird ermittelt. Eine derartige Ausführungsform kann beispielsweise
in Fahrzeugen vorgesehen sein, bei der das Bedienelement als eine
breite Betätigungsplatte
ausgeführt
ist, die sowohl die Funktion des Bremspedals als auch die Funktion
des Gaspedals übernimmt.
Die Platte kann sich dabei über
eine erhebliche Breite erstrecken und auch Zonen aufweisen, denen
keine Betätigung
eines Bedienelements zugeordnet ist. Die Position der Betätigung des
Bedienelementes, also die Position in der der Fuß des Fahrers auf die Betätigungsplatte
einwirkt, entscheidet darüber
welche der beiden Funktion, Bremspedal bzw. Verlangsamen der Fahrgeschwindigkeit
(Vorgabe einer Verzögerung
während
der Betätigung)
oder Gaspedal bzw. Erhöhen
der Fahrgeschwindigkeit (Vorgabe einer Fahrzeugbeschleunigung)die
Betätigung
zugeordnet wird. Es wird dadurch bestimmt, welche Sollgröße aus der
Betätigung
abgeleitet wird. Dabei kann die Ermittlung der Sollgröße in einer
den Bedienelementen gemeinsamen Auswerteeinheit oder aber in getrennten
Auswerteeinheiten erfolgen. Das Bedienelement kann auch als ein
Betätigungsplatte
ausgebildet sein, die in Segmente unterteilt ist, wobei eine eineindeutige
Zuordnung zwischen Segment und Bedienelement gegeben ist. Jedes
der Segmente kann dabei für
sich genommen eine Bedieneinheit eines Bedienelementes sein. Die
Segmente können,
abgesehen von der Unterbringung in einer gemeinsamen Betätigungsplatte,
voneinander unabhängig
sein.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren sieht vor, dass
aus der Betätigung
eines Bedienelements einer Bedieneinrichtung ein Sollwert ermittelt
wird. Hierzu wird die in das Bedienelement eingeleitete Betätigungskraft
durch einen Sensor erfasst. In einer Auswerteeinheit wird aus der
erfassten Betätigungskraft ein
Sollwert ermittelt. Dabei wird in dem Sensor die Betätigungskraft
in unterschiedlichen Richtungen erfasst, in der Auswerteeinheit
wird durch Vektoraddition der Summenvektor ermittelt, wobei der
Summenvektor der Sollwertermittlung zugrundegelegt wird.
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Gemäß bevorzugter Ausgestaltung
der Erfindung wird der Sollwert insbesondere aus dem Betrag des
Summenvektors ermittelt.
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Im übrigen ist die Erfindung auch
anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung;
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2a, 2b schematische Darstellungen der Ermittlung
des Summenvektors bei unterschiedlichen Positionen des Bedienelementes;
und
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3 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die 1 zeigt
die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung 10. Die
Bedieneinrichtung besteht im wesentlichen aus dem Bedienelement 15,
das als flächige
Platte ausgebildet ist. Das Bedienelement 15 weist den
Sensor 16 auf, der die auf das Bedienelement 15 einwirkende
Betätigungskraft
erfasst. Dabei kann mit dem Sensor 16 insbesondere die
Kraft Fn in Richtung der Normalen der flächigen Ausdehnung des Bedienelements 15 sowie
die Kraft Fr in der weiteren Richtung, die in der Neigungsrichtung
bzw. in etwa der Plattenebene des Bedienelementes 10 gegenüber dem Fahrzeugboden 11 verläuft, erfasst
werden. Die Messergebnisse des Sensors 15 werden an die
Auswerteeinheit 17 übermittelt,
in der dann der Summenvektor Fs für die eingeleitete Betätigungskraft
und daraus dann der Sollwert für
die Größe, die
der Bedieneinrichtung zugeordnet ist, ermittelt wird. In der dargestellten
Ausführungsform
ist die Auswerteeinheit unmittelbar am Bedienelement angeordnet,
sie kann aber auch an anderer Stelle positioniert sein. Sie kann
in das Bedienelement 15 integriert oder an anderer Stelle
angeordnet sein. Dabei kann es sich bei der Auswerteeinrichtung 17 auch
um eine Teilfunktion eines anderen Steuergerätes mit weiteren Aufgaben handeln.
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Das Bedienelement 15 ist
als flächige
Platte ausgebildet und in einer Schiene 12 längsverstellbar gegenüber dem
Fahrzeugboden im Fußraum
vor dem Fahrersitz eines Fahrzeugs angeordnet. Die Längsverstellung
ermöglicht
eine ergonomische Platzierung des Bedienelements bezüglich des
Fahrers. Darüber
hinaus ist das Bedienelement um die quer zum Fahrzeug verlaufende
Achse 13 schwenkbar gehalten. Die 1 zeigt in durchgezogener bzw. strichpunktierter
Darstellung die Bedieneinrichtung in zwei unterschiedlichen Stellungen,
wie sie einstellbar sind.
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Die 2a bzw. 2b zeigt die sich in der linken bzw. der
rechten der in 1 dargestellten
Stellung ergebenden Messergebnisse des Sensors 16, der
die eingeleitete Betätigungskraft
Ff, die beispielsweise vom Fuß des
Fahrers auf das Bedienelement 15 einwirkt, in den beiden
dargestellten Richtungen Normal und in Richtung des Bedienelements 15 erfasst.
Die Kraft Fn bzw. Fn' in
Richtung der Normalen entspricht dabei dem, was gemessen würde, wenn der
Sensor 17 nur in einer Messrichtung messen würde. Die
in der weiteren Richtung gemessene Kraft Fr bzw. Fr' ist die Kraftkomponente
die längs
der Fläche des
Bedienelementes 15, also in Richtung der Neigung des Bedienelementes 15 – quer zur
Schwenkachse 13 – gegenüber dem
Fahrzeugboden 11 verläuft.
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Aus dem Vergleich der beiden 2a und 2b erkennt
man, dass aufgrund der unterschiedlichen Schwenkstellung um die
Schwenkachse 13 bezüglich
dem Fahrzeugboden bei gleicher eingeleiteter Betätigungskraft Ff unterschiedliche
Kräfte
Fn bzw. Fn' in der
Normalenrichtung erfasst werden. Ist, wie in der gestrichelten Darstellung
der 1 gezeigt und in
der 2b von den Kräften her dargestellt, das Bedienelement
flacher gegenüber
dem Fahrzeugboden angestellt, als bei der in 1 durchgezogen gezeigten und in der 2a vektoriell veranschaulichten Positionierung,
so ist die sich aus gleicher Betätigungskraft
Ff ergebende Kraft Fn' in
Normalenrichtung geringer als die Kraft Fn. Bei gleicher Betätigungskraft
würden,
wenn man die Betätigungskraft
nur in einer Richtung erfasst, bei unterschiedlicher Stellung des
Bedienelements 15 unterschiedliche Betätigungskraftwerte erfasst und
somit abweichende Sollwerte ermittelt werden. Die abweichenden Sollwerte
führen
dann zu abweichendem Verhalten der gesteuerten Anlage, im Beispiel
ein Fahrzeug. Somit ist ein Fahrer bei Verwendung unterschiedlicher
Ausrichtungen des Bedienelements nicht in der Lage einen intuitiven
Zusammenhang zwischen Betätigungskraft
Ff und Fahrzeugverhalten zu erlernen.
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Wird aber, wie gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, die Betätigungskraft
nicht nur in einer Richtung sondern auch in einer weiteren Richtung
erfasst, so kann dieses ungleiche Verhalten vermieden werden. Es
wird auch die Kraft Fr bzw. Fr' in
der wenigstens einen weiteren Richtung erfasst. In der Auswerteeinheit 17 wird
dann durch Vektoraddition der beiden Kräfte Fn und Fr bzw. Fn' und Fr' der Summenvektor
Fs bzw. Fs' berechnet.
Wie aus den 2a und 2b ersichtlich
stimmt der Summenvektor in beiden Fällen überein. Eine gleiche Betätigungskraft
Ff erzeugt also in beiden Fälle
den gleichen Summenvektor Fs, Fs'.
Wird nun der Summenvektor Fs oder dessen Betrag zur Ermittlung des
Sollwertes herangezogen, so wird in beiden Fällen auch wieder der gleiche
Sollwert ermittelt. Die intuitive Beziehung zwischen Betätigungskraft
und Sollwert und sich daraus ergebender Wirkung bleibt also unabhängig von
der Stellung des Bedienelements erhalten.
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Die 3 zeigt
in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Anordnung mehrerer Bedieneinrichtungen,
deren Bedienelemente nebeneinander angeordnet sind und eine Bedieneinheit
bilden. Bei dieser Anordnung ist ein Bedienelement 15 vorgesehen.
Das Bedienelement 15 weist einen Sensor
16 auf,
der über
die zwei Betätigungszonen 21 und 22 hinweg
die Betätigungskraft
in mehreren Richtungen erfasst. Es wird ermittelt, in welcher der
beiden Betätigungszonen 21 oder 22 die
Betätigung
des Bedienelementes der Bedieneinrichtung erfolgt. Das Signal des
Sensors 16 wird der Auswerteeinheit 17 zugeführt. Dort
wird zunächst
der Summenwert ermittelt, danach wird abhängig davon, in welcher der
beiden Betätigungszonen 21 bzw. 22 die
Betätigung
erfolgte, der entsprechende Sollwert S1 bzw. S2 ermittelt. Der Sollwert
S1 bezieht sich dabei auf eine erste Größe, der Sollwert 52 auf
eine zweite Größe. So kann
beispielsweise die Betätigungszone 21 einer Bremsfunktion
zugeordnet sein und der bei einer entsprechenden Betätigung des
Bedienelements 15 in dieser Betätigungszone 21 zur
Ermittlung eines Sollwertes 51 führen, der einen nachfolgend
im Fahrzeug einzusteuernden Sollbremsdruck oder eine Sollverzögerung vorgibt.
Der zweiten Betätigungszone 22 kann
dabei die Funktion des Gaspedals zugeordnet sein, so dass bei einer
Betätigung
in dieser Betätigungszone 22 ein
Sollwert S2 ermittelt wird, der ein Sollmotormoment oder eine Sollbeschleunigung
vorgibt, die nachfolgend im Fahrzeug eingesteuert wird.
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Darüber hinaus kann bei dem Bedienelement 23 auch
eine Ruhezone ausgebildet sein, auf der der Fuß des Fahrers abgestellt werden
kann, ohne dass aus der Aufstützkraft
ein Betätigungssollwert
ermittelt wird.