CN110621568A - 用于识别驾驶员放在车辆方向盘上的手的方法 - Google Patents

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T·欧斯特尔温德
D·兹默曼
K·卡施
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Trw Automobile Co Ltd
ZF Automotive Germany GmbH
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Abstract

本发明涉及一种用于识别驾驶员放在车辆方向盘上的手的方法。在一个步骤中激励转向***(10)进行振动。确定转向***(10)在远离方向盘的区域(24)中的振动。确定车辆转向***(10)的靠近方向盘的区域(22)的振动。在下一步骤中将所确定的靠近方向盘的区域(22)的振动与所存储的靠近方向盘的区域(22)的特征振动进行比较，所述特征振动在相同的激励下在不触摸方向盘(14)的状态中出现。

Description

用于识别驾驶员放在车辆方向盘上的手的方法
技术领域
本发明涉及一种用于识别驾驶员放在车辆方向盘上的手的方法。
背景技术
与传统的液压助力转向***相比，机电辅助转向***(如果下面提到“转向***”，则始终是指机电辅助转向***)具有许多优势。除了按需求控制电动辅助驱动装置外，这种转向***也可用于车辆的自动或半自动控制。在此可使用不同的传感器或相机来确定行驶方向。尤其是在较高的车辆速度下，这种用于车辆自动转向的***应具有更高的可靠性。
这种控制***的一种示例是所谓的车道保持辅助***，其辅助驾驶员维持车道。但机动车的驾驶员应随时能再次完全控制机动车。驾驶员的手放在方向盘上已证明是对此的可靠指示。
在全自动驾驶机动车中，如果驾驶员不想自己控制机动车，则控制***应自动控制机动车。如果驾驶员把手放在方向盘上，则明确表示他想控制机动车。相反，如果驾驶员将手从方向盘上移开，则自动控制***应控制机动车。
为了在技术上识别放在方向盘上的手，目前已知具有电容或电阻传感器的方向盘。为此方向盘必须在结构上进行调整并且具有与控制器的附加电气连接。此外，驾驶员的手必须放在方向盘的特定区域中并且因此会影响驾驶员的习惯和舒适度。
发明内容
本发明的任务在于提供一种方法，该方法可在技术上简单地实现并且可识别驾驶员是否已经将他的手放在车辆的方向盘上。
所述任务通过权利要求1的技术方案来解决。本发明的有利实施方式是从属权利要求的技术方案。
根据本发明提供一种用于识别驾驶员放在车辆方向盘上的手的方法，在其中，激励转向***进行振动。确定转向***在远离方向盘的区域中的振动。此外，确定车辆转向***的靠近方向盘的区域中的振动。将所确定的靠近方向盘的区域的振动与所存储的靠近方向盘的区域的特征振动进行比较。在此使用靠近方向盘的区域的特征振动，所述特征振动在相同的激励下在不触摸方向盘的状态中出现。
车辆的转向***被认为是阻尼谐波振荡器，该转向***尤其可包括转向柱、方向盘和转向器。阻尼谐波振荡器在此具有质量，其由结构构件的相应质量组成。当车辆驾驶员将手放在方向盘上或用手握住方向盘时，转向***相对于没有手放在其上的方向盘具有不同的振动特性。因此，可根据转向***的振动特性来检查驾驶员是否已经将他的手放在方向盘上。为此可激励转向***进行振动并且将在靠近方向盘的区域中所确定或测量的振动与靠近方向盘的区域在未触摸方向盘的状态中的特征振动进行比较。在此必须以类似的方式激励特征振动。该方法可在没有附加技术组件的情况下识别驾驶员的手是否放在方向盘上。为此例如可使用已经用作转向***一部分的传感器和转向辅助装置。如果靠近方向盘的区域中的特征振动与所确定的振动相互偏离，则可假定驾驶员将他的手放在方向盘上。为了补偿测量的不可靠性，只有在超过阈值时才可记录为偏离(偏差)。该方法在此可连续地、定期或在需要时检查驾驶员是否将他的手放在方向盘上。为了提高准确性，该方法可在定义的时间段内执行测量或激励振动并确定产生的反应。
根据该方法的一种实施例，在远离方向盘的区域中激励转向***。由此可将转向***的远离方向盘的区域视为转向***的激励谐波振动源。根据转向***的结构组成，谐波振动可传播到靠近方向盘的区域和因此方向盘本身。转向***的远离方向盘的区域例如可通过行驶时的震动或通过发动机振动被激励进行振动。但本发明优选规定，激励人为地通过设备在不可避免地存在的频率之外的频谱中、即在单独的频谱中进行。因此，激励频率与当前的道路状况或当前的发动机转速无关，而是预先确定的并且因此已知的。
根据该方法的另一种实施例，通过至少一个马达激励转向***。为了使转向***的振动特性可再现，可人为地在转向***的远离方向盘的区域中产生振动。马达例如可以是机电致动器或不平衡电动机。
根据转向辅助***在转向***中的安装位置，也可使用已经集成在转向***中的伺服马达，即本来就存在的、用于转向辅助的辅助马达来在远离方向盘的区域中产生振动。由此不需要额外的构件。
优选伺服马达除了施加驾驶员的转向辅助之外还可产生振动。这例如可借助液压或电动伺服马达实现。振动激励能够以叠加转向辅助的形式集成到伺服马达的控制中。
根据该方法的另一种实施方式，以至少一个预定频率激励转向***，从而可在技术上简单地对转向***的靠近方向盘的区域中的振动进行评估。
有利的是，以预定频谱在远离方向盘的区域中激励转向***。频谱在此通常为复值函数，其包括有关每个激励频率的幅度以及相位角的信息。频谱可具有定义的频率模式和幅度模式。由此用于识别驾驶员放在车辆方向盘上的手的方法不易出错。转向***的随机振动或振荡可通过定义的频谱忽略，尤其是当转向***以与随机振动和振荡的频谱显著不同的频谱被激励时。由此该方法可更准确地识别驾驶员放在方向盘上的手。
根据该方法的一种优选实施方式，与车辆的速度相关地比较靠近方向盘的区域的振动与靠近方向盘的区域的特征振动。由于车辆和因此转向***的振动特性与速度有关，如果在评估和比较确定的振动与特征振动时考虑了与速度相关的因素，则可优化该方法的准确性。
根据该方法的另一种优选实施方式，与转向***的温度相关地比较靠近方向盘的区域的振动与靠近方向盘的区域的特征振动。温度会影响转向***各个组件的材料特性。尤其是机械振动的传播速度直接受到温度波动的影响。通过将温度纳入确定的振动与特征振动的比较，可考虑到与温度相关的偏差并由此优化该方法。
根据另一种实施方式，将转向***的频率响应与转向***的特征频率响应进行比较。在此可这样确定频率响应，即首先对远离方向盘的区域中的激励振动和对靠近方向盘的区域中的感应振动进行傅立叶变换。然后，计算两个参数的互相关和自相关并将互相关除以自相关。如果转向***可建模为线性时不变***(即在转向***的非线性可忽略时)，则频率响应可简单地定义为靠近方向盘的区域中的振动的傅立叶变换与在远离方向盘的区域中产生的振动的傅立叶变换之间的比值。为此确定转向***的远离方向盘的区域所产生的振动和转向***的靠近方向盘的区域的所形成的振动，进行傅立叶变换并且相除。与此同时，可计算远离方向盘的区域所产生的振动的傅立叶变换与转向***的靠近方向盘的区域理论上预期的特征振动的傅立叶变换的比值。靠近方向盘的区域的特征振动在此反映在驾驶员没有将手放在方向盘上时出现的转向***的振动特性。通过将理论频率响应与实际确定的频率响应进行比较，可精确地检查驾驶员的手是否放在方向盘上。
替代或附加于频率响应，可将振幅响应和/或相位响应与转向***的相应特征振幅响应和/或特征相位响应进行比较。在此振幅或相位可根据振动的频率来确定并且与相应的理论和预期值进行比较。由此整个转向***的振动特性可通过相应的传感器观察到并用于执行该方法。此外，由此可识别转向***或可转向车轴的不平衡或缺陷。
根据该方法的另一种实施方式，将转向***的靠近方向盘的区域的振动的阻尼因子与特征振动的阻尼因子进行比较。整个转向***可视为阻尼谐波振荡器。转向***的各个组件、固定装置和螺栓连接可阻尼或影响整个转向***的振动。附加地，用手握住方向盘的驾驶员进一步阻尼振动。可将该附加阻尼与预期特征阻尼进行比较并提供有关驾驶员是否已经将手放在方向盘上的信息。
根据该方法的另一种实施方式，将转向***的靠近方向盘的区域的振动的共振频率与特征振动的共振频率进行比较。尤其是可短暂地以可变频率这样激励转向***进行振动，使得可在所使用的频率范围内确定振动的最大幅度。可用很少的计算量提取出该振动最大幅度并将其与转向***的特征共振频率进行比较。在两个频率出现偏差时，表明驾驶员附加地改变了转向***的振动特性。
根据另一种优选实施方式，为了将所确定的靠近方向盘的区域的振动与所存储的靠近方向盘的区域的特征振动进行比较，对检测到的靠近方向盘的区域和/或远离方向盘的区域的数据进行傅立叶变换。在此尤其是可在傅立叶变换的范围内评估传递到转向***的传感器上的振动。这种传感器例如可以是扭矩传感器或旋转角度传感器。产生的振动在传感器中引起相应于振动频率的偏差或偏移。通过对各个传感器的测量数据进行傅里叶变换，可过滤出振动频率并将其与特征频率进行比较。优选在此可使用快速傅立叶变换。从而例如可在定义的时间间隔中或持续地监视由至少一个旋转角度传感器确定的角度或角度变化和/或由至少一个扭矩传感器确定的扭矩或扭矩变化。传感器优选可在转向***的靠近方向盘的区域中和/或在转向***的远离方向盘的区域中记录相应的振动特性。
根据本发明的另一种实施方式，将确定的振动的一个或多个下述特征与特征振动进行比较以确定驾驶员的手是否放在方向盘上：较低的共振频率；较平坦的频率响应曲线，尤其是较低的最大值；频率响应下降到低于共振频率；在较低的频率时相位响应中的凹陷；和整个频谱上的较大相移。
附图说明
本发明的其它优点和特征由下述说明和参考附图给出。附图如下：
图1是机动车的转向***的透视图；和
图2是根据本发明的方法的步骤示意图。
具体实施方式
在图1中示出的机动车的转向***10构造为机电辅助转向***。该转向***10包括具有方向盘14的上部12、具有扭力杆17的转向柱16、测量装置18以及具有辅助马达20的下部。方向盘14和扭力杆17之间的区域在下文中被称为靠近方向盘的区域22。而扭力杆17下方的区域被称为远离方向盘的区域24。
当驾驶员以扭矩加载方向盘14时，转向柱16由此旋转。测量装置18从扭力杆17的上(方向盘侧)端部与下端部之间的相对角度确定作用在扭力杆17上的扭矩。此外，例如辅助马达20的角位置传感器确定扭力杆17下端部的旋转角度。
基于确定的作用在扭力杆17上的扭矩和扭力杆17下端部的旋转角度，这样控制辅助马达20，使得其提供用于使车辆转向的适合的辅助扭矩。
可根据安装的测量装置18以不同方式确定扭力杆17的下端部和扭力杆17的上端部的旋转角度。下面说明不同可能性。
如果测量装置18测量扭力杆17下端部的旋转角度，则可从该旋转角度和确定的、作用在扭力杆17上的扭矩确定扭力杆上端部的旋转角度。因此，尤其是不必从辅助马达20的角位置传感器的信号确定扭力杆下端部的旋转角度。
如果测量装置18测量扭力杆17上端部的旋转角度(和因此方向盘14的旋转角度)，则该旋转角度可直接作为测量参数用于进一步计算。
类似地，如果测量装置测量这两个旋转角度，则扭力杆17上端部和下端部的旋转角度可直接用于进一步计算。
下面参照图2说明一种用于识别驾驶员放在方向盘14上的手的方法。在此假定扭力杆17上端部的旋转角度和扭力杆17下端部的旋转角度根据上述变型方案之一是已知的。
首先，人为地在远离方向盘的区域24中激励转向***10进行振动(步骤S1)。激励例如可借助机电辅助转向***10的辅助马达20进行。辅助马达20尤其是在行驶期间，即除了施加转向辅助之外激励转向***10进行振动。振动的激励在此这样进行，使得一方面不影响行驶舒适性并且另一方面不影响机动车的控制。激励人为地通过辅助马达20在不可避免地存在的频率之外的频谱中、即在由道路反馈和/或发动机振动产生的频谱之外的单独的频谱中进行。因此，激励频率与当前的道路状况或当前的发动机转速无关，而是预先确定的并且因此已知的。转向***的随机振动或振荡可通过定义的频谱忽略，因为激励转向***的频谱与随机振动和振荡的频谱显著不同。
以预定的频谱激励、但至少以预定的频率激励远离方向盘的区域24。频谱在此通常为复值函数，其包括有关每个激励频率的幅度以及相位角的信息。这种频谱的示例是具有特定幅度和相位的单个激励频率、多个离散激励频率(分别具有特定幅度和相位)、连续激励频谱、Heaviside阶跃函数形激励频谱和白噪声。远离方向盘的区域以这种方式在例如大约两秒钟的一段时间内被激励。
在激励远离方向盘的区域24进行振动时，根据上述变型方案之一确定并存储扭力杆17下端部的旋转角度(步骤S2)。更确切地说，作为时间的函数确定并存储扭力杆下端部的旋转角度。
远离方向盘24的区域中的振动经由扭力杆17传播到靠近方向盘的区域22中。换句话说，远离方向盘的区域中的振动在靠近方向盘的区域22中感应振动。
现在确定靠近方向盘的区域22中的感应振动(步骤S3)。更确切地说，作为时间的函数确定并存储扭力杆上端部的旋转角度。
现在将靠近方向盘的区域22中的感应振动与靠近方向盘22的区域中的特征振动进行比较(步骤S4)。术语“特征振动”在此应理解为在相同的激励下在不触摸方向盘14的状态中出现的振动。特征振动已经可以表格形式或近似公式的形式存储在转向***10的控制器中。为此所需的数据例如可在转向***10的校准范围中确定和存储。
为了与特征振动进行比较，可使用不同参数。下面举例说明几种可能性。
将转向***10的频率响应与转向***10的特征频率响应进行比较。在此可这样确定频率响应，即首先对远离方向盘的区域中的激励振动(更确切地说扭力杆17下端部的旋转角度Θcol作为时间的函数)和对靠近方向盘的区域中的感应振动(更确切地说扭力杆17上端部的旋转角度Θind作为时间的函数)进行傅立叶变换。傅里叶变换如下得出：
N是与约定有关的归一化因子。可通过快速傅立叶变换(FFT)计算傅立叶变换。
然后，计算两个傅立叶变换的互相关和自相关并将互相关除以自相关。如果转向***可建模为线性时不变***(在转向***的非线性可忽略时是这种情况)，则频率响应可简单地定义为靠近方向盘的区域22中的振动的傅立叶变换与在远离方向盘的区域24中产生的振动的傅立叶变换之间的比值。
如果所确定的转向***10的频率响应偏离特征频率响应(特征振动的频率响应)，则这清楚地指示驾驶员已经将手放在方向盘14上。驾驶员的手一方面改变了转向***10上部12的质量和惯性矩并且因此导致振动特性改变。另一方面，驾驶员(可能不自觉地)以扭矩加载方向盘14并因此改变转向***10的靠近方向盘的区域22的振动特性。
指示驾驶员的手放在方向盘14上的频率响应的典型变化涉及振幅响应和相位响应，它们共同形成频率响应。关于振幅响应这涉及：较低的共振频率(相应于振幅响应最大时的频率)、较平坦的振幅响应曲线、尤其是较低的振幅响应最大值(相应于较大的阻尼因子)以及振幅响应下降到共振频率以下。
关于相位响应，例如下述变化指示驾驶员的手放在方向盘14上：在较低的频率时相位响应中的凹陷和/或整个频谱上的较大相移。
为了补偿测量的不可靠性，只有在超过阈值时才可记录为偏离(偏差)。该方法在此可连续地、定期或在需要时检查驾驶员是否已经将他的手放在方向盘上。换句话说，相应振动特性可以定义的程度相互偏离，从而可补偿测量的不可靠性、制造公差和不可预测的波动。如果在比较中偏差超过阈值，则基于转向***10在靠近方向盘的区域22中的偏离的振动特性可推断驾驶员的手对方向盘14进行了额外的阻尼。为了改变转向***10的振动特性，驾驶员是仅用一只手还是用双手握住方向盘14并不重要。此外，转向***的靠近方向盘的区域22的振动特性与驾驶员的手放在方向盘14上的位置无关地改变。
为了进一步提高该方法的准确性，也可附加地与转向***的温度和/或车辆的速度相关地确定靠近方向盘的区域22的振动。转向***10的温度在此例如可等于环境温度。因此，在本方法的该实施方式中，所存储的特征振动包括多个与转向***10的温度和/或车辆速度相关的数据集。因此，将所确定的靠近方向盘的区域22的振动与特征振动的对于相应温度和/或速度适合的数据集进行比较。

Claims (16)

1.一种用于识别驾驶员放在车辆方向盘上的手的方法，包括下述步骤：
激励转向***(10)进行振动，
确定转向***(10)在远离方向盘的区域(24)中的振动，
确定车辆的转向***(10)的靠近方向盘的区域(22)的振动，并且
将所确定的靠近方向盘的区域(22)的振动与所存储的靠近方向盘的区域(22)的特征振动进行比较，所述特征振动在相同的激励下在不触摸方向盘(14)的状态中出现。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在远离方向盘的区域(24)中激励(2)转向***(10)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过至少一个马达激励(2)转向***(10)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述马达是转向辅助装置的伺服马达(20)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述伺服马达(20)在行驶期间除了施加转向辅助之外还激励转向***(10)进行振动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以至少一个预定频率激励转向***(10)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以预定频谱激励转向***(10)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，与车辆的速度相关地比较靠近方向盘的区域(22)的振动与靠近方向盘的区域(22)的特征振动。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，与转向***(10)的温度相关地比较靠近方向盘的区域(22)的振动与靠近方向盘的区域(22)的特征振动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将转向***(10)的频率响应与转向***(10)的特征频率响应进行比较。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将转向***(10)的幅度响应与转向***(10)的特征幅度响应进行比较。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，将转向***(10)的相位响应与转向***(10)的特征相位响应进行比较。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将转向***(10)的靠近方向盘的区域(22)的振动的阻尼因子与特征振动的阻尼因子进行比较。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将转向***(10)的靠近方向盘的区域(22)的振动的共振频率与特征振动的共振频率进行比较。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了将所确定的靠近方向盘的区域(22)的振动与所存储的靠近方向盘的区域(22)的特征振动进行比较，对检测到的靠近方向盘的区域(22)和/或远离方向盘的区域(24)的数据进行傅立叶变换。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述检测到的数据包括靠近方向盘的区域(22)和/或远离方向盘的区域(24)的旋转角度。
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