DE102011002997A1

DE102011002997A1 - Verfahren zum Erkennen einer freihändigen Fahrsituation eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102011002997A1
Application number: DE102011002997A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kluge Torsten
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-07-26
Also published as: CN102602452B; CN102602452A; US20120191266A1; US8849517B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb von Fahrassistenzsystemen von Fahrzeugen mit einer Servolenkung (3) beschrieben, bei welchem die Fahrassistenzsysteme auf ein reales Lenksystem (13) mit einem manuell betätigbaren Lenkelement (5) einwirken. Um Feststellen zu können ob ein freihändiger Fahrzustand vorliegt, um so z. B. die Fahrassistenzsysteme in ihren Lenkkorrekturen zurücksetzen zu können, wird vorgeschlagen, zeitgleich zum realen Lenksystem (13) ein Lenksystemmodell (1) zu betreiben, welches aus einem tatsächlichen ersten Lenksystemsignal (12) ein geschätztes Lenksystemsignal (10) generiert, welches mit einem zweiten tatsächlichen Lenksystemsignal (9) auf Abweichungen hin verglichen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Fahrassistenzsystemen von Fahrzeugen mit einer Servolenkung, wobei die Fahrassistenzsysteme auf ein reales Lenksystem mit einem manuell betätigbaren Lenkelement einwirken.
Derartige Lenksysteme dienen in bekannter Weise zur Übertragung der Drehbewegung eines Lenkrads, das zum Beispiel über eine Lenkwelle drehfest mit einem Ritzel des Zahnstangenlenkgetriebes verbunden ist, auf die Zahnstange des Zahnstangenlenkgetriebes, die sich infolgedessen axial verschiebt und über ein Lenkgestänge, das mit einem oder mehreren Radträgern verbunden ist, ein bzw. mehrere Räder eines Kraftfahrzeugs schwenkt.
Insbesondere bei elektrisch angetriebenen Servolenkungen (Electric Power Assisted Steering EPAS) sind von dem Zahnstangenlenkgetriebe zum Teil sehr hohe Drehmomente zwischen dem Ritzel und der Zahnstange zu übertragen, was natürlich auch für hydraulische Servolenkungen (HPAS) oder Mischformen (EHPAS) gelten kann. Die zwischen Ritzel und Zahnstange zu übertragenden Drehmomente nehmen üblicherweise mit zunehmendem Lenkeinschlag, d. h. mit zunehmender axialer Verschiebung der Zahnstange aus der Mittelstellung in Richtung der axialen Endstellungen der Zahnstange zu.
Zunehmend werden Fahrzeuge zudem mit so genannten Fahrerassistenzsystemen bzw. Kontrollorganen ausgestattet, welche zum Beispiel als Fahrspurassistenz dem Fahrer Hilfestellung bei dem Halten der Fahrspur geben. Beispielsweise könnte dem Fahrer durch entsprechende Kontrollorgane durch ein vibrierendes Lenkrad übermittelt werden, dass das Fahrzeug droht die Fahrspur zu verlassen.
Möglich bei solchen Fahrerassistenzsystemen ist, dass diese auch die Lenkung, also die Servolenkung selbst beeinflussen, also nahezu selbsttätig bzw. automatisch lenken. Dabei soll der Eingriff aber so sein, dass der Fahrer diesen möglichst nicht bemerkt. Natürlich sind Lenkkorrekturen von Fahrerassistenzsystemen durchaus erwünscht. Würde der Fahrer nun das Lenkrad, also das manuell betätigbare Lenkelement mit beiden Händen loslassen, oder nur locker mit Finger führen, also nahezu freihändig fahren, würden die Fahrassistenzsysteme gleichwohl die jeweils festgestellten Lenkkorrekturen durchführen, insofern also eigenständig lenken. Ein solches eigenständiges Lenken bzw. solche eigenständige Lenkreaktionen auf festgestellte Anforderungen seitens der Fahrerassistenzsysteme, also wie ein Autopilot, würde über das so genannte „Steer-by-wire”, also dem rein elektrischen Lenken hinausgehen, wobei ein Autopilot in derzeit geltenden Straßenverkehrszulassungsordnungen nicht zugelassen ist.
Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb von Fahrassistenzsystemen anzugeben, bei dem mit einfachen Mitteln festgestellt werden kann, ob ein freihändiger Fahrzustand vorliegt oder nicht, so dass die Fahrassistenzsysteme aufgrund des jeweils festgestellten Fahrzustandes in ihren angeforderten Lenkkorrekturen rücksetzbar sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb von Fahrassistenzsystemen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei zeitgleich zum realen Lenksystem ein Lenksystemmodell betrieben wird, welches aus einem tatsächlichen ersten Lenksystemsignal ein geschätztes Lenksystemsignal generiert, welches mit einem zweiten tatsächlichen Lenksystemsignal auf Abweichungen hin verglichen wird.
Vorteilhaft kann das Verfahren also zumindest die folgenden Schritte umfassen:
Zeitgleiches Betreiben eines theoretischen Lenksystemmodells zum realen Lenksystem;
Aufnahme eines ersten und eines zweiten tatsächlichen Lenksystemsignals aus dem realen Lenksystem,
Zuführen des ersten tatsächlichen Lenksystemsignals zu dem Lenksystemmodell und Zuführen des zweiten tatsächlichen Lenksystemsignals zu einer Vergleichseinheit,
Generieren des geschätzten Lenksystemsignals in dem Lenksystemmodell mittels des ersten tatsächlichen Lenksystemsignals,
Zuführen des generierten geschätzten Lenksystemsignals zu der Vergleichseinheit,
Vergleichen des generierten geschätzten zweiten Lenksystemsignals mit dem zweiten tatsächlichen Lenksystemsignal auf Abweichungen, bevorzugt auf Abweichungen hin.
Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, dass ein freihändiger Fahrzustand detektierbar ist, wobei die Anforderungen der Fahrassistenzsysteme bevorzugt hinsichtlich ihrer Lenkkorrekturen zurückgesetzt werden, wenn ein freihändiger Fahrzustand erkannt wird. So wird vorteilhaft ein nahezu eigenständiges Lenken des Fahrzeuges, also die Funktion eines Autopiloten vermieden.
In möglicher Ausgestaltung ist die Servolenkung als elektrische Servolenkung (EPAS) ausgeführt, was natürlich nicht beschränkend sein soll. Denkbar sind auch HPAS, EHPAS oder andere Ausgestaltungen.
Zielführend im Sinne der Erfindung ist, wenn als erstes tatsächliches Lenksystemsignal ein Positionssignal eines Aktuators der Servolenkung aufgenommen wird. Der Aktuator kann zum Beispiel als eine Einheit aus einem EPAS-Motor dessen Getriebe und zugehöriger Elektronik gebildet sein, was an sich bekannt ist, weswegen darauf nicht weiter eingegangen wird. Dieses Positionssignal ist an das Lenksystemmodell weiterleitbar. Zielführend ist weiter, wenn als zweites tatsächliches Lenksystemsignal ein tatsächliches Momentensignal von einem Torsionsstabsensor aufgenommen wird. Der Torsionsstabsensor kann bevorzugt an einer Lenksäule im Bereich des auf die Zahnstange übertragenden Ritzels angeordnet sein, und ist in seiner Funktion an sich bekannt, weswegen auch auf diesen nicht weiter eingegangen wird. Erkennbar ist, dass sich die Erfindung mit der Aufnahme bzw. der Auswertung ohnehin vorhandener bzw. abgreifbarer Signale bedient, wobei auf kostenintensive Implementierung externer Sensoren weitgehend oder vollständig verzichtet werden kann. Insofern sind die beispielhaft genannten, aufnehmbaren bzw. auswertbaren Signale auch nicht auf diese beschränkt.
Wesentlich ist, dass mittels des Lenksystemmodells aus dem ersten tatsächlichen Lenksystemsignal ein zum tatsächlichen zweiten Lenksystemsignal korrespondierendes Lenksystemsignal generiert wird. Hierzu sind in dem Lenksystemmodell entsprechende Routinen hinterlegt.
Eine solche Routine kann zum Beispiel das numerische oder analytische Model eines dynamischen Feder/Masse-Schwingers darstellen, bei welchem die Feder den Torsionsstab des Lenksystems (Torsionsstabsensor) und die Drehmasse das Lenkrad (bzw. die damit zusammenhängende Lenksäule) wiederspiegelt. Da die Positionsanregung der Feder im Modell an ihrem offenen Ende erfolgt, kann auch von einem fußpunkterregten System gesprochen werden. Mit diesem fußpunkterregten Lenksystemmodell kann nun der Verlauf des geschätzten Lenksystemsignals bestimmt werden, und zwar vorteilhaft zeitgleich zu dem tatsächlichen zweiten Lenksystemsignal. Der dargestellte Fall des Einmassenschwingermodells, ist lediglich als sehr einfaches Beispiel zu sehen. Aufwendigere Modellierungsstrukturen, z. B. mit mehr Freiheitsgraden, unter Berücksichtigung dissipativer Größen (Dämpfung, Reibung), usw. sind hier auch denkbar.
Ist das zweite tatsächliche Lenksystemsignal zum Beispiel das von dem Torsionsstabsensor aufgenommene Torsionsmoment, so wird in dem beispielhaft fußpunkterregten Lenksystemmodell das dazu entsprechende geschätzte, also erwartungsgemäße Torsionsmoment generiert.
Das geschätzte bzw. berechnete Torsionsmoment wird der Vergleichseinheit zugeführt, welcher auch das gemessene bzw. tatsächliche Torsionsmoment zugeführt wird. Die Vergleichseinheit ermöglicht die Überprüfung der Signale auf teilweise oder vollständige Identität. Der Vergleich kann im Zeitbereich oder im Frequenzbereich durchgeführt werden. Der Vergleich kann sich z. B. auf Momentanwerte, aber auch auf Verläufe, feste oder gleitende Signalabschnitte oder abgeleitete Größen der beiden Vergleichsgrößen beziehen. Im Zeitbereich bietet sich besonders ein Amplitudenvergleich der Signale an. Im Frequenzbereich können z. B. vorteilhaft FFT-Koeffizienten (FFT: schnelle (fast) Fourier-Transformation) verglichen werden. Amplitudenverlauf und Phasenlage der Signale können ebenfalls vorteilhaft zum Vergleich herangezogen werden. Besonders geeignet ist auch eine Korrelationsanalyse oder eine statistische Analyse der Signale. Die hier genannten Verfahren zum Vergleich der beiden Momentensignale aus gerechnetem Lenkmodell und gemessenem Lenksystem sind dabei nur beispielhaft zu sehen.
Wird in der Vergleichseinheit festgestellt, daß sich überhaupt eine Differenz aus beiden Vergleichssignalen bildet, also wenn Unterschiedlichkeit der Signale festgestellt wird, dann kann davon ausgegangen werden, dass ein freihändiger Fahrzustand nicht vorliegt.
Wird dagegen festgestellt, dass sich keine Differenz bildet, sich also mit dem gewählten Vergleichsverfahren nicht mehr nachweisen läßt, also wenn keine Unterschiedlichkeit der Signale, bzw. relative Identität der Vergleichssignale festgestellt wird, wird sinnvoll ein freihändiger Fahrzustand prognostiziert.
Wird ein freihändiger Fahrzustand festgestellt bzw. prognostiziert, können die möglicherweise erforderlichen Lenkkorrekturen von Fahrassistenzsystemen bzw. einen Aktivierung derer Kontrollorgane zurückgesetzt werden.
Bevorzugt soll die Erfindung also ermöglichen, einen freihändigen Fahrzustand zu detektieren. Natürlich kann analog zum bevorzugten Vorgehen auch detektierbar sein, dass kein freihändiger Fahrzustand vorliegt. Günstig ist aber auf jeden Fall, dass die möglicherweise durch die Fahrassistenzsysteme angeforderten Lenkkorrekturen bei einem freihändigen Fahrzustand zurückgesetzt werden.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich. Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines realen Lenksystems, mit dem zeitgleich ein Lenksystemmodell betrieben wird.
1 zeigt zunächst ein bekanntes, reales Lenksystem 13 eines Kraftfahrzeuges in prinzipieller Ansicht. Das Lenksystem 13 ist beispielhaft mit einer elektrischen Servolenkung (EPAS) ausgerüstet, welche vereinfacht als Aktuator 3 dargestellt ist, welcher auf eine Zahnstange 4 des Lenksystems 1 in bekannter Weise einwirkt. Der Aktuator 3 beinhaltet einen EPAS-Motor, ein Getriebe und entsprechende Elektronik, was insoweit bekannt ist. Mit der Zahnstange 4 kämmt ein Ritzel 8, welches am Fuße einer Säule 6 angeordnet ist. Anderendig ist an der Säule 6 ein manuell betätigbares Lenkelement 5 angeordnet, welches Lenkelement 5 beispielhaft als Lenkrad 5 ausgeführt ist. Zudem ist ein Torsionsstabsensor 7 vorgesehen, welcher zwischen dem Ritzel 8 und der Säule 6 angeordnet ist. Der Torsionsstab 7 bildet einen Sensor, also sozusagen einen Torsionsstabsensor 7, welcher ein Torsionssignal aufnehmen kann. Beim Lenken verdreht sich der Torsionsstab. Der Verdrehwinkel ist ein Maß für das Lenkmoment. Grundsätzlich ist das reale Lenksystem 13 mit der Servolenkung in seiner Wirkungsweise bekannt, weswegen nicht näher darauf eingegangen wird.
Das reale Lenksystem 13 weist eine Vielzahl von Sensoren auf, mit denen Lenksystemsignale aufnehmbar sind und z. B. einer Steuereinheit des Kraftfahrzeuges zugeleitet werden. Das Kraftfahrzeug kann auch Fahrassistenzsysteme aufweisen, welche je nach Anforderung Lenkkorrekturen durchführen können, welche vom Fahrer selbst eigentlich nicht wahrnehmbar sein sollen. Allerdings können Kontrollorgane vorgesehen sein, welche den Fahrer auf bestimmte Situationen hinweisen können. So kann ein Fahrassistenzsystem den Fahrer in der korrekten Spurhaltung unterstützen, ohne dass der Fahrer eine mögliche Lenkkorrektur bemerkt. Ein Kontrollorgan kann dem Fahrer aber auch den Hinweis geben, dass das Kraftfahrzeug Gefahr läuft die Spur zu verlassen. Dies kann visuell, akustisch und/oder haptisch erfolgen, wobei zum Beispiel eine haptisch wahrnehmbare Schwingung beispielsweise des Lenkrades als Warnhinweis erzeugt werden kann.
Hätte der Fahrer die Hände nicht am Lenkrad, so dass eine freihändige Fahrsituation vorläge, welche im Sinne der Erfindung auch bei einer lockeren Führung des Lenkrades mit vereinzelten Finger vorliegen kann, würde das Fahrzeugs sozusagen mittels Autopilot gesteuert, da die Fahrassistenzsysteme eigenständige Lenkbewegungen durchführen würden.
Hier setzt die Erfindung an, indem festgestellt wird, ob ein freihändiger Fahrzustand vorliegt, so dass die Fahrassistenzsysteme oder Kontrollorgane in ihrer Lenkkorrektur zurückgesetzt werden.
Hierzu wird zeitgleich mit dem realen Lenksystem 13 ein theoretisches Lenkmodell 1 betrieben, wobei dem Lenkmodell 1 zumindest eines der tatsächlichen Lenksystemsignale zugeleitet wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dem Lenkmodell 1 ein erstes tatsächliches Lenksignal 12 zugeleitet, welches ein Positionssignal 12 des Aktuators 3 ist. Zielführend wird noch ein zweites tatsächliches Lenksystemsignal 9 aufgenommen und einer Vergleichseinheit 2 zugeführt. Dieses zweite tatsächliche Lenksystemsignal 9 ist beispielhaft das Signal des Torsionsstabsensors 7.
Das dem Lenkmodell 1 zugeführte erste tatsächliche Lenksystemsignal 1 wird in dem Lenkmodell 1 zu einem dem zweiten tatsächlichen Lenksystemsignal 9 korrespondierenden geschätzten Lenksystemsignal 10 überführt. Insofern wird beispielhaft das tatsächliche Positionssignal 12 in einen geschätzten bzw. zu erwartenden Torsionsmomentbetrag 10 generiert. Hierzu ist das Lenkmodell 1 zum Beispiel als Feder/Masse-Schwinger ausgeführt.
Das generierte, geschätzte Lenksystemsignal 10, also beispielhaft das geschätzte Torsionsmoment 10 bzw. dessen Verlauf wird der Vergleichseinheit 2 zugeführt.
Die Vergleichseinheit 2 ermöglicht die Überprüfung der Vergleichssignale 9 und 10 auf teilweise oder vollständige Identität. Wird in der Vergleichseinheit 2 festgestellt, daß sich eine Differenz aus beiden Vergleichssignalen 9 und 10 überhaupt ergibt, also wenn Unterschiedlichkeit der Signale festgestellt wird, dann kann davon ausgegangen werden, dass ein freihändiger Fahrzustand nicht vorliegt.
Wird dagegen festgestellt, dass die Differenz sogar verschwindet, sich also mit dem gewählten Vergleichsverfahren nicht mehr nachweisen läßt, also wenn keine Unterschiedlichkeit der Vergleichssignale 9 und 10, bzw. wenn relative Identität der Vergleichssignale 9 und 10 festgestellt wird, wird sinnvoll ein freihändiger Fahrzustand prognostiziert.
Die Erfindung geht davon aus, dass ein Modell grundsätzlich eine (mathematisch) abstrahierte Abbildung der Realität darstellt. Insofern können auch reale und geschätzte bzw. berechnete Signale nicht immer absolut identisch sein. Vielmehr weisen die Vergleichssignale 9 und 10 Abweichungen auf, welche aber in gewissem Rahmen mathematisch vernachlässigbar sind, so dass trotz Abweichung erfindungsgemäß von Identität, also von einer relativen Identität ausgegangen wird.
Denkbar ist aber auch, in der Vergleichseinheit 2 eine Grenzdifferenz zu hinterlegen, um so noch einen freihändigen Fahrzustand prognostizieren zu können, wenn die relative Identität nicht feststellbar ist, sinnvoller Weise aber ein freihändiger Fahrzustand prognostiziert werden sollte. Die Grenzdifferenz kann dabei dem mathematisch vernachlässigbaren entsprechen oder nach oben abweichen. Als unterster Wert der Grenzdifferenz ist also das je nach Fall mathematisch vernachlässigbare definiert. Wird in der Vergleichseinheit 2 eine größere Differenz der Vergleichssignale 9 und 10 festgestellt, welche größer als ist das mathematisch vernachlässigbare, aber innerhalb der vorgebbaren Grenzdifferenz liegt, kann also auch ein freihändiger Fahrzustand prognostiziert werden. Wird in der Vergleichseinheit 2 aber eine größere Differenz der Vergleichssignale 9 und 10 festgestellt, und ist diese zudem außerhalb der vorgebbaren Grenzdifferenz, also auch größer als das mathematisch vernachlässigbare, kann also ein freihändiger Fahrzustand nicht prognostiziert werden.
Ist die gefundene Differenz gleich der Grenzdifferenz, aber nicht gleich dem mathematisch vernachlässigbarem, so kann dieser Fall vorteilhaft einem der beiden Fälle, freihändiger oder fahrergelenkter Fahrzustand, zugeordnet werden.
Das entsprechende Ergebnis wird als Signal 11 von der Vergleichseinheit 2 beispielsweise einer Steuereinheit zugeleitet, welche die Funktion des bzw. der Fahrassistenzsysteme bzw. deren Kontrollorgane regelt bzw. steuert, also bei einem freihändigen Fahrzustand zurücksetzt, also sozusagen deaktiviert, bis der freihändige Fahrzustand aufgehoben ist. Insofern ist vorteilhaft, wenn das Lenkmodell 1 mit seiner Vergleichseinheit 2 ständig zeitgleich also parallel zum realen Lenksystem 13 betrieben wird, so dass kontinuierlich überprüfbar ist, ob ein freihändiger Fahrzustand vorliegt oder nicht, um so die Fahrassistenzsystem in Ihrer Wirkungsweise zu steuern bzw. zu regeln.

Claims

Verfahren zum Betrieb von Fahrassistenzsystemen von Fahrzeugen mit einer Servolenkung (3), wobei die Fahrassistenzsysteme auf ein reales Lenksystem (13) mit einem manuell betätigbaren Lenkelement (5) einwirken, wobei zeitgleich zum realen Lenksystem (13) ein Lenksystemmodell (1) betrieben wird, welches aus einem tatsächlichen ersten Lenksystemsignal (12) ein geschätztes Lenksystemsignal (10) generiert, welches mit einem zweiten tatsächlichen Lenksystemsignal (9) auf Abweichungen hin verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend zumindest die Schritte – zeitgleiches Betreiben eines theoretischen Lenksystemmodells (1) zum realen Lenksystem (13); – Aufnahme eines ersten und eines zweiten tatsächlichen Lenksystemsignals (12; 9) aus dem realen Lenksystem (13), – Zuführen des ersten tatsächlichen Lenksystemsignals (12) zu dem Lenksystemmodell (1) und Zuführen des zweiten tatsächlichen Lenksystemsignals (9) zu einer Vergleichseinheit (2), – Generieren des geschätzten Lenksystemsignals (10) in dem Lenksystemmodell (1) mittels des ersten tatsächlichen Lenksystemsignals (12), – Zuführen des generierten geschätzten zweiten Lenksystemsignals (10) zu der Vergleichseinheit (2), – Vergleichen des generierten geschätzten zweiten Lenksystemsignals (2) mit dem zweiten tatsächlichen Lenksystemsignal (9) auf Abweichungen hin.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes tatsächliches Lenksystemsignal (12) ein Positionssignal (12) des Servolenkung (3) zum Lenksystemmodell (1) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites tatsächliches Lenksystemsignal (9) ein Momentensignal (9) eines Torsionsstabsensors (7) zur Vergleichseinheit (2) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vergleichseinheit (2) ein Signal (11) generiert wird, welches Signal (11) einen freihändigen Fahrzustand bestimmt, wenn in der Vergleichseinheit (2) relative Identität der Vergleichssignale (9, 10) festgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vergleichseinheit (2) ein Signal (11) generiert wird, welches Signal (11) einen freihändigen Fahrzustand bestimmt, wenn in der Vergleichseinheit (2) festgestellt wird, dass sich eine Differenz beider Vergleichssignale (9 und 10) innerhalb einer vorgegebenen Grenzdifferenz befindet.