DE102017117610A1

DE102017117610A1 - Verfahren zum Erkennen von Händen eines Fahrers auf einem Lenkrad eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102017117610A1
Application number: DE102017117610.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Oesterwind; Dirk Zimmermann; Keiwan Kashi
Original assignee: TRW Automotive GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2017-08-03
Publication date: 2019-02-07
Also published as: CN110621568A; US11173836B2; WO2019025281A1; US20210162919A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Händen eines Fahrers auf einem Lenkrad (14) eines Fahrzeuges. In einem Schritt wird das Lenksystem (10) zu Schwingungen angeregt. Die Schwingungen des Lenksystems (10) in einem lenkradfernen Bereich (24) werden ermittelt. Die Schwingungen eines lenkradnahen Bereiches (22) des Lenksystems (10) des Fahrzeuges werden ermittelt. In einem weiteren Schritt werden die ermittelten Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) mit hinterlegten, charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) verglichen, welche bei derselben Anregung in einem Zustand auftreten, in dem das Lenkrad (14) nicht berührt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Händen eines Fahrers auf einem Lenkrad eines Fahrzeuges.
Elektromechanisch unterstützte Lenksysteme (ist im Folgenden von „Lenksystem“ die Rede, so ist damit stets ein elektromechanisch unterstütztes Lenksystem gemeint) bieten viele Vorteile gegenüber konventionellen hydraulischen Hilfskraftlenkungen. Neben einer bedarfsgerechten Ansteuerung der elektrischen Hilfsantriebe können diese Lenksysteme auch zum autonomen bzw. semi-autonomen Steuern eines Fahrzeuges verwendet werden. Es werden dabei verschiedene Sensoren oder Kameras verwendet, um eine Fahrtrichtung bestimmen zu können. Insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten des Fahrzeuges sollen derartige Systeme zum autonomen Lenken des Fahrzeuges eine immer höhere Zuverlässigkeit aufweisen.
Ein Beispiel für ein solches Steuersystem sind sogenannte Spurhalteassistenzsysteme, die den Fahrer beim Einhalten einer Spur unterstützen. Der Fahrer des Kraftfahrzeugs soll dabei jedoch jederzeit dazu in der Lage sein, wieder die volle Kontrolle über das Kraftfahrzeug zu übernehmen. Als ein verlässlicher Indikator hierfür hat sich die Präsenz der Hände des Fahrers am Lenkrad erwiesen.
Bei vollständig autonom fahrenden Kraftfahrzeugen soll das Steuersystem das Kraftfahrzeug automatisch steuern, solange der Fahrer nicht selbst die Kontrolle über das Kraftfahrzeug übernehmen will. Wenn der Fahrer seine Hände ans Lenkrad legt, ist dies ein klarer Indikator dafür, dass er die Kontrolle über das Kraftfahrzeug übernehmen will. Nimmt der Fahrer hingegen die Hände vom Lenkrad, soll das automatische Steuersystem die Kontrolle über das Kraftfahrzeug übernehmen.
Zum technischen Umsetzen derartiger Handerkennung auf dem Lenkrad sind bisher Lenkräder mit kapazitiven oder resistiven Sensoren bekannt. Hierfür müssen die Lenkräder konstruktiv angepasst werden und zusätzliche elektrische Anbindungen zu einem Steuergerät aufweisen. Des Weiteren müssen die Hände eines Fahrers in bestimmten Bereichen des Lenkrades angeordnet sein und können somit Gewohnheiten und Komfort des Fahrers beeinträchtigen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren schaffen, welches technisch einfach durchgeführt werden kann und erkennen kann, ob ein Fahrer seine Hände auf einem Lenkrad eines Fahrzeuges platziert hat.
Diese Aufgabe wird mittels desGegenstands des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Erkennen von Händen eines Fahrers auf einem Lenkrad eines Fahrzeuges bereitgestellt, bei dem ein Lenksystem zu Schwingungen angeregt wird. Die Schwingungen des Lenksystems werden in einem lenkradfernen Bereich ermittelt. Zusätzlich werden die Schwingungen in einem lenkradnahen Bereich des Lenksystems des Fahrzeuges ermittelt. Die ermittelten Schwingungen des lenkradnahen Bereiches werden mit hinterlegten charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches verglichen. Es werden hierbei charakteristische Schwingungen des lenkradnahen Bereiches verwendet, die bei derselben Anregung in einem Zustand auftreten, in dem das Lenkrad nicht berührt wird.
Das Lenksystem eines Fahrzeuges, welches insbesondere aus einer Lenksäule, einem Lenkrad und einem Lenkgetriebe bestehen kann, wird als ein gedämpfter harmonischer Oszillator betrachtet. Der gedämpfte harmonische Oszillator weist hierbei eine Masse auf, die sich aus den jeweiligen Massen der konstruktiven Bauteilen zusammensetzt. Hat ein Fahrer des Fahrzeuges seine Hände auf dem Lenkrad positioniert bzw. hält das Lenkrad mit seinen Händen fest, weist das Lenksystem ein unterschiedliches Schwingungsverhalten gegenüber einem Lenkrad ohne darauf positionierter Hände auf. Dementsprechend kann aus einem Schwingungsverhalten bzw. einer Schwingungscharakteristik des Lenksystems überprüft werden, ob der Fahrer seine Hände auf dem Lenkrad positioniert hat. Hierzu kann das Lenksystem zum Schwingen angeregt werden und in einem lenkradnahen Bereich die ermittelten bzw. gemessenen Schwingungen mit charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches in einem Zustand, in dem das Lenkrad nicht berührt wird, verglichen werden. Die charakteristischen Schwingungen müssen hierbei vergleichbar angeregt worden sein. Das Verfahren kann ohne zusätzliche technische Komponenten erkennen, ob die Hände des Fahrers auf dem Lenkrad positioniert sind oder nicht. Dazu können beispielsweise die bereits als Teil des Lenksystems verwendeten Sensoren und Lenkunterstützungen verwendet werden. Sobald die charakteristischen Schwingungen und die ermittelten Schwingungen in dem lenkradnahen Bereich voneinander abweichen, kann davon ausgegangen werden, dass der Fahrer seine Hände auf dem Lenkrad positioniert hat. Zum Kompensieren von Messunsicherheiten kann die Abweichung erst bei Überschreiten eines Schwellwertes als solche registriert werden. Das Verfahren kann hierbei kontinuierlich, in regelmäßigen zeitlichen Abständen oder bei Bedarf prüfen, ob der Fahrer seine Hände auf dem Lenkrad platziert. Zum Erhöhen der Genauigkeit kann das Verfahren über eine definierte Dauer Messungen durchführen bzw. Schwingungen anregen und resultierende Reaktionen ermitteln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird das Lenksystem in dem lenkradfernen Bereich angeregt. Der lenkradferne Bereich des Lenksystems kann hierdurch als eine Quelle der angeregten harmonischen Schwingungen des Lenksystems betrachtet werden. Abhängig von der strukturellen Zusammensetzung des Lenksystems können sich die harmonischen Schwingungen zu einem lenkradnahen Bereich und somit zu dem Lenkrad selbst fortpflanzen. Der lenkradferne Bereich des Lenksystems kann beispielsweise durch Erschütterungen während der Fahrt oder durch Motorvibrationen zu Schwingungen angeregt werden. Die Erfindung sieht jedoch bevorzugt vor, dass die Anregung künstlich durch eine Vorrichtung in einem Frequenzspektrum erfolgt, das außerhalb der zwangsläufig vorhandenen Frequenzen liegt, das heißt in einem separatem Messfrequenzspektrum. Dadurch hängt die Anregungsfrequenz nicht von aktuellen Straßengegebenheiten oder der aktuellen Motordrehzahl ab, sondern ist vorbestimmt und damit bekannt.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Lenksystem durch mindestens einen Motor angeregt. Um das Schwingungsverhalten des Lenksystems reproduzierbar zu gestalten, können die Schwingungen in dem lenkradfernen Bereich des Lenksystems künstlich erzeugt werden. Der Motor kann beispielsweise ein elektro-mechanischer Aktuator oder ein mit einer Unwucht versehener elektrischer Motor sein.
Abhängig von einer Einbauposition einer Lenkunterstützung in einem Lenksystems kann auch ein bereits in das Lenksystem implementierter Servomotor, also ein ohnehin vorhandener Hilfsmotor zur Lenkunterstützung zum Erzeugen der Schwingungen in einem lenkradferne Bereich verwendet werden. Hierdurch werden keine zusätzlichen Bauteile benötigt.
Vorzugsweise kann der Servomotor die Schwingungen zusätzlich zum Aufbringen einer Lenkunterstützung des Fahrers erzeugen. Dies kann beispielsweise mit einem hydraulisch oder elektrisch angetriebenen Servomotor erfolgen. Die Schwingungsanregungen können in Form einer Überlagerung einer Lenkunterstützung in die Ansteuerung des Servomotors integriert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Lenksystem mit wenigstens einer vorgegebenen Frequenz angeregt, so dass eine Auswertung der Schwingungen im lenkradnahen Bereich des Lenksystems technisch einfach durchgeführt werden kann.
Vorteilhafterweise kann das Lenksystem in einem lenkradfernen Bereich mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum angeregt werden. Das Frequenzspektrum ist hierbei eine im Allgemeinen komplexwertige Funktion, die für jede Anregungsfrequenz jeweils Informationen sowohl über die Amplitude als auch über den Phasenwinkel umfasst. Das Frequenzspektrum kann ein definiertes Frequenzmuster und Amplitudenmuster aufweisen. Hierdurch kann das Verfahren zum Erkennen von Händen des Fahrers auf dem Lenkrad des Fahrzeuges unempfindlich im Hinblick auf Fehler ausgeführt werden. Zufällige Schwingungen oder Vibration des Lenksystems können durch das definierte Frequenzspektrum vernachlässigt werden, insbesondere wenn das Lenksystem mit einem Frequenzspektrum angeregt wird, das sich wesentlich von einem Frequenzspektrum von zufälligen Schwingungen und Vibrationen unterscheidet. Dadurch kann das Verfahren präziser die Hände des Fahrers auf dem Lenkrad erkennen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Schwingungen des lenkradnahen Bereiches mit charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches abhängig von einer Geschwindigkeit des Fahrzeuges verglichen. Aufgrund des geschwindigkeitsabhängigen Schwingungsverhaltens des Fahrzeuges und damit auch des Lenksystems kann das Verfahren im Hinblick auf seine Genauigkeit optimiert werden, wenn geschwindigkeitsabhängige Faktoren bei der Auswertung und dem Vergleich der ermittelten Schwingungen mit den charakteristischen Schwingungen berücksichtigt werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Schwingungen des lenkradnahen Bereiches des Lenksystems mit charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches abhängig von der Temperatur des Lenksystems verglichen. Die Temperatur beeinflusst die Materialeigenschaften der jeweiligen Komponenten des Lenksystems. Insbesondere wird durch Temperaturschwankungen eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von mechanischen Schwingungen direkt beeinflusst. Durch Einbeziehen der Temperatur in den Vergleich der ermittelten Schwingungen mit den charakteristischen Schwingungen können temperaturabhängige Abweichungen berücksichtigt und so das Verfahren optimiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Frequenzgang des Lenksystems mit einem charakteristischen Frequenzgang des Lenksystems verglichen. Der Frequenzgang kann hierbei ermittelt werden, indem zunächst die Fourier-Transformierten der angeregten Schwingungen im lenkradfernen Bereich und der induzierten Schwingungen im lenkradnahen Bereich gebildet werden. Dann werden die Kreuzkorrelation und die Autokorrelation der beiden Größen berechnet und die Kreuzkorrelation durch die Autokorrelation dividiert. Ist das Lenksystem als lineares zeitinvariantes System modellierbar (das heißt, wenn die Nichtlinearität des Lenksystems vernachlässigbar ist), so kann der Frequenzgang als ein Verhältnis zwischen der Fourier-Transformierten der Schwingungen im lenkradnahen Bereich und der Fourier-Transformierten der erzeugten Schwingungen im lenkradfernen Bereich definiert werden. Hierzu werden die erzeugten Schwingungen des lenkradfernen Bereiches des Lenksystems und die resultierenden Schwingungen des lenkradnahen Bereiches des Lenksystems ermittelt, Fourier-transformiert und dividiert. Parallel hierzu kann die Fourier-Transformierte der erzeugten Schwingungen des lenkradfernen Bereiches mit der Fourier-Transformierten der theoretisch zu erwartenden charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches des Lenksystems ins Verhältnis gesetzt werden. Die charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches bilden hierbei das Schwingungsverhalten des Lenksystems ab, welches vorliegt, wenn der Fahrer seine Hände nicht auf dem Lenkrad positioniert hat. Durch Abgleich des theoretischen Frequenzgangs mit dem tatsächlich ermittelten Frequenzgang kann präzise überprüft werden, ob sich die Hände des Fahrers am Lenkrad befinden.
Alternativ oder zusätzlich zum Frequenzgang können ein Amplitudengang und/oder ein Phasengang mit dem jeweiligen charakteristischen Amplitudengang und/oder charakteristischen Phasengang des Lenksystems verglichen werden. Es kann dabei die Amplitude abhängig von der Frequenz der Schwingung oder die Phase abhängig von der Frequenz der Schwingung ermittelt werden und mit den entsprechenden theoretischen und zu erwartenden Werten verglichen werden. Hierdurch kann durch entsprechende Sensoren das Schwingungsverhalten des gesamten Lenksystems beobachtet und zum Durchführen des Verfahrens verwendet werden. Des Weiteren können hierdurch eine Unwucht oder ein Defekt des Lenksystems bzw. einer lenkbaren Fahrzeugachse erkannt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, wird ein Dämpfungsfaktor der Schwingungen des lenkradnahen Bereiches des Lenksystems mit einem Dämpfungsfaktor der charakteristischen Schwingungen verglichen. Das gesamte Lenksystem kann als ein gedämpfter harmonischer Oszillator betrachtet werden. Die jeweiligen Komponenten, Befestigungen und Verschraubungen des Lenksystems dämpfen bzw. beeinflussen die Schwingungen des gesamten Lenksystems. Zusätzlich erzeugt ein Fahrer, der das Lenkrad festhält, eine weitere Dämpfung der Schwingungen. Diese zusätzliche Dämpfung kann durch Abgleich mit einer zu erwartenden charakteristischen Dämpfung verglichen werden und Informationen darüber liefern, ob der Fahrer die Hände am Lenkrad hat.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine Resonanzfrequenz der Schwingungen des lenkradnahen Bereiches mit einer Resonanzfrequenz der charakteristischen Schwingungen des Lenksystems verglichen. Insbesondere kann das Lenksystems kurzzeitig mit einer variablen Frequenz derart zum Schwingen angeregt werden, dass in dem verwendeten Frequenzbereich eine maximale Amplitude der Schwingungen ermittelt werden kann. Diese maximale Amplitude der Schwingungen kann mit wenig Rechenaufwand extrahiert und mit einer charakteristischen Resonanzfrequenz des Lenksystems verglichen werden. Bei Abweichungen der beiden Frequenzen liegt eine zusätzliche Veränderung des Schwingungsverhaltens des Lenksystems durch den Fahrer vor.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zum Vergleichen der ermittelten Schwingungen des lenkradnahen Bereiches mit hinterlegten, charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches eine Fourier-Transformation von erfassten Daten des lenkradnahen Bereiches und/oder des lenkradfernen Bereiches durchgeführt. Hierbei können insbesondere die auf die Sensoren des Lenksystems übertragenen Schwingungen im Rahmen einer Fourier-Transformation ausgewertet werden. Derartige Sensoren können beispielsweise Drehmomentsensoren oder Drehwinkelsensoren sein. Die erzeugten Schwingungen verursachen bei den Sensoren der Frequenz der Schwingungen entsprechende Abweichungen bzw. Ausschläge. Durch Anwenden eine Fourier-Transformation auf die Messdaten der jeweiligen Sensoren können die Frequenzen der Schwingungen herausgefiltert und zum Vergleich mit den charakteristischen Frequenzen verglichen werden. Vorzugsweise kann hierbei eine schnelle Fourier-Transformation verwendet werden. Hierdurch können beispielsweise die durch mindestens einen Drehwinkelsensor ermittelten Winkel oder Winkeländerungen und/oder die durch mindestens einen Drehmomentsensor ermittelten Drehmomente bzw. Drehmomentänderung in definierten zeitlichen Abständen oder permanent überwacht werden. Die Sensoren können vorzugsweise in dem lenkradnahen Bereich des Lenksystems und/oder in dem lenkradfernen Bereich des Lenksystems das jeweilige Schwingungsverhalten aufzeichnen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften der ermittelten Schwingungen im Vergleich mit charakteristischen Schwingungen dazu herangezogen zu bestimmen, ob sich die Hände des Fahrers am Lenkrad befinden: Niedrigere Resonanzfrequenz; flacherer Verlauf des Frequenzgangs, insbesondere ein niedrigeres Maximum; eine Senke im Frequenzgang unterhalb der Resonanzfrequenz; eine Delle im Phasengang bei niedrigerer Frequenz; und eine größere Phasenverschiebung über das gesamte Frequenzspektrum hinweg.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:

- 1 in einer perspektivischen Ansicht ein Lenkungssystem eines Kraftfahrzeugs; und
- 2 eine schematische Darstellung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein in 1 gezeigtes Lenkungssystem 10 eines Kraftfahrzeugs ist als elektromechanisch unterstütztes Lenkungssystem ausgebildet. Das Lenkungssystem 10 umfasst einen oberen Teil 12 mit einem Lenkrad 14, einer Lenksäule 16 mit einem Torsionsstab 17, und einer Messeinrichtung 18 sowie einen unteren Teil mit einem Hilfsmotor 20. Der Bereich zwischen Lenkrad 14 und Torsionsstab 17 wird im Folgenden als lenkradnaher Bereich 22 bezeichnet, während der Bereich unterhalb des Torsionsstabs 17 als lenkradferner Bereich 24 bezeichnet wird.
Beaufschlagt der Fahrer das Lenkrad 14 mit einem Drehmoment, so wird dadurch die Lenksäule 16 gedreht. Die Messeinrichtung 18 bestimmt ein Drehmoment, das auf den Torsionsstab 17 wirkt, aus einem Relativwinkel zwischen einem oberen (lenkradseitigen) Ende und einem unteren Ende des Torsionsstabs 17. Außerdem bestimmt beispielsweise ein Winkellagegeber des Hilfsmotors 20 einen Drehwinkel des unteren Endes des Torsionsstabs 17.
Auf Basis des bestimmten auf den Torsionsstab 17 wirkenden Drehmoments und des Drehwinkels des unteren Endes des Torsionsstabs 17 wird der Hilfsmotor 20 derart angesteuert, dass er ein passendes, unterstützendes Drehmoment zur Lenkung des Fahrzeugs bereitstellt.
Drehwinkel des unteren Endes des Torsionsstabs 17 sowie des oberen Endes des Torsionsstabs 17 können je nach verbauter Messeinrichtung 18 auf unterschiedliche Art und Weise ermittelt werden. Die verschiedenen Möglichkeiten werden im Folgenden erläutert.
Misst die Messeinrichtung 18 den Drehwinkel des unteren Endes des Torsionstabs 17, so kann aus diesem Drehwinkel und dem ermittelten, auf den Torsionsstab 17 wirkenden Drehmoment der Drehwinkel des oberen Endes des Torsionstabs bestimmt werden. Es ist dann also insbesondere nicht notwendig, den Drehwinkel des unteren Endes des Torsionsstabs aus einem Signal des Winkellagegebers des Hilfsmotors 20 zu bestimmen.
Misst die Messeinrichtung 18 den Drehwinkel des oberen Endes des Torsionsstabs 17 (und damit den Drehwinkel des Lenkrads 14), so steht dieser Drehwinkel direkt als Messgröße für weitere Berechnungen zur Verfügung.
Analog dazu stehen der Drehwinkel des oberen Endes und des unteren Endes des Torsionsstabs 17 direkt für weitere Berechnungen zur Verfügung, wenn die Messeinrichtung diese beiden Drehwinkel misst.
Im Folgenden wird anhand von 2 ein Verfahren zum Erkennen von Händen eines Fahrers auf dem Lenkrad 14 beschrieben. Dabei wird davon ausgegangen, dass sowohl der Drehwinkel des oberen Endes des Torsionsstabs 17 als auch der Drehwinkel des unteren Endes des Torsionsstabs 17 gemäß einer der oben beschriebenen Varianten bekannt sind.
Zunächst wird das Lenksystem 10 in einem lenkradfernen Bereich 24 künstlich zu Schwingungen angeregt (Schritt S1). Die Anregung kann beispielsweise mittels des Hilfsmotors 20 des elektromechanisch unterstützten Lenksystems 10 erfolgen. Der Hilfsmotor 20 regt insbesondere das Lenksystem 10 während der Fahrt, also zusätzlich zum Aufbringen einer Lenkunterstützung zu Schwingungen an. Die Anregung zu Schwingungen erfolgt dabei derart, dass zum einen der Fahrkomfort und zum anderen die Steuerung des Kraftfahrzeugs nicht beeinträchtigt sind. Die Anregung erfolgt künstlich durch den Hilfsmotor 20 in einem Frequenzspektrum, das außerhalb der zwangsläufig vorhandenen Frequenzen liegt, das heißt in einem separaten Frequenzspektrum, das außerhalb eines durch Straßenrückwirkung und/oder Motorvibrationen rezeugten Frequenzspektrum liegt. Dadurch hängt die Anregungsfrequenz nicht von aktuellen Straßengegebenheiten oder der aktuellen Motordrehzahl ab, sondern ist vorbestimmt und damit bekannt. Zufällige Schwingungen oder Vibrationen des Lenksystems können durch das definierte Frequenzspektrum vernachlässigt werden, da das Lenksystem mit einem Frequenzspektrum angeregt wird, das sich wesentlich von einem Frequenzspektrum von zufälligen Schwingungen und Vibrationen unterscheidet.
Der lenkradferne Bereich 24 wird mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum, wenigstens aber mit einer vorgegebenen Frequenz angeregt. Das Frequenzspektrum ist hierbei eine im Allgemeinen komplexwertige Funktion, die für jede Anregungsfrequenz jeweils Informationen sowohl über die Amplitude als auch über den Phasenwinkel umfasst. Beispiele für ein solches Frequenzspektrum sind eine einzelne Anregungsfrequenz mit bestimmter Amplitude und Phase, mehrere diskrete Anregungsfrequenzen (jeweils mit einer bestimmten Amplitude und Phase), ein kontinuierliches Anregungsfrequenzspektrum , eine Heaviside-stufenfunktionsförmiges Anregungsspektrum und weißes Rauschen. Der lenkradferne Bereich wird auf diese Weise über einen gewissen Zeitraum angeregt, beispielsweise in etwa zwei Sekunden.
Während der lenkradferne Bereich 24 zu Schwingungen angeregt wird, wird der Drehwinkel des unteren Endes des Torsionsstabs 17 gemäß einer der oben beschriebenen Varianten ermittelt und gespeichert (Schritt S2). Genauer gesagt wird der Drehwinkel des unteren Endes des Torsionsstabs als Funktion der Zeit ermittelt und gespeichert.
Die Schwingungen im lenkradfernen Bereich 24 pflanzen sich über den Torsionsstab 17 in den lenkradnahen Bereich 22 fort. Anders ausgedrückt induzieren die Schwingungen im lenkradfernen Bereich Schwingungsanregungen im lenkradnahen Bereich 22.
Die induzierten Schwingungen im lenkradnahen Bereich 22 werden nun ermittelt (Schritt S3). Genauer gesagt wird der Drehwinkel des oberen Endes des Torsionsstabs als Funktion der Zeit ermittelt und gespeichert.
Die im lenkradnahen Bereich 22 induzierten Schwingungen werden nun mit charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereichs 22 verglichen (Schritt S4). Unter charakteristischen Schwingungen sind dabei diejenigen Schwingungen zu verstehen, die bei derselben Anregung in einem Zustand auftreten, in dem das Lenkrad 14 nicht berührt wird. Die charakteristischen Schwingungen können bereits tabellarisch oder in Form einer Annäherungs-Formel in einem Steuergerät des Lenksystems 10 hinterlegt sein. Die hierzu erforderlichen Daten können beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierung des Lenksystems 10 ermittel und abgespeichert werden.
Für den Vergleich mit den charakteristischen Schwingungen können verschiedene Größen herangezogen werden. Mehrere exemplarische Möglichkeiten werden im Folgenden erläutert.
Der Frequenzgang des Lenksystems 10 wird mit einem charakteristischen Frequenzgang des Lenksystems 10 verglichen. Der Frequenzgang kann hierbei ermittelt werden, indem zunächst die Fourier-Transformierten der angeregten Schwingungen im lenkradfernen Bereich (genauer gesagt des Drehwinkels Θ_col des unteren Endes des Torsionsstabs 17 als Funktion der Zeit) und der induzierten Schwingungen im lenkradnahen Bereich (genauer gesagt des Drehwinkels Θ_ind des oberen Endes des Torsionsstabs 17 als Funktion der Zeit) gebildet werden. Die Fourier-Transformierten sind dann durch $f_{c o l} (ω) = \frac{1}{N} \int_{- \infty}^{\infty} Θ_{c o l} (t) e^{i ω t} d t,$
und $f_{i n d} (ω) = \frac{1}{N} \int_{- \infty}^{\infty} Θ_{i n d} (t) e^{i ω t} d t$
gegeben. N ist dabei ein konventionsabhängiger Normierungsfaktor. Die Fourier-Transformierten können durch eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) berechnet werden.
Dann werden die Kreuzkorrelation und die Autokorrelation der beiden Fourier-Transformierten berechnet und die Kreuzkorrelation durch die Autokorrelation dividiert. Ist das Lenksystem als lineares zeitinvariantes System modellierbar (dies ist der Fall, wenn die Nichtlinearität des Lenksystems vernachlässigbar ist), so kann der Frequenzgang einfach als ein Verhältnis zwischen der Fourier-Transformierten der Schwingungen im lenkradnahen Bereich 22 und der Fourier-Transformierten der erzeugten Schwingungen im lenkradfernen Bereich 24 definiert werden.
Weicht der ermittelte Frequenzgang des Lenksystems 10 von einem charakteristischen Frequenzgang (Frequenzgang der charakteristischen Schwingungen) ab, so ist dies ein klares Indiz dafür, dass der Fahrer die Hände am Lenkrad 14 hat. Die Hände des Fahrers ändern zum einen die Masse und das Trägheitsmoment des oberen Teils 12 des Lenksystems 10 und führen so zu einem veränderten Schwingungsverhalten. Zum anderen beufschlagt der Fahrer (möglicherweise unbewusst) das Lenkrad 14 mit einem Drehmoment und ändert so wiederum das Schwingungsverhalten des lenkradnahen Bereichs 22 des Lenksystems 10.
Typische Veränderungen des Frequenzgangs, die Hände des Fahrers am Lenkrad 14 anzeigen, betreffen den Amplitudengang und den Phasengang, die zusammen den Frequenzgang bilden. Den Amplitudengang betreffend sind dies: eine niedrigere Resonanzfrequenz (entspricht der Frequenz, bei der der Amplitudengang maximal ist), ein flacherer Verlauf des Amplitudengangs, insbesondere ein niedrigeres Maximum des Amplitudengangs (entspricht größerem Dämpfungsfaktor), und eine Senke im Amplitudengang unterhalb der Resonanzfrequenz.
Den Phasengang betreffend zeigen beispielsweise folgende Veränderungen Hände des Fahrers am Lenkrad 14 an: eine Delle im Phasengang bei niedrigerer Frequenz und/oder eine größere Phasenverschiebung über das gesamte Frequenzspektrum hinweg.
Zum Kompensieren von Messunsicherheiten kann die Abweichung erst bei Überschreiten eines Schwellwertes als solche registriert werden. Das Verfahren kann hierbei kontinuierlich, in regelmäßigen zeitlichen Abständen oder bei Bedarf prüfen, ob der Fahrer seine Hände auf dem Lenkrad platziert hat. Anders ausgedrückt können die jeweiligen Schwingungscharakteristiken hierbei in einem definierten Maße voneinander abweichen, sodass Messunsicherheiten, Fertigungstoleranzen und unvorhersehbare Schwankungen kompensiert werden. Wenn die Abweichungen bei dem Vergleich einen Schwellenwert übersteigen, dann kann aufgrund des abweichenden Schwingungsverhaltens des Lenksystems 10 in dem lenkradnahen Bereich 22 auf eine zusätzliche Dämpfung des Lenkrades 14 durch die Hände des Fahrers geschlossen werden. Zum Ändern des Schwingungsverhaltens des Lenksystems 10 ist es irrelevant, ob der Fahrer das Lenkrad 14 nur mit einer Hand oder mit beiden Händen festhält. Des Weiteren ändert sich das Schwingungsverhalten des lenkradnahen Bereiches 22 des Lenksystems unabhängig von der Position der Hände des Fahrers auf dem Lenkrad 14.
Um die Genauigkeit des Verfahrens weiter zu verbessern, können die Schwingungen des lenkradnahen Bereichs 22 auch zusätzlich abhängig von einer Temperatur des Lenksystems und/oder von einer Geschwindigkeit des Fahrzeuges ermittelt werden. Die Temperatur des Lenksystems 10 kann dabei beispielsweise der Umgebungstemperatur gleichgesetzt werden. In dieser Ausgestaltung des Verfahrens umfassen die hinterlegten charakteristischen Schwingungen also mehrere Datensätze in Abhängigkeit von der Temperatur des Lenksystems 10 und/oder der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Dementsprechend werden die ermittelten Schwingungen des lenkradnahen Bereichs 22 also mit dem für die jeweilige Temperatur und/oder Geschwindigkeit passenden Datensatz der charakteristischen Schwingungen verglichen.

Claims

Verfahren zum Erkennen von Händen eines Fahrers auf einem Lenkrad eines Fahrzeuges, mit den folgenden Schritten: - Anregen eines Lenksystems (10) zu Schwingungen, - Ermitteln von Schwingungen des Lenksystems (10) in einem lenkradfernen Bereich (24), - Ermitteln der Schwingungen eines lenkradnahen Bereiches (22) des Lenksystems (10) des Fahrzeuges, und - Vergleichen der ermittelten Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) mit hinterlegten, charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22), die bei derselben Anregung in einem Zustand auftreten, in dem das Lenkrad (14) nicht berührt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lenksystem (10) in dem lenkradfernen Bereich (24) angeregt wird (2).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lenksystem (10) durch mindestens einen Motor angeregt wird (2).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Motor der Servomotor (20) der Lenkunterstützung ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Servomotor (20) während des Fahrbetriebs das Lenksystem (10) zusätzlich zum Aufbringen einer Lenkunterstützung zu Schwingungen anregt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lenksystem (10) mit wenigstens einer vorgegebenen Frequenz angeregt wird.
Verfahren nach einem der vorgegebenen Ansprüche, wobei das Lenksystem (10) mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum angeregt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) mit charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) abhängig von einer Geschwindigkeit des Fahrzeuges verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) mit charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) abhängig von einer Temperatur des Lenksystems (10) verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Frequenzgang des Lenksystems (10) mit einem charakteristischen Frequenzgang des Lenksystems (10) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Amplitudengang des Lenksystems (10) mit einem charakteristischen Amplitudengang des Lenksystems (10) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei ein Phasengang des Lenksystems (10) mit einem charakteristischen Phasengang des Lenksystems (10) verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Dämpfungsfaktor der Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) des Lenksystems (10) mit einem Dämpfungsfaktor der charakteristischen Schwingungen verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Resonanzfrequenz der Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) des Lenksystems (10) mit einer Resonanzfrequenz der charakteristischen Schwingungen verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Vergleichen der ermittelten Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) mit hinterlegten, charakteristischen Schwingungen des lenkradnahen Bereiches (22) eine Fourier-Transformation von erfassten Daten des lenkradnahen Bereichs (22) und/oder des lenkradfernen Bereichs (24) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erfassten Daten den Drehwinkel des lenkradnahen (22) und/oder des lenkradfernen (24) Bereichs umfassen.