DE19757379A1 - Einrichtung zur Optimierung des Dialogs Mensch-Maschine - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet

Die Einrichtung zur Optimierung des Dialogs Mensch/Maschine kann überall dort angewendet werden, wo eine Maschine, insbesondere ein Fahrzeug, vom Menschen gesteuert wird, wobei die stufenlosen Bewegungen der Hand oder/und des Fußes Änderungen der Maschinenparameter (z. B. Geschwindigkeit des Fahrzeuges) herbeiführen, die vom Mensch gewollt sind, aber mit den technischen Forderungen für optimale Nutzung (Verbrauch, Umweitbelastung etc.) nicht immer übereinstimmen. Also ist eine Anpassung notwendig, zu der der Mensch zwar bereit, aber - sei es aus Unkenntnis oder mangelnder Konzentration - nicht in der Lage ist.

Stand der Technik

Bekannt sind Einrichtungen, die die optimale Handhabung der Leistungssteuerungsorgane, insbesondere des Gaspedals, anstreben.

Die Nachteile dieser Einrichtungen sind:

• - Die Möglichkeiten des Motors können, unabhängig von der Lastsituation, nicht voll oder nur erschwert ausgeschöpft werden, weil bestimmte Stellbereiche bzw. Stellgeschwindigkeiten gesperrt sind, wie z. B. bei DE 29 30 935, DE 32 34 479, DE 42 41 805, DE 27 23 562, DE 36 22 260, DE 30 05 053. Zusammengefaßt bedeutet das, daß diese Einrichtungen den Fahrer einschränken, anstatt ihn über die Lastsituation zu informieren und ihm die Entscheidung zu überlassen.
• - Der Fahrer erhält zu wenig Unterstützung bei physiologisch komplizierten Bewegungen, z. B. beim kontrollierten langsamen Niederdrücken des Gaspedals bei Beschleunigung.
• - Der Fahrer erhält Information über den optimalen Drehbereich (DE 26 49 243), jedoch keinen Hinweis, wie er reagieren soll.
• - Der Fahrer bekommt zwar Informationen mittels der Meßgeräte oder zusätzlicher Signale, aber sie müssen von ihm erst einmal ausgewertet werden, was ihn belastet und ablenkt.

Für die anderen Steuerorgane, wie Kupplungs- und Bremspedal sind keine Einrichtungen bekannt, die ihre Handhabung erleichtern. Dabei sei ausdrücklich betont, daß es sich hier nicht um Einrichtungen handelt, die den Fahrer ersetzen sollen, weil dieser nicht in der Lage sei so schnell zu reagieren (z. B. ABS, ATS etc.), sondern um Einrichtungen, die ihm im "Regelfall" die Steuerarbeit erleichtern.

Aufgabenstellung

Einrichtung, die die Steuerarbeit des Fahrers im Regelfall erleichtert, und zwar:

• - der Fahrer bekommt auf direktem Wege, d. h. über seine Steuerorgane, Informationen über die aktuelle Situation (z. B. Motor- und Bremsreserve, Kuppelvorgang) zusammen mit dem Hinweis , wie wieder bzw. weiter eine optimale Steuerung zu erreichen ist, ohne daß seine Entscheidungen eingeschränkt werden,
• - die Information wird so gestaltet, daß der Fahrer sie ohne spezielle Kenntnisse richtig deuten kann,
• - die Bedienung der Steuereinrichtungen (Pedale, Manuale etc.) wird ergonomisch gestaltet.

Lösung

Einrichtung in Form eines Expertensystems, das mittels vorhandener oder hinzugefügter Sensoren die Betriebssituation erfaßt und anhand dessen den Fahrer bei der Realisierung seiner Wünsche unterstützt, wobei die Verbindung ausschließlich über die Steuerorgane des Fahrers, insbesondere seine Füße, erfolgt.

Bei der Führung eines Fahrzeuges werden die einzelnen Steuervorgänge folgendermaßen gestaltet:

Beschleunigen (Niederdrücken des Gaspedals)

Die Schwierigkeit bei diesem Vorgang besteht darin, daß eine hinsichtlich Motor- und Kraftstoffverbrauch optimale Beschleunigung eine kontrollierte d. h. den Möglichkeiten des Motors angepaßte, verhältnismäßig langsame Fußbewegung erfordert, die aber sehr oft - aus Unkenntnis, Müdigkeit oder mangelnder Konzentration - in einen ruckartigen Tritt ausartet, der den Motor sinnlos bis zum Abwürgen treibt. In diesem Fall fehlt also ein regelbarer Gegendruck, der den "Tritt" in eine optimale Steuerung verwandelt. Erfindungsgemäß soll der Vorgang folgendermaßen ablaufen:

• - Zur besseren Dosierbarkeit beim Gasgeben wird dem Fuß ein kleiner Gegendruck entgegegesetzt, der sich proportional zur Pedalgeschwindigkeit verhält.
• - Die Annäherung an die Grenze des in bezug auf Verbrauch und Abnutzung optimalen Bereichs wird durch einen nur der Information dienenden erhöhten Gegendruck signalisiert.
• - Die Grenze des optimalen Bereichs wird ständig ermittelt, d. h. der Gegendruck folgt permanent der Lastsituation.
• - Das Medium, das den Gegendruck erzeugt, hat eine Elastizität, die nach erfolgter Beschleunigung (der Druck des Fußes läßt nach) das Gaspedal zwecks Senkung des Verbrauchs in eine Lage drängt die für die Aufrechterhaltung der erreichten Geschwindigkeit noch ausreichend ist.

Infolgedessen braucht der Fahrer seinem Wunsch nach einer bestimmten Beschleunigung nur durch entsprechenden Druck Ausdruck zu geben, die Ausführung geschieht im Zusammenspiel zwischen Fuß- und Gegendruck. Ist die gewünschte Geschwindigkeit erreicht, vermindert der Fahrer instinktiv den Druck auf das Pedal, und das elastische Medium drängt das Pedal in Richtung Gasverminderung.

Die Stärke des Gegendrucks kann individuell der physischen Kraft des Fahrers angepaßt werden.

Laständerung bei unveränderter Pedallage

Eine Laständerung (Straßengefälle, Windstärke etc.) wird vom Fahrer aus Unerfahrenheit, Müdigkeit o. ä. sehr oft übersehen: die Pedallage bleibt unverändert, der Motor gerät aus dem Optimalbereich, Verbrauch und Abnutzung steigen. Erfindungsgemäß wird diese Situation folgendermaßen vermieden:

• - Wird durch die Laständerung der Optimalbereich verlassen, wird der Fahrer über sein Steuerorgan (z. B. Fuß) durch richtungsweisende Erschütterungen informiert:
  bei Unterbelastung in Richtung Niederdrücken d. h. Gasgeben oder höher schalten
  bei Überbelastung in Richtung Loslassen d. h. Gas wegnehmen oder herunterschalten
• - Reagiert der Fahrer nicht auf die Erschütterungen (ihre Stärke ist individuell eingestellbar), werden sie nach gewisser Zeit ausgeblendet und erscheinen erst wieder bei neuerlichen Änderungen der Situation.
• - Die Erschütterungen werden so gestaltet, daß sie an Abwürgen bzw. Freilauf des Motors erinnern.

Kuppeln

Die Schwierigkeit bei diesem Vorgang besteht in der Ungewißheit darüber:

• - in welcher Stellung des Kupplungspedals der Kuppelvorgang beginnt,
• - wie sich die Umdrehungen der Räder bzw. des Motors beim Kuppelvorgang ändern und
• - wann der Fahrer das Kupplungspedal loslassen kann.

Jeder Fahrer, der das Fahrzeug wechselt, besonders aber der unerfahrene, hat mit diesem Problem zu kämpfen, es verärgert ihn und erhöht gleichzeitig den Verschleiß der Kupplung.

Erfindungsgemäß wird dem Fahrer folgendermaßen geholfen:
Tritt der Fahrer auf das Kupplungspedal, wird die Verbindung zwischen Motor und Rädern unterbrochen, folglich stehen die Umdrehungszahlen der beiden in keinem vom eingelegten Gang abhängigen, festen Verhältnis. Der Unterschied zwischen dem aktuellen und dem angestrebten Verhältnis wird dem Fahrer über sein Steuerorgan mittels Erschütterungen angezeigt, die in Frequenz und Amplitude der Größe des Unterschiedes entsprechen. Folgende Situationen sind dabei von Interesse:

• - Gang wechseln: Ist der Gang eingelegt, berechnet die Einrichtung das entsprechende Verhältnis und generiert Erschütterungen mit entsprechender Frequenz bzw. Amplitude solange, bis das angestrebte Verhältnis mittels Gaspedal oder/und Kupplungspedal erreicht ist. In diesem Moment bleiben die Erschütterungen aus, und der Fahrer kann in einem Zug kuppeln.
• - Anfahren: Ist der erste Gang eingelegt und liegen die Motorumdrehungen über einem Minimalwert, erhält das Steuerorgan des Fahrers einzelne Stöße in Richtung "Kuppeln". Beginnt der Kupplungsvorgang (Motorumdrehungen fallen ab, die Geschwindigkeit des Fahrzeuges steigt), werden Erschütterungen generiert, deren Amplitude und/oder Frequenz die Abweichung von dem richtigen Verhältnis widerspiegeln, so daß der Fahrer den Vorgang problemlos steuern kann.

Bremsen

Eine Verringerung der Geschwindigkeit auf rutschige Straße erfordert eine dosierte Anwendung des Bremspedals. Die Schwierigkeit bei diesem Vorgang besteht in der Ungewißheit, wie stark der Druck sein darf, ohne daß das Fahrzeug ins Rutschen kommt, d. h. wie weit ist der Gefahrenbereich entfernt. Das System soll dem Fahrer also die Information vermitteln, inwieweit die Bremsverzögerung dem Bremsdruck entspricht. Diese Information wird erfindungsgemäß aus den aktuellen Parametern Geschwindigkeit, Bremsverzögerung und Bremsdruck sowie von den Fahrzeugkennlinien erstellt und dem Fahrer durch Erschütterungen auf sein Steuerorgan übermittelt. Praktisch heißt das: je mehr die Bremsverzögerung unter dem errechneten Referenzwert bleibt, um so stärker (Frequenz, Amplitude) werden die Erschütterungen. Auf diese Weise ist der Fahrer ständig in der Lage, die Bremsreserven abzuschätzen und seine Fahrweise der Situation anzupassen. Dabei sei nochmals betont, daß damit das bekannte ABS nicht ersetzt, sondern dem Fahrer lediglich das Bremsverhalten des Fahrzeuges mittels Erschütterungen veranschaulicht wird.

Anwendungsgebiet

Das Expertsystem für Steuerung von Tflebwerken ist besonders nützlich für Fahrer

• - mit wenig Erfahrung,
• - die oft das Fahrzeug wechseln,
• - die keine besonderen Kenntnisse bzw. Interesse für Technik besitzen.

Das System kann problemlos in vorhandene Triebwerke, Fahrzeuge etc. eingebaut werden, wobei die jeweiligen Geber (Geschwindigkeit, Umdrehungen etc.) mitbenutzt werden. Ein optimaler Einsatz ist natürlich bei Neuentwicklungen gewährleistet. Ein vollständiger Aufbau des Systems ist nicht zwingend erforderlich, es können auch einzelne Funktionen realisiert werden.

Vorteile

Im Vergleich mit den bekannten Einrichtungen bietet das oben beschriebene System folgende Vorteile:

• - Die Lösung ist umfassend, d. h. beschränkt sich nicht nur auf die Handhabung des Gaspedals, sondern umfaßt die gesamte Steuerung eines Triebwerkes
• - Die Übermittlung der Information von Maschine zu Mensch erfolgt auf kürzestem Wege - über den Tastsinn des Steuerorgans, wodurch dieser mühelos die Erkenntnis gewinnt, was zu tun ist, damit der Motor optimal läuft.
• - Das System berät den Fahrer diskret, ohne seine Freiheit einzuschränken, und zieht sich zurück, wenn dieser den Hinweisen nicht folgt.
• - Anhand der Hinweise ist der Fahrer in der Lage, den Zustand des Fahrzeugs (z. B. Motorleistung, Bremsleistung) einzuschätzen und rechtzeitig Mängel zu beseitigen.

Realisierung

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild des Systems in maximaler Ausführung. Der Mikrorechner (1) erhält Informationen über Motorumdrehungen (2), Stellung des Gaspedals (3), Fahrzeugsgeschwindigkeit (4), eingelegten Gang (5), Motortemperatur (6), Bremsdruck (7) und Bremsverzögerung (8). Aufgrund dieser Informationen aktiviert der Mikrorechner (1) die Aktoren beim Gaspedal - Pedalassistent (9) und Warnmodul (10); bei der Kupplung - Warnmodul (11); bei der Bremse - Warnmodul (12).

Bei der Betätigung der Aktoren berücksichtigt der Mikrorechner (1) die individuellen Wünsche des Fahrers, die über den Block (13) eingegeben werden.

Bild 2 bis 5 zeigen mögliche Ausführungen des Gaspedalassistenten (9). Bild 2 zeigt eine pneumatische Lösung, bei der das Gaspedal (91) mit einem Kolben (92) verbunden ist, der in einen Zylinder (93) gleitet, wobei beim Niederdrücken des Pedals das im Zylinder erhaltene Gas (z. B. Luft) durch die Öffnung (94), deren Größe vom Mikrorechner (1) bestimmt wird, gepreßt wird. Beim Loslassen des Pedals kehrt das Gas ungehindert durch das Einwegventil (95) zurück. Bild 3 zeigt eine hydraulische Lösung, bei der statt Gas Flüssigkeit verwendet wird, deren fehlende Elastizität mit Hilfe eines zusätzlichen Kolbens (96) und einer Feder (97) ersetzt wird. Die Funktion bei allen Lösungsvarianten ist die gleiche: Will der Fahrer beschleunigen, drückt er mit einer seinem Wunsch entsprechenden Kraft auf das Gaspedal. Solange der Mikrorechner (1) die Proportion zwischen Gaspedalstellung und Fahrzeuggeschwindigkeit als zulässig (effektiver Bereich) akzeptiert, bleibt die Öffnung (94) offen, und der Fahrer kann leichtgängig das Pedal bedienen, wobei nur der von der Pedalgeschwindigkeit abhängige Gegendruck zu überwinden ist, wodurch die Dosierbarkeit verbessert wird. In der Praxis besteht jedoch fast immer der Wunsch schneller zu beschleunigen, d. h. den Motor in den Grenzbereich zu bringen. In diesem Fall tritt der Mikrorechner in Aktion:
die Öffnung (94) wird je mehr der Motor den effektiven Bereich verläßt um so mehr geschlossen. Infolgedessen erfährt der Fahrer einen Gegendruck, und sein Fuß wird gebremst (konstante Kraft vorausgesetzt). Erhöhen sich jetzt die Motorumdrehungen, d. h. kommt der Motor wieder in den effektiven Bereich, öffnet der Mikrorechner die Öffnung (94), und das Gaspedal kann weiter nach unten geschoben werden. Dieser Vorgang erfolgt in der Praxis natürlich stufenlos - je nach der ausgeübten Kraft wird der Motor mehr oder weniger schnell beschleunigt d. h. mehr oder weniger uneffektiv gefahren. Dieses "mehr oder weniger" wird erfindungsgemäß dem Fahrer veranschaulicht, ohne ihn zu beschränken - er kann leicht den Gegendruck überwinden. Ist die gewünschte Geschwindigkeit erreicht, verringert der Fahrer instinktiv den Druck auf das Gaspedal und die Elastizität des Mediums drängt das Pedal ein Stück zurück, wodurch die Geschwindigkeit beibehalten, der Verbrauch aber reduziert wird. Ist aber der Motor durch die neue Pedalstellung überfordert, bleibt die Öffnung (94) geschlossen, der Gegendruck erreicht sein Maximum, und der Fahrer muß entweder den Gang wechseln oder weiter bewußt uneffektiv fahren.

Bild 4 und 5 zeigen eine mögliche Ausführung des Blocks (10), der den Fahrer bei Verlassen des Effektivbereiches infolge einer Laständerung informiert. Bild 4 zeigt die Einbaulage , Bild 5 die innere Struktur des Blocks (10). Der Block (10) ist auf das Gaspedal aufgesetzt und elastisch mit ihm verbunden. Dabei berührt er erfindungsgemäß die Schuhspitze des Fahrers und kann ihm die gewünschte Information übermitteln. Mit der Stellung des Fußes kann der Fahrer also die Stärke der Verbindung bestimmen. Der Block besteht aus einer Spule (11) mit Mittelabzweig, in deren Mitte ein elastisch gelagerter magnetischer Kern (14) hin und her pendelt. Ist eine Änderung der Pedallage notwendig geworden, setzt der Mikrorechner die entsprechende Spulenhälfte unter Strom, und der Kern verursacht eine Erschütterung in die notwendige Richtung. Die Rückkehr in die Mittellage erfolgt - um den Fahrer nicht zu irritieren - langsamer, indem der Stromabfall mittels bekannter Schaltungen linear gestaltet wird. Außer der Richtung überträgt der Mikrorechner auch die Größe der Abweichung vom Optimalfall, indem er sowohl die Stärke (den maximalen Stromwert bzw. die Impulslänge) als auch die Frequenz der Erschütterungen regelt.

Die Blöcke (11) und (12) sind analog dem Block (10) aufgebaut und befestigt. Soll eine Information mittels Frequenz und Amplitude übertragen werden, gibt der Mikrorechner (1) abwechselnd entsprechende Stromimpulse an die beiden Spulenhälften.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Optimierung des Dialogs Mensch-Maschine gekennzeichnet dadurch, daß sie die Prozesse in der Maschine mit dem Ziel - optimale Steuerung d. h. geringerer Verbrauch, geringere Abnutzung - auswertet und dem Menschen die gewonnene Information leicht verständlich direkt über seine Steuerorgane (Hände, Füße) zuführt, wobei sie ihn bei der Ausführung der Handlungen - insbesondere Drucken auf die Pedale bzw. Manuale - ergonomisch unterstützt, ohne ihn in seinen Entscheidungen einzuschränken.

2. Einrichtung nach Hauptanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß - zwecks besserer Dosierbarkeit beim Erhöhen der Umdrehungen des Triebwerkes (z. B. beim Gasgeben) - das Steuerorgan (z. B. der Fuß) des Fahrers einen kleinen, der Pedal- bzw. Manualgeschwindigkeit direkt proportionalen Widerstand zu überwinden hat, der um so größer wird, je mehr das Triebwerk den in bezug auf Verbrauch und Abnutzung optimalen Bereich verläßt, vom Fahrer aber leicht zu überwinden bleibt.

3. Einrichtung nach Hauptanspruch 1 und Anspruch 2 gekennzeichnet dadurch, daß nach erfolgter Erhöhung der Umdrehungen, d. h. wenn der Druck des Steuerorgans nachläßt, das Pedal bzw. Manual zwecks Verbrauchsminderung zurückgedrängt wird.

4. Einrichtung nach Hauptanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß - sollten Laständerungen bei unveränderten Pedal- bzw. Manuallage das Triebwerk aus dem in bezug auf Abnutzung und Verbrauch optimalen Bereich drängen, der Fahrer mittels richtungweisender Stöße, deren Amplitude und Frequenz von der Stärke der Abweichung vom optimalen Bereich abhängig ist, aufgefordert wird, die angedeutete Änderung vorzunehmen, und, sollte er aber nicht darauf reagieren, diese Stöße ausgeblendet und erst bei einer qualitativ neuen Situation eingeschaltet werden.

5. Einrichtung nach Hauptanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß bei Anfahren des Triebwerkes, was durch die eingeschaltete Übersetzung (Gang) festgestellt wird, das Steuerorgan des Fahrers (z. B. der Fuß) erst ab einer minimalen Drehzahl mit Stößen in Richtung Kuppeln beaufschlagt wird, die mit einsetzendem Kuppeln in Erschütterungen übergehen, deren Amplitude und Frequenz dem Unterschied zwischen dem aktuellen und dem angestrebten d. h. der eingelegten Übersetzung entsprechenden, Verhältnis - Motorumdrehung zu Radumdrehung - direkt proportional sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5 gekennzeichnet dadurch, daß beim Wechsel von Übersetzungen (Gängen) das Steuerorgan des Fahrers sofort mit den im Anspruch 5 beschriebenen Erschütterungen beaufschlagt wird.

7. Einrichtung nach Hauptanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß eine Abweichung der Bremsverzögerung von dem für die Fahrgeschwindigkeit und für den ausgeübten Bremsdruck - optimalen Wert, dem Fahrer über sein Steuerorgan (z. B. Bremsfuß) mittels Erschütterungen, deren Amplitude und Frequenz der Abweichung direkt proportional sind, veranschaulicht wird.

8. Einrichtung nach Hauptanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß sie ein Rechensystem vorteilhafter Mikrorechner beinhaltet, das mittels Geber mit Informationen über Motorumdrehungen, Stellung des Reglers für Umdrehungen (Gaspedal), Geschwindigkeit des Fahrzeugs, eingelegte Übersetzung (Gang), Motortemperatur, Druck in der Bremsanlage und Bremsverzögerung gespeist wird, die anhand der Motor- bzw. Fahrzeugdaten vom Rechensystem ausgewertet werden, infolge dessen das Regelsystem - unter Berücksichtigung der vom Fahrer eingegebenen Wünsche bezüglich der Form (Stärke, Dauer etc.) der Verbindung - die Aktoren, die bei den verschiedenen Pedalen bzw. Manualen mit den Steuerorganen des Fahrers in Berührung kommen, steuert.

9. Einrichtung nach Hauptanspruch 1 und Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet dadurch, daß das Pedal bzw. Manual mit einem Kolben verbunden ist, der bei Erhöhung der Umdrehungen ein Medium mit eigener (bei Gas) oder mittels Zusatzkolben und Feder verliehenen (bei Flüssigkeit) Elastizität durch eine Öffnung drängt, deren Querschnitt vom Regelsystem gesteuert wird, wobei ein bestimmter Gegendruck entsteht, die Bewegung aber dank eines Einwegventils ungebremst in die umgekehrte Richtung erfolgt.

10. Einrichtung nach Hauptanspruch 1 und Ansprüchen 4, 5, 6, 7 gekennzeichnet dadurch, daß auf den Pedalen bzw. Manualen Warnmodule elastisch aufgesetzt sind, und zwar so, daß sie die Steuerorgane des Fahrers berühren, wobei dieser die Stärke der Verbindung durch die Stellung des Organs bestimmen kann.

11. Einrichtung nach Anspruch 10 gekennzeichnet dadurch, daß ein Warnmodul eine Spule mit Mittenabzweig beinhaltet, in deren Mitte ein vom Spulenstrom getriebener magnetischer Kern in axiale Richtung hin und her pendelt, infolgedessen der Warnblock Stöße in einer durch die Wahl der Spulenhälfte und durch die Form des treibenden Spulenstromes (steil ansteigend und linear absteigend) bestimmten Richtung generiert, wobei die Stärke der Stöße durch eine entsprechende Stromamplitude bzw. Stromimpulsdauer von dem Regelsystem bestimmt wird.