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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Fahrerhandmoments an einem Lenkrad eines Fahrzeugs.
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Moderne Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, weisen eine Vielzahl von Assistenzsystemen auf, welche einen Fahrer beim Führen des Fahrzeugs unterstützen. Es kommen beispielsweise Bremsassistenten, Spurhalteassistenten und Abstandshalteassistenten zum Einsatz.
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Insbesondere beim Spurhalteassistenten muss gewährleistet sein, dass der Fahrer jederzeit die Fahraufgabe vollständig wieder übernehmen kann. Rückschlüsse auf eine Fahreraktivität können durch verschiedene Konzepte erreicht werden. Beispielsweise kann die Fahreraktivität anhand eines Lenkmoments bewertet werden. Das Lenkmoment wird hierbei jedoch nicht direkt am Lenkrad erfasst, sondern am unteren Ende einer Lenksäule, welche mit dem Lenkrad verbunden ist. Lenksäulen sind wie alle mechanischen Systeme reibungsbehaftet. Zusätzlich weisen sie durch ihre mechanische Kinematik eine Ungleichförmigkeit in der Bewegung auf. Diese Wechselwirkungen erschweren eine Erkennung der Fahreraktivität, insbesondere eine Erkennung einer Freihandfahrt. Ferner zeigen solche Einflüsse aufgrund von fertigungsbedingten Schwankungen eine unterschiedliche Ausprägung. Durch diese Schwankungen wird eine Bewertung der Fahreraktivität erschwert.
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Aus der
DE 10 2009 028 647 A ist ein Verfahren bekannt, um den Bedienzustand eines Lenkrads in einem Fahrzeug zu erkennen. Hierfür wird beschrieben, dass ein aktueller, hoch aufgelöster Lenkradwinkel und ein aktuelles Lenkmoment bestimmt werden. In Abhängigkeit von dem Lenkradwinkel und dem Lenkmoment wird ein von dem Fahrer aktuell aufgebrachtes Fahrerhandmoment bestimmt. In Abhängigkeit von einem Verlauf des Fahrerhandmoments wird dann der Betriebszustand des Lenkrads bestimmt bzw. es wird erkannt, ob der Fahrer die Hände am Lenkrad hat („hands on”) oder ob der Fahrer die Hände von dem Lenkrad genommen hat („hands off”).
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Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Fahrerhandmoments an einem Lenkrad eines Fahrzeugs zu schaffen, bei der das Bestimmen des Fahrerhandmoments verbessert ist.
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Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Insbesondere wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Fahrerhandmoments an einem Lenkrad eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, umfassend die folgenden Schritte: Erfassen einer Lenkwinkelgeschwindigkeit mittels eines Lenkwinkelsensors, Erfassen eines Lenkmoments mittels eines Lenkmomentsensors an einer mit dem Lenkrad verbundenen Lenksäule, Schätzen eines von einem Fahrer aufgebrachten Fahrerhandmoments an dem Lenkrad auf Grundlage der erfassten Lenkwinkelgeschwindigkeit und des erfassten Lenkmoments mittels eines Kalman-Filters durch eine Steuerung, wobei beim Schätzen des Fahrerhandmoments ein Reibmoment berücksichtigt wird und das Reibmoment auf Grundlage des mittels des Lenkmomentsensors erfassten Lenkmoments geschätzt wird, wobei das geschätzte Reibmoment als Störfaktor beim Schätzen des Fahrerhandmoments in dem Kalman-Filter berücksichtigt wird.
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Ferner wird eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Fahrerhandmoments an einem Lenkrad eines Fahrzeugs geschaffen, umfassend einen Lenkwinkelsensor zum Erfassen einer Lenkwinkelgeschwindigkeit, einen Lenkmomentsensor zum Erfassen eines Lenkmoments an einer mit dem Lenkrad verbundenen Lenksäule und eine Steuerung, wobei die Steuerung derart ausgebildet ist, ein von einem Fahrer aufgebrachtes Fahrerhandmoment an dem Lenkrad auf Grundlage der erfassten Lenkwinkelgeschwindigkeit und des mittels des Lenkmomentsensors erfassten Lenkmoments mittels eines Kalman-Filters zu schätzen, wobei die Steuerung ferner derart ausgebildet ist, beim Schätzen des Fahrerhandmoments ein Reibmoment zu berücksichtigen und das Reibmoment auf Grundlage des mittels des Lenkmomentsensors erfassten Lenkmoments zu schätzen, wobei die Steuerung das geschätzte Reibmoment als Störfaktor beim Schätzen des Fahrerhandmoments in dem Kalman-Filter berücksichtigt.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass das Fahrerhandmoment genauer und zuverlässiger geschätzt werden kann als es beispielsweise bei anderen Verfahren, welche ein Fahrerhandmoment lediglich aus einer Lenkwinkelgeschwindigkeit oder einer Lenkwinkelgeschwindigkeit und einem Lenkmoment ohne Berücksichtigung eines Reibmoments ableiten, der Fall ist. Es hat sich ferner gezeigt, dass das Verfahren auch gegenüber Verfahren, welche das Reibmoment näherungsweise aus der Lenkwinkelgeschwindigkeit ableiten, insbesondere durch eine höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit, verbessert ist. Hierdurch kann eine zuverlässigere Schätzung des Fahrerhandmoments gewährleistet werden.
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Ein Kalman-Filter liefert basierend auf einer fehlerbehafteten Messung und auf einer vorherigen Schätzung eines Systemzustandes eine Schätzung für einen aktuellen Systemzustand. Dabei ist der aktuelle Systemzustand in einem Zustandsvektor xk hinterlegt, wobei k für die Nummer des Zeitschrittes steht. Zur Schätzung der Systemzustände wird eine Dynamikmatrix A benötigt. Die Dynamikmatrix A erlaubt eine Abbildung des vorherigen Systemzustands auf den nächsten Systemzustand. Äußere Störeinflüsse können in die Schätzung durch eine Transformationsmatrix B und der Größe uk-1, miteinbezogen werden.
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Wie oben beschrieben, wird die Schätzung des Fahrerhandmoments in der Steuerung mittels eines solchen Kalman-Filters durchgeführt. Dazu wird ein physikalisches Modell der Lenkung und einer Zahnstange aufgestellt, wobei das Modell ein Lenkmoment M
S, ein Fahrerhandmoment M
H und ein Reibmoment M
R berücksichtigt. Das Lenkmoment M
S wird mittels eines Lenkmomentsensors erfasst. Das Modell lässt sich mittels einer Differentialgleichung beschreiben:
wobei j eine Trägheit der Lenkung ist und φ .. eine Lenkwinkelbeschleunigung ist. Das Lenkmoment M
S ergibt sich dann folgendermaßen:
MS = MR + MH -
Zur Anwendung des Kalman-Filters wird die Differentialgleichung in die Zustandsraumdarstellung mit den beiden Zuständen Lenkwinkelbeschleunigung φ. .
S (der Index s bezeichnet hierbei, dass der Lenkwinkel bzw. eine daraus abgeleitete Lenkwinkelbeschleunigung am Lenkwinkelsensor erfasst wurde) und Änderung des Fahrerhandmoments M .
H überführt:
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Das Kalman-Filter hat somit die Zustandsgrößen Lenkwinkelgeschwindigkeit φ .
S und Fahrerhandmoment M
H:
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Das Systemverhalten wird über die Dynamikmatrix A abgebildet:
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Das Reibmoment M
R wird als Störgröße u im Kalman-Filter berücksichtigt:
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Die Störgröße u wird mittels einer Transformationsmatrix B auf die Zustandsgrößen aufgeschaltet:
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Die Ausgangsgrößen des Kalman-Filters sind die Lenkwinkelgeschwindigkeit φ .
S und das Lenkmoment M
S:
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Das Reibmoment M
R wird über die Durchgangsmatrix D auf den Ausgang geschaltet:
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Die Ausgabe des Kalman-Filters ist ein geschätztes Fahrerhandmoment MH.
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Das Kalman-Filter ist eine Schleife, bei der zu Beginn ein Systemzustand geschätzt und der geschätzte Systemzustand anschließend mit einer Messung korrigiert wird. Beim nächsten Durchlauf der Schleife wird die Genauigkeit der Schätzung mit der Messung verglichen. Aus diesem Grund kann man das Kalman-Filter in zwei Berechnungsschritte aufteilen.
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Zunächst werden die Schätzungen vom Systemzustand und einer Fehlerkovarianzmatrix durch eine Projektion auf einen aktuellen Zeitschritt abgebildet:
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Zeit Update („Prädiktion”):
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- (1) Projektion des vorherigen Schrittes: x ^k = Ax ^k-1 + Buk-1
- (2) Fehlerkovarianz des vorherigen Schrittes: Pk = APk-1AT + Q
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Beim ersten Durchlauf des Kalman-Filters müssen die Größen für den ersten Systemzustand und die Fehlerkovarianzmatrix festgelegt werden. Das Systemrauschen des Kalman-Filters wird durch die Varianz Q abgebildet und dem Verhalten jeweils angepasst.
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Bei der Korrektur der Messung wird zunächst die sogenannte Kalman-Verstärkung Kk berechnet. Diese wird mit Hilfe der zuvor berechneten Fehlerkovarianzmatrix Pk, der Messmatrix H und der Varianz R des Messrauschens berechnet. Dabei bildet die Messmatrix H den Systemzustand x zum Zeitpunkt k auf den Messwert zk ab. Sowohl Messvektor wie auch der Systemzustand werden durch ein Rauschen gestört. Dieses Messrauschen wird mit Hilfe der Varianz R nachgebildet. Ist die Kalman-Verstärkung Kk so gewählt, dass die Fehlerkovarianzmatrix Pk minimal wird, so ist der Unterschied zwischen dem realen und dem geschätzten Messwert minimal.
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Messgrößen Update („Korrektur”):
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- (1) Berechnung Kalman-Verstärkung: Kk = PkHT(HPkHT + R)–1
- (2) Update der Schätzung mit dem Messwert zk: x ^k,korrigiert = x ^k + Kk(Zk – Hx ^k)
- (3) Update der Fehlerkovarianz: Pk,korrigiert = (I – KkH)Pk
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Schätzen des Reibmoments als Näherung vorausgesetzt wird, dass das Reibmoment proportional zu dem erfassten Lenkmoment ist. Dies stellt ein einfaches Modell zur Näherung des Reibmomentes dar. Ist MS das erfasste Lenkmoment, so ergibt sich mit einem Proportionalitätsfaktor μ das Reibmoment MR zu: MR = μ·MS
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Ferner ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass beim Schätzen des Reibmoments als Näherung vorausgesetzt wird, dass das Reibmoment sich unter Berücksichtigung des erfassten Lenkmoments aus einem Anteil viskoser Reibung und einem Anteil Coulombscher Reibung zusammensetzt. So lässt sich das Reibmoment beispielsweise wie folgt schätzen:
wobei M
R das Reibmoment ist, M
S das erfasste Lenkmoment, γ
v ein Koeffizient der viskosen Reibung, γ
c ein Koeffizient der Coulombschen Reibung und v ein weiterer Koeffizient. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass das Reibmoment sehr viel genauer aus dem Lenkmoment geschätzt werden kann.
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Insbesondere ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass vor dem Schätzen des Reibmoments eine Messreihe durchgeführt wird, wobei mittels eines weiteren Lenkmomentsensors unmittelbar an dem Lenkrad ein weiteres Fahrerhandmoment direkt erfasst wird, und wobei aus dem weiteren direkt erfassten Fahrerhandmoment durch Vergleich mit dem geschätzten Fahrerhandmoment ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem an dem Lenkmomentsensor erfassten Lenkmoment und dem Reibmoment geschätzt wird oder Koeffizienten für eine viskose Reibung, eine Coulombsche Reibung und weitere Koeffizienten geschätzt werden. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass der weitere Lenkmomentsensor nur während der Messreihe, beispielsweise im Rahmen einer Testfahrt mit einer Lenkung der Baureihe des in einem Fahrzeug verbaut ist. Nach einer solchen Testfahrt liegen dann sowohl erfasste Messdaten für das unmittelbar am Lenkrad erfasste weitere Fahrerhandmoment als auch Werte für das geschätzte Fahrerhandmoment vor. Geht man nun davon aus, dass das direkt am Lenkrad erfasste weitere Fahrerhandmoment einem wahren Fahrerhandmoment entspricht, so kann daraus für die jeweils benutzte Näherung des Reibmoments entweder der Proportionalitätsfaktor μ bestimmt werden oder der Koeffizient γv für den Anteil der viskosen Reibung, der Koeffizient γc für den Anteil der Coulombschen Reibung und der weitere Koeffizient v. Sind der Proportionalitätsfaktor oder die Koeffizienten entsprechend bestimmt, werden sie beim Schätzen des Reibmoments und beim Durchführen des Verfahrens für die Lenkung der Serie entsprechend verwendet.
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Bei einer Ausführungsform ist hierbei vorgesehen, dass der Proportionalitätsfaktor oder die Koeffizienten mittels eines nicht-gradienten-basierten Optimierungsverfahrens geschätzt werden. Dies ist von Vorteil, dass keine Gradienten benötigt werden und auf diese Weise leichter ein globales Optimum gefunden werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lenkwinkelgeschwindigkeit mittels eines Rotorlagesensors an einem Electric Power Steering(EPS)-Motor erfasst wird, wobei eine vorhandene Übersetzung berücksichtigt wird. Dies hat den Vorteil, das bereits vorhandene Einrichtungen des Fahrzeugs verwendet werden können, wodurch sich Kosten und Aufwand einsparen lassen.
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Insbesondere ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass aus dem geschätzten Fahrerhandmoment eine Fahreraktivitätsinformation abgeleitet wird, wobei die Fahreraktivitätsinformation eine Information darüber umfasst, ob der Fahrer des Fahrzeugs das Lenkrad berührt („hands on”) oder nicht berührt („hands off”). Hierzu wird beispielsweise das geschätzte Fahrerhandmoment fortlaufend mit einem Schwellwert verglichen. Wird der Schwellwert überschritten, so wird als Fahreraktivitätsinformation abgeleitet, dass der Fahrer das Lenkrad berührt („hands on”). Wird der Schwellwert hingegen nicht überschritten, so wird als Fahreraktivitätsinformation abgeleitet, dass der Fahrer das Lenkrad nicht berührt oder zumindest kein Moment auf dieses ausübt („hands off”).
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Lenkung mit den auftretenden Momenten;
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Fahrerhandmoments an einem Lenkrad eines Fahrzeugs;
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3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Fahrerhandmoments an einem Lenkrad eines Fahrzeugs.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Lenkung 51 gezeigt. Die Lenkung 51 umfasst eine Lenksäule 52, welche mechanisch mit einem Lenkrad 53 und über ein Lenkritzel 54 mit einer Zahnstange 55 verbunden ist und durch Drehung einen Einschlagwinkel von Vorderrädern beeinflussen kann. Am unteren Ende der Lenksäule 52 sind ferner ein Lenkmomentsensor 56 zum Erfassen eines Lenkmoments und ein Lenkwinkelsensor 58 zum Erfassen eines Lenkwinkels ausgebildet. Zur Unterstützung kann ein Elektromotor 57 an der Zahnstange 55 eingreifen (Electric Power Steering – EPS).
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An der Lenkung 51 können verschiedene Momente auftreten: Am Lenkrad 53 kann ein von einem Fahrer aufgebrachtes Fahrerhandmoment MH wirken. An der Lenksäule 52 wirkt ein Lenkmoment Ms, welches von dem Lenkmomentsensor 56 erfasst und als Messsignal bereitgestellt wird. Ferner ist die Lenkung 51 als mechanisches System reibungsbehaftet, so dass ein Reibmoment MR berücksichtigt werden muss.
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In 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen eines Fahrerhandmoments MH an einem Lenkrad eines Fahrzeugs 50 gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Lenkwinkelsensor 58 zum Erfassen eines Lenkwinkels beziehungsweise einer Lenkwinkelgeschwindigkeit und einen Lenkmomentsensor 56 zum Erfassen eines Lenkmoments MS. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Steuerung 2. Die Steuerung 2 weist einen Reibmomentschätzer 3 zum Schätzen eines Reibmoments MR aus dem von dem Lenkmomentsensor 56 erfassten Lenkmoment MS, ein Kalman-Filter 4 und eine Entscheidereinrichtung 5 auf.
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Der Lenkwinkelsensor 58 erfasst fortlaufend einen Lenkwinkel und leitet daraus eine Lenkwinkelgeschwindigkeit ab. Der Lenkmomentsensor 56 erfasst fortlaufend eine ein Lenkmoment MS. Aus dem erfassten Lenkmoment MS schätzt der Reibmomentschätzer 4 ein Reibmoment MR. Aus der erfassten Lenkwinkelgeschwindigkeit, dem erfassten Lenkmoment MS und dem geschätzten Reibmoment MR schätzt das Kalman-Filter ein Fahrerhandmoment MH. Das geschätzte Fahrerhandmoment MH wird von der Steuerung 2 als analoges oder digitales Signal 10 ausgegeben. Zusätzlich leitet die Entscheidereinrichtung 5 aus dem geschätzten Fahrerhandmoment MH eine Fahreraktivitätsinformation 11 ab. Dazu überprüft die Entscheidereinrichtung 5, ob das geschätzte Fahrerhandmoment MH einen vorgegebenen Schwellwert Mthr überschreitet oder nicht. Wird der vorgegebene Schwellwert Mthr überschritten, so wird als Fahreraktivitätsinformation 11 ein „hands on”-Signal 12 ausgegeben, das anzeigt, dass der Fahrer das Lenkrad berührt. Wird der vorgegebene Schwellwert Mthr hingegen nicht überschritten, so wird als Fahreraktivitätsinformation 11 ein „hands off”-Signal 13 ausgegeben, das anzeigt, dass der Fahrer das Lenkrad nicht berührt. Anschließend wird das Verfahren zyklisch wiederholt, so dass fortlaufend ein aktueller Wert für das Fahrerhandmoment MH geschätzt wird.
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In 3 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Fahrerhandmoments an einem Lenkrad eines Fahrzeugs gezeigt. Nach dem Starten 100 kann in einem ersten Verfahrensschritt 101 vorerst eine Messreihe der Reibmomentschätzung vorgenommen werden. Dazu wird beispielsweise mittels eines weiteren Lenkmomentsensors unmittelbar an dem Lenkrad direkt ein weiteres Fahrerhandmoment erfasst. Die Messreihe kann dabei beispielsweise in einem Testfahrzeug durchgeführt werden. Aus dem weiteren direkt erfassten Fahrerhandmoment wird anschließend durch Vergleich mit dem in den nachfolgenden Verfahrensschritten 102–108 bestimmten Fahrerhandmoment ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem an dem Lenkmomentsensor erfassten Lenkmoment und dem Reibmoment geschätzt oder Koeffizienten für eine viskose Reibung, eine Coulombsche Reibung und weitere Koeffizienten geschätzt. Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass der Proportionalitätsfaktor beziehungsweise die Koeffizienten mittels eines nicht-gradienten-basierten Optimierungsverfahrens geschätzt werden. Die geschätzten Parameter werden dann für zukünftige Reibmomentschätzungen verwendet.
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In dem nächsten Verfahrensschritt 102 wird eine Lenkwinkelgeschwindigkeit mittels eines Lenkwinkelsensors erfasst. Anschließend wird im Verfahrensschritt 103 ein Lenkmoment mittels eines Lenkmomentsensors erfasst.
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Anschließend wird im Verfahrensschritt 104 das Fahrerhandmoment geschätzt. Der Verfahrensschritt 104 teilt sich hierzu auf in die Verfahrensschritte 105–107.
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Im Verfahrensschritt 105 wird auf Grundlage des erfassten Lenkmoments MS ein Reibmoment MR berechnet. Dabei werden die in der Kalibrierung bestimmten Parameter, das heißt der Proportionalitätsfaktor beziehungsweise die drei Koeffizienten, verwendet.
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Im anschließenden Verfahrensschritt 106 werden durch das Kalman-Filter ein Systemzustand und eine Fehlerkovarianzmatrix auf einen aktuellen Zeitschritt abgebildet und somit eine Schätzung für das Fahrerhandmoment MH für den aktuellen Zeitschritt vorgenommen.
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Im Verfahrensschritt 107 wird die im Verfahrensschritt 106 vorgenommene Schätzung durch die in den Verfahrensschritten 102 und 103 erfassten Werte korrigiert. Dazu wird eine Kalman-Verstärkung berechnet. Anschließend wird ein neuer Systemzustand bzw. ein neues Fahrerhandmoment MH geschätzt. Zum Schluss des Verfahrensschritts 107 erfolgt eine Aktualisierung der Fehlerkovarianzmatrix des Kalman-Filters.
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Im darauf folgenden Verfahrensschritt 108 wird das mittels des Kalman-Filters geschätzte Fahrerhandmoment MH als Signal ausgegeben, so dass es weiterverarbeitet werden kann, beispielsweise durch ein Assistenzsystem des Fahrzeugs.
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Zusätzlich kann in einem Verfahrensschritt 109 vorgesehen sein, dass aus dem geschätzten Fahrerhandmoment MH eine Fahreraktivitätsinformation abgeleitet wird, welche angibt, ob ein Fahrer das Lenkrad berührt („hands on”) oder nicht berührt („hands off”). Auch die Fahreraktivitätsinformation wird als Signal bereitgestellt, so dass es weiterverarbeitet werden kann, beispielsweise durch das Assistenzsystem des Fahrzeugs.
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Die Verfahrensschritte 102 bis 109 werden zyklisch (z. B. mit einer Frequenz von 50 Hz) wiederholt, so dass für einen aktuellen Zeitpunkt stets ein geschätztes Fahrerhandmoment MH zur Verfügung gestellt wird.
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Soll keine weitere Schätzung des Fahrerhandmoments MH mehr vorgenommen werden, so wird das Verfahren beendet 110.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Steuerung
- 3
- Reibmomentschätzer
- 4
- Kalman-Filter
- 5
- Entscheidereinrichtung
- 10
- Signal
- 11
- Fahreraktivitätsinformation
- 12
- „hands on”-Signal
- 13
- „hands off”-Signal
- 51
- Lenkung
- 52
- Lenksäule
- 53
- Lenkrad
- 54
- Lenkritzel
- 55
- Zahnstange
- 56
- Lenkmomentsensor
- 57
- Elektromotor
- 58
- Lenkwinkelsensor
- 59
- Rotorlagesensor
- 100–110
- Verfahrensschritte
- MS
- Lenkmoment
- MR
- Reibmoment
- MH
- Fahrerhandmoment
- Mthr
- Schwellwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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