DE102007039332B4 - Method and steering assistance system for detecting the contact state of at least one hand of a driver on the steering handle of a vehicle - Google Patents
Method and steering assistance system for detecting the contact state of at least one hand of a driver on the steering handle of a vehicleInfo
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Abstract
Verfahren zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an der Lenkhandhabe eines Fahrzeuges,
gekennzeichnet durch die Schritte
1. die Lenkbewegung der Lenkhandhabe mittels mindestens eines Momentsensors und mindestens eines Winkelsensors erfasst wird,
2. die freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe unter Beachtung nicht-linearen Reibungseffekten anhand von experimentellen Messdaten modelliert wird,
3. das Fahrerlenkmoment mittels des Zustandsbeobachters als ein Zustand ermittelt wird, wobei der Zustand eine Störgröße ist,
4. dass ein Zustandsbeobachter für die Schätzung des Fahrerlenkmoments eingesetzt wird und mittels des geschätzten Fahrerlenkmoments der Kontaktzustand zwischen den Händen und der Lenkhandhabe detektiert wird, wobei der Zustandsbeobachter ein Störgrößenbeobachter ist.
Method for detecting the contact state of at least one hand of a driver on the steering handle of a vehicle,
characterized by the steps
1. the steering movement of the steering handle is detected by means of at least one torque sensor and at least one angle sensor,
2. the free steering movement of the steering handle is modelled using experimental measurement data, taking non-linear friction effects into account,
3. the driver steering torque is determined as a state by means of the state observer, whereby the state is a disturbance variable,
4. that a state observer is used to estimate the driver steering torque and the contact state between the hands and the steering handle is detected by means of the estimated driver steering torque, wherein the state observer is a disturbance observer.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Lenkassistenzsystem zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an der Lenkhandhabe eines Fahrzeuges.The invention relates to a method and a steering assistance system for detecting the contact state of at least one hand of a driver on the steering handle of a vehicle.
Eine Lenkhandhabe mit den vorgenannten Merkmalen ist aus der
Mit der fortschreitenden Entwicklung von Fahrdynamikregelungen und Fahrerassistenzsystemen gewinnt die Erfassung des Kontaktzustandes von Händen des Fahrzeugführers mit der Lenkhandhabe zunehmend an Bedeutung. So ist es beispielsweise aus der µ-Split Bremsung mit der aktiven überlagerten Lenkung, oder aus DSR (Driver Steering Recommendation) bekannt, dass abhängig vom detektierten Kontaktzustand zwischen den Händen des Fahrzeugführers und der Lenkhandhabe die Reglerparameter so angepasst werden, dass die möglichen Schwingungen der Lenkhandhabe und das dadurch beeinträchtigte Fahrverhalten des Fahrzeugs beseitigt oder minimiert werden. Auch bei Fahrerassistenzsystemen mit Spurführungsunterstützung ist es notwendig, den Kontaktzustand der Hände mit der Lenkhandhabe ständig zu überwachen, um eine Fahrsituation zu vermeiden, bei der der Fahrer während der Fahrt die Hände von der Lenkhandhabe nimmt.With the progressive development of vehicle dynamics control and driver assistance systems, the detection of the contact state of the driver's hands with the steering handle is becoming increasingly important. For example, it is known from µ-split braking with active superimposed steering, or from DSR (Driver Steering Recommendation), that depending on the detected contact state between the driver's hands and the steering handle, the controller parameters are adjusted to eliminate or minimize potential vibrations of the steering handle and the resulting impaired handling of the vehicle. Even in driver assistance systems with lane guidance support, it is necessary to continuously monitor the contact state of the hands with the steering handle to avoid a driving situation in which the driver removes their hands from the steering handle while driving.
Die
In der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum zuverlässigeren Detektieren des Kontaktzustands zwischen den Händen eines Fahrers und der Lenkhandhabe bereitzustellen.The invention is based on the object of providing a method for more reliably detecting the contact state between the hands of a driver and the steering handle.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 und der Merkmale des Anspruchs 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved by the features of claim 1 and the features of claim 7. Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Es versteht sich, dass unter dem Begriff der Lenkhandhabe im Weiteren alle Vorrichtungen fällen, die zur Lenkung eines Fahrzeuges einsetzbar sind.It is understood that the term steering handle includes all devices that can be used to steer a vehicle.
In einer Ausführungsform des Verfahren zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an der Lenkhandhabe eines Fahrzeuges, wird die Lenkbewegung der Lenkhandhabe mittels mindestens eines Momentsensors und mindestens eines Winkelsensors erfasst wird, die freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe unter Beachtung nicht-linearen Reibungseffekten anhand von experimentellen Messdaten modelliert, das Fahrerlenkmoment mittels des Zustandsbeobachter als ein Zustand ermittelt, dass ein Zustandsbeobachter für die Schätzung des Fahrerlenkmoments eingesetzt und mittels des geschätzten Fahrerlenkmoments der Kontaktzustand zwischen den Händen und dem Lenkhandhabe detektiert.In one embodiment of the method for detecting the contact state of at least one hand of a driver on the steering handle of a vehicle, the steering movement of the steering handle is detected by means of at least one torque sensor and at least one angle sensor, the free steering movement of the steering handle is modeled taking non-linear friction effects into account using experimental measurement data, the driver steering torque is determined as a state by means of the state observer, a state observer is used to estimate the driver steering torque and the contact state between the hands and the steering handle is detected by means of the estimated driver steering torque.
In einer weiteren Ausführungsform ist das dynamische Modell eine nichtlineare Differentialgleichung, welches die freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe beschreibt.In a further embodiment, the dynamic model is a nonlinear differential equation that describes the free steering movement of the steering handle.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das nichtlineare dynamische Modell der Lenkhandhabe durch numerische Behandlung in ein lineares Modell umgeformt wird.A particularly advantageous embodiment is characterized by the fact that the non-linear dynamic model of the steering handle is transformed into a linear model by numerical treatment.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Detektion des Hand-On/Off Zustands durch einen Vergleich des gleitenden Mittelwertes des Betrags des geschätzten Fahrerlenkmoments in einem vordefinierten Zeitfenster τ mit einem vordefinierten Schwellwert ε1 und ein Vergleich des gleitenden Mittelwertes des Betrags des Quotienten |x2/Ms| mit einem vordefinierten Schwellwert ε2.In a further particularly advantageous embodiment, the detection of the hand-on/off state is carried out by comparing the moving average of the amount of the estimated driver steering torque in a predefined time window τ with a predefined threshold value ε1 and a comparison of the moving average of the amount of the quotient |x 2 /M s | with a predefined threshold value ε2.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich aus, dass bei einem Nulldurchgang des gemessenen Momentes Ms der modifizierten Quotient |x2/M̃s| zur Berechnung des gleitenden Mittelwertes des Quotienten |x2/Ms| verwendet wird.A further advantageous embodiment is characterized in that when the measured moment M s passes through zero, the modified quotient |x 2 /M̃ s | is used to calculate the moving average of the quotient |x 2 /M s |.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine aktive Detektion des Hand-Off-Zustands durchgeführt, wenn das geschätzte Fahrerlenkmoment in einem vordefinierten Zeitfenster τ kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ε1 ist und der Quotient |x2/Ms|, gegebenenfalls |x2/M̃s|, größer als ein vordefinierter Schwellwert ε2 ist.In a further advantageous embodiment, an active detection of the hand-off state is carried out if the estimated driver steering torque in a predefined time window τ is smaller than a predefined threshold value ε1 and the quotient |x 2 /M s |, optionally |x 2 /M̃ s |, is greater than a predefined threshold value ε2.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Lenkassistenzsystem gelöst, das eine Lenkhandhabe (1), eine Lenkstange (2), Mittel zur Erfassung und Ermittlung von Lenkbewegungssignalen (3, 4), Mittel zur Lenksignalfilterung (5, 6), Mittel zur Bildung von mathematischen Ableitungen (7), einen Beobachter für das Fahrerlenkmoment (8) und einen Hand-Off Detektor (9) umfasst.The object is also achieved by a steering assistance system which comprises a steering handle (1), a steering rod (2), means for detecting and determining steering movement signals (3, 4), means for filtering the steering signals (5, 6), means for forming mathematical derivatives (7), an observer for the driver's steering torque (8) and a hand-off detector (9).
Die Lenkbewegung einer Lenkhandhabe wird vorteilhaft mit einem nichtlinearen dynamischen Modell unter Berücksichtigung sowohl der viskosen als auch der Coulombschen Reibung dargestellt, wodurch in vorteilhafter Weise der Schätzfehler reduziert wird.The steering movement of a steering handle is advantageously represented with a nonlinear dynamic model taking into account both viscous and Coulomb friction, which advantageously reduces the estimation error.
Es wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Störgrößenbeobachter für die Schätzung des Fahrerlenkmoments eingesetzt. Hierdurch ist ein zweifaches explizites Differenzieren des Lenkwinkelsignals nicht notwendig und es erfolgt in vorteilhafter Weise eine Reduktion des Berechnungsaufwandes für das Schätzen des Fahrerlenkmomentes.The method according to the invention uses a disturbance variable observer to estimate the driver's steering torque. This eliminates the need for two explicit differentiations of the steering angle signal and advantageously reduces the computational effort required to estimate the driver's steering torque.
Des Weiteren wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht der Kontaktzustand direkt detektiert, sondern das aktuelle Fahrerlenkmoment ermittelt. Dies ermöglicht bei bestimmten sicherheitskritischen Anwendungen die Reglerparameter nicht nur von dem Kontaktzustand von Händen an der Lenkhandhabe sondern auch von dem aktuellen Fahrerlenkmoment abhängig zu konfigurieren.Furthermore, the method according to the invention does not directly detect the contact state, but rather determines the current driver steering torque. This allows, in certain safety-critical applications, the controller parameters to be configured not only based on the contact state of hands on the steering handle, but also based on the current driver steering torque.
Oft sind Lenkwinkel- und Lenkmomentsensor bei einem Lenkassistentensystem schon vorhanden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft diese Sensorsignale, die nicht speziell für das Detektieren des Kontaktzustands zwischen Händen und der Lenkhandhabe vorgesehen sind, zu verwenden, um den Kontaktzustand zwischen Händen und Lenkhandhabe zu detektieren. Die Lenkhandhabe bleibt hierdurch wie ein konventionelles Lenkrad unverändert und es ist nicht erforderlich, wie in der
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is illustrated in the drawings and is described in more detail below.
Es zeigen
-
1 Einen schematische Aufbau eines erfindungsgemäßen Lenkassistenzsystems -
2 Ein Vergleich zwischen Messung und Simulation -
3 und4 Der Einfluss des Zeitfensters τ auf Hand-Off-Detektion
-
1 A schematic structure of a steering assistance system according to the invention -
2 A comparison between measurement and simulation -
3 and4 The influence of the time window τ on hand-off detection
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass der Fahrer beim Fahren ständig Lenkkorrekturen vornimmt. Auch bei einer Geradeausfahrt ist immer noch gewisses „Haltemoment“ beim Festhalten der Lenkhandhabe vorhanden.The invention is based on the idea that the driver constantly makes steering corrections while driving. Even when driving straight ahead, a certain amount of "holding torque" is still present when holding the steering handle.
In der
- • Durch das vom Fahrer auf die Lenkhandhabe ausgeübte Lenkmoment Mh.
- • Durch die Momente, die durch aktives Lenken von Aktuatoren wie EPS etc., oder durch unebenen Fahrbahn hervorgerufene Störmoment, oder als ein Gegenmoment des Lenkmomentes Mh. All diese Momente werden an dem Wirkungspunkt A, wo sich der Momentsensor befindet, als Ms zusammengefasst und lassen sich mit dem Momentsensor (4) ermitteln.
- • Durch das durch Reibung verursachte Moment M,. Dieses Moment wirkt ständig als Widerstand gegen die Rotationsbewegung der Lenkhandhabe (1).
- • By the steering torque M h exerted by the driver on the steering handle.
- • Through the moments caused by active steering of actuators such as EPS etc., or by uneven road surfaces, or as a counter-torque of the steering torque M h . All these moments are summarized as M s at the point of action A, where the torque sensor is located, and can be determined using the torque sensor (4).
- • By the moment M caused by friction. This moment constantly acts as a resistance against the rotational movement of the steering handle (1).
Es lässt sich die Rotationsbewegung der Lenkhandhabe durch folgende Momentengleichung beschreiben
Wobei J das Trägheitsmoment der Lenkhandhabe (1) und der Lenkstange (2) oberhalb der Momentsensors (4) ist und ϕ̈ die Winkelbeschleunigung der Lenkhandhabe.Where J is the moment of inertia of the steering handle (1) and the handlebar (2) above the torque sensor (4) and ϕ̈ is the angular acceleration of the steering handle.
Bei einem Hand-off Zustand, bei dem der Fahrzeugführer seine Hände nicht auf die Lenkhandhabe legt, ist das Fahrerlenkmoment Mh gleich null und die Gl. (1) lässt sich durch
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise in drei Phasen aufgeteilt, wobei die einzelnen Phasen weiter aufteilbar sind:
- 1. Die nicht durch Fahrer beeinflusste „freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe“ möglichst genau mit einem nichtlinearen dynamischen Modell darzustellen.
- 2. Das aus experimentellen Messdaten ermittelte nichtlineare Lenkhandhabemodell in ein numerisch behandelbaren linearen Modell zu transformieren.
- 3. Das vom Fahrer ausgeübte Lenkmoment als eine Störgröße in dieses Modell einzubeziehen, wobei dies mit einem Zustandsbeobachter ermittelt wird.
- 1. To represent the “free steering movement of the steering handle” not influenced by the driver as accurately as possible using a non-linear dynamic model.
- 2. To transform the nonlinear steering handling model determined from experimental measurement data into a numerically treatable linear model.
- 3. To include the steering torque exerted by the driver as a disturbance in this model, which is determined using a state observer.
Das Reibungsmoment in Gl.(1) und Gl.(2) wird wie folgend modelliert:
Hier ist γv der Koeffizient der viskosen Reibung und γc der Koeffizient der Coulombschen Reibung. Die Coulombsche Reibung lässt sich allein mit sign(ϕ̇)·γc darstellen, der hier einbezogene Term (1-ev·|ϕ̇|) verbessert die numerische Behandelbarkeit der Gl. (3). Für die weitere Beschreibung werden Gl. (2) und Gl. (3) folgendermaßen zusammengefasst:
Das Lenkhandhabemodell Gl. (4) beschreibt eine nichtlineare Dynamik der Lenkhandhabe und ist für den Entwurf eines linearen Störgrößenbeobachters nicht geeignet. Um das Modell als ein lineares Modell behandeln zu können, wird die Lenkgeschwindigkeit x1 in dem nichtlinearen Term
Da Mc nicht mehr von dem Modellzustand x1 abhängig ist, kann dies als ein unabhängiges Eingangssignal des Modells betrachtet werden. So lässt sich das Modell Gl. (4) als ein lineares Modell umformen:
Eine andere Möglichkeit Mc von x1 zu entkoppeln ist, bei der Berechnung von Mc(tk) nicht x1(tk) zu verwenden, sondern immer die mit dem Beobachter (8) geschätzten x̂(tk-1) zu verwenden:
Weil am Abtastpunkt tk der beobachtete Zustand am Abtastpunkt tk-1 für die Berechnung von Mc(tk) zur Verfügung steht, kann Mc(tk) als ein bekanntes Eingangssignal des Modells betrachtet werden.Because the observed state at sampling point t k -1 is available for calculating Mc(t k ), Mc(t k ) can be considered as a known input signal of the model.
Um das Fahrerlenkmoment zu ermitteln wird das umgeformte lineare Lenkhandhabemodell Gl. (6) um einen zu beobachtenden Zustand erweitert:
Auch bei einem Hand-On Zustand, bei dem der Fahrer seine Hände auf der Lenkhandhabe liegen hat und sich das Lenkmoment des Fahrers nicht schnell verändert, kann man dies in einem bestimmten Zeitintervall mit einer Konstante annähern und ζ kann als 0 betrachtet werden. So lässt sich die erweiterte Zustandsgleichung wie folgt darstellen:
Anhand des erweiterten Zustandmodells Gl. (9) kann ein Zustandsbeobachter entworfen werden, der das Fahrerlenkmoment schätzt.Using the extended state model Eq. (9), a state observer can be designed that estimates the driver steering torque.
Das von dem Beobachter (8) ermittelte Fahrerlenkmoment spiegelt nicht exakt das reale Fahrerlenkmoment wider, denn das Modell ist nur eine Annäherung an die reale Lenkhandhabedynamik und die Umformung des Modells mit Gl. (5). oder Gl. (7) beeinträchtig mehr oder wenige die Genauigkeit des Modells. Der Beobachter selbst hat auch eigene Dynamik und liefert den Schätzwert x2 für Mh mit gewisser Zeitverzögerung. In dem erweiterten Lenkhandhabemodell Gl. (9) wird das Fahrerlenkmoment als konstant betrachtet, was bei einem Hand-On Zustand im allgemeinen nicht der Fall ist.The driver steering torque determined by the observer (8) does not exactly reflect the actual driver steering torque, as the model is only an approximation of the actual steering dynamics, and transforming the model using Eq. (5) or Eq. (7) affects the model's accuracy to a greater or lesser extent. The observer itself also has its own dynamics and provides the estimated value x 2 for M h with a certain time delay. In the extended steering model Eq. (9), the driver steering torque is considered constant, which is generally not the case in a hands-on condition.
Daher ist es bei einem Hand-Off Zustand möglich, dass das mit dem Beobachter geschätzte Fahrerlenkmoment nicht gleich null ist. Um den Hand-Off Zustand möglichst sicher zu detektieren, wird erfindungsgemäß folgendes Kriterium für Hand-Off Erkennung eingesetzt: Therefore, in a hand-off condition, it is possible that the driver steering torque estimated by the observer is not zero. To detect the hand-off condition as reliably as possible, the following criterion for hand-off detection is used:
Wenn der gleitende Mittelwert des Betrags des geschätzten Fahrerlenkmoments x2 in einem vorgegebenen Zeitfenster τ kleiner als ein vorgegebener positiver Schwellwert ε1 ist, und der gleitende Mittelwert des Quotienten |x2/Ms| kleiner als positiver ε2 ist, dann ist der Hand-Off Zustand (11) wahr.If the moving average of the magnitude of the estimated driver steering torque x 2 in a given time window τ is smaller than a given positive threshold ε1, and the moving average of the quotient |x 2 /M s | is smaller than positive ε2, then the hand-off condition (11) is true.
Wenn der Quotient |x2/Ms| größer als ε2 und |Ms| kleiner als ε3 (Nulldurchgang des gemessenen Momentes Ms) ist, dann wird geprüft, ob der Quotient |x2/M̂s| kleiner als ε2 ist. Hierbei ist M̂s = Ms + dMs / dt · Δt Gl. (10). Wird die Bedingung |x2/M̂s|<ε2 erfüllt, dann wird bei der Berechnung des gleitenden Mittelwertes statt |x2/Ms| den nach Gl. (10) modifizierten Quotient |x2/M̂s| verwendet.If the quotient |x 2 /M s | is greater than ε2 and |M s | is less than ε3 (zero crossing of the measured moment M s ), then it is checked whether the quotient |x 2 /M̂ s | is less than ε2. Here, M̂ s = M s + dM s / dt · Δt Eq. (10). If the condition |x 2 /M̂ s |<ε2 is met, then the quotient |x 2 /M̂ s | modified according to Eq. (10) is used to calculate the moving average instead of |x 2 /M s |.
Wenn der gleitende Mittelwert des Betrags des geschätzten Fahrerlenkmoments x2 in einem vorgegebenen Zeitfenster τ kleiner als ε1 ist und der gleitende Mittelwert des Quotienten |x2/Ms| größer als ε2 ist, dann wird eine aktive Hand-Off-Detektion durchgeführt. Hierbei wird ein vordefiniertes Drehmoment vom Aktuator an der Lenkanlage ausgeübt, so dass der Lenkwinkel der Lenkhandhabe sich beispielsweise sinusförmig mit einer vordefinierten Amplitude und Frequenz verändert. Für diese aktive Lenkbewegung wird die Hand-off-Detektion wie oben beschrieben erneut durchgeführt.If the moving average of the magnitude of the estimated driver steering torque x 2 in a given time window τ is less than ε1 and the moving average of the quotient |x 2 /M s | is greater than ε2, then active hand-off detection is performed. A predefined torque is applied by the actuator to the steering system, causing the steering angle of the steering handle to change, for example, sinusoidally with a predefined amplitude and frequency. For this active steering movement, hand-off detection is performed again as described above.
Wenn die zeitliche Verzögerung der Hand-Off-Detektion für die einzelne Anwendung nicht kritisch ist, wird das Zeitfenster τ einen relativ großen Wert nehmen. Vorzugsweise ist das Zeitfenster τ hierzu zwischen 50[ms] und 200[ms] zu wählen.If the time delay of hand-off detection is not critical for the individual application, the time window τ will take a relatively large value. Preferably, the time window τ should be selected between 50 ms and 200 ms.
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