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Die Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung eines Straßenfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Steuerung eines Straßenfahrzeugs hierzu.
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Straßenfahrzeuge, wie beispielsweise Autos oder Lkws, werden auch heute noch trotz vieler bekannter alternativer Steuerungsformen mit Hilfe von mechanischen Stellteilen wie Lenkrad und Fußpedalen gesteuert. Diese Stellteile sind dabei mehr oder weniger mechanisch direkt mit den Stellgliedern des Straßenfahrzeugs, mit denen letztendlich die Steuerung des Straßenfahrzeuges durchgeführt wird, verbunden und ermöglichen so das Ansteuern der Stellglieder auf mechanischem Wege, im Gegensatz zu dem Steuerungskonzept „steer by wire“, bei dem die Steuerungseingabe direkt in elektrische Steuersignale umgewandelt werden, die dann zur Fahrzeugsteuerung verwendet werden.
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Der Grund dafür, dass Straßenfahrzeuge trotz aller technischen Entwicklungen nach wie vor mit Hilfe von mechanischen Stellorganen gesteuert werden, liegt nicht zuletzt auch an der gesetzlichen Regelung, die im Straßenverkehr momentan noch keine alternativen Steuerungsformen erlaubt. So muss beispielsweise das Lenkrad über eine Lenkwelle mit den Vorderrädern mechanisch so verbunden sein, dass durch eine Drehbewegung des Lenkrades diese über die mechanischen Elemente in eine Schwenkbewegung der Vorderräder umgewandelt wird, so dass eine Richtungsänderung des Straßenfahrzeuges durchführbar wird. Das Lenkrad dient somit in erster Linie zur Beeinflussung der Fahrtrichtung, während andere Steuerungsparameter, wie beispielsweise Geschwindigkeitsveränderungen oder Beschleunigungen, über separate Stellteile reguliert werden. Das gleiche gilt für das Einstellen von Parametern für Assistenzsysteme, die in modernen Straßenfahrzeugen immer mehr Verbreitung finden.
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Bei Flugzeugen ist es bekannt, dass die Flugrichtung eines Flugzeuges mit Hilfe eines so genannten Steuerhorns durch den Piloten gesteuert werden kann. Hierzu kann das Steuerhorn für eine seitliche Richtungsänderung nach links oder rechts gedreht werden, während für die gegenüber Straßenfahrzeugen zusätzliche Steuerungsdimension, nämlich die Höhe, das Steuerhorn zum Piloten herangezogen oder weggedrückt werden kann, so dass sich die Höhe des Flugzeuges während des Fluges verändern lässt. Andere Steuerungskomponenten, wie beispielsweise die Fluggeschwindigkeit, werden auch bei einem Flugzeug mit Hilfe von zusätzlichen Stellteilen gesteuert.
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Mit der zunehmenden Verbreitung von Assistenzsystemen in Straßenfahrzeugen kommt der Fahrer eines Straßenfahrzeuges mehr und mehr in die Rolle eines Überwachers, da die verschiedenen Assistenzsysteme in einem Fahrzeug entsprechend eingestellt und überwacht werden müssen. So existieren mittlerweile Assistenzsysteme, die nahezu die vollständige Fahraufgabe mit Hilfe einer entsprechenden Automatik übernehmen können, was eine erhebliche Erleichterung bei Fahrten langer Strecken darstellt. Kommt es jedoch zu unerwarteten Ereignissen, bei denen der Fahrer die vollständige Führungskontrolle wieder übernehmen muss, so kommt es bedingt durch die Mensch-Maschine-Schnittstelle oft zu Verzögerungen, die zu schweren Unfällen führen können.
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Aus der gattungsgemäßen
DE 44 04 594 A1 ist ein Lenkrad bekannt, das nicht nur drehbar um die Achse gelagert ist, sondern auch in longitudinaler Richtung beweg- oder verschiebbar angeordnet ist, um so über eine Bewegung in Längsrichtung des Lenkrades das Fahrzeug zu beschleunigen oder abzubremsen.
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Aus der
DE 602 09 847 T2 ist des Weiteren eine elektrische Lenkung für Fahrzeuge bekannt, bei der das Lenkrad um eine Achse senkrecht zu der Drehachse des Lenkrades gekippt werden kann, um so zusätzliche Steuermanöver einzugeben.
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Aus der US 2002 / 0 104 705 A1 ist im Übrigen ein Lenkrad mit einem an beiden Seiten des Lenkrades angeordneten Drehgriff bekannt, um so ein Beschleunigen oder Bremsen des Fahrzeuges über den Drehgriff steuern zu können.
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Im Hinblick hierauf ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Steuerungseinrichtung zur Steuerung von Straßenfahrzeugen anzugeben, mit der die Interaktion zwischen Fahrer und Fahrzeug verbessert werden kann und die Mensch-Maschine-Schnittstelle verständlicher und somit intuitiver zu bedienen ist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichenteils von Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, dass an einem Lenkrad, das in seiner ursprünglichen Funktion um eine Drehachse zur Eingabe von Lenkbefehlen drehbar angeordnet ist, zusätzlich das Lenkrad in Längsrichtung der Drehachse bewegbar oder verschiebbar angeordnet ist, so dass über eine Betätigung in Längsrichtung der Drehachse manuelle Steuerungseingaben eingebbar sind.
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Hierfür ist ein Sensor vorgesehen, der zur Detektion manueller Steuerungseingaben aufgrund einer Betätigung des Lenkrades in Längsrichtung der Drehachse ausgebildet ist. Mit Hilfe einer Steuersignaleinheit werden dann aus den detektierten manuellen Steuerungseingaben entsprechende Steuersignale zur Steuerung des Fahrzeuges generiert.
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Diese Steuersignale können dabei zur direkten Steuerung des Straßenfahrzeuges verwendet werden, beispielsweise in Form von Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungseingaben. Die Steuerung des Straßenfahrzeuges kann aber auch indirekt derart erfolgen, dass die Steuersignale zur Steuerung des Straßenfahrzeuges zur Einstellung eines Assistenzsystems, welches zumindest teilweise eine bestimmte Fahraufgabe übernehmen kann, verwendet werden. In diesem Fall erfolgt die Steuerung nicht direkt, sondern über das Einstellen des Assistenzsystems.
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Somit wird es möglich, die longitudinale Richtung des Lenkrades eines Straßenfahrzeuges zur Eingabe von Steuerbefehlen oder Parametern für Assistenzsysteme einzugeben, was intuitiver zu bedienen ist und darüber hinaus auch die Sicherheit bei der Führung des Fahrzeuges erhöht, da zur Einstellung eines Assistenzsystems das Lenkrad nicht mehr los gelassen und der Blick und die Aufmerksamkeit auf die entsprechenden Bedienteile gerichtet werden muss. So lässt sich beispielsweise durch Verschieben des Lenkrades in Längsrichtung der Drehachse die Setzgeschwindigkeit eines Geschwindigkeits-Regel-Automaten (Tempomat) einstellen oder während der freien Fahrt ein Beschleunigungssignal setzen, in dem das Lenkrad vom Fahrer weggedrückt wird, während ein Bremssignal dadurch eingegeben werden kann, dass das Lenkrad zum Fahrer hingezogen wird.
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Erfindungsgemäß weist die Steuerungseinrichtung des Weiteren eine Steuerungsautomatik auf, die teilweise oder vollständig die Fahraufgabe übernehmen kann. Die Steuerungsautomatik ist dabei derart eingerichtet, dass verschiedene Automationsgrade bzw. Automationstiefen eingestellt werden können, die den Umfang der Automation begrenzen. Je größer der Automationsgrad, desto mehr Fahraufgaben werden von der Steuerungsautomatik übernommen.
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Die Steuerungseinrichtung der vorliegenden Art ist nun derart eingerichtet, dass mit Hilfe einer Betätigung des Lenkrades in Längsrichtung der Drehachse die Automationstiefe bzw. der Automationsgrad der Steuerungsautomatik eingestellt werden kann, wobei der Sensor zum Detektieren manueller Steuerungseingaben durch diese Betätigung ausgebildet und die Signaleinheit dann in Abhängigkeit dieser manuellen Steuerungseingaben entsprechende Steuersignale generiert, die dann zur Ansteuerung der Steuerungsautomatik verwendet werden und den Automationsgrad der Steuerungsautomatik so einstellt.
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So ist es beispielsweise denkbar, dass der Automationsgrad umso höher eingestellt wird, umso tiefer das Lenkrad in Längsrichtung der Drehachse vom Fahrer weg verschoben wurde.
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Vorteilhafter Weise ist der Sensor derart eingerichtet, dass er eine Längsbewegung des Lenkrades in Längsrichtung der Drehachse detektieren kann, so dass hieraus entsprechende manuelle Steuereingaben abgeleitet werden können. Vorteilhafter Weise kann auch aus der Position bzw. Stellung des Lenkrades in Längsrichtung eine manuelle Steuerungseingabe detektiert werden. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn entsprechende Parameter nicht über eine diskrete Betätigung des Lenkrades, sondern aufgrund des Bewegungsverlaufes eingegeben werden. Beispiel hierfür ist die Eingabe von Beschleunigungswerten, wobei die Beschleunigung umso größer ist, umso größer die Längsbewegung in Längsrichtung der Drehachse des Lenkrades ist.
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Dabei ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Betätigen des Lenkrades in Längsrichtung der Drehachse sowohl eine diskrete Betätigung in Art eines Schalters zu verstehen, sowie eine kontinuierliche Eingabe in Form einer Längsbewegung in Längsrichtung der Drehachse.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuerungseinrichtung eine Rückstellvorrichtung auf, mit der das Lenkrad nach einer Betätigung in Längsrichtung zur Drehachse wieder zurück in eine Ausgangsposition zurückgestellt werden kann. Das Lenkrad verhält sich somit ähnlich wie eine Feder, so dass durch die Rückstellung in eine Ausgangsposition die eingestellte und komfortable Armstellung des Fahrers nicht dauerhaft beeinträchtigt wird. Die Bewegung bzw. Verschiebung des Lenkrades in Längsrichtung der Drehachse ist somit immer nur temporär und nicht von Dauer.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe auch mit einem Verfahren zur Steuerung eines Straßenfahrzeuges gemäß Anspruch 6 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1: Steuerungseinrichtung in einer ersten Ausführungsform;
- 2: Steuerungseinrichtung mit einer Steuerungsautomatik in einer zweiten Ausführungsform;
- 3: Schematische Darstellung des Automationswechsels.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 1 mit einem Lenkrad 2, das um eine Drehachse 3 drehbar angeordnet ist. Die Drehachse 3 ist im Ausführungsbeispiel der 1 durch eine Lenkwelle gebildet, die an ihrem einen Ende mit dem Lenkrad 2 kontaktiert und mit dem anderen Ende mit den entsprechenden Stellgliedern 4 des Straßenfahrzeuges für die Richtungsänderung verbunden ist. Wird das Lenkrad 2 in die ein oder andere Richtung gedreht (dargestellt durch Pfeil D1), so werden die Vorderräder des Straßenfahrzeuges als Stellteile 4 in die entsprechende Richtung verschwenkt, so dass eine Richtungsänderung durch diese Art der Eingabe von Lenkbefehlen durchgeführt werden kann.
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Darüber hinaus ist das Lenkrad 2 in Längsrichtung (L1) der Drehachse 3 bewegbar oder verschiebbar angeordnet. So ist es beispielsweise denkbar, dass das Lenkrad 2 mit der Lenkwelle 3 derart fest verbunden ist, dass durch eine Betätigung des Lenkrades 2 in Längsrichtung L1 der Drehachse 3 sowohl das Lenkrad 2 als auch die Lenkwelle 3 bewegt oder verschoben werden. Denkbar ist es aber auch, dass das Lenkrad 2 an dem einen Ende der Lenkwelle 3 bewegbar oder verschiebbar auf der Lenkwelle 3 angeordnet ist, so dass bei einer Betätigung des Lenkrades 2 nur das Lenkrad 2 in Längsrichtung L1 der Drehachse verschoben wird, während die Lenkwelle 3 selber in Längsrichtung fixiert verbleibt. Alternativ könnten auch keine mechanischen Elemente vorgesehen sein, die das Lenkrad 2 mit den entsprechenden Stellgliedern 4 verbindet, so dass eine reine steer-by-wire Steuerung vorliegt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor 5 vorgesehen, der eine Betätigung des Lenkrades 2 in Längsrichtung L1 der Drehachse 3 als manuelle Steuerungseingaben Sm detektiert. So kann der Sensor 5 beispielsweise derart ausgebildet sein, dass er erkennt, wenn das Lenkrad 2 bis zu einer bestimmten Tiefe in Längsrichtung L1 verschoben wurde, was als eine Art Setzbefehl als manuelle Steuerungseingabe Sm verwendet werden kann. In diesem Fall würde die Steuerungseinrichtung 1 in einer Art Taster ausgebildet sein. Denkbar ist aber auch, dass eine Längsbewegung in Längsrichtung L1 der Drehachse 3 detektiert wird, so dass beispielsweise unterschiedliche Positionen oder Stellungen des Lenkrades in Längsrichtung L1 detektierbar sind. Aus diesen unterschiedlichen Stellungen bzw. Positionen der Längsbewegung (Länge der Längsbewegung) können dann ebenfalls entsprechende manuelle Steuerungseingaben Sm abgeleitet werden, wie später noch auszuführen ist.
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Die von dem Sensor 5 detektierten manuellen Steuerungseingaben Sm werden dann einer Steuersignaleinheit 6 zugeführt, die in Abhängigkeit dieser empfangenen manuellen Steuerungseingaben Sm entsprechende Steuersignale Si generiert. Diese Steuersignale Si können dann beispielsweise zur Ansteuerung weiterer Stellglieder 7 oder Assistenzsysteme 8 verwendet werden.
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So ist es beispielsweise denkbar, dass durch eine Verschiebung des Lenkrades 2 in Längsrichtung L1 der Drehachse 3 eine manuelle Steuerungseingabe Sm von dem Sensor 5 derart detektiert wird, dass die Steuersignaleinheit 6 hieraus ein Steuersignal Si generiert, das zur Ansteuerung eines Geschwindigkeitsregelautomaten als Assistenzsystem 8 zum Setzen der einzuregelnden Geschwindigkeit verwendet wird. Hierfür bewegt der Fahrer das Lenkrad 2 in einer Art Taster von sich weg, wodurch die momentane Geschwindigkeit als Setzgeschwindigkeit für den Tempomaten verwendet wird.
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Denkbar ist aber auch, dass durch eine Betätigung des Lenkrades 2 in Längsrichtung L1 der Drehachse 3 ein direkter Steuerbefehl zur Steuerung des Fahrzeuges an die entsprechenden Stellglieder 7, beispielsweise zur Beschleunigung oder zum Bremsen des Fahrzeuges, eingegeben werden können. Der Fahrer schiebt dabei das Lenkrad 2 von sich weg, was von dem Sensor 5 als eine manuelle Steuerungseingabe Sm derart detektiert wird, dass ein entsprechender Beschleunigungswert bzw. eine entsprechende Beschleunigung über die Stellglieder 7 mit Hilfe der generierten Steuersignale Si eingestellt wird. Je weiter der Fahrer dabei das Lenkrad von sich wegschiebt, desto länger ist die Längsbewegung in Längsrichtung L1 und desto größer ist die Beschleunigung. In gleicher Weise kann ein Bremsvorgang eingeleitet werden, in dem das Lenkrad 2 zum Fahrer hin gezogen wird, was ebenfalls als Betätigung des Lenkrades 2 in Längsrichtung L1 detektiert und entsprechende manuelle Steuerungseingaben Sm vom Sensor 5 detektiert werden.
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Eine entsprechende Rückstellautomatik sorgt dafür, dass das Lenkrad 2, je nachdem, in welche Richtung es verschoben wurde, in seine Ausgangsposition zurückgestellt wird, damit es nur temporär in einer veränderten Stellung in Längsrichtung L1 der Drehachse 3 verbleibt. Damit wird die Beeinträchtigung des Komforts aufgrund einer veränderten Armstellung so gering wie möglich gehalten
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Ein weiteres Szenario könnte beispielsweise die Erkennung von Notbrems-Situationen sein. Hierbei liegt die Annahme zugrunde, dass der Fahrer in einer Gefahrensituation aus Reflex heraus das Lenkrad plötzlich mit hoher Intensität von sich wegdrückt bzw. dagegen stemmt. Dies könnte von dem Sensor 5 als eine manuelle Steuerungseingabe Sm derart detektiert werden, dass die Steuersignaleinheit 6 ein entsprechendes Assistenzsystem mit Hilfe von Steuersignalen Si ansteuert, wodurch das Fahrzeug samt Fahrer auf eine bestehende Notsituation vorbereitet wird. Die hierfür notwendigen Schritte könnten beispielsweise sein: Gurtstraffung, Erhöhung der Bremskraft, Einstellung des Sitzes in eine aufrechte Position usw.
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Darüber hinaus kann über das longitudinal flexible Lenkrad eine Informationsübermittlung realisiert werden, in dem Informationen an den Fahrer über eine Vibration bzw. Bewegung in Richtung der Lenkachse übertragbar sind. Diese Force-Feedback-Funktionalität zur Vermittlung von Informationen kann dabei frei programmierbar gestaltet sein, so dass verschiedene Übertragungsfunktionen je nach tatsächlicher Assistenz realisiert werden können.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Steuerungseinrichtung 1, bei dem die Steuersignale Si zur Ansteuerung einer Steuerungsautomatik 10 verwendet werden. Die Steuerungsautomatik ist dabei derart eingerichtet, dass sie je nach eingestelltem Automationsgrad Teile der Fahraufgabe oder die komplette Fahraufgabe vollständig übernehmen kann. Hierfür ist die Steuerungsautomatik mit entsprechenden Stellgliedern oder Assistenzsystemen verbunden, die für die Durchführung der Fahraufgabe notwendig sind.
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Der Automationsgrad der Steuerungsautomatik 10 wird dabei durch eine Verschiebung des Lenkrades 2 in Längsrichtung L1 der Drehachse 3 eingestellt. Je nach Stellung bzw. Position des Lenkrades 2 in Längsrichtung L1 wird ein entsprechender Automationsgrad für die Steuerungsautomatik gewählt.
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Hierfür erkennt der Sensor 5 die Position des Lenkrades 2 in Längsrichtung L1 auf der Drehachse 3 und detektiert hieraus die entsprechenden manuellen Steuerungseingaben Sm, die dann der Steuersignaleinheit 6 zugeführt werden. Diese generiert hieraus entsprechende Steuersignale Si, die zur Ansteuerung der Steuerungsautomatik 10 und der Einstellung des Automationsgrades der Steuerungsautomatik 10 verwendet werden.
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So kann beispielsweise angenommen werden, dass je weiter das Lenkrad 2 in Längsrichtung L1 der Drehachse 3 verschoben wird, desto höher wird der Automationsgrad des Fahrzeuges eingestellt. Je weiter somit das Lenkrad 2 von dem Fahrer weggedrückt wird, desto weniger Kontrolle hat er und desto mehr Kontrolle wird durch die Steuerungsautomatik 10 zur Durchführung der Fahraufgabe übernommen. Zieht der Fahrer das Lenkrad 2 nun wieder zu sich heran, so wird der Automationsgrad verringert, d. h. der Fahrer übernimmt wieder mehr Kontrolle und die Steuerungsautomatik 10 dagegen weniger.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuerungsautomatik 10 mit der Rückstellvorrichtung 9 verbunden, und zwar derart, dass bei Erkennen einer kritischen Situation durch die Steuerungsautomatik 10 ein Rückstellen des Lenkrades 2 in eine Ausgangssituation durch die Rückstellvorrichtung 9 bewirkt werden kann. Hierdurch soll dem Fahrer in kritischen Situationen intuitiv signalisiert werden, dass er nunmehr die Fahraufgabe und somit die Kontrolle zu übernehmen hat. Diese Art der Mensch-Maschine-Schnittstelle ist dabei wesentlich intuitiver als Warnhinweise, die visuell oder auditiv wahrgenommen und interpretiert werden müssen.
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3 zeigt schematisch das Spannverhältnis zwischen der Kontrolle durch einen Fahrzeugführer 30 und einer vollständigen Automation 32. Mit der Ziffer 34 ist dabei ein Spektrum unterschiedlichster Grade der Automationsunterstützung aufgetragen, das von einer 100%igen Kontrolle durch den Fahrzeugführer 30 auf der linken Seite bis zu einer 100%igen Kontrolle durch die Automation 32 auf der rechten Seite reicht. Dazwischen sind vielerlei Abstufungen denkbar, die ein entsprechendes Verhältnis bei der Verteilung der Kontrollfunktion zwischen Fahrzeugführer 30 und Automation 32 aufweisen.
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Genau an diesem Punkt setzt die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform an. Mit Hilfe der Lenkradstellung, einstellbar in Längsrichtung der Drehachse, wird der entsprechende Grad der Automation 34, wie er in 3 dargestellt ist, eingestellt. Je weiter das Lenkrad in Längsrichtung der Drehachse eingeschoben wird, desto größer ist die Automationsunterstützung durch die Automation 32, d. h. der Grad der Automation wird mit zunehmender Einschubtiefe des Lenkrades größer, so dass die Kontrolle in Richtung Automation 32 zeigt.
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Wird das Lenkrad hingegen zum Fahrer herangezogen, maximal bis in seine Ausgangsstellung, so erfolgt die Kontrolle der Fahrzeugführung mehr und mehr dem Fahrzeugführer 30, bis er schließlich die 100%ige Kontrolle über die Fahrzeugführung hat. Dadurch wird es möglich, intuitiv einen gewünschten Grad der Automationsunterstützung durch Verschieben des Lenkrades einzustellen.