用于探测位于方向盘上的手的方法与流程

本发明涉及一种用于探测机动车、尤其是具有机电辅助的转向系统的机动车的驾驶员的位于方向盘上的手的方法。

背景技术：

在具有机电辅助的转向系统的机动车中，机电的转向辅助装置可以以转矩加载转向系统并且因此在转向时辅助驾驶员或者使机动车沿着确定的方向转向。尤其是机电的转向辅助装置也可以自动地、即在没有驾驶员的相应的转向运动的情况下例如基于摄像机或者其它的传感器的数据使车辆沿着确定的方向转向。机动车的自动的转向尤其使用在至少部分地自主地行驶的机动车的控制系统中。

所谓的车道保持辅助系统就是这样的控制系统的例子，所述车道保持辅助系统辅助驾驶员保持车道。然而在此，机动车的驾驶员应随时能又接管对机动车的完全控制。驾驶员的手在方向盘上证实是在这方面的可靠的指示。

在完全自主地行驶的机动车中，只要驾驶员不愿意亲自接管对机动车的控制，控制系统应自动地控制机动车。如果驾驶员将其手放在方向盘上，则这是对于驾驶员愿意接管对机动车的控制的明确的指示。反之如果驾驶员将手从方向盘上拿开，则自动的控制系统应接管对机动车的控制。

即在两种情况下必要的是，能够检测驾驶员的手在方向盘上。探测手在方向盘上的一种可能性是在方向盘上的附加的传感器。传感器例如通过电容测量识别出，手是否位于方向盘上。然而，附加的传感器造成附加的成本。

技术实现要素：

因此，本发明的任务在于，提供一种用于探测位于方向盘上的手的方法，在该方法中，相对于在机电辅助的转向系统中存在的转矩传感器和/或转动角传感器附加的传感器是不必要的。

根据本发明，该任务通过开篇所提到的类型的方法解决，该方法具有以下步骤：

借助于数学模型对机动车的转向系统的至少一个部分建模，

确定转向系统的扭力杆的下端部和/或上端部的转动角，

借助于测量装置确定作用在扭力杆上的转矩，

借助于卡尔曼滤波器估计作用在方向盘上的总转矩以及方向盘的转动角加速度，

所估计的、作用在方向盘上的总转矩和所估计的转动角加速度用于确定方向盘的转动惯量，和

方向盘的所确定的转动惯量和方向盘的转动惯量的预先确定的额定值用于确定，驾驶员的手是否位于方向盘上。

因为当驾驶员的手位于方向盘上时方向盘的所确定的转动惯量不同于预先确定的额定值，可以求取，驾驶员的手是否位于方向盘上。根据本发明的方法仅仅使用在转向系统中已经存在的传感器来探测驾驶员的手在方向盘上，尤其使用至少确定作用在扭力杆上的转矩的转矩传感器。即附加的传感器是不必要的，由此节省成本。

根据本发明的一个方面，借助于数学模型对整个转向系统建模。尤其是不仅对机动车的转向系统的上部分(该上部分包括方向盘、具有扭力杆的转向柱和测量装置)而且对机动车的转向系统的下部分建模。

根据另一方面，借助于数学模型对机动车的转向系统的上部分(该上部分包括方向盘、具有扭力杆的转向柱和测量装置)建模。

另一方面设置为，借助于数学模型对转向装置的在扭力杆上方的部分(该部分包括方向盘)建模。

优选地，基于数学模型设计观察器，该观察器求取所需要的未测得的参量或者所需要的不能测得的参量。在此，观察器可理解为在控制技术的意义下的观察器。借助于观察器可以确定如下的参量：所述参量被需要用于确定方向盘的转动惯量，然而所述参量未被测得或者不能被测量。扭力杆的下端部的转动角可以由机电辅助的转向系统的辅助马达的角度位置传感器确定、尤其是测量。

优选地，将方向盘的所确定的转动惯量和方向盘的转动惯量的预先确定的额定值比较，以确定驾驶员的手是否位于方向盘上。尤其是当转动惯量相差大于预先确定的值时，识别出，驾驶员的手位于方向盘上。该预先确定的值可以这样选择，使得识别错误比率在10％以下、优选在5％以下、进一步优选为0％。由此，可以以所想要的准确度识别出，驾驶员的手是否位于方向盘上。

进一步优选地，通过对两个转动惯量求差来比较转动惯量。尤其是当转动惯量的差与零相差大于预先确定的值时，识别出驾驶员的手位于方向盘上。该预先确定的值可以这样选择，使得识别错误比率在10％以下、优选在5％以下、进一步优选为0％。由此，可以以所想要的准确度识别出，驾驶员的手是否位于方向盘上。

根据本发明的一个方面，借助于线性的状态空间模型对方向盘的状态建模。尤其是线性的状态空间模型构成用于观察器设计的基础。在此，观察器可理解为在控制技术的意义下的观察器。借助于观察器可以确定如下的参量：所述参量被需要用于确定方向盘的转动惯量，然而所述参量未被测得或者不能被测得。

根据本发明的另一方面，测量装置由在扭力杆的上端部和下端部之间的相对角度确定作用在扭力杆上的转矩。因为尤其在机电辅助的转向系统中本来就测量作用在扭力杆上的转矩，可以使用转向系统的已经存在的传感器。即，不需要另外的构件，由此节省成本。

优选地，由微分方程确定方向盘的转动惯量，所述微分方程描述在方向盘的转动惯量、方向盘的转动角加速度和所估计的、作用在方向盘上的总转矩之间的相互关系。因为卡尔曼滤波器估计所有对此必要的参量，在本发明的该实施方式中，方向盘的转动惯量可以特别简单地确定。

本发明的一个方面设置，附加地确定、尤其测量方向盘的转动角。尤其是确定或者测量扭力杆的上端部的转动角并且将其与方向盘的转动角视为等同。即在本发明的该实施方式中，方向盘的转动角不必首先通过卡尔曼滤波器重建，而是直接可供使用、尤其作为测量参量使用。

尤其是测量装置测量扭力杆的下端部和/或上端部的转动角。如果测量装置测量两个转动角中的仅仅一个，则相应另外的转动角可以由测得的转动角和所确定的作用在扭力杆上的转矩重建。尤其是扭力杆的上端部的转动角可以与方向盘的转动角视为等同。在本发明的该实施方式中，不需要用于测量转动角的另外的测量装置，由此产生转向系统的更简单的构造。

根据本发明的一种实施方式设置，转向系统的上部分在数学模型中被建模为具有弹簧和/或阻尼的物质体。通过模型参数、尤其弹簧常数和阻尼系数的相应的调整，可以尽可能切合实际地对转向系统的上部分建模。

根据本发明的另一实施方式，转向系统的被建模的部分在数学模型中被建模为物质体。尤其当测量扭力杆的上端部的转动角时，这是有利的。上转向系统的简化的模型足够用于，足够精准地确定作用在方向盘上的转矩。在本发明的该实施方式中，降低计算费用。

附图说明

从接下来的说明书和所参照的附图得出本发明的另外的优点和特性。在附图中示出：

-图1以立体视图示出机动车的转向系统；

-图2示出图1的转向系统的上部分的物理代替模型；

-图3示出图1的转向系统的上部分的简化的物理代替模型；和

-图4示出根据本发明的方法的步骤的示意性的示图。

具体实施方式

机动车的在图1中所示出的转向系统10构造为机电辅助的转向系统。转向系统10包括上部分12以及带有辅助马达20的下部分，所述上部分具有方向盘14、带有扭力杆17的转向柱16和测量装置18。

如果驾驶员以转矩加载方向盘14，则由此使转向柱16转动。测量装置18由在扭力杆17的上(方向盘侧的)端部和下端部之间的相对角度确定作用在扭力杆17上的转矩。此外，辅助马达20的角度位置传感器确定扭力杆17的下端部的转动角。

基于所确定的、作用在扭力杆17上的转矩和扭力杆17的下端部的转动角，这样调控辅助马达20，使得辅助马达提供合适的辅助的转矩以使车辆转向。

在至少部分地自主行驶的机动车中，必需的是，机动车可以识别出，驾驶员的手是否位于方向盘14上。为此，在接下来所说明的方法中，仅仅考虑如下的测量参量：所述测量参量已经由测量装置18和转向系统10的辅助马达20的角度位置传感器测量，更准确地说，考虑扭力杆17的下端部的转动角和作用在扭力杆17上的转矩。

首先，根据在图2中所示出的物理代替模型对转向系统10的上部分12建模。在该模型中，由方向盘14、带有扭力杆17的转向柱16和测量装置18组成的系统由具有转动惯量jswheel的物质体22、具有弹簧常数ctbar的弹簧24和具有阻尼系数btbar的材料阻尼26建模。在此，弹簧24和材料阻尼26对扭力杆17建模。

附加地，通过具有阻尼系数bswheel的阻尼28考虑到，转矩tdriver(驾驶员以所述转矩加载方向盘14)由于粘性的摩擦、尤其由于在方向盘14上的轴承摩擦而被阻尼。在转向系统10的上部分12中由库仑摩擦引起的总的反转矩tfriction抵抗转矩tdriver。

从物理代替模型可以推导出这样的方程：所述方程构成转向系统10的上部分12的数学模型。接下来详尽地解释这一点。

现在，用线性的状态空间模型对方向盘14的状态建模。在此，状态理解为为了描述系统所需要的变量的最小集。在这里，考虑方向盘14的状态。重要的状态变量为方向盘14的转动角和转动角速度即，尤其是

状态的时间依赖关系接下来未明确示出，然而假定为默认的。方向盘14的状态随时间的发展由以下的方程得出：

根据考虑连续的随时间发展还是考虑离散的随时间发展，该方程为微分方程或者差分方程。在此，扭力杆17的下端部的在该实施方式中由角度位置传感器所确定的(即已知的)转动角。此外，udist＝tdriver+tfriction为由转矩(驾驶员以所述转矩加载方向盘14)和由于库仑摩擦引起的反转矩的(未知的)总和。

udist描述状态的在转向系统10的上部分12中出现的、未知的干扰。矩阵a和b描述状态的发展并且依赖于数学模型的参数。

如已经提到地，测量装置18由在扭力杆17的上端部和下端部之间的相对角度确定作用在扭力杆17上的转矩，所述转矩接下来用ttbar表示。测得的转矩ttbar通过以下的方程与方向盘14的状态联系起来：

在此，矩阵c和d描述在方向盘14的当前的状态部分地已知的和部分地未知的输入参量和测得的转矩ttbar之间的相互关系。方程与以上的用于方向盘14的状态随时间的发展的方程一起构成用于方向盘的状态的线性的状态空间模型。

由扭力杆17的下部分的转动角的和作用在扭力杆17上的转矩的测量不可以直接地推断出方向盘14的状态和干扰参量udist。更确切地说，必须估计方向盘14的状态和干扰参量udist。

为此目的，使用卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器基于测量参量和所选择的数学模型估计方向盘14的状态和未知的输入参量。更准确地说，卡尔曼滤波器估计方向盘14的转动角方向盘14的转动角速度以及作用在转向系统10的上部分12上的干扰tdriver+tfriction。此外，估计方向盘14的转动角加速度此外，也可以在知道阻尼系数bswheel的情况下通过对的估计根据计算由粘性的摩擦造成的反转矩。

用于转向系统10的在扭力杆17上方的、具有联合的转动惯量jswheel的部分的运动方程内容如下：

接下来为了简化，转向系统10的在扭力杆17上方的部分被称作方向盘14。此外，在模型的框架下假定，扭力杆17的上端部的转动角与方向盘14的转动角一致。

可以根据方向盘14的转动惯量jswheel解运动方程。这得出：

因此，由卡尔曼滤波器估计所有附加需要的参量，所述所有附加需要的参量是用于计算方向盘14的转动惯量jswheel所需要的。更准确地说，估计所有对于计算方向盘14的转动惯量所需的未测得的参量和所有对此所需的不能被测得的参量。

在这里所讨论的实施方式中，由测量装置18测量作用在扭力杆17上的转矩ttbar。然而替代地，也可以由卡尔曼滤波器估计作用在扭力杆17上的转矩。

现在，将方向盘14的所计算出的转动惯量jswheel与方向盘14的转动惯量的预先确定的额定值jswheel，nom相比较，尤其通过对两个转动惯量求差来比较。

当驾驶员的双手(或者一只手)位于方向盘14上时，方向盘14的转动惯量不同于转动惯量的预先确定的额定值。与之相应地，当方向盘14的转动惯量与额定值相差大于预先确定的偏差值时，识别出，双手位于方向盘14上。

偏差值可以这样选择，使得正的识别错误比率(识别出，双手位于方向盘14上，尽管这是错误的)和/或负的识别错误比率(未识别出，双手位于方向盘14上，尽管双手位于方向盘上)分别在10％以下、优选在5％以下、特别优选为0％。

换言之，以上所说明的方法以在控制技术的意义下的观察器为基础，如在图4中所示的那样。包括方向盘14、具有扭力杆17的转向柱16和测量装置18的实际的系统如以上所说明地由数学模型模拟。该数学模型用作用于观察器的设计的基础。观察器(在图4中的“上观察器”)由已知的输入参量和测量参量ucomtrol或者ymeas如以上所说明地估计未知的状态变量和输入参数由此，参数jswheel与测量参量ttbar一起被计算出(在图4中的“参数计算”)并且将其与额定值比较(在图4中的“与额定值比较”)。

替代地，可以如下地确定方向盘14的转动角。可以由扭力杆17的下端部的通过角度位置传感器所确定的转动角和测得的、作用在扭力杆17上的转矩能够重建扭力杆17的上端部的转动角，其方式是，解根据扭力杆17的上端部的转动角的方程

其中，为扭力杆17的上端部和下端部的转动角的差。在所使用的模型的框架中，可以规定扭力杆17的上端部的转动角等于方向盘14的转动角。然后，方向盘14的转动角可用于进一步的计算并且不必由卡尔曼滤波器估计。

如果转向系统10的测量装置18这样构成，使得其除了作用在扭力杆17上的转矩之外可以测量扭力杆17的下端部和/或上端部的转动角，则得出相对于以上所说明的方法的多种简化方案。

如果测量装置18测量扭力杆17的下端部的转动角，则该转动角可以直接地如以上所说明地被使用于卡尔曼滤波器或者被使用于确定扭力杆的上端部的转动角。即尤其不必要的是，由辅助马达20的角度位置传感器的信号确定扭力杆的下端部的转动角。

如果测量装置18测量扭力杆17的上端部的转动角(并且因此测量方向盘14的转动角)，则该转动角可直接地作为测量参量用于进一步的计算。即，方向盘14的转动角尤其不必首先通过卡尔曼滤波器估计。

与此类似地，如果测量装置测量扭力杆17的上端部和下端部的转动角，则这两个转动角可直接地用于进一步的计算。

接下来，以如下的为出发点：测量装置18这样构成，使得其至少测量扭力杆17的上端部的转动角或者扭力杆17的上端部的转动角可以由扭力杆的下端部的转动角确定。

然后，可以借助于在图3中所示出的、简化的物理代替模型对转向系统10的上部分12建模。相对于在图2中所示出的物理代替模型，在这里省去弹簧24和材料阻尼26。这可以简化借助于卡尔曼滤波器对作用在方向盘14上的转矩的求取。

如以上所说明地，方向盘14的转动角作为测量参量可供使用并且不必首先通过卡尔曼滤波器估计。然后在这种情况下，测量参量为方向盘14的转动角、即已知的输入参量为作用在扭力杆上的转矩，即适用ucontrol＝ttbar。然后，方向盘14的转动惯量可以类似于以上所说明的方法地求取并且将其与额定值比较。

关于所述方法的剩余的特征和其他的步骤和优点，参照上述的解释。