Title:
Kraftfahrzeug mit Bedieneinrichtung für ein Lenksystem und Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems
Kind Code:
A1


Abstract:

Kraftfahrzeug (1), aufweisend ein Lenksystem (2) und eine dem Lenksystem (2) zugeordnete Bedieneinrichtung (3), wobei die Bedieneinrichtung (3) für das Lenksystem (2) wenigstens einen einen Erfassungsbereich (6) vor dem Fahrer (17) erfassenden Radarsensor (4) und eine Steuereinrichtung (5) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (5) zur Erkennung von wenigstens einer vorbestimmten, einer Steueraktion für das Lenksystem (2) zugeordneten Geste durch Auswertung der Radardaten und zur Ansteuerung des Lenksystems (2) gemäß der Steueraktionen erkannter Gesten ausgebildet ist.




Inventors:
Khlifi, Rachid, Dr. (85748, Garching, DE)
Application Number:
DE102016216250A
Publication Date:
03/01/2018
Filing Date:
08/30/2016
Assignee:
AUDI AG, 85045 (DE)
Domestic Patent References:
DE102016214859A1N/A2017-03-16
DE102014218457A1N/A2016-03-17
DE102014011121A1N/A2016-01-28
DE102014119034A1N/A2015-07-02
DE102013001330A1N/A2014-07-31



Other References:
BHUTANI, Akanksha [et al.]: 122 GHz aperture-coupled stacked patch microstrip antenna in LTCC technology. In: 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 10-15 April 2016, Davos, Switzerland, 5 S. - ISBN 978-8-8907-0186-3
FISCHER, Alexander [et al.]: 77-GHz multi-channel radar transceiver with antenna in package. In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 62, 2014, No. 3, S. 1386-1394. - ISSN 0018-926X
Heise: Microsoft demonstriert Tastatur mit Gestensteuerung 30.04.2014. URL: https://www.heise.de/newsticker/meldung/Microsoft-demonstriert-Tastatur-mit-Gestensteuerung-2180456.html [abgerufen am 13.04.2017]
SPIEGEL ONLINE: Toyota-Studie FV2 Bitte mit Gefühl, 05.11.2013. URL: http://www.spiegel.de/auto/aktuell/toyota-fv2-auto-studie-mit-gestenerkennung-a-931883.html [abgerufen am 13.04.2017]
Claims:
1. Kraftfahrzeug (1), aufweisend ein Lenksystem (2) und eine dem Lenksystem (2) zugeordnete Bedieneinrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Bedieneinrichtung (3) für das Lenksystem (2) wenigstens einen einen Erfassungsbereich (6) vor dem Fahrer (17) erfassenden Radarsensor (4) und eine Steuereinrichtung (5) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (5) zur Erkennung von wenigstens einer vorbestimmten, einer Steueraktion für das Lenksystem (2) zugeordneten Geste durch Auswertung der Radardaten und zur Ansteuerung des Lenksystems (2) gemäß der Steueraktionen erkannter Gesten ausgebildet ist.

2. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedieneinrichtung (3) eine Lenkhandhabe ersetzt und der Erfassungsbereich (6) den bislang für die Lenkhandhabe vorgesehen Ort umfasst.

3. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Radarsensor (4) einen einen Radartransceiver realisierenden Halbleiterchip (11) und eine eine Winkelauflösung in wenigstens zwei zueinander senkrechten Ebenen erlaubende Antennenanordnung (12) umfasst.

4. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Halbleiterchip (11) auch eine digitale Signalverarbeitungskomponente (15) des Radarsensors (4) und/oder eine Steuereinheit (16) des Radarsensors (4) realisiert und/oder der Halbleiterchip (11) und die Antennenanordnung (12) des Radarsensors (4) als ein Package (13) realisiert sind.

5. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radarsensor (4) mit einer Frequenzbandbreite von mehr als 1 GHz und/oder in einem sich um 79 GHz oder 160 GHz erstreckenden Frequenzband betrieben wird.

6. Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund einer entsprechenden Wahl der Sendeleistung die Reichweite des Erfassungsbereichs (6) weniger als drei Meter, insbesondere weniger als einen Meter, beträgt.

7. Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips (11) oder Packages (13) mehrerer Radarsensoren (4) als ein Array auf einer Leiterplatte (10, 25) angeordnet sind, wobei die Radardaten der Radarsensoren (4) des Arrays durch die Steuereinrichtung (5) als Radardaten eines einzigen Radarsensors (4) mit größerer Apertur und/oder zur gegenseitigen Plausibilisierung auswertbar sind.

8. Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanordnung (12) mehrere in zueinander senkrechten Richtungen aufeinanderfolgende Antennenelemente (26) aufweist.

9. Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanordnung (12) in unterschiedlichen Schichten auf einer Leiterplatte (10, 25) angeordnete Teilstrukturen umfasst.

10. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Radarsensor (4) verdeckt, insbesondere hinter einem Abdeckungselement (21), verbaut ist.

11. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der vorbestimmten Gesten der Betätigung einer Lenkhandhabe nachgebildet ist und/oder wenigstens ein Teil der vorbestimmten Gesten mit den Fäusten (23) auszuführende Geste umfasst.

12. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (5) zur Detektion von Steueraktionen für wenigstens ein weiteres Fahrzeugsystem (7) des Kraftfahrzeugs (1) zugeordneten Zusatzgesten in den Radardaten ausgebildet ist.

13. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines des wenigstens einen weiteren Fahrzeugsystems (7) ein Fahrtrichtungsanzeigersystem (8) und/oder ein Scheibenwischersystem (9) ist und/oder die Zusatzgeste eine Öffnung einer Hand (22) ausgehend von einer Faust (23) und/oder eine Translationsbewegung einer Hand (22) unabhängig von der anderen Hand (22) umfasst.

14. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (5) zur Ermittlung eines Lenkwinkels aus einer Bewegung und/oder Position der im Rahmen einer Geste genutzten Hände (22) des Fahrers (17) ausgebildet ist, welcher als Steueraktion seitens des Lenksystems (2) einstellbar ist.

15. Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems (2) eines Kraftfahrzeugs (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Steuereinrichtung (5) Radardaten des wenigstens einen Radarsensors (4) zur Erkennung von wenigstens einer vorbestimmten, einer Steueraktion für das Lenksystem (2) zugeordneten Geste auswertet und das Lenksystem (2) gemäß der Steueraktionen erkannter Gesten ansteuert.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein Lenksystem und eine dem Lenksystem zugeordnete Bedieneinrichtung. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs der erfindungsgemäßen Art.

Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise Lenksysteme auf, die es ermöglichen, Einfluss auf die Stellung der Räder des Kraftfahrzeugs zu nehmen, so dass sich das Kraftfahrzeug in eine bestimmte, vom Fahrer gewollte Richtung bewegt. Hierbei gibt der Fahrer mittels einer Bedieneinrichtung, beispielsweise einer Lenkhandhabe, einen Bedienbefehl, aus dem üblicherweise eine Steueraktion folgt, welche meist das Einstellen eines bestimmten Lenkwinkels an den Rädern beinhaltet. Lenksysteme können dabei verschieden umgesetzt werden, wobei als grundsätzliche Arten beispielsweise die elektrische und die hydraulische Lenkung bekannt sind. Moderne Kraftfahrzeugen nutzen häufig eine elektrische Lenkung, um eine besonders präzise Steuerung des Lenksystems zu ermöglichen. Es wurden auch bereits Kraftfahrzeuge vorgeschlagen, die über ein zur vollständig automatischen Führung des Kraftfahrzeugs ausgebildetes Fahrzeugsystem verfügen, welche beispielsweise eine elektrische Lenkung, gegebenenfalls zusätzlich zu einer dem Lenksystem zugeordneten Bedieneinrichtung, ansteuern können.

Wie bereits erwähnt wurde, sind übliche Bedieneinrichtungen für Lenksysteme im Stand der Technik bereits bekannt, beispielsweise Lenkhandhaben, insbesondere Lenkräder. Dabei ist jedoch zu beachten, dass durch die Integration vieler Anzeige- und Bedienelemente um die Position des Fahrers herum, also im Cockpit des Kraftfahrzeugs, der freie Raum um den Fahrer immer knapper wird. Der Fahrer fühlt sich durch die Vielzahl von Bedienelementen und Schaltern eingeengt. Die Lenkhandhabe stellt meist ein recht großes dieser Bedienelemente dar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Steigerung des Komforts eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs anzugeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bedieneinrichtung für das Lenksystem wenigstens einen einen Erfassungsbereich vor dem Fahrer erfassenden Radarsensor und eine Steuereinrichtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung zur Erkennung von wenigstens einer vorbestimmten, einer Steueraktion für das Lenksystem zugeordneten Geste durch Auswertung der Radardaten und zur Ansteuerung des Lenksystems gemäß der Steueraktionen erkannter Gesten ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß wird mithin die Umsetzung einer virtuellen Lenkhandhabe, insbesondere eines virtuellen Lenkrads, durch Gestenerkennung anhand eines hochauflösenden Radarsensors vorgeschlagen, so dass insbesondere die Lenkhandhabe selbst, insbesondere ein Lenkrad, wegfallen kann und der Komfort des Fahrers durch Wegfall eines besonders großen Bedienelements gesteigert werden kann. Mithin ist es besonders bevorzugt, wenn die Bedieneinrichtung eine Lenkhandhabe ersetzt und der Erfassungsbereich den bislang für die Lenkhandhabe vorgesehenen Ort, üblicherweise einen Bereich an einer Sitzposition des Fahrers, an dem sich dessen Hände befinden sollten, umfasst. Der Radarsensor, der bevorzugt verdeckt in einer Konsole des Kraftfahrzeugs verbaut ist, überwacht mithin in einem bestimmten Erfassungsbereich, der einem Ultranahbereich entspricht, die Bewegung der Hände des Fahrers. Moderne, hochauflösende Radarsensoren, auf welche im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, erlauben es, relative Bewegungen der Hände sehr gut zu erfassen, insbesondere mithin die vorbestimmten Gesten, die einem Manöver zum Lenken (mit einer Lenkhandhabe) entsprechen können. Mithin kann durch die radarbasierte Gestensteuerung eine Gestenerkennung zur Lenkung erfolgen und die Steuerung des Lenksystems kann elektronisch durchgeführt werden, ohne dass hierfür ein gegenständlich vorhandenes Bedienelement erforderlich ist.

Mit besonderem Vorteil kann die Bedieneinrichtung ein insbesondere dem Erfassungsbereich räumlich zugeordnetes und/oder in eine Instrumententafel des Kraftfahrzeugs integriertes Anzeigeelement aufweisen, wobei die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Anzeigeelements zur Ausgabe einer Rückmeldeinformation bei erkannten Gesten ausgebildet ist. Ein derartiges Anzeigeelement kann beispielsweise schematisch ein Lenkrad darstellen, dessen aufgrund der Gestenerkennung ermittelte aktuelle Position für den Fahrer deutlich erkennbar markiert wird. Denkbar ist auch eine lineare Anzeige, die das verfügbare Winkelintervall für den durch Gesten einstellbaren Winkel des virtuellen Lenkrads angibt und ebenso die bewirkten Steueraktionen für das Lenksystem verdeutlicht, insbesondere den eingestellten Lenkwinkel. Dabei erstreckt sich eine derartige Winkelintervallabbildung bevorzugt in horizontaler Richtung. Selbstverständlich können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Anzeigekonzepte verwendet werden.

Wie bereits erwähnt, kann die Erfassung der bevorzugt einfachen, vorbestimmten Gesten, beispielsweise eine Bewegung der Fäuste des Fahrers im Abstand von mindestens 5 cm, im Ultranahbereich durch eine hochauflösende, insbesondere auf Halbleitertechnologie basierende Radarsensorik realisiert werden.

Die Realisierung von Radarkomponenten auf Halbleiterbasis erwies sich lange Zeit als schwierig, da teure Spezialhalbleiter, insbesondere GaAs, benötigt wurden. Es wurden kleinere Radarsensoren vorgeschlagen, deren gesamtes Radar-Frontend auf einem einzigen Chip in SiGe-Technologie realisiert ist, ehe auch Lösungen in der CMOS-Technologie bekannt wurden. Solche Lösungen sind Ergebnis der Erweiterung der CMOS-Technologie auf Hochfrequenzanwendungen, was oft auch als RF-CMOS bezeichnet wird. Ein solcher CMOS-Radarchip ist äußerst kleinbauend realisiert und nutzt keine teuren Spezialhalbleiter, bietet also vor allem in der Herstellung deutliche Vorteile gegenüber anderen Halbleitertechnologien. Eine beispielhafte Realisierung eines 77 GHz-Radar-Transceivers als ein CMOS-Chip ist in dem Artikel von Jri Lee et al., „A Fully Integrated 77-GHz FMCW Radar Transceiver in 65-nm CMOS Technology“, IEEE Journal of Solid State Circuits 45 (2010), S. 2746–2755, beschrieben.

Nachdem zudem vorgeschlagen wurde, den Chip und die Antenne in einem gemeinsamen Package zu realisieren, ist ein äußerst kostengünstiger kleiner Radarsensor möglich, der Bauraumanforderungen deutlich besser erfüllen kann und aufgrund der kurzen Signalwege auch ein sehr niedriges Signal-Zu-Rausch-Verhältnis aufweist sowie für hohe Frequenzen und größere, variable Frequenzbandbreiten geeignet ist. Daher lassen sich derartige, kleinbauende Radarsensoren auch für Kurzreichweiten-Anwendungen, beispielsweise im Bereich von 30 cm bis 10 m, einsetzen.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, einen solchen CMOS-Transceiver-Chip und/oder ein Package mit CMOS-Transceiver-Chip und Antenne auf einer gemeinsamen Leiterplatte mit einem digitalen Signalverarbeitungsprozessor (DSP-Prozessor) vorzusehen oder die Funktionen des Signalverarbeitungsprozessors ebenso in den CMOS-Transceiver-Chip zu integrieren. Eine ähnliche Integration ist für Steuerungsfunktionen möglich.

Mithin ist es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass der wenigstens eine Radarsensor einen einen Radartransceiver realisierenden Halbleiterchip, insbesondere CMOS-Chip, und eine eine Winkelauflösung in zwei zueinander senkrechten Ebenen, insbesondere in Azimut und Elevation, erlaubende Antennenanordnung aufweist, um Gesten vollständig dreidimensional erfassen zu können. Mit besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, dass durch den Halbleiterchip auch eine digitale Signalverarbeitungskomponente des Radarsensors und/oder eine Steuereinheit des Radarsensors realisiert und/oder der Halbleiterchip und die Antennenanordnung des Radarsensors als ein Package realisiert sind. Es wird mithin bevorzugt wenigstens ein vollintegrierter RF-CMOS-Radarchip verwendet, der vorzugsweise alle Radarkomponenten enthält (Radar-Front-End, also Radartransceiver, digitale Signalverarbeitungskomponente (DSP) und Steuereinheit). Durch den Halbleiterchip, bevorzugt CMOS-Chip, kann auch ein Speicher realisiert sein, der in der Steuereinheit integriert sein kann, insbesondere ein RAM. Der Halbleiterchip wird bevorzugt mit der Antennenanordnung im Package realisiert. Beispielsweise kann die Antennenanordnung mehrere Microstrip-Patch-Antennenelemente aufweisen, die auf dem Package integriert sind. Dabei sind die Antennenelemente einmal horizontal und einmal vertikal zueinander positioniert, folgen also bevorzugt in zwei zueinander senkrechten Richtungen matrixartig aufeinander, um die Winkelmessfähigkeit in Azimut und Elevation zu realisieren. Ein derartiger, hochintegrierter, insbesondere auf CMOS-Technologie basierender Radarsensor weist eine hervorragende Erfassungsfähigkeit auch im Ultranahbereich auf und zeigt aufgrund der Hochintegration auch ein hervorragendes Signal-zu-Rauschverhältnis aufgrund der kurzen Signalwege. Zudem bietet ein derartiger Radarsensor vielfältige, im Rahmen der Gestenerkennung zur Erstellung einer virtuellen Lenkhandhabe nützliche Steueroptionen auf.

So sieht eine zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass der Radarsensor mit einer Frequenzbandbreite von mehr als 1 GHz, insbesondere gleich oder mehr als 4 GHz, und/oder in einem sich um 79 GHz oder 160 GHz erstreckenden Frequenzband betrieben wird. Beispielsweise kann durch eine Frequenzbandbreite von 4 GHz um 79 GHz herum, beispielsweise in einem Frequenzbereich von 77 bis 81 GHz, eine Abstandsauflösung von 5 cm oder weniger im Erfassungsbereich erreicht werden. Die Bewegung der Hände des Fahrers, die insbesondere als Fäuste geformt sind, wird, wie grundsätzlich bekannt, durch die Dopplerauflösungs- und Winkelauflösungsfähigkeit des Radarsensors erfasst. Eine hohe Frequenzbandbreite, beispielsweise von 4 GHz, kann auch in einem Bereich um 160 GHz realisiert werden, so dass die Antennenstrukturen, bedingt durch die Wellenlänge, etwa um die Hälfte kleiner realisiert werden können, was insbesondere die Möglichkeit bietet, eine größere Anzahl von Antennenelementen auf dem Package zu integrieren, was eine Erhöhung der Antennenapertur und somit eine weiter erhöhte Winkelauflösung bedeutet. Mithin ermöglicht die 160 GHz-Technologie mehr Integration und weitere Miniaturisierung der Größe des Radarsensors, so dass auch die Integration im Cockpit des Kraftfahrzeugs erleichtert wird. Allerdings kann der Einfluss eines verdeckten Verbaus, mithin zu durchstrahlender Materialien, stärker sein als in einem sich um 79 GHz erstreckenden Frequenzbereich.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, dass aufgrund einer entsprechenden Wahl der Sendeleistung die Reichweite des Erfassungsbereichs weniger als 3 m, insbesondere weniger als 1 m, beträgt. Das bedeutet, die Radarsensoren sind in ihrer Ansteuerung so konzipiert, dass die Sendeleistung nur für den Ultranahbereich bis maximal 3 m, bevorzugt bis maximal 1 m, eingestellt ist. Mithin werden im Radarsensor nur die Reflektionen bis zu einer Reichweite von bevorzugt 1 m bewertet. Da der CMOS-Halbleiterchip (beispielsweise 40, 45 oder 28 Nanometer-RF-CMOS) eine eher kleine Chipfläche aufweist, ist auch der im Halbleiterchip integrierte Speicher (RAM) begrenzt, so dass nur eine bestimmte Anzahl an Auflösungszellen gespeichert werden kann. Da die dreidimensionale schnelle Fouriertransformation (3D-FFT) äußerst ressourcenintensiv ist, was Rechen- und Speicherressourcen angeht, wird die Erfassung bei den hier verwendeten Radarsensoren auf den Ultranahbereich bis hin zu einem Meter fokussiert. Denn je mehr Reichweite abgedeckt werden müsste, umso mehr Auflösungszellen müssten bei gleicher Auflösung in der Signalverarbeitung betrachtet werden, was eine Limitierung der Performance des Radarsensors bedeutet. Die Begrenzung der Reichweite auf bevorzugt einen Meter eröffnet die Möglichkeit, die Zahl der hinsichtlich der Reichweite benötigten Auflösungszellen auf ein Minimum zu reduzieren und somit eine äußerst hohe Auflösung im Ultranahbereich bei hinreichend schneller Signalverarbeitung zu ermöglichen. Auf diese Weise wird die Gestenerkennung bzw. die Detektion und die Nachverfolgung der Hände des Fahrers verbessert.

Vorteilhafterweise können die Halbleiterchips oder Packages mehrerer Radarsensoren als ein Array auf einer Leiterplatte angeordnet sein, wobei die Radardaten der Radarsensoren des Arrays durch die Steuereinrichtung als Radardaten eines einzigen Radarsensors mit größerer Apertur und/oder zur gegenseitigen Plausibilisierung auswertbar sind. Um die Gestenerkennung weiter zu verbessern, können mehrere Radarsensoren, insbesondere mit der Antennenanordnung im Package (AiP – Antenne im Package), auf einer Leiterplatte platziert werden, so dass einerseits durch die redundante Messung eine bessere Qualität der Detektion erzielt werden kann, andererseits aber durch HF-Verbindung der Antennenanordnungen die Apertur aufgrund der steigenden Antennengröße erhöht werden kann, so dass eine deutlich höhere Winkelauflösung resultiert.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Antennenanordnung in unterschiedlichen Schichten auf einer bzw. der Leiterplatte angeordnete Teilstrukturen umfasst. Eine insbesondere gridartige bzw. matrixartige Antennenstruktur kann mithin in mehreren Schichtebenen übereinander, ausgehend von dem wenigstens einen Halbleiterchip, realisiert werden, wobei beispielsweise auf der Leiterplatte Strukturen mit Wave Guides eingearbeitet werden können, um die Sendeleistung von dem wenigstens einen Halbleiterchip zu der Antennenanordnung zu übertragen. Eine derartige Mehrschicht-Struktur der Antennenanordnungen ermöglicht es besonders vorteilhaft, eine bestimmte Form der Radarkeule zu erzielen, um den Erfassungsbereich möglichst exakt definieren zu können. Nachdem es insbesondere im Allgemeinen, wie bereits angedeutet wurde, zweckmäßig ist, wenn zur Ermöglichung der Winkelauflösung in zueinander senkrechten Ebenen die Antennenanordnung mehrere in zueinander senkrechten Richtungen aufeinander folgende Antennenelemente aufweist, ermöglicht es die Anordnung von Antennenelementen in unterschiedlichen Schichten ferner, eine Art Multiarray mit horizontalen und vertikalen Teilantennenanordnungen als Teilstrukturen zu realisieren, um eine hochaufgelöste Winkelerkennung in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere im Azimut und in der Elevation, zu ermöglichen.

Vorzugsweise kann der wenigstens eine Radarsensor verdeckt, insbesondere hinter einem Abdeckungselement, verbaut sein. Dies ist bei kleinbauenden, in Halbleitertechnologie realisierten Radarsensoren besonders einfach möglich. Beispielsweise kann der wenigstens eine Radarsensor in einer Mittelkonsole des Kraftfahrzeugs, seitlich beobachtend, und/oder, insbesondere benachbart einer Instrumententafel, in einem in Fahrtrichtung vor dem Fahrer befindlichen Abdeckungselement integriert werden. Der Radarsensor ist somit für den Fahrer unsichtbar, was dem Design und der fahrerseitigen Akzeptanz zuträglich ist.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil der vorbestimmten Gesten der Betätigung einer Lenkhandhabe nachgebildet ist, und/oder wenigstens ein Teil der vorbestimmten Gesten mit den Fäusten auszuführende Gesten umfasst. Auf diese Art und Weise wird letztlich eine virtuelle Lenkhandhabe, insbesondere ein virtuelles Lenkrad, realisiert, deren Bedienung der Fahrer intuitiv aufgrund seines Wissens über tatsächlich vorhandene Lenkhandhaben erlernen kann. Bevorzugt umfassen die vorbestimmten Gesten dabei gemeinsame Bewegungen der beiden Fäuste des Fahrers in einem Abstand von wenigstens 5 cm, wobei Fäuste konzentrierte Reflektionsbereiche darstellen und somit eine Separierung der Fäuste in Abstand, Geschwindigkeit und Winkel im Rahmen der Auswertung der Radardaten besonders vorteilhaft möglich ist.

Besonders bevorzugt ist es ferner, wenn die Steuereinrichtung zur Detektion von Steueraktionen für wenigstens ein weiteres Fahrzeugsystem des Kraftfahrzeugs zugeordneten Zusatzgesten in den Radardaten ausgebildet ist. Bevorzugt kann es sich bei den weiteren Fahrzeugsystemen um solche handeln, deren Bedienelemente bzw. Bedieneinrichtungen meist ohnehin an der Lenkhandhabe, insbesondere dem Lenkrad, vorgesehen waren, beispielsweise Bedienstöcke für die Fahrtrichtungsanzeiger und/oder ein Scheibenwischersystem. Entsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass wenigstens eines des wenigstens einen weiteren Fahrzeugsystems ein Fahrtrichtungsanzeigersystem und/oder ein Scheibenwischersystem ist und/oder die Zusatzgeste eine Öffnung einer Hand ausgehend von einer Faust und/oder eine Translationsbewegung einer Hand unabhängig von der anderen Hand umfasst. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass als Zusatzgesten ein Öffnen der rechten Hand ausgehend von einer Faust eine Fahrtrichtungsanzeiger-Betätigung der rechten Seite als Steueraktion auslöst, was entsprechend für die linke Hand gelten kann. Ein Öffnen einer Hand und eine Wischbewegung mit der geöffneten Hand kann als Steueraktion für eine Betätigung der Scheibenwischeranlage verstanden werden und dergleichen. Eine Vielzahl entsprechender Erweiterungsmöglichkeiten bestehen, so dass auch die Anzahl an Bedieneinrichtungen für weitere Fahrzeugsysteme, die ohnehin mit der Lenkhandhabe in näherem Zusammenhang standen, reduziert werden kann.

Zweckmäßigerweise kann die Steuereinrichtung zur Ermittlung eines Lenkwinkels aus einer Bewegung und/oder Position der im Rahmen einer Geste genutzten Hände des Fahrers ausgebildet sein, welcher Lenkwinkel als Steueraktion seitens des Lenksystems einstellbar ist. Die als Geste festgestellte Lenkbewegung der Hände des Fahrers, insbesondere der Fäuste, wird in einen Lenkwinkel umgerechnet, wobei der entsprechende Lenkwinkelwert durch das Steuergerät in Form eines entsprechenden Steuersignals an das Lenksystem sendet. Das Lenksystem empfängt das Steuersignal und steuert die Lenkaktoren, um den entsprechenden Lenkwinkel zu realisieren. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass es im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein auch vorgesehen sein kann, dass die Steuereinrichtung in den wenigstens einen Radarsensor integriert ist. Das bedeutet, der Radarsensor wertet seine Radardaten selbst aus, auch hinsichtlich des Vorhandenseins von vorbestimmten Gesten, die entsprechenden Steueraktionen zugeordnet sind. Bei mehreren Radarsensoren kann hierbei einer der Radarsensoren als eine Art Master-Radarsensor dienen, der die (gegebenenfalls vorausgewerteten) Radardaten der übrigen Radarsensoren ebenso entgegennimmt und die Auswertung mittels der bevorzugt integriert realisierten Steuereinheit und/oder digitalen Signalverarbeitungskomponente (DSP) realisiert. Auch ein Zusammenwirken von Steuereinheiten und/oder digitalen Signalverarbeitungskomponenten verschiedener Radarsensoren zur Bildung der Steuereinrichtung ist, allgemein gesprochen, möglich.

Neben dem Kraftfahrzeug betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb eines Lenksystems eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, wobei die Steuereinrichtung Radardaten des wenigstens einen Radarsensors zur Erkennung von wenigstens einer vorbestimmten, einer Steueraktion für das Lenksystem zugeordneten Geste auswertet und das Lenksystem gemäß der Steueraktionen erkannter Gesten ansteuert. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, mit welchem mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,

2 einen im Kraftfahrzeug gemäß 1 verwendeten Radarsensor,

3 einen Erfassungsbereich des Radarsensors im Hinblick auf einen Fahrer,

4 verschiedene erfassbare Stellungen der Fäuste eines Fahrers im Rahmen vorbestimmter Gesten,

5 mehrere auf einer Leiterplatte angeordnete Radarsensoren, die als CMOS-Chip realisiert sind, und

6 eine Skizze zur Ausbildung von Antennenanordnungen zur Erfassung von Winkeln in Elevation und Azimut.

1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1. Dieses weist ein Lenksystem 2 auf, welches vorliegend an Vorderrädern, die nicht näher dargestellt sind, des Kraftfahrzeugs 1 einen gewünschten Lenkwinkel einstellen kann. Das Lenksystem 2 kann als hydraulisches Lenksystem realisiert sein, ist jedoch bevorzugt als ein elektrisches Lenksystem („Steer-by-Wire“) ausgebildet. Lenksysteme sind im Stand der Technik bereits weitgehend bekannt und müssen hier nebst ihrer Lenkaktoren nicht näher dargestellt werden.

Dem Lenksystem 2 ist eine Bedieneinrichtung 3 zugeordnet, welche vorliegend wenigstens einen Radarsensor 4 und eine die Radardaten des Radarsensors 4 auswertende Steuereinrichtung 5 aufweist, um eine virtuelle Lenkhandhabe zu realisieren. Hierzu werden Gesten des Fahrers des Kraftfahrzeugs in einem Erfassungsbereich 6 des Radarsensors 4 detektiert, indem die Position der Hände des Fahrers detektiert und nachverfolgt wird. So ist es möglich, festzustellen, ob vorbestimmte, an das Lenksystem 2 gerichtete Gesten vorhanden sind, denen entsprechende Steueraktionen zugeordnet sind. Die Steuereinrichtung 5, welche integral mit dem wenigstens einen Radarsensor 4 realisiert werden kann, beispielsweise eine dessen Steuereinheit und/oder digitale Signalverarbeitungskomponente nutzend, ist ferner dazu ausgebildet, die Radardaten auch bezüglich des Vorliegens von Zusatzgesten auszuwerten, die sich an weitere Fahrzeugsysteme 7 des Kraftfahrzeugs 1 richten und letztlich virtuelle Bedienstöcke zusätzlich zu dem virtuellen Lenkrad abbilden. Als weitere Fahrzeugsysteme 7 sind vorliegend ein Fahrtrichtungsanzeigersystem 8 und ein Scheibenwischersystem 9 vorhanden, wobei als Zusatzgesten beispielsweise ein Öffnen der linken bzw. der rechten Hand ausgehend von einer Faust eine Betätigung des Fahrtrichtungsanzeigers nach rechts bzw. links auslösen kann, eine Wischbewegung einer geöffneten Hand als Zusatzgeste als Steueraktion ein Anschalten der Scheibenwischer des Scheibenwischersystems 9 bewirken kann.

Um die vorbestimmten Gesten und die Zusatzgesten verlässlich detektieren zu können, ist der Radarsensor 4 als hochauflösend messender CMOS-Radarsensor ausgebildet. 2 zeigt den Aufbau des Radarsensors 4 genauer. Dabei ist auf einer Leiterplatte 10 ein Halbleiterchip 11, hier ein CMOS-Chip, angeordnet, der gemeinsam mit einer Antennenanordnung 12 des Radarsensors 4 als ein Package 13 vorliegt. Der Halbleiterchip 11 realisiert dabei neben einem Radartransceiver 14 eine digitale Signalverarbeitungskomponente 15 (DSP) und eine Steuereinheit 16 des Radarsensors 4. Durch diese hochintegrierte Ausbildung ist nicht nur ein hervorragendes Signal-zu-Rauschverhältnis und eine kleinbauende Realisierung gegeben, die den verdeckten Verbau in bzw. hinter Abdeckungselementen, also Verkleidungsteilen, ermöglicht, sondern es sind auch Betriebsarten realisierbar, die eine hervorragende Erfassung im Ultranahbereich bieten, nachdem vorliegend die Sendeleistung und die Ausgestaltung der Antennenanordnung 12 so gewählt sind, dass die Reichweite des Radarsensors 4, mithin des Erfassungsbereichs 6, nur bis zu einem Abstand von einem Meter reicht. Somit müssen durch die digitale Signalverarbeitungskomponente 15 und die Steuereinheit 16 bzw. auch deren Speicher keine äußerst großen Auflösungszellen betrachtet werden, sondern es kann eine Hochauflösung trotz der aufgrund der Größe beschränkten Rechenressourcen gegeben sein.

Vorliegend wird der wenigstens eine Radarsensor 4 in einem Frequenzband von 77 bis 81 GHz mit einer Frequenzbandbreite von 4 GHz betrieben, so dass eine Auflösung von 5 cm oder weniger realisiert werden kann.

3 zeigt einen Querschnitt durch den Aktionsbereich des hier ebenso angedeuteten Fahrers 17, mithin das Cockpit des Kraftfahrzeugs 1. Ersichtlich nimmt der Fahrer 17 auf einem Fahrersitz 18 vor einer Instrumententafel 19 und benachbarten Abdeckungselementen, die hier nur schematisch dargestellt sind, Platz. Als Teil der Instrumententafel 19 ist im Übrigen vorliegend auch ein Anzeigeelement 20 der Bedieneinrichtung 3 vorgesehen, vgl. hierzu auch 1, über das dem Fahrer 17 Feedback hinsichtlich erkannter vorbestimmter Gesten und der daraus folgenden Steueraktion gegeben werden kann, bevorzugt durch eine intuitive Anzeige des Lenkwinkels, indem insbesondere ein Lenkwinkelintervall dargestellt wird und der aktuelle Lenkwinkel innerhalb des Lenkwinkelintervalls markiert wird, beispielsweise durch Erleuchtung an der entsprechenden Stelle.

3 zeigt auch den ultranahreichweitigen Erfassungsbereich 6 des hier verdeckt in einem Abdeckungselement 21 verbauten Radarsensor 4. Ersichtlich befinden sich die Hände 22 des Fahrers 17 in einem Bereich, in dem sich üblicherweise die Lenkhandhabe befinden würde, so dass er dort entsprechend die vorbestimmten Gesten nutzen kann, um das Lenksystem 2 mittels einer Art virtuellen Lenkrads zu steuern.

Dabei sind die vorbestimmten Gesten vorliegend der Benutzung eines Lenkrads nachgebildet, so dass der Fahrer die Hände zu Fäusten ballt, wie er dies tun würde, wenn er ein Lenkrad greifen würde. Um vorbestimmte Gesten durchzuführen, ordnet der Fahrer 17 dafür die Hände 22 in einem Abstand von wenigstens 5 cm nebeneinander an, wie dies in 4 beispielhaft für die Fäuste 23 dargestellt ist. Im ersten Teilbild I befinden sich die Fäuste, die im Übrigen konzentrierte Reflektionsflächen, die leicht zu detektieren sind, darstellen, in einer Neutralstellung in einer horizontalen Ebene nebeneinander (Lenkwinkel 0°). Wie die Teilbilder II und III anzeigen, kann durch lenkartige Bewegungen, mithin Verkippung der Verbindungslinie24 zwischen den Fäusten 23, eine Einstellung entsprechend anderen Lenkwinkeln, die von der Steuereinrichtung 5 ermittelt werden, erreicht werden. Die Position und die Bewegung der Fäuste 23 wird dabei anhand der gemessenen Winkel, Dopplereffekte und Abstände ermittelt.

5 zeigt eine Ausgestaltung, in der auf einer Leiterplatte 25 eine Vielzahl von Packages 13 einzelner Radarsensoren nebeneinander angeordnet sind. Eine derartige Realisierung hat nicht nur den Vorteil, dass Radardaten unterschiedlicher der durch die Packages 13 gebildeten Radarsensoren 4 gegeneinander plausibilisiert werden können, sondern auch, dass durch HF-Verbindung der Antennenanordnungen 12 der einzelnen Packages 13 eine eine größere Apertur aufweisende Antennenanordnung eines gedachten größeren Radarsensors geschaffen werden kann, wenn die Radardaten der einzelnen durch die Packages 13 gebildeten Radarsensoren 4 gemeinsam ausgewertet werden.

Es sei angemerkt, dass es auch denkbar ist, geeignete, insbesondere den Erfassungsbereich 6 geeignet formende, Antennenanordnungen zu erzeugen, indem die Antennenelemente in unterschiedlichen Schichten auf die Halbleiterchips 11 folgend auf die Leiterplatte 10 bzw. 25 aufgebracht sind.

6 zeigt schließlich in Form einer groben Prinzipskizze, wie im Allgemeinen eine Erfassung von Winkeln in Azimut und in der Elevation mit einer Antennenanordnung 12 möglich ist. Ersichtlich weisen entsprechende Antennenanordnungen 12 dafür Antennenelemente 26 auf, die matrixartig in zwei zueinander senkrechten Richtungen, im Verbauzustand der Horizontalen und der Vertikalen, aufeinanderfolgend angeordnet sind. In weiteren Ausgestaltungen kann natürlich die Zahl der Antennenelemente 26 geeignet gewählt werden und es können auch komplexere Gesamtausgestaltungen gegeben sein, insbesondere bei der Ausgestaltung in unterschiedlichen Schichten.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Artikel von Jri Lee et al., „A Fully Integrated 77-GHz FMCW Radar Transceiver in 65-nm CMOS Technology“, IEEE Journal of Solid State Circuits 45 (2010), S. 2746–2755 [0009]