DE102018005435A1

DE102018005435A1 - Lenkeinheit für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018005435A1
Application number: DE102018005435.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Brunnenstein; Quentin Huber; Henrik Ihlefeld; Jay-Jongwon Kim; Ralf Meyer; Fabien Ory; Michael Richter
Original assignee: PSA Automobiles SA
Current assignee: STELLANTIS AUTO SAS, FR
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2020-01-16
Also published as: EP3787919A1; MA52503A; WO2020011537A1

Abstract

Eine Lenkeinheit für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Lenkrad (1), einen in das Lenkrad (1) integrierten Bildschirm (6) und eine Steuereinheit (8) zum Steuern der Ausgabe wenigstens eines ersten Bildes (11) auf dem Bildschirm (6), die eingerichtet ist, das Bild (11) gegenläufig zu einer Drehung des Lenkrades (1) zu rotieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkeinheit für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zu deren Betrieb.
Aus DE 10 2009 021 280 A1 ist eine Lenkeinheit für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der in einem Lenkrad an dessen Nabe eine Touchpad Steuerung für verschiedene Funktionen des Kraftfahrzeugs eingebaut ist. Das Touchpad umfasst einen Bildschirm, auf dem Symbole für die über das Touchpad gesteuerten Funktionen darstellbar sind, und ermöglicht eine Steuerung dieser Funktionen durch Berühren des Touchpads.
Wenn das Lenkrad aus seiner Neutralstellung ausgelenkt wird, erschwert dies einem Benutzer die Erkennung der angezeigten Symbole. Außerdem ändert sich mit einer Drehung des Lenkrades auch die Richtung einer Betätigungsbewegung wie etwa eines Wischens über die Oberfläche des Touchscreens, mit der eine gewünschte Funktion gesteuert wird, so dass ein intuitiver Zusammenhang zwischen der Richtung einer Betätigungsbewegung und einer damit gesteuerten Stellgröße verlorengeht. Während des z.B. in der Neutralstellung intuitiv naheliegend ist, durch eine aufwärts gerichtete Wischbewegung eine Stellgröße heraufzusetzen, ist am um 90° gedrehten Lenkrad dafür eine Links-Rechtsbewegung, am um 180° gedrehten Lenkrad eine Abwärtsbewegung erforderlich, und die Wahrscheinlichkeit einer Fehlbedienung ist hoch. Deswegen sieht DE 10 2009 021 280 A1 vor, den Touchscreen zu deaktivieren, wenn ein vorgegebener Lenkradeinschlagwinkel überschritten ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Lenkeinheit für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei dem eine sichere und einfache Ablesung eines in das Lenkrad integrierten Bildschirms unabhängig von dessen Einschlagwinkel garantiert ist.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einer Lenkeinheit für ein Kraftfahrzeug mit einem einen integrierten Bildschirm aufweisenden Lenkrad und einer Steuereinheit zum Steuern der Ausgabe wenigstens eines ersten Bildes auf dem Bildschirm die Steuereinheit eingerichtet ist, das Bild gegenläufig zu einer Drehung des Lenkrades zu rotieren. So ist bezogen auf die Perspektive eines Fahrers, der auf den Bildschirm schaut, die Drehung des Bildes stets geringer als die des Lenkrades; im Idealfall, wenn der Drehwinkel des Bildes entgegengesetzt gleich zum Einschlagwinkel des Lenkrades ist, erscheint die Orientierung des Bildes aus der Perspektive des Fahrers als völlig unveränderlich.
Wenn das Lenkrad einen äußeren Ring und wenigstens eine den äußeren Ring mit einer Nabe verbindende Speiche umfasst, dann bietet die Speiche am ehesten Platz für den Bildschirm.
Eine Platzierung des Bildschirms nahe an der Drehachse hat überdies den Vorteil, dass die Richtung, aus der sich das Bild dem Fahrer darbietet, sich bei einer Drehung des Lenkrades nur wenig ändert. Um den Abstand zur Drehachse zu minimieren, ist es bevorzugt, dass eine Drehachse des Lenkrades den Bildschirm kreuzt. Insbesondere kann sich der Bildschirm symmetrisch über zwei Speichen erstrecken, die spiegelbildlich zueinander zwischen der Nabe und dem äußeren Ring verlaufen.
Die Drehachse des Lenkrades kann mit einer Bildachse zusammenfallen, um die die Steuereinheit das Bild rotiert; dadurch kann jedoch in manchen Stellungen des Lenkrades die Sichtbarkeit des Bildes beeinträchtigt sein, wenn die Bildachse nicht durch einen geometrischen Mittelpunkt des Bildes verläuft. Deswegen ist die Steuereinheit vorzugsweise eingerichtet, das erste Bild um einen gegen eine Drehachse des Lenkrads versetzten ersten Punkt zu rotieren.
Dieser erste Punkt sollte innerhalb des ersten Bildes liegen; vorzugsweise ist er ein Mittelpunkt des ersten Bildes.
Um den am Lenkrad, insbesondere an dessen Speiche, vorhandenen Einbauraum auszunutzen, muss der Bildschirm langgestreckt sein; allerdings sind die Abmessungen eines Bildes, das auf einem solchen Bildschirm unabhängig vom Einschlagwinkel des Lenkrads immer vollständig darstellbar ist, durch die kleinere der beiden Abmessungen eines solchen Bildschirms begrenzt. Um die Bildschirmfläche dennoch zu einem großen Teil nutzen zu können, kann die Steuereinheit eingerichtet sein, ein zweites Bild um einen gegen den ersten Punkt versetzten zweiten Punkt zu rotieren.
Auch dieser zweite Punkt sollte innerhalb des zweiten Bildes gelegen sein und vorzugsweise einen Mittelpunkt des Bildes darstellen.
Der zweite Punkt sollte in Bezug auf das Lenkrad ortsfest sein, d.h. bei einer Drehung des Lenkrades um die Drehachse auf einer zur Drehachse konzentrischen Kreisbahn mitrotieren.
Um einen Drehwinkel des Lenkrads relativ zu einer Neutralstellung zu erfassen, kann die Steuereinheit mit einem den Einschlagwinkel des Lenkrades erfassenden Drehwinkelsensor verbunden sein.
Alternativ kann die Steuereinheit mit einem Beschleunigungssensor verbunden sein, um die Richtung einer auf das Lenkrad wirkenden Beschleunigung zu erfassen und die Orientierung des Bildes relativ zu dem Vektor der Beschleunigung konstant zu halten. Dies kann dazu führen, dass beim Kurvenfahren die Orientierung des Bildes durch Fliehkrafteinwirkung von Orientierung der bei Geradeausfahrt abweicht.
Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, anhand einer Steuereingabe zwischen verschiedenen Inhalten wenigstens des ersten Bildes umzuschalten. So kann z.B. ein erstes, zur Drehachse benachbartes Bild unter normalen Bedingungen ein Herstellerlogo zeigen, wie es herkömmlicherweise als Prägung oder als eigenes Bauteil im Zentrum eines Lenkrades angebracht ist; im Bedarfsfall kann jedoch das lediglich als Bild auf dem Bildschirm angezeigte Logo durch beliebige andere zeitweilig relevante Informationen, insbesondere Warnhinweise, ersetzt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Lenkrades mit integriertem Bildschirm, insbesondere eines Lenkrads wie oben beschrieben, mit den Schritten: Erfassen eines Einschlagwinkels, um den das Lenkrad aus einer Neutralstellung ausgelenkt ist;

Anzeigen eines Bildes auf dem Bildschirm in einer Neutralstellung, wenn das Lenkrad sich in seiner Neutralstellung befindet, und
Erfassen eines Auslenkwinkels, um den das Lenkrad aus seiner Neutralstellung verdreht ist, und Rotieren des auf dem Bildschirm angezeigten Bildes relativ zum Lenkrad entgegengesetzt zum Einschlagwinkel, insbesondere um einen zum Einschlagwinkel entgegengesetzt gleichen Winkel.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine Draufsicht auf ein Lenkrad mit einem Bildschirm und einem auf dem Bildschirm angezeigten Bild in Neutralstellung;
2 eine Draufsicht auf das Lenkrad der 1 in einer eingeschlagenen Stellung;
3 eine Draufsicht auf das Lenkrad mit zwei auf dem Bildschirm angezeigten Bildern in Neutralstellung
4 eine Draufsicht auf das Lenkrad der 3 in einer eingeschlagenen Stellung; und
5 einen schematischen Schnitt durch das Lenkrad.

1 zeigt ein Lenkrad 1 einer erfindungsgemäßen Lenkeinheit in einer Draufsicht entlang einer Drehachse 2, um die das Lenkrad 1 in einem (nicht gezeigten) Kraftfahrzeug drehbar montiert ist. Das Lenkrad 1 umfasst in üblicherweise einen äußeren Ring 3, und wenigstens eine Speiche 4, die sich vom Ring 3 aus radial einwärts zu einer Nabe 5 erstreckt. Im hier betrachteten Fall sind drei Speichen 4 vorgesehen, von denen zwei sich auf verschiedenen Seiten der Nabe 5 diametral gegenüberliegen, so dass ein Bildschirm 6 sich geradlinig über die Nabe 5 hinweg von einer Speiche 4 auf die andere erstrecken kann.
Als Bildschirm 6 kommt insbesondere ein LCD-Display mit großem Blickwinkel oder ein OLED-Display in Betracht.
Der Bildschirm 6 ist ringsum von einem Rahmen 7 eingefasst, dessen Farbton an die Farbe eines Schwarz anzeigenden Pixels des LCD-Displays oder eines ausgeschalteten Pixels des OLED-Displays angeglichen ist, so dass der Bildschirm 6 nicht unmittelbar als solcher erkennbar ist.
Eine elektronische Steuereinheit 8, die den Farb- und Helligkeitswert jedes Pixels des Bildschirms 6 festlegt, kann in das Lenkrad 1 integriert, z.B. wie in 5 gezeigt auf einer in einer der Speichen 4 hinter dem Bildschirm 6 angeordneten Leiterplatte 9 vorgesehen sein; sie kann aber auch vom Lenkrad 1 räumlich getrennt, z.B. Teil eines Bordcomputers des Fahrzeugs mit dem Bildschirm über eine durch die Lenksäule verlaufende Datenleitung verbunden sein.
In der Ausgestaltung der 5 ist die Steuereinheit 8 mit einem Drehwinkelgeber 10 verbunden, der im Lenkrad 1 fest montiert ist, um den Einschlagwinkel des Lenkrads 1 gegenüber einem nicht rotierenden Referenzpunkt der Lenksäule zu erfassen. In einer Steer-by-Wire-Lenkung kann ein Drehwinkelgeber, der Einschlagwinkeldaten für die Ansteuerung der lenkbaren Räder des Fahrzeugs liefert, auch genutzt werden, um die Steuereinheit 8 mit Einschlagwinkeldaten zu versorgen. Anstelle des Drehwinkelgebers 10 könnte am Lenkrad 1, z.B. auf der Leiterplatte 9, ein Beschleunigungssensor montiert sein, um die Richtung der Erdbeschleunigung relativ zum Lenkrad zu erfassen und daraus den Einschlagwinkel des Lenkrads 1 abzuleiten.
In der Ansicht der 1 befindet sich das Lenkrad 1 in einer Geradeausfahrt entsprechenden Neutralstellung, d.h. der Einschlagwinkel ist Null. Ein von der Steuereinheit 8 in der Mitte des Bildschirms 6 erzeugtes Bild 11 zeigt ein Herstellersymbol 12. Die Drehachse 2 kreuzt das angezeigte Bild 11. Ein Mittelpunkt 13 des Bildes 11 ist leicht gegen die Drehachse 2 versetzt.
Anhand der vom Drehwinkelgeber 10 oder vom Beschleunigungssensor gelieferten Daten ermittelt die Steuereinheit 8 einen aktuellen Einschlagwinkel φ des Lenkrades 1 und rotiert das Bild 11 relativ zu seiner in 1 gezeigten Neutralstellungsorientierung um den Winkel -ϕ um den Mittelpunkt 13. So bewegt sich das Bild 11, wenn das Lenkrad 1 wie in 2 gezeigt aus der Neutralstellung herausgedreht wird, zwar in einem relativ zum Lenkrad 1 festen Koordinatensystem auf einer Kreisbahn 14 um die Drehachse 2, deren Radius dem Abstand des Mittelpunkts 13 von der Drehachse 2 entspricht, behält dabei aber seine Orientierung im Raum bei, so dass beim Betrachter der Eindruck entsteht, dass das Bild 11 ruht, während sich das Lenkrad 1 unter ihm dreht.
Der Inhalt des Bildes 11 ist variabel. Daher kann es genutzt werden, um dem Fahrer Informationen zu übermitteln. Einer Weiterbildung der Erfindung zufolge ist die elektronische Steuereinheit 8 an ein Satellitennavigationssystem oder ein Fahrerassistenzsystem gekoppelt, die - durch Abgleich der aktuellen geographischen Position des Fahrzeugs mit dem Inhalt einer Straßenkartendatenbank bzw. durch Auswertung von Bildern einer die Umgebung des Fahrzeugs überwachenden Kamera - für einen aktuell befahrenen Verkehrsweg geltende Streckenverbote oder Gefahrenhinweise ermitteln. Wenn und solange die Steuereinheit 8 von dem Satellitennavigations- oder Fahrerassistenzsystem einen Hinweis auf ein Streckenverbot oder eine Gefahr empfängt, zeigt sie ein dafür repräsentatives Verkehrsschild 15 anstelle des Herstellersymbols 12 im Bild 11 an.
Da der Umriss des Bildes 11 je nach angezeigtem Inhalt 12, 15, etc. variieren kann, kann auch die Lage des Mittelpunkts 13 variieren; im hier gezeigten Fall liegt der Mittelpunkt 13 des Herstellersymbols 12 knapp oberhalb, der des Warndreiecks 15 knapp unterhalb der Drehachse 2.
3 zeigt eine Ansicht des Lenkrades 1, in der das Verkehrsschild 15 ein allgemeiner Gefahrenhinweis ist. Wenn das Satellitennavigations- oder Fahrerassistenzsystem entsprechend genaue Gefahrenhinweise liefern, kann anstelle des allgemeinen Gefahrenhinweises auch ein spezifischerer Hinweis, z.B. ein Hinweis auf eine Kreuzung mit einer kreuzender bevorrechtigten Straße oder mit Rechts-vor-Links-Vorfahrtregelung oder ein Hinweis auf eine vorausliegende Kurve sein; generell kann jedes Gefahrenwarnzeichen, das nach im Einsatzland des Fahrzeugs geltender Straßenverkehrsordnung an einer Straße aufgestellt sein kann, auch im Bild 11 wiedergegeben werden.
Wenn für den aktuell befahrenen Verkehrsweg ein Streckenverbot wie etwa eine Geschwindigkeitsbeschränkung oder ein Überholverbot gilt, kann vorgesehen werden, dieses solange im Bild 11 anzuzeigen, bis es nicht mehr gilt; alternativ kann vorgesehen werden, es nur anzuzeigen, wenn es übertreten wird oder die Gefahr dazu besteht, d.h. eine Geschwindigkeitsbeschränkung anzuzeigen, wenn das Fahrzeug die gesetzte Höchstgeschwindigkeit überschreitet oder knapp darunter ist, oder ein Überholverbot anzuzeigen, wenn der Fahrer durch Setzen eines Blinkers seine Überholabsicht anzeigt.
Insbesondere wenn eine Geschwindigkeitsbeschränkung angezeigt wird, ist es von besonderem Vorteil, dass das Bild 11 nicht mit dem Lenkrad 1 rotiert, da das Lesen der angezeigten Ziffern erhöhte Konzentration erfordert, wenn diese nicht in der üblichen Orientierung sondern um willkürliche Winkel gedreht angezeigt werden.
Das Bild 11 kann auch genutzt werden, um durch Einblenden entsprechender Bildinhalte den Betrieb des Fahrzeugs betreffende Hinweise an den Fahrer zu übermitteln, z.B. um an unübersehbarer Stelle auf einen niedrigen Füllstand eines Kraftstofftanks, Ölmangel, die Notwendigkeit einer Wartung oder dergleichen hinzuweisen.
Bei einem autonomen Fahrzeug kann durch Anzeigen eines entsprechenden Symbols als Bild 11 der Fahrer aufgefordert werden, die Kontrolle über das Fahrzeug zu übernehmen.
Wenn vom Fahrzeug aus telefoniert wird, kann das Bild 11 genutzt werden, um Informationen zum Gespräch, wie etwa Namen und/oder Rufnummer des Gesprächspartners, Gesprächsdauer, Gesprächsstatus wie etwa Verbindungsaufbau, bestehende Sprechverbindung, Halten der Verbindung anzuzeigen.
Von der Lenkachse 2 entfernte Bereiche 16 (s. 1) des Bildschirms 6 können genutzt werden, um dort Bilder anzuzeigen, die von der Steuereinheit 8 nicht gegensinnig zur Lenkraddrehung rotiert werden. Dies ist insbesondere für Bilder mit stark von 1 abweichendem Kantenlängenverhältnis, z.B. für die Abbildung einer Skala, sinnvoll. Denkbar ist aber auch, in diesen Bereichen Bilder wie etwa 17 (s. 3, 4), vorzugsweise mit einem Kantenlängenverhältnis nahe 1, anzuzeigen, die im Falle einer Drehung des Lenkrades 1 von der Steuereinheit 8 um ihren eigenen Mittelpunkt 18 gedreht werden, so dass sie zwar bei einer Drehung des Lenkrades 1 mit diesem um die Drehachse 2 umlaufen, dabei aber wie das Bild 11 ihre Orientierung beibehalten. Das Bild 17 zeigt hier exemplarisch eine Kaffeetasse als Aufforderung eines Aufmerksamkeitsüberwachungsassistenten an den Fahrer, eine Pause einzulegen.
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Bezugszeichenliste

1: Lenkrad
2: Drehachse
3: Ring
4: Speiche
5: Nabe
6: Bildschirm
7: Rahmen
8: Steuereinheit
9: Leiterplatte
10: Drehwinkelgeber
11: Bild
12: Herstellersymbol
13: Mittelpunkt
14: Kreisbahn
15: Verkehrsschild
16: entfernter Bereich
17: Bild
18: Mittelpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009021280 A1 [0002, 0003]

Claims

Lenkeinheit für ein Kraftfahrzeug mit einem einen integrierten Bildschirm (6) aufweisenden Lenkrad (1) und einer Steuereinheit (8) zum Steuern der Ausgabe wenigstens eines ersten Bildes (11) auf dem Bildschirm (6), die eingerichtet ist, das Bild (11) gegenläufig zu einer Drehung des Lenkrades (1) zu rotieren.
Lenkeinheit nach Anspruch 1, bei dem das Lenkrad (1) einen äußeren Ring (3) und wenigstens eine den äußeren Ring (3) mit einer Nabe (5) verbindende Speiche (4) umfasst und der Bildschirm (6) an der Speiche (4) angeordnet ist.
Lenkeinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Drehachse (2) des Lenkrades (1) den Bildschirm (6) kreuzt.
Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (8) eingerichtet ist, das erste Bild (11) um einen gegen eine Drehachse (2) des Lenkrads (1) versetzten ersten Punkt (13) zu rotieren.
Lenkeinheit nach Anspruch 4, bei dem der erste Punkt ein Mittelpunkt (13) des ersten Bildes (11) ist.
Lenkeinheit nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Steuereinheit (8) eingerichtet ist, ein zweites Bild (17) um einen gegen den ersten Punkt (13) versetzten zweiten Punkt (18) zu rotieren.
Lenkeinheit nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der zweite Punkt (18) in Bezug auf das Lenkrad (1) ortsfest ist.
Lenkeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Steuereinheit (8) mit einem Drehwinkelsensor (10) verbunden ist, um einen Einschlagwinkel (a) des Lenkrads (1) relativ zu einer Neutralstellung desselben zu erfassen.
Lenkeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Steuereinheit (8) mit einem Beschleunigungssensor verbunden ist, um die Richtung einer auf das Lenkrad (1) wirkenden Beschleunigung zu erfassen und die Orientierung des Bildes (11) relativ zu dem Vektor der Beschleunigung konstant zu halten.
Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (8) eingerichtet ist, anhand einer Steuereingabe zwischen verschiedenen Inhalten (12, 15) wenigstens des ersten Bildes (11) umzuschalten.
Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, als Inhalt des ersten Bildes (11) anzuzeigen: - ein herstellerspezifischen Zeichen (12); - einen Warnhinweis (15).
Verfahren zum Betreiben eines Lenkrades mit integriertem Bildschirm mit den Schritten: Erfassen eines Einschlagwinkels (a), um den das Lenkrad (1) aus einer Neutralstellung ausgelenkt ist; Anzeigen eines Bildes (11) auf dem Bildschirm (6) in einer Neutralstellung, wenn das Lenkrad (1) sich in seiner Neutralstellung befindet, und Erfassen eines Auslenkwinkels, um den das Lenkrad (1) aus seiner Neutralstellung verdreht ist, und Rotieren des auf dem Bildschirm (6) angezeigten Bildes (11) relativ zum Lenkrad (1) entgegengesetzt zum erfassten Einschlagwinkel.