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Die
Erfindung betrifft ein Müdigkeits-Warnsystem
für Fahrzeugführer, das
insbesondere mit einem in einem Fahrzeug vorgesehenen Bordcomputer
verbunden oder in diesen integriert ist.
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Zur
Detektion der Müdigkeit
ist es bekannt, eine Detektionseinrichtung in Form einer Lidschlusskamera
vorzusehen. Die Lidschlusskamera beobachtet hierbei die Häufigkeit
und Geschwindigkeit des Lidschlages eines Fahrzeugführers. Die
Detektionseinrichtung ist mit einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung
eines aktuellen Müdigkeitswerts
auf Grundlage der detektierten Lidbewegung verbunden. Der Müdigkeitswert
wird aus der Häufigkeit
des Lidschlages sowie der Lidschlaggeschwindigkeit bestimmt. Ab
einem vorgegebenen konstanten Schwellwert wird von einer mit der
Auswerteeinrichtung verbundenen Warneinrichtung ein Warnsignal erzeugt.
Bei dem Warnsignal handelt es sich insbesondere um ein akustisches
Warnsignal, mit dem der Fahrzeugführer vor einem drohenden Sekundenschlaf
oder dgl. gewarnt wird. Da mit derartigen Müdigkeits-Warnsystemen häufig Fehlalarme
ausgelöst werden,
ist die Akzeptanz derartiger Systeme bei den Kunden sehr gering.
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Ferner
ist es aus
DE 102 18 676 bekannt,
in einem Bordcomputer, der in der Regel dazu dient, den Fahrzeugführer mit
Informationen über
den Zustand des Fahrzeugs, die Geschwindigkeit, Verkehrsstaus etc.
zu informieren, auch personenbezogene Parameter des Fahrzeugführers zu
berücksichtigen.
Dies dient zur Bestimmung der Müdigkeit
des Fahrers, die vom Fahrer selbst häufig falsch eingeschätzt wird.
Durch eine Müdigkeitsbestimmung
mittels des Bordcomputers ist es möglich, dem Fahrer beispielsweise
bei der Routenplanung Empfehlungen für Ruhepausen zu geben oder
den Fahrer auf Zeiträume
hinzuweisen, in denen voraussichtlich mit einer erhöhten Müdigkeit
gerechnet werden muss. Hierzu ist in
DE
102 18 676 beschrieben, bei der Ermittlung der Müdigkeit
eine Schlafkomponente, eine Schlafträgheitskomponente und eine zirkadiane Komponente
zu berücksichtigen.
Hierbei wird durch die Schlafkomponente beschrieben, dass die Müdigkeit
mit zeitlichem Abstand zum letzten Schlaf zunimmt, wobei die Länge des
letzten Schlafs berücksichtigt
wird. Die Schlafträgheit
besagt, dass eine Person direkt nach dem Aufwachen müde ist,
wobei die Schlafträgheit
mit dem zeitlichen Abstand zum letzten Schlaf abnimmt. Die zirkadiane
Komponente der Müdigkeit
ist abhängig
von der Tageszeit. Ferner kann bei der Ermittlung der Müdigkeit
eine Belastungskomponente berücksichtigt
werden. Die Belastungskomponente berücksichtigt die Belastung des Fahrers.
Ferner ist in
DE 102 18 676 beschrieben, dass
weitere Belastungskomponenten für
Regen bzw. für
Helligkeit berücksichtigt
werden können.
Ein derartiges Warnsystem weist jedoch den Nachteil auf, dass eine
Vielzahl von Daten von dem Fahrer bzw. Fahrzeugführer eingegeben werden müssen und
die Genauigkeit des Systems von der Richtigkeit der eingegebenen
Daten abhängig
ist. Auf Grund der erforderlichen Dateneingabe und der insbesondere bei
ungenauer Dateneingabe erfolgenden Fehlalarme ist die Akzeptanz
dieses Systems für
breite Einsatzzwecke noch zu gering.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Müdigkeits- Warnsystem
für Fahrzeugführer zu
schaffen, durch das die Häufigkeit
von Fehlalarmen verringert wird.
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Die
Lösung
erfolgt erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1.
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Das
erfindungsgemäße Müdigkeits-Warnsystem
weist eine Einrichtung zur Detektion der aktuellen Müdigkeit
des Fahrzeugführers
auf. Bei der Detektionseinrichtung kann es sich beispielsweise um eine
Lidschlusskamera oder auch um andere Sensoren, wie beispielsweise
Lenksensoren, handeln. Hierbei kann beispielsweise aus ruckartigen
Lenkbewegungen, die insbesondere in Bezug zur Fahrzeuggeschwindigkeit
gesetzt werden können,
das Auftreten eines Sekundenschlafs abgeleitet werden. Ggf. können unterschiedliche
Sensoren insbesondere mit einer Lidschlusskamera verknüpft sein.
Die Detektionseinrichtung ist mit einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung
eines aktuelle Müdigkeitswerts
verbunden. Hierbei können
in der Auswerteeinrichtung beispielsweise Signale der Lidschlusskamera
zur Bestimmung des aktuellen Müdigkeitswerts
genutzt werden. Ferner können
in der Auswerteeinrichtung insbesondere unter Verwendung eines Algorithmus auch
weitere Sensordaten zur Bestimmung des aktuellen Müdigkeitswerts
genutzt werden. Die Auswerteeinrichtung ist mit einer beispielsweise
akustischen und/oder visuellen Warneinrichtung zum Warnen des Fahrzeuglenkers
verbunden. Hierbei erzeugt die Warneinrichtung ein Signal, sobald
ein in der Auswerteeinrichtung festgelegter Schwellwert durch den Müdigkeitswert überschritten
wird. Selbstverständlich
kann statt der Ermittlung eines Müdigkeitswerts auch ein Wachheitswert
ermittelt werden, wobei eine Warnung des Fahrzeugführers dementsprechend
bei Unterschreiten eines Schwellwerts des Wachheitswerts erfolgt.
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Erfindungsgemäß ist eine
Einrichtung zur Schwellwertanpassung vorgesehen. Mit Hilfe der Einrichtung
zur Schwellwertanpassung, die mit der Auswerteeinrichtung verknüpft oder
in dieser integriert sein kann, erfolgt eine Berücksichtigung eines Müdigkeitsmodells
des Fahrzeugführers.
Mit Hilfe des Müdigkeitsmodells,
bei dem es sich insbesondere um ein mathematisches Modell handelt,
können unterschiedliche
Faktoren die die individuelle Müdigkeit
eines Fahrzeugführers
bestimmen, berücksichtigt
werden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um fahrerspezifische
Schlaf-Informationen, die anhand vorgegebener Gleichungen bestimmt
und in dem Müdigkeitsmodell
berücksichtigt
werden. Derartige natürliche
Müdigkeitskomponenten
weisen insbesondere eine schlafabhängige Komponente, die Schlafträgheit und/oder
eine zirkadiane Komponente auf. Vorzugsweise kann zusätzlich eine
Belastungskomponente berücksichtigt
werden.
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Auf
Grund des erfindungsgemäßen Vorsehens
einer Einrichtung zur Schwellwertanpassung ist es möglich, die
Anzahl von Fehlalarmen deutlich zu reduzieren. Beispielsweise ist
es möglich,
zu berücksichtigen,
dass ein ausgeschlafener Fahrer in den ersten Stunden einer Fahrt
mit hoher Wahrscheinlichkeit wach ist und somit der Schwellwert,
ab dem ein Warnsignal ausgelöst
wird, hochgesetzt werden kann.
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Zur
Eingabe der fahrerspezifischen Daten ist vorzugsweise eine Eingabeeinrichtung
zur Eingabe der Schlaf-Informationen vorgesehen. Hierbei kann es
sich insbesondere um eine einfache, menügeführte Eingabe handeln, um die
Akzeptanz beim Benutzer zu erhöhen.
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Besonders
bevorzugt ist es, die natürlichen Müdigkeitskomponenten
mit zumindest einer aus sensorermittelten Einflussgrößen gewonnenen
Belastungskomponente zur Erstellung des Müdigkeitsmodells zu kombinieren.
Hierdurch kann die Genauigkeit des Systems und insbesondere die
Anzahl erzeugter Fehlalarme weiter reduziert werden.
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Vorzugsweise
ist mit der Auswerteeinrichtung eine Verknüpfungseinrichtung verbunden. Durch
die Verknüpfungseinrichtungen
werden mehrere sensorermittelte Einflussgrößen miteinander verknüpft und
können
sodann in dem Müdigkeitsmodell
berücksichtigt
werden. Auf Grundlage der Verknüpfung
erfolgt sodann mit Hilfe einer Bewertungseinrichtung eine Ermittlung
eines Belastungsfaktors. Hierbei ist bei einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
die Verknüpfungseinrichtung
mit einem Regensensor, einem Licht- bzw. Helligkeitssensor sowie
einem oder mehreren Sensoren zur Ermittlung der Verkehrsdichte verbunden.
Die Sensorsignale werden ggf. unter Zuhilfenahme eines Algorithmus miteinander
verknüpft
und sodann mit Hilfe einer Bewertungseinrichtung einem Belastungsfaktor
zugeordnet. Die Zuordnung kann beispielsweise auf Grund von in der
Verknüpfungseinrichtung
und/oder der Bewertungseinrichtung hinterlegten, beispielsweise
durch Befragungen ermittelten, Bewertungen erfolgen. Diese liegen
insbesondere in Form einer Tabelle oder dgl. vor.
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Somit
wird erfindungsgemäß beispielsweise berücksichtigt,
dass bei guten Sichtverhältnissen, wie
beispielsweise einem nebelfreien, trockenen Tag, die Belastung relativ
gering ist und somit die Müdigkeit
durch diesen Einflussfaktor relativ wenig zunimmt. In einer entsprechend
anderen Fahrsituation, beispielsweise in der Dunkelheit, bei Regen,
ist die Belastung erheblich höher,
so dass die Müdigkeit schneller
zunimmt.
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Vorzugsweise
wird der aus den verschiedenen Einflussgrößen ermittelte Belastungsfaktor
bei der Ermittlung einer zeitabhängigen
Belastungskomponente berücksichtigt.
Durch die Belastungskomponente, die als "Time-On-Task"-Komponente
bezeichnet wird, wird der Belastungszustand in Abhängigkeit von
einer Zeitdauer bei der Müdigkeitsermittlung
berücksichtigt.
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Der
Begriff "Fahrzeug" ist im Rahmen der vorliegenden
Erfindung nicht auf Kraftfahrzeuge beschränkt, sondern breit zu verstehen.
Er umfasst insbesondere Straßen-
und Schienenfahrzeuge sowie Flugzeuge, Schiffe und dgl.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
schematisches Schaubild des Müdigkeits-Warnsystems,
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2 eine
schematische, grafische Darstellung des von einer Lidschlusskamera
erzeugten Signals in Verbindung mit einem konstanten Schwellwert nach
dem Stand der Technik,
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3 eine
schematische, grafische Darstellung des von einer Lidschlusskamera
erzeugten Signals in Verbindung mit einem modifizierten Schwellwert
gemäß der Erfindung,
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4 eine
schematische, grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der
Schlafkomponente S,
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5 eine
schematische, grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der
zirkadianen Komponente C, und
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6 eine
schematische, grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der
Belastungskomponente T.
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Mit
Hilfe einer Detektionseinrichtung 10, bei der es sich beispielsweise
um eine Lidschlusskamera handeln kann, werden entsprechende Signale
an einen Bordcomputer 12 übermittelt. Der Bordcomputer 12 weist
eine Auswerteeinrichtung 14 sowie eine Einrichtung 16 zur
Schwellwertanpassung auf. Mit Hilfe der vom Fahrzeugführer über eine
Eingabeeinrichtung 18 eingegebenen Daten, die an den Bordcomputer 12 übermittelt
werden sowie mit Hilfe der von einer Detektionseinrichtung 10 übermittelten
Daten und dem im Bordcomputer gespeicherten mathematischen Modell
bzw. Algorithmus wird ein variabler Schwellwert ermittelt. In Abhängigkeit
der Daten von der Detektionseinrichtung und dem aktuellen mittels des
mathematischen Modells ermittelten Schwellwerts erfolgt sodann eine
Warnung des Fahrzeugführers über eine
akustische und/oder visuelle Warneinrichtung 20.
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Gemäß dem Stand
der Technik (2) erfolgt mit Hilfe einer Lidschlusskamera
die Beobachtung des Lidschlusses, wobei ein Signalverlauf 22 erzeugt
wird. In einer herkömmlichen
Auswerteeinrichtung wird der Signalverlauf 22 mit einem
konstanten Schwellwert 24, der insbesondere im dargestellten Beispiel
konstant 0,4 beträgt,
verglichen. Sobald der Signalverlauf 22 den Schwellwert 24 überschreitet, wird
ein Warnsignal ausgelöst.
Dies erfolgt in dem in 2 dargestellten Beispiel zu
den Zeitpunkten T1, T2 und T3.
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Erfolgt
jedoch eine Modifizierung des Schwellwertes durch Berücksichtigung
eines Müdigkeitsmodells
wie sie in 3 dargestellt ist, so ist ersichtlich,
dass ein Schwellwert 26 nicht konstant verläuft, sondern
zu Beginn einer Fahrt deutlich höher als
am Ende einer Fahrt ist. Dies hat zur Folge, dass eine Überschreitung
des Schwellwertes 26 durch die Kurve 22 zu den
Zeitpunkten T4 und T5 erfolgt.
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Bei
den beiden in den 2 und 3 dargestellten
Beispielen handelt es sich um eine um sieben Uhr beginnende Fahr,
wobei der letzte Schlaf vor der Fahrt von 21h30 – 5h00 dauerte. Wie sich aus dem
modifizierten Schwellwertverlauf 26 ergibt, wird durch
die erfindungsgemäße Schwellwertanpassung zu
den Zeitpunkten T1 und T2 kein Alarm ausgelöst. Bei den zu den Zeitpunkten
T1 und T2 ausgelösten Alarmen
handelt es sich um Fehlalarme, da sich der Fahrzeugführer zu
Beginn einer Fahrt noch nicht müde
fühlt und
insofern diese Alarme als Fehlalarme empfindet.
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Der
zum Zeitpunkt T3 ausgelöste
Alarm erfolgt gemäß dem Stand
der Technik (2) zu spät, da der Fahrer zu diesem
Zeitpunkt bereits eine sehr lange Fahrtzeit hinter sich gebracht
hat, wobei dieser Tatsache der konstante Schwellwert gemäß Stand der
Technik ebenfalls nicht Rechnung trägt. Durch die erfindungsgemäße Anpassung
des Schwellwerts (3) erfolgt somit eine Warnung
zu tatsächlich
kritischen Zeitpunkten, den Zeitpunkten T4 und T5.
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Zur
Modifizierung eines Schwellwerts W erfolgt in dem Bordcomputer zunächst auf
Grundlage von definierten Gleichungen und den vom Fahrer über die
Eingabeeinrichtung 18 eingegebenen Daten eine Berechnung
der Müdigkeit
M.
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Die
Berechnung des Müdigkeitszustandes erfolgt
unter Berücksichtigung
der natürlichen
Müdigkeitskomponenten.
Hierzu gehören
eine Schlafkomponente S (4), eine Schlafträgheitskomponente I,
eine zirkadiane Komponente C (5) und eine Belastungskomponente
T (6).
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4 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Müdigkeitskomponente "Müdigkeit" S beginnend mit dem Zeitpunkt 0 des
Erwachens aus dem letzten Schlaf. Die Müdigkeit ist hier zwischen 0
und 1 eingestuft, was bedeutet, dass der Wert 0 dem wachen Zustand (keine
Müdigkeit)
entspricht und der Wert 1 der maximalen Müdigkeit. Die Müdigkeit
während
des Wachseins entwickelt sich nach der Formel St =
e-Δt/ASt-1 während
des Schlafs
St = 1 – e-Δt/B·(1 – St-1) während
des Wachseins. (1)
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Hierbei
ist St der S-Wert zum aktuellen Zeitpunkt,
St-1 der letzte berechnete S-Wert, Δt der Abstand
zwischen dem aktuellen Zeitpunkt und der letzten Berechnung. A =
4,2 h und B = 18,2 h sind Zeitkonstanten.
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Eine
Komponente der Müdigkeit,
die "Schlafträgheit" I, besagt, dass
man direkt nach dem Aufwachen müde
ist. Um diesen Effekt zu berücksichtigen, wird
1 – S
die Wachheit, mit einem Faktor I multipliziert I = e-0.317/t, (2)wobei t die
Zeit seit dem letzten Schlaf in Stunden ist.
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In 5 ist
die zirkadiane Komponente C der Müdigkeit dargestellt. Diese
hängt von
der Tageszeit ab und wird gesteuert von der inneren Uhr und vom Hell-Dunkel-Rhythmus.
Die Formel lautet C
= 13.4·cos(2·Π·(t – circmin)/24
+ 13,4 (3)
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Hierbei
bedeutet circmin die Tageszeit des zirkadianen Minimums. Dies liegt
bei einem Abendtyp bei sechs Uhr, bei einem normalen Typ bei fünf Uhr und
bei einem Morgentyp bei vier Uhr.
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In 6 ist
der Verlauf einer Belastungskomponente T dargestellt. Hierbei handelt
es sich um Strecken, deren Steigung von dem Ausmaß der Belastung
abhängt.
Diese Komponente wird als "Time-On-Task" bezeichnet. Sie
steigt während
unterschiedlicher Tätigkeiten
stark an und nimmt in einer Pause ab.
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Die
Belastungskomponente T kann bestimmt werden durch T = A·12,87·(1 + b/4)·(M/100)2 – B·14,13 (4)
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Hierbei
ist A die seit Fahrtbeginn verstrichene Zeit (eine Einheit = 90
Min.), B die seit einem Pausenbeginn verstrichene Zeit (eine Einheit
= 15 Min.) und b der Bewertungsfaktor. Der Bewertungsfaktor kann
beispielsweise anhand von Umfragen ermittelt werden und stellt eine
Müdigkeitsbeurteilung
dar. Hierbei werden unterschiedliche Fahrsituationen beschrieben
und von Testpersonen der individuelle Einfluss auf die Ermüdung bewertet.
Insbesondere handelt es sich hierbei um Einflüsse wie Helligkeit, Regen und
Verkehrsaufkommen.
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Insgesamt
lautet die Formel für
die aktuelle Müdigkeit M = 73,2 – 96·(1 – S)·I + C + T. (5)
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Die
Formel für
die Müdigkeit
ergibt einen Müdigkeitswert
M zwischen 0 und 100. Dabei entspricht der Wert 0 dem Zustand "keine Müdigkeit" und der Wert 100
dem Zustand "maximale
Müdigkeit".
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Der
modifizierte Schwellwert W befindet sich im Bereich zwischen der
unteren Schwelle WL und der oberen Schwelle
WH.
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Die
Formel für
die Anpassung des Schwellwertes W lautet W = WL + (WH – WL)·(100 – M)/100 (6).
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WL ist der untere Schwellwert für die detektierte
Müdigkeit,
wird bei M = 100 als Schwellwert benutzt.
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WH ist der obere Schwellwert für die detektierte
Müdigkeit,
wird bei M = 0 benutzt.
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M
ist die aktuelle Müdigkeit
nach Formel (5).