DE102010030173B4

DE102010030173B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Fahrerzustandserkennung

Info

Publication number: DE102010030173B4
Application number: DE102010030173.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Weiss Elmar; Andreas Menath; Heiko König
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2023-02-23
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: DE102010030173A1

Abstract

Verfahren zur Fahrerzustandserkennung, wobei mindestens ein die Fahrzeugquerbewegung beschreibendes Signal auf das Auftreten von Merkmalen ausgewertet wird, woraus ein den Fahrerzustand charakterisierendes Fahrerzustandssignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Signal die zeitliche Ableitung der Gierrate (G) (Gierbeschleunigung B) oder die zeitliche Ableitung der berechneten Soll-Gierrate verwendet wird und dass zur Ermittlung des Fahrerzustandssignals die Gierrate (G) und die Gierbeschleunigung (B) untersucht werden auf das Auftreten von Ereignissen (DBE), wobei ein Ereignis (DBE) dadurch charakterisiert ist, dassa) die Gierbeschleunigung (B) länger als ein erster Zeitraum (t1) unterhalb eines unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwertes (B1) bleibt,b) die Gierbeschleunigung (B) anschließend den unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwert (B1) überschreitet (A2),c) die Gierbeschleunigung (B) nach Überschreiten des unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwertes (B1) einen oberen Gierbeschleunigungs-Grenzwert (B2) überschreitet,d) die Gierbeschleunigung (B) innerhalb eines zweiten Zeitraumes (t2) einen Nulldurchgang (A4) aufweist,e) falls nicht zum Zeitpunkt (A2), zu dem die Gierbeschleunigung (B) den unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwert (B1) überschreitet, die Gierrate (G) einen ersten Gierraten-Grenzwert (G1) überschreitet,f) und falls nicht zum Zeitpunkt (A4), zu dem die Gierbeschleunigung (B) den Nulldurchgang aufweist, die Gierrate (G) einen zweiten Gierraten-Grenzwert (G2) überschreitet und für eine dritte Zeitdauer (t3) oberhalb des zweiten Gierraten-Grenzwertes (G2) bleibt, und aus der zeitlichen Häufung dieser Ereignisse (DBE) das Fahrerzustandssignal bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fahrerzustandserkennung, wobei mindestens ein die Fahrzeugquerbewegung betreffendes Signal auf das Auftreten der Merkmale ausgewertet wird, woraus ein den Fahrerzustand charakterisierendes Signal erzeugt wird. Zur Erhöhung der Fahrzeugsicherheit gibt es aktive Sicherheitssysteme, bei denen verschiedene physikalische Größen überwacht werden und aus dem zeitlichen Verlauf bzw. dem Auftreten bestimmter Besonderheiten ein Aufmerksamkeitsgrad des Fahrers bzw. ein Fahrerzustand bestimmt wird. Die wichtigste ausgewertete physikalische Größe ist die Lenkbewegung bzw. deren Änderung aber auch die Gaspedalstellung oder deren Änderung. Denn häufen sich bestimmte Lenkereignisse während einer Fahrt, kann auf eine Müdigkeit des Fahrers geschlossen werden.
Insbesondere die Auswertung der Lenkwinkelgeschwindigkeit (zeitliche Ableitung des Lenkwinkels) eignet sich für die Fahrerzustandserkennung, da eine Korrelation zwischen bestimmtem Lenkverhalten und der tatsächlichen Müdigkeit des Fahrers empirisch festgestellt werden konnte.
Dabei erfolgt vorzugsweise eine Überwachung der Lenkwinkelgeschwindigkeit auf längere Phasen relativ geringer Lenkbewegungen, gefolgt von plötzlichen heftigen Lenkausschlägen sog. „deadband events“ und eine Häufung derartiger Ereignisse, welche ein Indiz für eine zunehmende Müdigkeit des Fahrers sind.
Die bisherigen Müdigkeitserkennungssysteme, bei denen der Lenkwinkel erfasst wird, sind jeweils auf einen ganz bestimmten Fahrzeugtyp angepasst, denn die Fahrzeuggröße, das Fahrwerk und andere Fahrzeugparameter beeinflussen die Messung genauso wie die spezielle Einstellung der Lenkübersetzung. Denn die Lenkung eines Sportwagens ist direkter ausgelegt als die einer Luxuslimousine, woraus sich unterschiedliche Lenkwinkel für das gleiche Fahrverhalten ergeben, so dass die herkömmliche Bestimmungsmethode eine Abstimmung auf jeden einzelnen Fahrzeugtyp erfordert. Der Entwicklungsaufwand erhöht sich weiter, wenn Lenksysteme mit variablem Lenkwinkel, also eine Aktivlenkung, eingesetzt werden.
Ferner sind baulich aufwändige hochsensible Lenkwinkelsensor erforderlich, um die Signale mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen.
Hierzu beschreibt die DE 10 2004 003 019 A1 ein Verfahren zur Warnung bzw. Beeinflussung eines Kraftfahrzeugführers und/oder zur Beeinflussung eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird mittels einer Erkennungseinrichtung festgestellt, ob der Fahrzeugführer ausreichend fahrtüchtig ist. Die Erkennungseinrichtung stellt die Fahrtüchtigkeit beispielsweise durch Auswertung eines Signals eines Lenkwinkelsensors fest, wobei auch ein Fahrdynamiksensor, beispielsweise ein Gierratensensor, zur Plausibilisierung ausgewertet wird.
Des Weiteren offenbart die DE 10 2006 043 676 A1 ein Fahrerassistenzsystem mit einer Warnfunktion, die den Fahrer auf gefährliche Verkehrssituationen hinweist. Die Bewertung der Fahreraufmerksamkeit erfolgt dabei anhand der Fahrdynamik des Fahrzeugs, beispielsweise der Längsbeschleunigung und/oder der Querbeschleunigung.
Aus der DE 103 55 221 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen, wann der Fahrer eines Fahrzeugs unaufmerksam wird, bekannt. An einem Lenkrad des Fahrzeugs werden die Ausprägung der Lenkruhephasen und die Ausprägung der Lenkaktionen bestimmt und hieraus ein Maß für die Schwere der Unaufmerksamkeit des Fahrers beim Lenken abgeleitet.
Außerdem beschreibt die EP 2 106 988 A1 ein adaptives Lenksteuerungssystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Sensor zur Ermittlung eines aktuellen Werts einer Betriebsgröße eines Lenkrads. Das Lenksteuerungssystem umfasst eine Steuervorrichtung, welche mit einem Gierratensensor verbunden ist und welche geeignet ist zu entscheiden, dass sich das Fahrzeug in einem hohe Aufmerksamkeit erfordernden Zustand befindet, wenn die Gierrate einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein Fahrzeugtyp-unabhängiges Verfahren zur Fahrerzustandserkennung bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung nutzt dabei den Umstand, dass die Fahrzeug-Gierrate Fahrzeugtypunabhängig ist und daher ein standardisiertes Fahrerzustandserkennungsverfahren ermöglicht wird, das auf den verschiedensten Fahrzeugplattformen eingesetzt werden kann. Denn ein Fahrer schätzt selber ein, wie groß die Gierrate ist, die für eine angestrebte Kurve benötigt wird und stellt intuitiv den richtigen Lenkwinkel am Lenkrad ein. Das heißt, die Unterschiede zwischen verschiedenen Lenkwinkelübersetzungen bei verschiedenen Fahrzeugtypen spielen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Rolle. Die Gierbeschleunigung als zeitliche Ableitung der Gierrate stellt ein Signal dar, das proportional zu der typischerweise verwendeten Lenkwinkelgeschwindigkeit ist. Es ist dabei vollkommen unerheblich, ob das erfindungsgemäße Verfahren bei großen und schweren (SUVs) oder kleinen Fahrzeugen, ob bei Limousinen oder Sportwagen eingesetzt wird. Damit lässt sich gegenüber herkömmlichen Systemen der Entwicklungs- und Optimierungsaufwand erheblich verringern, da das erfindungsgemäße Verfahren nur einmal abgestimmt werden muss.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der für herkömmliche Verfahren erforderliche hochsensible Lenkwinkelsensor nicht benötigt wird, denn die Gierrate ist in jedem modernen Fahrzeug als Bestandteil elektronischer Stabilitätsprogramme vorhanden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die für andere Zwecke vorhandenen Lenkwinkelsensoren für den angestrebten Zweck nicht ausreichend genau sind.
Gemäß der Erfindung wird die zeitliche Ableitung der Soll-Gierrate verwendet. Diese auch als Ackermann-Gierrate bezeichnete Soll-Gierrate wird vom Fahrzeugstabilitätsprogramm bereitgestellt und für die Zwecke der Fahrzeugstabilitätsbestimmung mit einer gemessenen Gierrate verglichen. Daher kann diese auf dem Fahrzeug-Bussystem verfügbare Größe für die Zwecke der Fahrerzustandsbestimmung verwendet werden. Das Fahrzeugstabilitätsprogramm berechnet die Soll-Gierrate üblicherweise aus dem Produkt aus Lenkwinkel, Vorwärtsgeschwindigkeit und Achsabstand des Fahrzeugs. Gemäß der Erfindung werden zur Ermittlung des Fahrerzustandssignals die Gierrate und die Gierbeschleunigung auf das Auftreten von Ereignissen untersucht, wobei ein Ereignis dadurch charakterisiert ist, dass

a) die Gierbeschleunigung länger als eine erste Zeitdauer unterhalb eines unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwertes bleibt,
b) die Gierbeschleunigung anschließend den unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwert überschreitet,
c) die Gierbeschleunigung nach Überschreiten des unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwertes einen oberen Gierbeschleunigungs-Grenzwert überschreitet,
d) die Gierbeschleunigung innerhalb eines zweiten Zeitraumes einen Nulldurchgang aufweist,
e) falls nicht zum Zeitpunkt, zu dem die Gierbeschleunigung den unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwert überschreitet, die Gierrate einen ersten Gierraten-Grenzwert überschreitet,
f) und falls nicht zum Zeitpunkt, zu dem die Gierbeschleunigung den Nulldurchgang aufweist, die Gierrate einen zweiten Gierraten-Grenzwert überschreitet und für eine dritte Zeitdauer oberhalb des zweiten Gierraten-Grenzwertes bleibt,

Aus der Dissertation „Driver Monitoring and Drowsiness Detection by Steering Signal Analysis“ von Tobias Altmann, 2007 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Fahrerzustandssignals auf der Grundlage von als Deadband-Event (DBE) bezeichneten Ereignissen bekannt, das die obigen Merkmale (a) und (b) umfasst. Dabei wird aber die Lenkwinkelgeschwindigkeit erfasst, wobei ferner die Lenkwinkelgeschwindigkeit nach Überschreiten des unteren Grenzwertes innerhalb einer bestimmten Zeitdauer einen oberen Grenzwert überschreiben muss. Dabei wird nicht berücksichtigt, dass unter bestimmten Umständen ein DBE-Ereignis gezählt wird, obwohl es sich um ein normales Fahrverhalten handelt. So ist es beispielsweise möglich, dass eine langgezogene Kurve mit weitgehend konstantem Kurvenradius mit relativ plötzlichem Übergang in eine Grade durchfahren wird, während der die Lenkwinkelgeschwindigkeit bzw. die Gierbeschleunigung sehr niedrig bleiben, während es anschließend zu einer relativ heftigen Lenkbewegung kommt. Oder man betrachte eine Fahrt entlang einer geraden Strecke mit einem plötzlichen Ausscheren zur Durchführung eines Überholmanövers. In beiden Fällen würde das herkömmliche Fahrerzustandserkennungsverfahren DBE-Ereignisse registrieren und damit fälschlich eine nicht vorhandene Tendenz zur Müdigkeit des Fahrers anzeigen. Dadurch, dass gemäß der vorteilhaften Ausbildung zwei zusätzliche Ausschlusskriterien berücksichtigt werden, kann diese fehlerhafte Anzeige eines DBE-Ereignisses vermieden werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird zur Ermittlung des Fahrerzustandssignals

a) die Anzahl der Ereignisse innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls ermittelt (Ereignishäufung) und daraus eine fahrerspezifische Ereignis-Basishäufung bestimmt,
b) diese fahrerspezifische Ereignis-Basishäufung wird fortlaufend aktualisiert, sofern diese geringer wird, und
c) bei einer darauffolgenden (aktuellen) Ereignishäufung, die größer ist als die Ereignis-Basishäufung, wird die Abweichung der aktuellen Ereignishäufung relativ zur Ereignis-Basishäufung zur Bestimmung des Fahrerzustandssignals verwendet.

Es wird gemäß dieser Weiterbildung also ein adaptives System vorgeschlagen, bei dem das Fahrverhalten des Fahrers analysiert und daraus eine fahrerspezifische Ereignishäufung, als Ereignis-Basishäufung bezeichnet, zugrundegelegt wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass jeder Fahrer bei gleicher Aufmerksamkeit eine unterschiedliche Anzahl an DBE-Ereignissen „produziert“ was dazu führt, dass ein Wert der die Häufigkeit beschreibt, wie beispielsweise die Anzahl der DBE-Ereignisse pro 10 Minuten, den Fahrerzustand nicht zuverlässig beschreiben kann.
Es wird während der Fahrt das Minimum aus DBE-Ereignissen pro Zeiteinheit (z.B. 10 min.) ermittelt und als fahrerspezifische Ereignis-Basishäufung definiert. Fällt dieser Wert während der Fahrt weiter, wird er „nachgelernt“ und ist damit die neue Ereignis-Basishäufung. Bei steigendem DBE-Ereignissen pro Zeiteinheit wird die Abweichung relativ zur Ereignis-Basishäufung gemessen (beispielsweise dass sich die DBE-Ereignissen pro Zeiteinheit relativ zur Ereignis-Basishäufung verdreifacht haben) und damit eine Aussage über den Fahrerzustand gemacht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei zeigt:

1: ein Diagramm, in dem die Gierrate sowie die Gierbeschleunigung über der Zeit dargestellt sind, und
2: ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

1 zeigt ein Diagramm, in dem die Gierrate G (strichpunktierte Linie) sowie die Gierbeschleunigung B (durchgezogene Linie) über der Zeit dargestellt sind. Zunächst sei der Zeitpunkt A₁ betrachtet, zu dem die Gierbeschleunigung G kleiner wird als ein erster Gierbeschleunigungs-Grenzwertes B₁, wodurch eine erste Zeitmessung ausgelöst wird. Sofern die Gierbeschleunigung G mindestens für einen ersten Zeitraum t₁ (der im Bereich mehrerer Sekunden liegt) unterhalb des Gierbeschleunigungs-Grenzwertes B₁ bleibt, ist die erste Bedingung für das Vorhandensein eines DBE-Ereignisses erfüllt. Zum Zeitpunkt A₂ steigt die Gierbeschleunigung B über den Grenzwert B₁ und falls diese einen zweiten, oberen Gierbeschleunigungs-Grenzwert B₂ überschreitet (zum Zeitpunkt A₃) ist eine weitere Bedingung für ein DBE-Ereignis erfüllt. Sofern die Gierbeschleunigung B innerhalb eines zweiten Zeitraums t₂ einen Nulldurchgang aufweist, ist eine dritte Bedingung für das Vorhandensein eines DBE-Ereignisses erfüllt. Um die oben geschilderten Fehlinterpretationen nicht selten auftretender Fahrsituationen auszuschließen wird ferner untersucht, dass zwei Bedingungen nicht vorliegen.
Es wird als weitere Ausschlussbedingung geprüft, ob zu dem Zeitpunkt A₄ zu dem die Gierbeschleunigung B den Nulldurchgang aufweist, die Gierrate G einen Gierraten-Grenzwert G₂ überschreitet und für eine dritte Zeitdauer t₃, also bis zum Zeitpunkt A₅, oberhalb dieses Gierraten-Grenzwertes (G2) bleibt. Eine solche Situation ist in 1 dargestellt, bei der diese Ausschlussbedingung vorliegt, so dass bei den in 1 dargestellten Verläufen der Gierrate G und der Gierbeschleunigung B kein DBE-Ereignis vorliegt.
Ferner würde als weitere Ausschlussbedingung geprüft werden, ob zu dem Zeitpunkt A₂, zu dem die Gierbeschleunigung B den unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwert B₁ überschreitet, die Gierrate G einen Gierraten-Grenzwert G₁ überschreitet. Die beiden Gierraten-Grenzwerte G₁ und G₂ sind in 1 als übereinstimmend dargestellt. Diese können natürlich in der Praxis voreinander abweichen.
In 2 ist schematisch als Blockschaltbild eine Vorrichtung 10 dargestellt, die eine Gierraten-Bestimmungseinheit 12 zur Bestimmung der Gierrate G aufweist. Diese Gierraten-Bestimmungseinheit 12 ist normalerweise Bestandteil des elektronischen Stabilitätsprogramms, mit dem moderne Kraftfahrzeuge ausgestattet sind und bestimmt die Soll-Gierrate aus verfügbaren Daten. Eine zeitliche Differenziereinheit 14 differenziert das Gierratensignal G und erzeugt so das Gierbeschleunigungssignal B. Beide Signale, also die Gierrate G und die Gierbeschleunigung B werden einer DBE-Ermittlungseinheit 16 zugeführt, welche die Werte zwischenspeichert und der unter Bezugnahme auf 1 erläuterten Überprüfungen auf das Vorliegen der dargestellten Bedingungen geprüft. Sofern die DBE-Ermittlungseinheit 16 das Vorliegen eines DBE-Ereignisses feststellt, wird dieses einer Auswertungseinheit 18 zugeführt, die den zeitlichen Verlauf der DBE-Ereignisse untersucht, wie dies im Anspruch 4 beschrieben ist. Daraus wird ein Fahrerzustandssignal 20 ausgegeben, das ein Indikator für den Müdigkeitszustand des Fahrers ist.

Claims

Verfahren zur Fahrerzustandserkennung, wobei mindestens ein die Fahrzeugquerbewegung beschreibendes Signal auf das Auftreten von Merkmalen ausgewertet wird, woraus ein den Fahrerzustand charakterisierendes Fahrerzustandssignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Signal die zeitliche Ableitung der Gierrate (G) (Gierbeschleunigung B) oder die zeitliche Ableitung der berechneten Soll-Gierrate verwendet wird und dass zur Ermittlung des Fahrerzustandssignals die Gierrate (G) und die Gierbeschleunigung (B) untersucht werden auf das Auftreten von Ereignissen (DBE), wobei ein Ereignis (DBE) dadurch charakterisiert ist, dass a) die Gierbeschleunigung (B) länger als ein erster Zeitraum (t₁) unterhalb eines unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwertes (B₁) bleibt, b) die Gierbeschleunigung (B) anschließend den unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwert (B₁) überschreitet (A₂), c) die Gierbeschleunigung (B) nach Überschreiten des unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwertes (B₁) einen oberen Gierbeschleunigungs-Grenzwert (B₂) überschreitet, d) die Gierbeschleunigung (B) innerhalb eines zweiten Zeitraumes (t₂) einen Nulldurchgang (A₄) aufweist, e) falls nicht zum Zeitpunkt (A₂), zu dem die Gierbeschleunigung (B) den unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwert (B₁) überschreitet, die Gierrate (G) einen ersten Gierraten-Grenzwert (G₁) überschreitet, f) und falls nicht zum Zeitpunkt (A₄), zu dem die Gierbeschleunigung (B) den Nulldurchgang aufweist, die Gierrate (G) einen zweiten Gierraten-Grenzwert (G₂) überschreitet und für eine dritte Zeitdauer (t₃) oberhalb des zweiten Gierraten-Grenzwertes (G₂) bleibt, und aus der zeitlichen Häufung dieser Ereignisse (DBE) das Fahrerzustandssignal bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Fahrerzustandssignals a) die Anzahl der Ereignisse (DBE) innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls ermittelt wird (Ereignishäufung) und daraus eine fahrerspezifische Ereignis-Basishäufung bestimmt wird, b) diese fahrerspezifische Ereignis-Basishäufung fortlaufend aktualisiert wird, sofern diese geringer wird, c) bei einer darauffolgenden Ereignishäufung, die größer ist als die Ereignis-Basishäufung, die Abweichung der aktuellen Ereignishäufung relativ zur Ereignis-Basishäufung zur Bestimmung des Fahrerzustandssignals verwendet wird.
Vorrichtung für ein Fahrzeug, die das Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchführt, umfassend eine Gierraten-Bestimmungseinheit (12) zur Bestimmung der Gierrate (G); eine Gierbeschleunigungs-Berechnungseinheit (14) zur Berechnung der Gierbeschleunigung (B) als zeitliche Ableitung der Soll-Gierrate (G); eine DBE-Ermittlungseinheit (16) zur Bestimmung des Vorliegens eines DBE-Ereignisses, eine Fahrerzustandssignal-Bestimmungseinheit (18) zur Bestimmung des Fahrerzustandssignals (20) aus der Gierrate (G) sowie der Gierbeschleunigung (B) wobei ein Ereignis (DBE) dadurch charakterisiert ist, dass a) die Gierbeschleunigung (B) länger als ein erster Zeitraum (t₁) unterhalb eines unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwertes (B₁) bleibt, b) die Gierbeschleunigung (B) anschließend den unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwert (B₁) überschreitet (A₂), c) die Gierbeschleunigung (B) nach Überschreiten des unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwertes (B₁) einen oberen Gierbeschleunigungs-Grenzwert (B₂) überschreitet, d) die Gierbeschleunigung (B) innerhalb eines zweiten Zeitraumes (t₂) einen Nulldurchgang (A₄) aufweist, e) falls nicht zum Zeitpunkt (A₂), zu dem die Gierbeschleunigung (B) den unteren Gierbeschleunigungs-Grenzwert (B₁) überschreitet, die Gierrate (G) einen ersten Gierraten-Grenzwert (G₁) überschreitet, f) und falls nicht zum Zeitpunkt (A₄), zu dem die Gierbeschleunigung (B) den Nulldurchgang aufweist, die Gierrate (G) einen zweiten Gierraten-Grenzwert (G₂) überschreitet und für eine dritte Zeitdauer (t₃) oberhalb des zweiten Gierraten-Grenzwertes (G₂) bleibt, und aus der zeitlichen Häufung dieser Ereignisse (DBE) das Fahrerzustandssignal bestimmt wird.