EP1169189A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung der fahrtüchtigkeit einer ein fahrzeug oder einen fahrsimulator steuernden person - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Fahrtüchtigkeit eines Lenkers, wobei das von ihm gesteuerte Fahrzeug eine händisch betätigbare Steuereinrichtung (1) aufweist. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch mindestens einen an der Steuereinrichtung (1) angeordneten Sensor (2; 20) zur Messung der Kraft, mit der der Lenker die Steuereinrichtung greift, wobei der mindestens eine Sensor (2; 20) ein zur Greifkraft proportionales Ausgangssignal (F(t)) liefert, eine Vergleichseinrichtung (3) zum Vergleichen des vom Greifkraftsensor (2; 20) gelieferten Ausgangssignals (F(t)) mit einem festgelegten oberen Grenzwert (Fmax), wobei die Vergleichseinrichtung (3) bei Überschreiten des oberen Grenzwerts (Fmax) ein Warnsignal (W(t)) liefert, und ein optisches, akustisches oder taktiles Warngerät (4), das durch das Warnsignal (W(t)) aktivierbar ist. Durch die Erfindung ist es möglich, Stress- und Ermüdungszustände eines Fahrers rechtzeitig zu erkennen und durch entsprechende Warnsignale Unfälle zu verhüten. Die Erfindung findet auch im Motorsport und in der Fahrausbildung Anwendung.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ÜBERWACHUNG DER FAHRTUCHTIGKEIT EINER EIN FAHRZEUG ODER EINEN FAHRSIMULATOR STEUERNDEN PERSON

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Fahrtuchtigkeit einer ein Fahrzeug oder einen Fahrsimulator steuernden Person, wobei das Fahrzeug bzw. der Fahrsimulator eine handisch betatigbare Steuereinrichtung aufweist.

Das Steuern eines Fahrzeuges ist zu einem integralen Bestandteil des modernen Lebens geworden. Und obwohl sich die Lenker ihrer Handlungen beim Lenken bewußt sind, bestehen diese aus unbewußten Komponenten: Die Lenker passen die Greifkrafte automatisch an, um präzise Lenkbewegungen durchzufuhren, sie schätzen korrekte Bremskräfte ab, um Kollisionen zu vermeiden, usw. Dem kontrollierten Fahren egen weiters menschliche Faktoren, wie Emotionen, Streß und Aufmerksamkeit zugrunde. Besonders auf dem Gebiet des Motorsports ist der Einfluß dieser Faktoren auf die Leistung der Fahrer wichtig für die Kandidatenauswahl, die Optimierung des Trainings und die Unfallvermeidung. Daneben spielen die genannten Faktoren auch eine zentrale Rolle in der Fahrausbildung.

Die Wissenschaft hat sich in jüngerer Zeit verstärkt mit den Zusammenhangen zwischen den Greifkratten eines Fahrers und seinem Fahrverhalten beschäftigt, steht dabei jedoch noch am Anfang einer systematiscnen Erforschung.

So zeigen die Ergebnisse von Versuchen über die Greifleistung, daß es einen Unterschied zwischen "Kraftgriff" und "Prazisionsgnff" gibt. Typischerweise erfolgt ein Kraftgriff, wenn man eine Faust macht oder einen Koffer halt. Beim Kraftgriff erfolgt eine gleichzeitige Kontraktion der Finger, um eine möglichst hohe Kraft zu erzielen. Beim Prazisionsgnff werden nur der Daumen und der Zeigetinger aktiviert. Typischerweise wird dieser Griff verwendet, um kleine Objekte aufzunehmen oder präzise manipulative Aufgaben zu erfüllen.

Die Greifmuster wahrend des Lenkens von Kraftfahrzeugen können nicht eindeutig einer dieser Griffdefmtionen zugeordnet werden. Wenn man die Finger des Fahrers betrachtet, ist man geneigt, die Kraftgriff-Definition anzuwenden. Andererseits sind die Manipulationen an einem Lenkrad präzise abgestimmt und weisen somit Merkmale des Präzisionsgriffs auf. Weiters hängen Lenkbewegungen natürlich vom Lenker und der jeweiligen Situation ab: es gibt gerade Strecken, wo ein Auto weniger Kontrolle erfordert (a), es gibt Kurven, wo das Lenkrad gemäß visueller Hinweise ziemlich gleichmäßig umgelenkt werden muß (b), und es kann unerwartete Situationen geben, wo rasche Korrekturen notwendig sind (c). In jeder dieser drei Sitatuionen treten andere Greifmuster auf: bei (a) sind die Hände des Fahrers weniger fest mit dem Lenkrad verbunden, und die Greifkräfte sind eher gering, bei (b) sind die Greifkräfte höher, um Durchrutschen des Lenkrades zu verhindern, und bei (c) sind die höchsten Kräfte zu erwarten, um unvorhersehbaren zurückübertragenen Kräften entgegenzuwirken.

Einen wesentlichen Einfluß auf das Fahrverhalten übt auch die Rückübertragung von Kräften aus, die mit Lenkaktionen in Zusammenhang stehen, denn sie verhilft dem Fahrer zu Informationen über die Fahrzeugdynamik und die Wechselwirkung zwischen Fahrzeug und Straße, so daß eine Art "Körperstrategie" entwickelt werden kann, bei der die Fahrzeugdynamik wie ein Teil des Körpers behandelt wird. Rückübertragene Kräfte werden von den Rezeptoren in den Fingerspitzen und den Gliedmaßen erfühlt und dann kodiert an die die sensorischen Nerven weitergegeben. Diese Signale erreichen unterschiedliche Bereiche des Gehirns (Gehirnstamm, Cerebellum/Kleinhirn), wo Vergleiche mit den nach unten gehenden efferenten Signalen angestellt werden. Falls erforderlich, werden aufgrund dieser internen Vergleiche Korrekturbewegungen organisiert. Weiters ist es wahrscheinlich, daß ein solcher Mechanismus dazu dient, die Handlungen des Fahrers beim Lenken zu optimieren, beispielsweise während des Fahrtrainings mit einer neuen Autotype. Es muß dabei jedoch berücksichtigt werden, daß Signale von anderen sensorischen Quellen, wie Sehen, Vestibulum/Gehör/Gleichgewichtssinn und Hautrezeptoren auf der Sitzfläche ebenfalls eine Rolle spielen. Es ist gezeigt worden, daß nicht-spezifische Faktoren, wie emotionaler Zustand, Streß und Aufmerksamkeit, die motorische Steuerung ebenfalls beeinflussen. In einem aggressiven Zustand beispielsweise wird die neuromuskuläre Steuerung steifer (mehr gleichzeitige Kontraktion). Eine solche Strategie kann vorteilhaft sein, um ein bestimmtes Ziel rascher zu erreichen, aber andererseits verringert sich die Flexibilität im Verhaltensrepertoire, was in einer komplexen Situation nachteilig sein kann. Streß kann positive (eustress) aber auch negative Gefühle (distress) hervorrufen.

Die vorliegende Erfindung baut auf diesen Erkenntnissen auf und setzt insbesondere die beschriebenen nicht-spezifischen Faktoren emotionaler Zustand, Streß und Aufmerksamkeit in Korrelation zu den Griffkräften und Greifmustern, die ein Fahrer während der Fahrt oder einer Fahrsimulation auf eine Steuereinrichtung, insbesondere ein Lenkrad oder einen Steuerknüppel, ausübt.

Bisher wurde die Aufmerksamkeit eines Fahrers üblicherweise mit Tests der Reaktionszeit beurteilt, aber bei Autofahrern waren auch Änderungen in der Lidschlagfrequenz beobachtet worden.

Während - wie erwähnt - für die Wissenschaft noch viele offene Fragen bezüglich des Zusammenhangs zwischen Greifkraft oder Greifmuster und Fahrverhalten bei Vorliegen bestimmter nicht-spezifischer Faktoren bestehen, gehen die Erfinder davon aus, aus ihrer langjährigen Praxis in Motorsport und Fahrausbildung eine wichtige Beziehung zwischen der Greifkraft und dem Wohlbefinden oder Streßzustand eines Fahrers erkannt zu haben, nämlich daß allgemein gesprochen die auf eine Steuereinrichtung ausgeübte Greifkraft proportional zum Erregungszustand des Fahrers ist. So kennt man den Effekt des "Anklammerns" am Lenkrad von Fahrneulingen und wenig geübten Personen, aber auch der geübte Motorsportler kommt immer wieder in Streßsituationen, in denen er das Lenkrad oder den Steuerknüppel unangemessen stark festhält und damit die Hand- und Armmuskulatur verkrampft, was stets mit einem Nachlassen der Präzision der Lenkbewegungen verbunden ist. Die vorliegende Erfindung baut auf dieser Erkenntnis auf und bietet ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Fahrtüchtigkeit einer ein Fahrzeug oder einen Fahrsimulator steuernden Person, wobei das Fahrzeug bzw. der Fahrsimulator eine händisch betätigbare Steuereinrichtung aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte: a) des Ermitteins der Greifkräfte, mit der die Person die Steuereinrichtung festhält, b) des Vergleichens der Greifkräfte mit einem festgelegten oberen Grenzwert, und c) des Aussendens eines Warnsignals, wenn die ermittelten Greifkräfte den oberen Grenzwert übersteigen.

Wird der festgelegte obere Grenzwert überschritten, so kann man davon ausgehen, daß der Lenker in einem Gemütszustand ist, der für sein Lenkverhalten nicht optimal oder sogar schädlich ist, ohne daß ihm dies in der Regel bewußt sein wird. Durch das Warnsignal wird der Lenker auf diesen Zustand aufmerksam gemacht und kann nun bewußt Handlungen dagegen setzen, beispielsweise aktive Handlungen zum Streßabbau. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch in der Fahrausbildung besonders wirkungsvoll eingesetzt werden, da damit dem Fahrlehrer außergewöhnliche Erregungszustände des Fahrschülers signalisiert werden, sodaß Unsicherheiten des Schülers schnell erkannt und die Fahrsituationen, die zu solcher Unsicherheit geführt haben, gezielt trainiert und Schwächen ausgemerzt werden können.

Da Lenker auch unter gewöhnlichen Fahrbedingungen und Gemütszuständen das Lenkrad mit unterschiedlichen Greifkräften, d.h. einer sogenannten Grundgreifkraft, halten, erweist es sich zur Verbesserung der Auswertung der Greifkraft als günstig, einen Durchschnittswert der Greifkräfte unter normalen Fahrbedingungen zu ermitteln, beispielsweise durch Integration der momentanen Greifkräfte über einen gewissen Zeitraum, und den ermittelten Durchschnittwert der Greifkräfte vom Momentanwert der Greifkräfte vor ihrem Vergleich mit dem oberen Grenzwert (Fmax) oder dem unteren Grenzwert (Fmin) zu subtrahieren. Diese Grenzwerte können dann unabhängig von der Grundgreifkraft des jeweiligen Lenkers festgelegt werden Neben dem Verkrampfen in Streßsituationen, verbunden mit dem "Anklammern" am Lenkrad können durch die Korrelation von Greifkraft und Erregungszustand auch fehlende Konzentration und Ermudungszustande erkannt werden, wobei sich diese Zustände darin manifestieren, daß die Greifkräfte ein Mindestmaß unterschreiten.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt daher die weiteren Schritte d) des Vergleichens der Greifkräfte mit einem festgelegten unteren Grenzwert, und e) des Aussendens eines Warnsignals, wenn die ermittelten Greifkräfte den unteren Grenzwert unterschreiten.

Zusammenfassend kann man sagen, daß die Greifkräfte für ein sicheres Fahrverhalten innerhalb einer gewissen Bandbreite liegen sollen. Es ist allerdings günstiger, nicht die Absolutwerte der Greifkräfte zur Berechnung heranzuziehen, sondern zusätzlich externe Einflüsse dazu in Bezug zu setzen. So werden z.B. die Greifkräfte in schnellen Kurven wesentlich höher sein als auf einer geraden Straße. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit dadurch gekennzeichnet, daß der obere Grenzwert und gegebenenfalls der untere Grenzwert dynamisch in Abhängigkeit von der Auslenkung der Steuereinrichtung oder von äußeren Fahrparametern, wie der Fahrzeuggeschwindigkeit, des Lenkeinschlags und der Fahrbahnbeschaffenheit festgelegt werden.

Mit dem ausgesendeten Warnsignal wird zweckmäßig ein optisches, akustisches oder taktiles Warngerät aktiviert.

In einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens aktiviert das ausgesendete

Warnsignal ein automatisches Kontrollsystem, das zumindest teilweise die Steuerung des Fahrzeugs übernimmt, wobei zweckmäßig das automatische Kontrollsystem das Fahrzeug abbremst oder anhält. Dazu kann weiters vorgesehen werden, daß das automatische Kontrollsystem auf Signale aus zumindest einem aus einem Beschleunigungs-, einem Abstands- oder einem Bremskraftsensor reagiert.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Überwachung der Fahrtüchtigkeit einer ein Fahrzeug oder einen Fahrsimulator steuernden Person, wobei das Fahrzeug bzw. der Fahrsimulator eine händisch betätigbare Steuereinrichtung aufweist.

Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch mindestens einen an bzw. in der Steuereinrichtung angeordneten Sensor zur Messung der Kraft, mit der die steuernde Person die Steuereinrichtung greift, wobei der mindestens eine Sensor ein zur Greifkraft proportionales Ausgangssignal liefert, eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des vom Greifkraftsensor gelieferten Ausgangssignals mit einem festgelegten oberen Grenzwert, wobei die Vergleichseinrichtung bei Überschreiten des oberen Grenzwerts ein Warnsignal liefert und ein optisches, akustisches oder taktiles Warngerät, das durch das Warnsignal aktivierbar ist.

Diese Vorrichtung kann problemlos in KFZ oder Fahrsimulatoren eingebaut werden und somit einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Fahrsicherheit und zur Unfallvermeidung leisten. Um auch nachlassende Konzentration des Fahrers oder Übermüdung erkennen zu können, ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, daß die Vergleichseinrichtung weiters zum Vergleichen des vom Greifkraftsensor gelieferten Ausgangssignal mit einem festgelegten unteren Grenzwert und zum Aussenden eines Warnsignals, wenn die ermittelte Greifkraft den unteren Grenzwert unterschreitet, ausgebildet ist.

Als Greifkraftsensor sind Sensoren vom Dynamometer-, kapazitiven, resistiven oder pneumatischen Typ besonders gut geeignet, da sie leicht in Steuereinrichtungen wie Steuerknüppel oder Lenkräder eingebaut werden können. Es erweist sich als günstig, wenn der Greifkraftsensor aus einer Vielzahl einzelner Sensorelemente besteht, deren jeweilige Ausgangssignale durch eine Kombinationsschaltung, beispielsweise ein Summierer oder Integrator, zu einem Gesamtausgangssignal kombiniert werden. Die einzelnen Sensorelemente werden dabei entlang der Greiffläche der Steuereinrichtung verteilt und ermöglichen dadurch eine wesentlich genauere Erfassung und Auswertung der Greifkräfte.

Eine noch feinere Auswertung der Greifkräfte wird ermöglicht, wenn Sensorelemente des Greifkraftsensors einander gegenüberliegend an der Oberseite und der Unterseite der Steuereinrichtung vorgesehen sind, d.h. an der dem Fahrer zugewandten bzw. der abgewandten Seite, und die Signale der oberen und der unteren Sensorelemente getrennt voneinander ausgewertet werden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß auch zwischen dem Druck, der vom Fahrer mit dem Handballen auf die Oberseite der Steuereinrichtung ausgeübt wird, und dem Druck auf die Unterseite der Steuereinrichtung, der durch das Umschließen der Steuereinrichtung mit den Fingern bzw. das "Heranziehen" der Steuereinrichtung an den Körper ausgeübt wird, unterschieden werden soll. Letzteres dokumentiert den Streßzustand des Fahrers, während das erstere von einer souveränen und entspannten Fahrweise zeugt.

Die vom Greifkraftsensor ermittelten Greifkräfte sollen zur Verfeinerung der Auswertung mit externen Parametern in Beziehung gesetzt werden. Dies erreicht man bevorzugt durch eine Einrichtung zur dynamischen Einstellung des oberen und gegebenenfalls des unteren Grenzwerts der Greifkraft in Abhängigkeit von der Auslenkung der Steuereinrichtung oder von äußeren Fahr- bzw. Simulationsparametern, wie der Fahrzeuggeschwindigkeit, des Lenkeinschlags und der Fahrbahnbeschaffenheit.

Zu einer weiteren Verbesserung des Auswerteergebnisses kann die Auslenkung der

Steuereinrichtung als Rückkopplungsinformation herangezogen werden. Dazu ist erfindungsgemäß die Einrichtung zur dynamischen Einstellung des oberen und unteren Grenzwerts der Greifkraft mit einer Einrichtung zur Detektion der Auslenkung der Steuereinrichtung verbunden.

Alternativ oder ergänzend dazu kann zur Gewinnung weiterer Rückkopplungsinformation zweckmäßig vorgesehen sein, die Einrichtung zur dynamischen Einstellung des oberen und unteren Grenzwerts der Greifkraft mit zumindest einem aus einem Beschleunigungsmesser, einem Abstandsmesser oder einem Bremskraftmesser zu verbinden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein automatisches Kontrollsystem vorgesehen, das durch das Warnsignal aktivierbar ist und das zumindest teilweise die Steuerung des Fahrzeugs übernimmt. Dieses automatische Kontrollsystem kann auf die Bremsanlage und/oder das Motormanagement eines Fahrzeugs einwirken. Es kann dabei weiters mit zumindest einem aus einem Beschleunigungs-, einem Abstands- oder einem Bremskraftsensor verbunden sein, und diese Informationen in einem entsprechenden Algorithmus verarbeiten.

Besonders geeignet für Schulungszwecke mit Nachbesprechung durch Instruktor und Fahrschüler ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der weiters eine den Fahr- oder Simulationsverlauf, insbesondere das Verhalten der steuernden Person, aufzeichnende Videokamera und eine Speichereinrichtung zur Speicherung der Videodaten und der Ausgangssignale des Greifkraftsensors vorgesehen ist.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als Fahrsimulator eingesetzt, so ist günstigerweise eine Bildwiedergabeeinrichtung zur Erzeugung eines Fahrsimulationszustandes für die steuernde Person vorgesehen. Dabei kann es sich in der einfachsten Ausführung um einen wandernden Lichtbalken handeln, dem die Testperson folgen soll. Bevorzugter wird jedoch eine mehr oder weniger realistische Straßenumgebung in einen Bildschirm eingespielt. Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 schematisch eine grundlegende Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 schematisch eine erweiterte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, Fig. 4 Zusatzeinrichtungen der Erfindung für einen Fahrsimulator, Fig. 5 und 6 erfindungsgemäße Ausführungsformen der Steuereinrichtung und Fig. 7 und 8 Drucksensoren zur Verwendung in den Steuereinrichtungen der Figuren 5 und 6.

Zuerst auf Fig. 1 bezug nehmend wird darin schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Sie besteht aus einer händisch betätigbaren Steuereinrichtung 1 , (im vorliegenden Fall ein Lenkrad,) einem an der Steuereinrichtung 1 montierten Sensor 2 zur Messung der Kraft, mit der ein Fahrer die Steuereinrichtung greift, wobei der Sensor 2 ein zur Greifkraft proportionales Ausgangssignal F(t) liefert, und einer Vergleichseinrichtung 3 zum Vergleichen des vom Greifkraftsensor gelieferten Ausgangssignals F(t) mit einem festgelegten oberen Grenzwert Fmax, wobei die Vergleichseinrichtung 3 bei Überschreiten des oberen Grenzwerts Fmax ein Warnsignal W(t) liefert. Dieses Warnsignal W(t) aktiviert ein optisches, akustisches oder taktiles Warngerät 4. Das Warngerät 4 kann beispielsweise eine Lampe oder ein Blinklicht, einen Summer oder eine Rüttelvorrichtung, insbesondere einen Motor mit Unwuchtelement, umfassen. Optional wertet die Vergleichseinrichtung 3 das Signal F(t) nicht nur bezüglich des oberen Grenzwerts Fmax aus, sondern auch bezüglich eines unteren Grenzwerts Fmin. Die Achse der Steuereinrichtung 1 ist weiters mit einer Einrichtung 6 zur Detektion ihrer Winkelauslenkung Φ(t) versehen und dadurch zur Verarbeitung der Auslenkung Φ(t) vorbereitet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl in Fahrzeugen als auch Fahrsimulatoren eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt eine erweiterte Ausführungsform der Erfindung. Die Steuereinrichtung 1 weist dabei Sensoren zur Messung der Greifkraft an ihrer Oberseite (Bezugszeichen 20) und an der Unterseite (Bezugszeichen 2) auf. Wie bereits weiter oben erläutert, ist für das Erkennen von Erregungszuständen des Fahrers hauptsächlich jene Druckkraft signifikant, die auf die Unterseite der Steuereinrichtung durch Festklammern und Heranziehen der Steuereinrichtung zum Körper ausgeübt wird. Die durch den Handballen auf die Oberseite der Steuereinrichtung ausgeübte Druckkraft weist hingegen eher auf souveränes Fahrverhalten hin. Durch die beiden Sensoren 2, 20 können diese Kräfte Fl (t) und F2(t) selektiv erfaßt und einer Vergleichseinrichtung 3 zugeführt werden, in der ein Vergleich mit einem oberen und einem unteren Greifkraft- Grenzwert Fmax, Fmin stattfindet. Liegt zumindest die Greifkraft F1 (t) außerhalb der durch Fmin und Fmax vorgegebenen Bandbreite, so wird ein Warnsignal W(t) erzeugt und an das Warngerät 4 gesendet, das dadurch aktiviert wird. Neben der Aktivierung des Warngeräts steht die Vergleichseinrichtung 3 auch noch mit einem Kontrollsystem 7 in Verbindung, das aufgrund der Signale oder Daten aus der Vergleichseinrichtung zumindest teilweise die Steuerung des Fahrzeugs oder Fahrsimulators übernimmt. Dabei kann das Kontrollsystem 7, wenn in einem Fahrzeug verwendet, auf die Bremsanlage 30 und/oder das Motormanagement 31 und/oder die Lenkanlage 32 einwirken.

Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform gemäß Fig.1 wird in der Ausführungsform von Fig. 2 zum Vergleich der Greifkraft F(t) mit den Grenzwerten Fmin und Fmax in der Vergleichseinrichtung 3 kein konstanter Wert für diese Grenzwerte benutzt, sondern diese Grenzwerte werden in einer Einrichtung 5 dynamisch in Abhängigkeit von Fahrparametern wie der Fahrzeuggeschwindigkeit v(t) oder der Auslenkung Φ(t) der Steuereinrichtung 1 (gemessen mittels der Detektionseinrichtung 6) angepaßt und an die Vergleichseinrichtung 3 geleitet. Auf diese Weise wird eine wesentlich präzisere Auswertung der Beziehung zwischen Greifkraft und Gemütszustand des Fahrers ermöglicht.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die

Greifkraft-Sensoren bestehen dabei aus einer Vielzahl an einzelnen Sensorelementen (2-

1 , 2-2, ... 2-n; 20-1 , 20-2, ... 20-n) an der Unterseite bzw. der Oberseite einer Steuereinrichtung (siehe obige Erläuterungen zu ihrer Funktion), deren Ausgangssignale zu zwei Gruppen zusammengefaßt werden und durch jeweils eine Kombinationsschaltung (8-1 , 8-2) für jede Gruppe zu Gruppenausgangssignalen F1 (t) und F2(t) zusammengefaßt werden, die der Vergleichseinrichtung 3 zugeführt werden. In Abhängigkeit vom Ergebnis der Auswertung aktiviert die Vergleichseinrichtung 3 das Warngerät 4 und das Kontrollsystem 7. Die Grenzwerte der Greifkraft werden wiederum dynamisch in der Einrichtung 5 erstellt und der Vergleichsschaltung 3 zugeführt. Dabei weist die Einrichtung 5 zur dynamischen Einstellung der Grenzwerte der Greifkraft einen Dateneingang auf, über den sie die aktuellen Geschwindigkeitswerte v(t) erhält, und ist weiters - ebenso wie das Kontrollsystem 7 - mit einem Beschleunigungssensor 10, einem Abstandssensor 1 1 und einem Bremskraftsensor 12 verbunden. Zusätzlich ist die Einrichtung 5 mit einer Einrichtung 6 zur Detektion der Auslenkung der Steuereinrichtung verbunden.

Fig. 4 zeigt Zusatzeinrichtungen, wenn die Erfindung in einem Fahrsimulator verwendet wird. Die grundlegenden Elemente der Erfindung wie Vergleichseinrichtung und Warngerät sind zwar ebenfalls vorhanden, wurden aber aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung weggelassen. Außerdem sind sie bereits weiter oben beschrieben worden, sodaß eine nochmalige Erläuterung entfallen kann.

Man erkennt in Fig. 4 eine den Fahr- oder Simulationsverlauf bzw. das Verhalten der steuernden Person, aufzeichnende Videokamera 1 3, die mit einer Speichereinrichtung 14 zur Speicherung der Videodaten verbunden ist. Die Speichereinrichtung 14 speichert auch die Ausgangssignale F(t) des Greifkraftsensors 2 sowie die Auslenkung Φ(t) der Steuereinrichtung. Weiters ist ein Computer 1 6 vorgesehen, der in Echtzeit eine Bildwiedergabeeinrichtung 1 5 (z.B. einen Lichterbalken oder einen Bildschirm) ansteuert. Die Bildwiedergabeeinrichtung 1 5 enthält Informationen, die der steuernden Person Anleitungen vermitteln, wohin sie steuern soll. Dabei kann es sich im einfachsten Fall um einen wandernden Lichtpunkt handeln, der die Person mit der Steuereinrichtung 1 folgen soll. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, über einen Bildschirm realistische Fahrumgebungen einzuspielen, um so einen glaubhaften Fahrsimulationszustand für die steuernde Person zu erzeugen. Da beim Fahren - insbesondere im Motorsport - die auf das Lenkrad ruckubermittelten Kräfte eine wichtige Informationsquelle für den Fahrer darstellen, ist weiters vorgesehen, daß der Computer 16 über einen Servoverstarker 1 7 einen Winkelantrieb 18 nach dem elektrodynamischen Prinzip ansteuert. Antriebe dieser Art sind im stromlosen Zustand reibungsfrei und lassen sich über Stromeinpragung gemischt als passives Element (Reibungselement) und aktives Element (Kraft- bzw. Drehmomentgeber) betreiben. Mit dieser Einrichtung können ruckubermittelte Kräfte gut simuliert werden.

In den Figuren 5 und 6 werden zwei Ausfuhrungsformen einer für die Erfindung adaptierten Steuereinrichtung 1 perspektivisch und teilweise in Explosionsansicht dargestellt.

Fig. 5 zeigt eine Steuereinrichtung 1 in Form eines ovalen Steuerknüppels, wie er im Cart-Sport Verwendung findet. Der Steuerknüppel weist einen Rahmen 22 auf, an dessen Oberseite links und rechts zwei Handgriffstucke 21 -1 und und 21 -2 beweglich, aber unverlierbar montiert sind. Zwischen den oberen Handgriffstucken und dem Rahmen sind jeweils zwei Kraftsensorelemente 20-1 und 20-2 angeordnet, die die Kraft messen, mit der die oberen Handgπftstucke 21 -1 und 21 -2 gegen den Rahmen 22 gepreßt werden. An der Unterseite des Rahmens 22 sind links und rechts zwei weitere Handgriffstucke 23-1 und und 23-2 beweglich, aber unverlierbar montiert Zwischen den unteren Handgπffstucken und dem Rahmen sind jeweils zwei Kraftsensorelemente 2-1 und 2-2 angeordnet, die die Kraft messen, mit der die unteren Handgriffstucke 23-1 und 23-2 gegen den Rahmen 22 gepreßt werden.

Fig. 6 zeigt eine Steuereinrichtung 1 in Form eines Speichenlenkrades, das einen kreisförmigen Lenkkranz 24 aufweist, an dessen Unterseite zwischen dem Lenkkranz und einer Vielzahl an Fingerdruckstucken 25 jeweils ein Kraftsensorelement 2-1 montiert ist. Als Kraft- bzw. Drucksensoren finden bevorzugt kapazitive, resistive, pneumatische Sensoren oder solche nach dem elektrodynamischen Prinzip Verwendung.

In Fig. 7 ist der Aufbau eines kapazitiven Kraftsensors 2' schematisch dargestellt. Er besteht aus zwei Kondensatorplatten 41 , 42, zwischen denen ein Elastomer 45 als Dielektrikum angeordnet ist. Wird durch eine äußere Kraft F der Abstand der beiden Kondensatorplatten zueinander geändert, so ändert sich dadurch die Kapazität des Kondensators. Dies kann durch die dargestellte Schaltung mit einem Wechselstromoszillator 43 und einem Verstärker 44 gemessen werden. Jede der beiden Kondensatorplatten 41 , 42 besteht von außen nach innen aus einer geerdeten Abschirmung aus leitendem Material, einer nichtleitenden Polyesterfolie und einer Elektrodenschicht aus gut leitendem Material.

Resistive Kraftsensoren bestehen aus Stoffen, die unter Druck ihren Widerstand ändern (z.B. ein Gemisch aus Kohlenstoff und Bindemittel). Zum anderen werden Dehnungsmeßstreifen genutzt, wobei der von außen wirkende Druck zu einer Änderung ihrer Länge und somit zu einer Änderung ihres Widerstandes führt. Die Widerstandsänderungen werden ebenfalls elektrisch gemessen.

Fig. 8 zeigt einen pneumatischen Kraftsensor. Dieser weist einen kompressiblen Ballon 46 auf, der durch eine äußere Kraft F zusammengedrückt wird. Der Ballon 46 kommuniziert über eine Luftleitung 47 mit einem Luftreservoir 48. Die Luft aus diesem Reservoir 48 kann erst in den Ballon einströmen, wenn ihr Druck mindestens genauso groß ist, wie der von außen auf den Ballon einwirkende Druck. Deshalb wird im Reservoir 48 der Druck solange erhöht, bis Luft in den Ballon 46 strömt. Der in diesem Moment im Reservoir mittels eines Manometers 49 gemessene Druckwert entspricht dem von außen auf den Ballon wirkenden Druck.

Claims

Patentansprüche:

1 . Verfahren zur Überwachung der Fahrtüchtigkeit einer ein Fahrzeug oder einen Fahrsimulator steuernden Person, wobei das Fahrzeug bzw. der Fahrsimulator eine händisch betätigbare Steuereinrichtung (1 ) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: a) des Ermitteins der Greifkräfte (F(t)), mit der die Person die Steuereinrichtung (1 ) festhält, b) des Vergleichens der Greifkräfte mit einem festgelegten oberen Grenzwert (Fmax), und c) des Aussendens eines Warnsignals (W(t)), wenn die ermittelten Greifkräfte (F(t))den oberen Grenzwert (Fmax) übersteigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: d) des Vergleichens der Greifkräfte (F(t)) mit einem festgelegten unteren Grenzwert (Fmin), und e) des Aussendens eines Warnsignals (W(t)), wenn die ermittelten Greifkräfte (F(t)) den unteren Grenzwert (Fmin) unterschreiten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: f) des Ermitteins eines Durchschnittswerts der Greifkräfte (F(t)), und g) das Subtrahieren des Durchschnittwerts der Greifkräfte (F(t)) von ihrem Momentanwert vor dem Vergleich der Greifkräfte (F(t)) mit dem oberen Grenzwert (Fmax) oder dem unteren Grenzwert (Fmin).

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Grenzwert (Fmax) und gegebenenfalls der untere Grenzwert (Fmin) dynamisch in Abhängigkeit von der Auslenkung (Φ(t)) der Steuereinrichtung (1 ) oder von äußeren Fahrparametern, wie der Fahrzeuggeschwindigkeit (v(t)), des Lenkeinschlags und der Fahrbahnbeschaffenheit festgelegt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgesendete Warnsignal (W(t)) ein optisches, akustisches oder taktiles Warngerät aktiviert.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgesendete Warnsignal (W(t)) ein automatisches Kontrollsystem (7) aktiviert, das zumindest teilweise die Steuerung des Fahrzeugs übernimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das automatische Kontroll System (7) das Fahrzeug abbremst oder anhält.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das automatische Kontrollsystem (7) auf Signale aus zumindest einem aus einem Beschleunigungs- (10), einem Abstands- (1 1 ), oder einem Bremskraftsensor (12) reagiert.

9. Vorrichtung zur Überwachung der Fahrtüchtigkeit einer ein Fahrzeug oder einen Fahrsimulator steuernden Person, wobei das Fahrzeug bzw. der Fahrsimulator eine händisch betätigbare Steuereinrichtung (1 ) aufweist, gekennzeichnet durch mindestens einen an bzw. in der Steuereinrichtung (1 ) angeordneten Sensor (2; 20) zur Messung der Kraft, mit der die steuernde Person die Steuereinrichtung greift, wobei der mindestens eine Sensor (2; 20) ein zur Greifkraft proportionales Ausgangssignal (F(t)) liefert, eine Vergleichseinrichtung (3) zum Vergleichen des vom Greifkraftsensor (2; 20) gelieferten Ausgangssignals (F(t)) mit einem festgelegten oberen Grenzwert (Fmax), wobei die Vergleichseinrichtung (3) bei Überschreiten des oberen Grenzwerts (Fmax) ein Warnsignal (W(t)) liefert und ein optisches, akustisches oder taktiles Warngerät (4), das durch das Warnsignal (W(t)) aktivierbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (3) weiters zum Vergleichen des vom Greifkraftsensor (2;20) gelieferten Ausgangssignal (F(t)) mit einem festgelegten unteren Grenzwert (Fmin) und zum Aussenden eines Warnsignals (W(t)), wenn die ermittelte Greifkraft den unteren Grenzwert (Fmin) unterschreitet, ausgebildet ist.

1 1. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Greifkraftsensor (2; 20) ein Sensor vom Dynamometer-, kapazitiven (2'), resistiven oder pneumatischen (2") Typ ist.

1 2. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Greifkraftsensor (2; 20) aus einer Vielzahl einzelner Sensorelemente (2-1 bis 2-n; 20-1 bis 20-n) besteht, deren jeweilige Ausgangssignale (F1 (t); F2(t)) durch eine Kombinationsschaltung (8-1 ; 8-2), beispielsweise ein Summierer oder Integrator, zu einem Gesamtausgangssignal kombiniert werden.

1 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Greifkraftsensor (2; 20) Sensorelemente (2-1 bis 2-n; 20-1 bis 20-n) an der Oberseite und der Unterseite der Steuereinrichtung aufweist, die getrennt voneinander auswertbar sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 1 3, weiters gekennzeichnet durch eine Einrichtung (5) zur dynamischen Einstellung des oberen (Fmax) und gegebenenfalls des unteren (Fmin) Grenzwerts der Greifkraft in Abhängigkeit von der Auslenkung (Φ(t)) der Steuereinrichtung (1 ) oder von äußeren Fahr- bzw. Simulationsparametern, wie der Fahrzeuggeschwindigkeit (vt), des Lenkeinschlags und der Fahrbahnbeschaffenheit.

1 5. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zur dynamischen Einstellung des oberen und unteren Grenzwerts der Greifkraft mit einer Einrichtung (6) zur Detektion der Auslenkung (Φ(t)) der Steuereinrichtung (1 ) verbunden ist.

1 6. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zur dynamischen Einstellung des oberen und unteren Grenzwerts der

Greifkraft mit zumindest einem aus einem Beschleunigungsmesser (10), einem Abstandsmesser (1 1 ) oder einem Bremskraftmesser (12) verbunden ist.

1 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß weiters ein automatisches Kontrollsystem (7) vorgesehen ist, das durch das Warnsignal aktivierbar ist und zumindest teilweise die Steuerung des Fahrzeugs oder Fahrsimulators übernimmt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1 7, wenn auf ein Fahrzeug bezogen, dadurch gekennzeichnet, daß das automatische Kontrollsystem (7) auf die Bremsanlage (30) und/oder das Motormanagement (31 ) und/oder die Lenkanlage (32) eines Fahrzeugs einwirkt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1 7 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das automatische Kontrollsystem (7) mit zumindest einem aus einem Beschleunigungs- (10), einem Abstands- (1 1 ), oder einem Bremskraftsensor (12) verbunden ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß weiters eine den Fahr- oder Simulationsverlauf, insbesondere das Verhalten der steuernden Person, aufzeichnende Videokamera (13) und eine Speichereinrichtung (14) zur Speicherung der Videodaten und der Ausgangssignale des Greifkraftsensors (2; 20) vorgesehen ist.

21 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, wenn auf einen Fahrsimulator bezogen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bildwiedergabeeinrichtung (15) zur Erzeugung eines Fahrsimulationszustandes für die steuernde Person vorgesehen ist.