WO2006069746A1 - Optischer sensor für das lenkrad eines kraftfahrzeugs zur überwachung der körperlichen verfassung des fahrzeugführers - Google Patents

Optischer sensor für das lenkrad eines kraftfahrzeugs zur überwachung der körperlichen verfassung des fahrzeugführers Download PDF

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    • B60K28/06—Safety devices for propulsion-unit control, specially adapted for, or arranged in, vehicles, e.g. preventing fuel supply or ignition in the event of potentially dangerous conditions responsive to conditions relating to the driver responsive to incapacity of driver

Definitions

  • Optical sensor for the steering wheel of a motor vehicle for monitoring the physical condition of the driver
  • the present invention relates to an optical sensor for the steering wheel of a motor vehicle for monitoring the physical condition of the vehicle driver.
  • Such a sensor is intended to detect when the driver is in a condition that may have a critical effect on the control of his vehicle, for example due to fatigue or stress.
  • the object was to provide a simple, inexpensive and reliably functioning device for detecting the driver's condition by a sensor arranged on the steering wheel.
  • This object is achieved in that along the steering wheel rim and / or the steering wheel spokes at least one optical fiber is arranged, in which a light emitter couples an optical radiation, and that a light receiver is provided, which monitors the intensity of a decoupled from the optical fiber portion of the optical radiation.
  • a stressed or overtired driver shows particular reaction, such as a reinforced clinging to the steering wheel. Therefore, by monitoring the access force on the steering wheel, it is possible to detect such a driver condition.
  • the resulting information can be used in particular to activate safety functions of the vehicle or to switch particularly sensitively. Furthermore, it can also be provided to reduce displays in the vehicle to the utmost necessary, in order not to aggravate a stress situation for the driver. For example, the signaling of telephone calls in critical situations can be restricted or completely deactivated.
  • the operating principle of the sensor according to the invention is based on the fact that the optical properties of an optical fiber change when it is bent in sections or exposed to mechanical pressure.
  • An advantageously formed optical fiber consists of a fiber core and a fiber cladding surrounding the fiber core.
  • Fiber core and fiber cladding are formed of different glass or plastic materials, which differ in particular with respect to their respective refractive index. The two refractive indices are chosen so that a coupled into an end face of the glass fiber light beam is totally reflected at the interface between the fiber core and fiber cladding, and is guided to the opposite end face of the optical fiber.
  • the optical fiber is locally mechanically stressed by bending or by the action of pressure, the prerequisites for a total reflection, at least for individual light paths ("modes"), are no longer present, as a result of which to a change in the guided through the optical fiber light intensity comes. This change in intensity can be easily detected by a light sensor at the end of the optical fiber.
  • Figure 1 is a schematic representation of an optical sensor arrangement
  • Figure 2a and 2b respectively a longitudinal section through a light guide section.
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of an optical sensor arranged on the steering wheel (2) of a motor vehicle.
  • an optical fiber (1) in several strokes to the steering wheel rim (2 a) is placed.
  • Embodiment of the steering wheel (2) can also be provided to additionally guide the optical fiber (1) around the steering wheel spokes (2b).
  • the light guide can also be performed in parallel along the steering wheel rim.
  • the light guide may also be preassembled in a casing which surrounds the steering wheel.
  • the ends of the optical fiber (1) are guided to the steering wheel hub (2c), where a non-illustrated light emitter (4) an optical radiation, preferably a monochromatic radiation in the visible spectral range or in the near infrared range, in the optical fiber (1) couples.
  • the light emitter can advantageously be designed as a semiconductor laser.
  • a light receiver (5) and evaluation electronics (6) detect the intensity of the radiation that has passed through the optical fiber (1).
  • the light transmitter (4), the light receiver (5) and the evaluation electronics (6) can advantageously form a structural unit and be installed in the steering wheel body in the region of the steering wheel hub (2c).
  • Steering wheel rim (2a) coated with a sheath (3) which may be formed for example by a plastic film and the arrangement on the steering wheel (2) in the figure 1 only in sections and in a transparent representation is indicated.
  • the gripping force of the driver's tool is thus transferred over a relatively large area over the shell (3) on the optical fiber (1). Therefore, the deformation of the optical fiber (1) due to the gripping force of the driver is usually low. Only at a higher force, such as is typical for stress situations, it comes to stronger local deformation of the optical fiber (1), which causes a change in intensity of the guided through the optical fiber (1) optical radiation and at the light receiver (5) can be detected whereupon the evaluation circuit (6) can trigger, for example, a suitable alarm response.
  • FIGs 2a and 2b The functional principle of the optical fiber as a pressure sensor is shown greatly simplified in Figures 2a and 2b. Shown is a short section of a specially trained optical fiber (1). This consists of a fiber core (7) with a high refractive index and a fiber cladding (8) with a smaller refractive index. A light beam injected into the fiber core (7) is totally reflected at the interface of the two materials and thus reaches the end of the optical fiber (1) via one or more propagation paths, the so-called modes (9). If the optical fiber (1) is loaded locally, the angle of incidence under the critical angle of total reflection decreases, at least for individual modes (9a).
  • the corresponding mode (9a) is therefore only partially reflected at the interface between the fiber core (7) and the fiber cladding (8) and partially broken into the fiber cladding (8) and thus not routed along the optical fiber (1). This reduces the light intensity transported to the end of the optical fiber (1).

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Abstract

Beschrieben wird ein optischer Sensor für das Lenkrad (2) eines Kraftfahrzeugs zur Überwachung der körperlichen Verfassung des Fahrzeugführers, wobei entlang des Lenkradkranzes (2a) und/oder der Lenkradspeichen (2b) zumindest eine Lichtleitfaser (1) angeordnet ist, in die ein Lichtsender (4) eine optische Strahlung einkoppelt, und wobei ein Lichtempfänger (5) vorgesehen ist, der die Intensität eines aus der Lichtleitfaser (1) ausgekoppelten Anteils der optischen Strahlung überwacht.

Description

Optischer Sensor für das Lenkrad eines Kraftfahrzeugs zur Überwachung der körperlichen Verfassung des Fahrzeugführers
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor für das Lenkrad eines Kraftfahrzeugs zur Überwachung der körperlichen Verfassung des Fahrzeugführers.
Ein derartiger Sensor soll erkennen, wenn sich der Fahrzeugführer, etwa durch Ermüdung oder Streßbelastung in einem Zustand befindet, der sich hinsichtlich der Beherrschung seines Fahrzeug kritisch auswirken kann.
Aus der DE 34 43 644 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung der Fahrerverfassung und der Sicherheit bei einem Straßenfahrzeug bekannt, bei der verschiedene körperliche Merkmale des Fahrers eines Kraftfahrzeugs überwacht werden. Unter anderem wird auch vorgeschlagen
Statuserfassungseinrichtungen am Lenkrad eines Straßenfahrzeugs anzubringen und die Zugriffskraft am Lenkrad oder an einer am Lenkrad anzuordnenden Hülle zu erfassen. Weiterhin werden als Statuserfassungseinrichtungen optische Reflexions-, Druck-, Temperatur-, Potential-, Kapazitätsfühler vorgeschlagen. Allerdings sind dieser Schrift kaum Hinweise hinsichtlich vorteilhafter konkreter Realisierungen solcher Einrichtungen zu entnehmen.
Es stellte sich die Aufgabe, eine einfache, kostengünstige und zuverlässig funktionierende Vorrichtung zur Erfassung des Fahrerzustands durch einen am Lenkrad angeordneten Sensor zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß entlang des Lenkradkranzes und/oder der Lenkradspeichen zumindest eine Lichtleitfaser angeordnet ist, in die ein Lichtsender eine optische Strahlung einkoppelt, und daß ein Lichtempfänger vorgesehen ist, der die Intensität eines aus der Lichtleitfaser ausgekoppelten Anteils der optischen Strahlung überwacht.
Ausgenutzt wird die Tatsache, daß ein streßbelasteter oder übermüdeter Fahrzeugführer besondere Reaktionsweisen zeigt, wie beispielsweise ein verstärktes Anklammern am Lenkrad. Daher ist es durch eine Überwachung der Zugriffskraft am Lenkrad möglich, einen derartigen Fahrerzustand zu erkennen. Die sich daraus ergebende Information kann insbesondere dazu verwendet werden, um Sicherheitsfunktionen des Fahrzeugs zu aktivieren oder besonders sensibel zu schalten. Des weiteren kann auch vorgesehen werden, Anzeigen im Fahrzeug auf das allernötigste zu reduzieren, um eine Streßsituation für den Fahrzeugführer nicht weiter zu verschärfen. Beispielsweise kann die Signalisierung von Telefonanrufen in kritischen Situationen eingeschränkt oder ganz deaktiviert werden.
Das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Sensors beruht darauf, daß sich die optischen Eigenschaften einer Lichtleitfaser ändern, wenn diese abschnittsweise gebogen oder mechanischem Druck ausgesetzt wird.
Eine vorteilhaft ausgebildete Lichtleitfaser besteht aus einem Faserkern und einem den Faserkern umgebenden Fasermantel. Faserkern und Fasermantel sind aus unterschiedlichen Glas- oder Kunststoffmaterialien gebildet, die sich insbesondere hinsichtlich ihres jeweiligen Brechungsindex unterscheiden. Die beiden Brechungsindizes sind dabei so gewählt, daß ein in eine Stirnfläche der Glasfaser eingekoppelter Lichtstrahl an der Grenzfläche zwischen Faserkern und Fasermantel totalreflektiert wird, und so bis zur gegenüberliegenden Stirnfläche der Lichtleitfaser geführt wird. Wird die Lichtleitfaser allerdings durch Verbiegen oder durch Druckeinwirkung lokal mechanisch belastet, so sind die Voraussetzungen für eine Totalreflexion zumindest für einzelne Lichtwege („Moden") nicht mehr gegeben, wodurch es zu einer Änderung der durch die Lichtleitfaser geführten Lichtintensität kommt. Diese Intensitätsänderung kann durch einen Lichtsensor am Ende der Lichtleitfaser leicht erkannt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer optischen Sensoranordnung, Figur 2a und 2b jeweils einen Längsschnitt durch einen Lichtleiterabschnitt.
Die Figur 1 zeigt eine mögliche Ausführung eines am Lenkrad (2) eines Kraftfahrzeugs angeordneten optischen Sensors. Hierbei ist eine Lichtleitfaser (1 ) in mehreren Schlägen um den Lenkradkranz (2a) gelegt. Je nach
Ausführung des Lenkrads (2) kann auch vorgesehen werden, die Lichtleitfaser (1) zusätzlich um die Lenkradspeichen (2b) herum zu führen. In einer alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsform, kann der Lichtleiter auch parallel entlang des Lenkradkranzes geführt werden. In der weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Lichtleiter auch in einer das Lenkrad umfassenden Hülle vormontiert sein.
Die Enden der Lichtleitfaser (1) sind bis zur Lenkradnabe (2c) geführt, wo ein nicht näher dargestellter Lichtsender (4) eine optische Strahlung, vorzugsweise eine monochromatische Strahlung in sichtbaren Spektralbereich oder im nahen Infrarotbereich, in die Lichtleitfaser (1 ) einkoppelt. Der Lichtsender kann dabei vorteilhaft als Halbleiterlaser ausgeführt sein. Ein Lichtempfänger (5) und eine Auswerteelektronik (6) erfassen die Intensität der Strahlung, die die Lichtleitfaser (1 ) durchlaufen hat. Der Lichtsender (4), der Lichtempfänger (5) und die Auswerteelektronik (6) können vorteilhaft eine Baueinheit ausbilden und im Bereich der Lenkradnabe (2c) in den Lenkradkorpus eingebaut sein.
Die in der Figur 1 gezeigte Anordnung ist, zumindest entlang des
Lenkradkranzes (2a) mit einer Hülle (3) überzogen, die beispielsweise durch eine Kunststoffolie ausgebildet sein kann und deren Anordnung am Lenkrad (2) in der Figur 1 nur abschnittsweise und in einer transparenten Darstellung angedeutet ist.
Die Greifkraft des Fahrerzeugführers überträgt sich damit relativ großflächig über die Hülle (3) auf die Lichtleitfaser (1). Daher ist die Deformation der Lichtleitfaser (1) aufgrund der Greifkraft des Fahrers normalerweise gering. Erst bei einer höheren Krafteinwirkung, wie sie beispielsweise für Streßsituationen typisch ist, kommt es zu stärkeren lokalen Deformationen der Lichtleitfaser (1), die eine Intensitätsänderung der durch die Lichtleitfaser (1) geführten optischen Strahlung bewirkt und am Lichtempfänger (5) erfaßt werden kann, worauf hin die Auswerteschaltung (6) beispielsweise eine geeignete Alarmreaktion auslösen kann.
Das Funktionsprinzip der Lichtleitfaser als Drucksensor ist stark vereinfacht in den Figuren 2a und 2b gezeigt. Dargestellt ist jeweils ein kurzer Ausschnitt aus einer speziell ausgebildeten Lichtleitfaser (1). Diese besteht aus einem Faserkern (7) mit einem hohem Brechungsindex und einem Fasermantel (8) mit einem kleinerem Brechungsindex. Ein in den Faserkern (7) hinreichend flach eingekoppelter Lichtstrahl wird an der Grenzfläche der beiden Materialien total reflektiert und gelangt so über einen oder mehrere Ausbreitungswege, den sogenannten Moden (9), bis an das Ende der Lichtleitfaser (1 ). Wird die Lichtleitfaser (1 ) lokal belastet, so verringert sich, zumindest für einzelne Moden (9a), der Einfallswinkel unter den Grenzwinkel der Totalreflexion. Die entsprechende Mode (9a) wird somit an der Grenzfläche zwischen Faserkern (7) und Fasermantel (8) nur noch zum Teil reflektiert und zum Teil in den Fasermantel (8) gebrochen und somit nicht entlang der Lichtleitfaser (1 ) weitergeleitet. Damit verringert sich die bis zum Ende der Lichtleitfaser (1) transportierte Lichtintensität.
Bezugszeichen
1 Lichtleitfaser
2 Lenkrad 2a Lenkradkranz
2b Lenkradspeiche
2c Lenkradnabe
3 Hülle
4 Lichtsender 5 Lichtempfänger
6 Auswerteschaltung
7 Faserkern
8 Fasermantel
9, 9a Moden

Claims

Patentansprüche
1. Optischer Sensor für das Lenkrad eines Kraftfahrzeugs zur Überwachung der körperlichen Verfassung des Fahrzeugführers,
dadurch gekennzeichnet,
daß entlang des Lenkradkranzes (2a) und/oder der Lenkradspeichen (2b) zumindest eine Lichtleitfaser (1 ) angeordnet ist, in die ein Lichtsender (4) eine optische Strahlung einkoppelt, und daß ein Lichtempfänger (5) vorgesehen ist, der die Intensität eines aus der Lichtleitfaser (1 ) ausgekoppelten Anteils der optischen Strahlung überwacht.
2. Optischer Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (4) und der Lichtempfänger (5) mit dem Lenkrad verbunden sind.
3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (4) und der Lichtempfänger (5) eine Baueinheit bilden.
4. Optischer Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger (5) mit einer Auswerteschaltung (6) verbunden ist und die Auswerteschaltung bei einer durch den Lichtempfänger (5) erfaßten Intensitätsänderung der optischen Strahlung die Funktionsweise wenigstens eines weiteren Steuergerätes im Kraftfahrzeug beeinflußt.
5. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (6) bei einer durch den Lichtempfänger (5) erfaßten Intensitätsänderung der optischen Strahlung vorgegebene Signalisierungseinrichtungen deaktiviert oder die Intensität von Signalisierungen reduziert.
6. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (4) und der Lichtempfänger (5) zusammen mit der
Auswerteschaltung (6) eine Baueinheit bilden.
7. Optischer Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (1 ) unterhalb einer, zumindest den Lenkradkranz (2a) umfassenden Hülle (3) angeordnet ist.
8. Optischer Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (1 ) innerhalb einer, zumindest den Lenkradkranz (2a) umfassenden Hülle (3) vormontiert ist.
9. Optischer Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (1 ) um den Lenkradkranz (2a) und/oder die Lenkradspeichen (2b) herumgewunden ist.
10. Optischer Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (4) durch eine monochromatische Lichtquelle, insbesondere einen Halbleiterlaser ausgebildet ist.
11. Optischer Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (1 ) eine Glas- oder Kunststoffaser ist, bestehend aus zumindest zwei konzentrisch zueinander angeordneten Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex.
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