专利名称：用于确定警觉状态的装置和方法
用于确定警觉状态的装置和方法本发明涉及一种用于确定汽车驾驶员的警觉状态的方法和装置。为了通过识别汽车驾驶员的不专注或疲劳而提高道路交通安全性，实施一种用于确定汽车驾驶员的警觉状态(即专注度)的方法。所述方法的目的在于，通过检测汽车驾驶员的异常行为并且使其对此注意，来提高道路交通的安全性。在此，例如由于不专注或疲劳而产生所述异常行为。疲劳多数如此影响汽车驾驶员的反应能力，使其对某种行驶状况的反应或反制缓慢、迟缓和/或不确定。EP I 257 202B1公开了一种用于在行驶中向汽车传送脉冲或冲激(Impulse)的方法。在此，所述冲激借助一个或多个触发器触发，其中，驾驶员通常对冲激的反应是本能和下意识的。在此，冲激被传送至方向盘(或者其它通常与驾驶员接触的部件)。此外，通过一个或多个传感器检测驾驶员的响应，例如通过转向角传感器、扭矩传感器、加速力传感器 或眼球运动传感器。所述文献还公开了，对比所述冲激和响应，从而推断驾驶员的沉着度，其中，所述沉着度与冲激和响应之差成反比例。为此，所述文献公开了能够以两种不同形式检测汽车驾驶员的沉着度。在第一种可选方式中，将冲激与响应之差在确定时间段内求积分。积分结果越小，则汽车驾驶员对干扰的反应越快。在第二种可选方式中，对横向离心力的幅度进行评估。此外，可以确定驾驶员的反应时间作为两个不同时间点之间的时间差，其中，当冲激超过预设阈值时得出第一时间点Tl，并且当反应超过第二预设阈值时得出第二时间点。在此其缺点在于，为了确定反应时间而对第一和第二时间点基于阈值的检测无法抵御噪声。例如由前述传感器产生的检测噪声会造成错误识别汽车驾驶员的反应时间。本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于确定汽车驾驶员的警觉状态的方法和装置，所述方法和装置可以实现优化地、特别是可靠地确定警觉状态。所述技术问题通过独立权利要求I和10的特征解决。本发明其它有利的设计方案由从属权利要求得出。在此提供一种用于确定汽车驾驶员的警觉状态的方法。在该方法中产生噪声信号并且在汽车的转向装置、尤其是转向柱上施加取决于噪声信号的附加力矩。在此，噪声信号是人造信号。该噪声信号优选为零平均值的信号。此外，该噪声信号优选是偶然信号或虚拟偶然信号。噪声信号还优选地具有较小的幅值，其中，较小的振幅不会或仅仅次要地影响汽车的转向动作和行驶行为。在此，噪声信号例如由例如机电式转向装置的转向控制器产生。当然，该噪声信号也能由其它的、优选在汽车中现有的控制单元产生。为了在转向柱上施加附加力矩还存在多个备选方案。在机电式转向装置中，伺服马达向转向齿条或转向柱施加辅助力矩，本发明所述附加力矩便可以在所述机电式转向装置中借助伺服马达产生。为此，噪声信号例如可以叠加在伺服力矩的额定值上。在此，伺服力矩的额定值理解为例如伺服马达应该施加在转向齿条上的值。附加力矩备选地也能够借助用于产生附加力矩的单元产生并且直接地或间接地、例如借助传动机构，施加在转向柱上。可以设想的是，例如转向装置包括另一个仅用于产生附加力矩的伺服马达。同样可以设想的是，必要时使用伺服转向装置的液压执行器来产生附加力矩。在此，附加力矩能够直接或间接地施加在转向柱上。在此，间接施加意味着附加力矩也能够被施加在与转向柱机械连接的转向元件上。例如，附加力矩能够被施加在与汽车可转向的车轮相连的转向齿条上。在此，转向齿条与转向柱机械连接，主要用于向转向齿条传递汽车驾驶员的转向动作。由于这种机械连接，可以从转向齿条向转向柱传递附加力矩，并且例如能够通过方向盘被汽车驾驶员在触觉上感知。但是，附加力矩也能够如此施加在转向装置上，使得虽然改变了汽车行驶状态，却不会感觉到通过转向柱作用在方向盘上的触觉反馈。此外，噪声信号的时间曲线被保存。所述噪声信号的时间曲线例如能够被保存在存储单元和/或转向控制器中。
汽车驾驶员在触觉上感觉到取决于噪声信号的和施加在转向柱上的附加力矩，并且尝试通过自觉的，也就是下意识的反应去抵消该附加力矩。当附加力矩仅改变汽车行驶状态而不产生触觉回馈时也适用。在此，汽车驾驶员也将自觉尝试去抵消这种变化。在此用反应信号反映汽车驾驶员用于抵消附加力矩的反应。按照本发明确定所述汽车驾驶员的反应信号。在此，由手动力矩、偏转率、转向角、转向角速度、伺服马达的转子位置和其它状态值所组成的一组状态值中的至少一个状态值可以确定反应信号。该反应信号优选地确定为汽车驾驶员借助方向盘施加在转向柱上的手动力矩。在此，该手动力矩通过转向力矩传感器测取。反应信号的时间曲线也例如能够保存在存储单元和/或转向控制器中。在此，这种方式确定的反应信号包括两个分量。第一分量由所有转向动作的总和产生，其中汽车驾驶员的行驶任务组成了所有转向动作的总和。所述驾驶任务例如由导航中的一部分组成，例如为了遵循所计划的路线而进行的转向动作。此外，行驶任务例如包括由汽车的各种行驶动作，例如超车动作，所引发的转向动作。此外，行驶任务包括用于汽车稳定的转向动作，例如在驶过起伏路时。作为第二分量，反应信号包括汽车驾驶员的用于抵消附加力矩的转向动作。按照本发明，为了确定汽车驾驶员的警觉状态，不必将第二分量通过信号技术从第一分量中分离。而借助例如预设的阈值去检测从哪个时刻起反应信号仅由用于抵消附加力矩的分量构成是尤其没有必要的。然而可以设想的是，过滤反应信号以改善反应信号的信号质量。但是，借助过滤不必分离反应信号的第一和第二分量。按照本发明通过噪声信号的时间曲线和反应信号的时间曲线来确定汽车驾驶员的警觉状态。为此，确定从噪声信号向反应信号的参数化传递函数的至少一个参数。在此，参数化传递函数至少部分地构造出汽车驾驶员的动态转向行为的模型。作为传递函数可以考虑线性的传递函数或非线性的传递函数。在此，参数化传递函数的至少一个参数可以通过用于识别线性或非线性传递函数的方法确定。之后，汽车驾驶员的警觉状态根据至少一个参数的绝对值和/或至少一个参数相对至少一个早前的参数的变化量而确定。在此，所述至少一个早前参数是在早前时刻通过本发明所述方法被确定。若警觉状态根据至少一个参数的绝对值确定，则可以设想的是，至少一个参数不得超过或低于预设的阈值。在此，根据技术人员的评估预设适当的阀值，例如根据汽车模型进行确定。然而优选的是，通过对至少一个参数的相对改变进行评估来确定警觉状态。若至少一个参数的相对改变大于预设阈值，例如增加10%，则可以检测到警觉状态的改变。在此，在早前时刻确定至少一个早前的参数，所述早前时刻比当前时刻提前一个预定的时段，例如20或30分钟。根据至少一个参数的绝对的和/或相对的改变能够确定汽车驾驶员的临界或非临界警觉状态。如果判定汽车驾驶员处于临界的警觉状态，则产生例如可视的或声音的警告信号或生成休息建议。通过按照本发明的方法能够以有利的方式简单可靠地确定警觉状态，其中，尤其是能够与检测噪声无关地确定警觉状态。在另一种实施方式中，参数化传递函数的至少一个参数借助噪声信号与反应信号的互相关来确定。例如，传递函数能够借助Ryx (t) =Rxx (t) *h ⑴ 公式 I确定。在此，Ryx(t)表示噪声信号与反应信号的互相关函数并且Rxx(t)表示噪声信号的自相关函数。此外，h(t)表示线性的、时不变的传递函数的冲激响应，其中，RYX(t)由 Rxx(t)和h(t)的乘积得出。通过冲激响应h(t)能够以有利的方式和容易实施的方式可靠地确定传递函数。通过冲激响应h(t)借助用于系统识别的标准方法，例如最小二乘法，确定参数化传递函数的至少一个参数。在可选实施方式中，参数化传递函数的至少一个参数借助噪声信号的自关联和反应信号的自关联确定。线性的、时不变的传递函数适于Ryy (t) =Rxx (t) *h (t) *h (_t) 公式 2。在此，Ryy(t)表示噪声信号的自关联函数，Rxx(t)表示噪声信号的自关联函数，且h(t)仍表示冲激响应。借助这种实施方式也能够以有利的方式和容易实施的方式可靠地确定传递函数。对应已知的转换规则，在公式I和2中显示的关系也能够由时间向频域转换。在此，要求得的频域内的传递函数由频域内功率谱密度函数Sxx(CO)、Sxy(CO)、Syy(CO)与频域内传递函数Η(ω)的乘积得出。此外可以设想的是，评估互相关函数!^(t)的关联系数。在此，也可以计算互相关系数用于反应信号与早于反应信号一个预定的时间差而存在的噪声信号的互相关，其中，也可以就多个时间差进行计算。若评估多个时间差，则例如噪声信号与符合最大关联系数的反应信号间的时间差与汽车驾驶员的延迟时间一致。在这种情况中，警觉状态能够根据时间差和/或关联系数的绝对值和/或关联系数相对早前确定的关联系数的变化量而确定。在另一种实施方式中，所述参数化传递函数是线性的和/或时不变的传递函数。所述参数化传递函数优选是线性的和时不变的传递函数。在此，线性的和/或时不变的传递函数通常与汽车驾驶员正常的非线性动态转向行为相近似。借助线性的和/或时不变的传递函数能够将汽车驾驶员的非线性动态转向行为在非线性系统的工作点上建立近似线性的模型。为此，观察期，也就是用于确定警觉状态所需的时间范围被如此缩短，使得在建立传递函数模型时不必详尽考虑系统随时间的改变。由此，能够以有利的方式在计算上简单地确定参数化传递函数的至少一个参数，而不会在建立传递函数模型时出现所不期望的误差从而影响警觉状态的确定。在另一种实施方式中，参数化传递函数描述至少一个延时环节。在此，延时环节能够在频域中，尤其在拉普拉斯范围内表示为
G1(S)=^sTs 公式 3。在此，Ts表示为延时，其中，延时Ts表示在系统输入的改变与系统输出的响应间的时间间隔。在此，延时Ts能够以有利的方式描述汽车驾驶员的反应时间。延时Ts也可以被视为参数化传递函数的参数。在另一种实施方式中，所述参数化传递函数描述至少一个低通滤波环节。低通滤波环节能够在频域内，尤其在拉普拉斯范围内借助G2(s)=K/(1+Ts) 公式 4表示。在此，K表示放大系数且T表示低通滤波环节的时间常量。由此，以有利的方式充分描述了汽车驾驶员的动态转向行为用以确定警觉状态。通过确定放大系数K尤其能够确定汽车驾驶员反应的剧烈程度。时间常量T说明了转向行为的速度。
所述参数化传递函数优选地描述延时环节和低通滤波环节。当然，参数化传递函数也可以包含其它复杂的传递环节，例如，二阶传递环节、比例环节、积分环节和微分环节。参数化传递函数也能够描述输出信号(在此就是反应信号)对输入信号(在此就是噪声信号)的反馈。由此以有利的方式能够更好地描述人在转向行为中对运动过程的实际控制。尤其是通过描述实际计算的反馈能够获知，汽车驾驶员通常不会作出剧烈的转向反应。在另一种实施方式中，所述至少一个参数被连续地或在有规律的时间间隔中或在挑选出的时刻确定。若所述至少一个参数被连续的确定，则能够以有利的方式持续确定汽车驾驶员的警觉状态。在此为了持续监测，例如可以采用具有噪声信号和反应信号的预定时长的时间间隔用于确定至少一个参数。例如可以设想的是，为了持续确定至少一个参数，在预设的时间间隔(例如比当前时刻提前40秒)内利用噪声信号和反应信号的时间曲线进行确定。当然可以设想的是，该时间间隔可以包括较短或较长的时长和/或不直接终止于当前时刻，而是终止于早于当前时刻一段预定时长的时刻。通过在有规律的时间间隔中确定至少一个参数能够以有利的方式降低用于确定至少一个参数的计算消耗。在此可以设想的是，例如每分钟、每5分钟、每10分钟、每15分钟或每30分钟确定至少一个参数。当然也可以设想，以其它的时间间隔有规律地确定或完全不连续地确定至少一个参数。通过在挑选出的时刻确定至少一个参数能够以有利的方式进一步降低计算消耗。在此可以设想的是，例如在制动过程之后、在转向过程之后、在超过或低于预设车速或其它汽车动态过程时确定至少一个参数。在另一种实施方式中，所述噪声信号是低频和/或零平均值噪声信号。汽车驾驶员通常只能测取和抵消低频信号。在此，低频信号理解为上限频率最大为20赫兹的信号，上限频率优选地应位于2至10赫兹之间。由此有利的是，噪声信号特别适合确定至少一个参数并进而确定汽车驾驶员的警觉状态。在另一种实施方式中，在非临界的警觉状态中激活至少一个用于汽车驾驶员的认知信息处理方法的训练程序或训练方法。当处于临界警觉状态时可以选择性地或渐增地生成警告信号。由此能够以有利的方式通过训练优化在汽车驾驶过程中的信息处理能力，尤其是针对老年汽车驾驶员。在此，尤其能够弥补对多信息的并行处理能力的不足，也就是所谓的分散注意力。所述训练可保持驾驶员的清醒，因此不会在单调的路况中进入临界警觉状态。例如，能够在单调的具有较少认知要求的路段中和/或在具有较少转向需要的行驶中应用认知训练程序。在此，具有较少认知要求的行驶和/或路段例如如下定义-不长于300公里的路段，-低交通负荷的路段，-具有尽可能好的光照和气候条件的路段，尤其在日光下行驶，行驶中不能有雾、雨、雪和刺眼的阳光，-简单的路段要求，例如尽可能少的转弯和/或施工。在此，在技术人员的评估下提供用于检测适合路段的适合的系统，以便应用认知 训练程序。应用认知训练程序的另一个前提条件是，所述用于确定警觉状态的方法可以在一般至极佳的范围内确定汽车驾驶员的警觉性。此外，汽车驾驶员可以开启或关闭认知训练程序的应用。此外，尤其当出现需要驾驶员专心处理的突然或复杂的行驶路况时，可以中断认知训练程序的应用。认知训练程序例如可以依据如下设计-信号反应练习，例如声音和/或可视信号。声音信号的优点在于，汽车驾驶员的认知资源能够同时分配到行驶任务和训练程序上。在对可视信号的反应中要求可视信号与实际路况相关，因为认知资源不能分散。例如反应练习可以是对确定的车型或者对自身或其它汽车的确定行驶动作作出反应。-对语音操作面的思考练习。-与行驶任务相关的练习，例如在超车时注意全部的要求(扭头观察、加速等)。认知训练程序应该以特别优选的方式唤起汽车驾驶员竞技方面的好胜心。尤其能够以有利的方式使汽车驾驶员重复地执行认知训练程序中的练习。此外，提供一种用于汽车转向的装置，其中，所述转向装置包括至少一个用于产生噪声信号的单元和至少一个用于将取决于所述噪声信号的附加力矩施加在转向装置(尤其是汽车的转向柱)上的单元。此外，所述转向装置包括至少一个用于确定汽车驾驶员的反应信号的单元和用于系统识别的单元。在此，借助所提供的装置可实施至少一种前述方法。结合实施例进一步阐述本发明。在附图
中图I示出用于确定警觉状态的方法的信号传输示意图和图2示出汽车转向装置的电路框图。以下标注相同附图标记的元件具有相同的或相似的技术特征。图I示出用于确定汽车驾驶员I的警觉状态的方法的信号传输示意图。在此，汽车驾驶员I可获知两个输入信号。第一输入信号El是由行驶任务所引发的所有转向动作的总和组成。在此，汽车驾驶员I的导向期望、执行的行驶动作，如超车动作，和为了汽车稳定性的转向引发了所有的转向动作。用于驾驶员I的第二输入信号是作用在图2所示转向柱10上的附加力矩ZM。在此，该附加力矩ZM由用于产生附加力矩ZM的单元2产生。用于产生附加力矩ZM的单元2例如可以是图2所示的伺服马达13。用于产生附加力矩ZM的单元2根据噪声信号RA产生附加力矩ZM。该噪声信号RA由用于产生噪声信号RA的单元3产生。汽车驾驶员I根据第一输入信号El和附加力矩ZM产生反应信号RE。噪声信号RA和反应信号RE被传送至用于关联的单元4进行数据处理。用于关联的单元4例如借助噪声信号RA和反应信号RE的互相关和噪声信号RA的自相关来确定脉冲响应(Impulsantwort)或冲激响应h(t)。用于系统识别的单元5通过冲激响应h(t)和预设的参数化传递函数确定传递函数的参数。在此，传递函数例如能够描述延时环节和低通滤波环节。在此，传递函数的参数包括延时Ts、放大系数K和时间常量T。用于确定警觉状态的单元6根据延时Ts、放大系数K和时间常量T的绝对和/或相对的改变来确定汽车驾驶员I的警觉状态。当用于确定警觉状态的单元6检测到汽车驾驶员I处于临界的警觉状态时，则用于确定警觉状态的单元6启动用于警告汽车驾驶员I的单元7。在此，用于警告汽车驾驶员I的单元7产生例如声音警告信号。 图2示出用于使未示出的汽车转向的装置8的电路框图。装置8包括方向盘9、与方向盘机械连接的转向柱10、用于测取转向力矩LM的传感器11、转向齿条12和通过传动机构14与转向齿条12连接的伺服马达13。装置8还包括转向控制器15。转向控制器15包括图I所示的用于产生噪声信号的单元3。转向控制器15还包括用于计算伺服力矩SM的单元16。用于计算伺服力矩SM的单元16通过来自转向力矩LM的计算指示计算伺服力矩SM。所测取的转向力矩LM还包括汽车驾驶员I通过方向盘施加在转向柱10上的手动力矩。由用于产生噪声信号RA的单元3产生的噪声信号RA借助加法单元17加在伺服力矩SM上。由此合成的SMms作为伺服马达13的额定值。伺服马达13根据合成的SMms产生可借助传动机构14作用在转向齿条12上的力矩。在此，伺服马达13也作为用于施加附加力矩ZM的单元2(见图I)使用，其中，附加力矩ZM取决于噪声信号RA的时间曲线。通过转向齿条12将取决于噪声信号RA的附加力矩ZM传递到转向柱10上。然后，用于测取转向力矩LM的传感器11测取由汽车驾驶员I的转向动作引起的手动力矩，所述转向动作一方面是前述转向动作并且另一方面用于平衡附加力矩ZM。转向力矩LM和由用于产生噪声信号RA的单元3所产生的噪声信号RA被传送至用于关联的单元4进行数据处理。用于关联的单元4以与图I所述的用于确定汽车驾驶员I的警觉状态的方法相似的方式计算冲激响应h(t)。用于系统识别的单元5识别出延时Ts、放大系数K和时间常量T。用于确定警觉状态的单元6根据所测取的参数TS、K和T确定出临界的或非临界的警觉状态，并且可以根据需要启动用于警告汽车驾驶员I的单元7。在图2所示的实施形式中，用于测取转向力矩的传感器11与至少一个用于确定汽车驾驶员I的反应信号RA的单元相适配。附图标记清单I.汽车驾驶员2.用于产生附加力矩的单元3.用于产生噪声信号的单兀4.用于关联的单元5.用于系统识别的单元6.用于确定警觉状态的单元7.用于警告汽车驾驶员的单元8.用于汽车转向的装置9.方向盘10.转向柱11.用于测取转向力矩的传感器
12.转向齿条13.伺服马达14.传动机构15.转向控制器16.用于计算伺服力矩的单元El第一输入信号ZM附加力矩RA噪声信号 RE反应信号h(t)冲激响应或脉冲响应Ts延时K放大系数T时间常量SM伺服力矩SMres合成的伺服力矩LM转向力矩
权利要求
1.一种用于确定汽车驾驶员(I)的警觉状态的方法，其中 -生成噪声信号(RA)并且在转向装置上施加取决于所述噪声信号(RA)的附加力矩(ZM), -确定所述汽车驾驶员(I)的反应信号(RE) -并且通过所述噪声信号(RA)的时间曲线和所述反应信号(RE)的时间曲线来确定警觉状态， 其特征在于，确定由噪声信号(RA)到反应信号(RE)的参数化传递函数的至少一个参数，其中，根据所述至少一个参数的绝对值和/或所述至少一个参数相对至少一个早前参数的变化量确定所述警觉状态，其中，所述至少一个早前参数在早前时刻被确定。
2.按照权利要求I所述的方法，其特征在于，所述参数化传递函数的至少一个参数通过所述噪声信号(RA)与所述反应信号(RE)的互相关(Rxy)而确定。
3.按照权利要求I所述的方法，其特征在于，所述参数化传递函数的至少一个参数通过所述噪声信号(RA)的自相关(Rxx)和/或所述反应信号(RE)的自相关(Ryy)而确定。
4.按照前述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，所述参数化传递函数是线性的和/或时不变的传递函数。
5.按照前述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，所述参数化传递函数描述至少一个延时环节(G1)。
6.按照前述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，所述参数化传递函数描述至少一个低通滤波环节(G2)。
7.按照前述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个参数连续地或在有规律的时间间隔中或在挑选的时刻被确定。
8.按照前述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，所述噪声信号是低频的和/或零平均值的噪声信号。
9.按照前述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，当处于非临界警觉状态时激活至少一个用于汽车驾驶员的认知信息处理过程的训练方法和/或当处于临界警觉状态时生成报警信号。
10.一种用于汽车转向的装置(8)，其中，所述转向装置包括至少一个用于产生噪声信号(RA)的单元(3)和至少一个用于将至少一个取决于所述噪声信号(RA)的附加力矩(ZM)施加在所述转向装置上的单元(2、13)，至少一个用于确定汽车驾驶员(I)的反应信号(RE)的单元(11)和至少一个用于系统识别的单元(5)，其特征在于，借助所述至少一个用于系统识别的单元(5)可确定由噪声信号(RA)到反应信号(RE)的参数化传递函数的至少一个参数。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定汽车驾驶员(1)的警觉状态的方法和装置，其中，生成噪声信号(RA)并且在转向装置上施加取决于所述噪声信号(RA)的附加力矩(ZM)，确定所述汽车驾驶员(1)的反应信号(RE)并且通过所述噪声信号(RA)的时间曲线和所述反应信号(RE)的时间曲线来确定警觉状态，其中，确定由噪声信号(RA)向反应信号(RE)的参数化传递函数的至少一个参数，其中，根据所述至少一个参数的绝对值和/或所述至少一个参数相对至少一个早前参数的变化量确定所述警觉状态，其中，所述至少一个早前参数在早前时刻被确定。
文档编号A61B5/16GK102762149SQ201080063988
公开日2012年10月31日 申请日期2010年11月23日 优先权日2009年12月16日
发明者M.斯托巴赫, M.琼格 申请人:大众汽车有限公司