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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erkennen eines Ermüdungszustands eines Fahrers während des Führens eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug ein Lenksystem aufweist und das Lenksystem Mittel zur Erfassung eines Lenkmoments umfasst.
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Eine Ermüdung eines Fahrers eines Fahrzeug vermindert regelmäßig die Reaktionsfähigkeit des Fahrers und kann zu einem kurzzeitigen oder länger andauernden Einschlafen des Fahrers führen. Unfälle, die auf Ermüdung eines Fahrers zurückzuführen sind, haben häufig schwerste Unfallfolgen, da von dem Fahrzeugführer keine oder nur unzureichende Maßnahmen ergriffen werden, um die Unfallfolgen zu mindern. Derartige Maßnahmen wären beispielsweise das Einleiten einer Vollbremsung oder eines Ausweichmanövers.
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Um einen Ermüdungszustand und insbesondere eine auftretende Schläfrigkeit eines Fahrzeugführers zu erkennen, sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Hierbei werden Systeme eingesetzt, die den Fahrer durch visuelle, akustische und/oder haptische Maßnahmen warnen beziehungsweise zu einer Unterbrechung der Fahrt auffordern. Zur Erkennung eines Ermüdungszustands des Fahrers werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt.
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Bei einem ersten bekannten Verfahren wird der Fahrer beobachtet beziehungsweise es wird das Verhalten des Fahrers überwacht. Beispielsweise ist es bekannt, die Blick- und Kopfrichtung des Fahrers zu erfassen und auszuwerten, einen Lidschlag, die Atmung, die Herzfrequenz und den Blutdruck zu überwachen.
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Ein anderes bekanntes Verfahren beruht auf einer Spurerkennung. Hier wird ein Spurverlauf überwacht und ein entsprechendes Warnsignal ausgegeben, wenn der Fahrer die Spur verlässt, ohne dass dies beabsichtigt ist.
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Gemäß einem dritten bekannten Verfahren werden Fahrparameter überwacht. Diesbezüglich relevante Fahrparameter beschreiben ein Fahr-, Bedien- und Reaktionsverhalten des Fahrers in unterschiedlichen Fahrsituationen.
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Es ist ferner bekannt, durch die Auswertung eines Lenkwinkelsignals Aussagen über einen Ermüdungszustand des Fahrers zu erhalten. Hierzu werden charakteristische Verläufe des Lenkwinkels sowie der Lenkwinkelgeschwindigkeit, die ein Zeichen für eine zunehmende Ermüdung des Fahrers sind, erkannt und ausgewertet. Überschreiten diese Verläufe festgelegte Schwellwerte, erfolgt eine Signalisierung beziehungsweise Warnung des Fahrers.
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Die grundsätzliche Schwierigkeit bei den bekannten Verfahren ist, möglichst sicher einen Ermüdungszustand des Fahrers erkennen zu können, ohne jedoch von einem Ermüdungszustand des Fahrers auszugehen und den Fahrer zu warnen, wenn kein Ermüdungszustand vorliegt. Außerdem sind die bekannten Verfahren zur Erkennung eines Ermüdungszustands häufig technisch sehr aufwändig zu realisieren. Beispielsweise muss zur Erkennung der Blick- und Kopfrichtung beziehungsweise zur Erkennung des Lidschlags, der Atmung, der Herzfrequenz und des Blutdrucks eines Fahrers eine Vielzahl von Sensoren zur Verfügung stehen, deren Signale erfasst und ausgewertet werden müssen. Hierzu ist häufig eine aufwändige Berechnung durchzuführen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit bereitzustellen, um mit möglichst geringem technischen Aufwand einen Ermüdungszustand eines Fahrers möglichst sicher erkennen zu können.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung und deren Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
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Erfindungsgemäß wird ein aktuell am Lenkrad anliegendes Lenkmoment erfasst und es wird in Abhängigkeit von dem erfassten Lenkmoment ein aktives Fahrermoment ermittelt. Das aktive Fahrermoment beschreibt den von dem Fahrer zum Lenken des Fahrzeugs bewusst aufgebrachten Momentenanteil, der beispielsweise um Anregungen durch aktuelle Fahrbahnverhältnisse bereinigt ist. Der Verlauf des aktiven Lenkmoments wird mit einem Referenzverlauf oder mit Schwellwerten verglichen, wobei der Referenzverlauf bzw. die Schwellwerte von einem Fahrstil des jeweiligen Fahrers abhängen können und vorzugsweise adaptierbar sind. In Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs wird auf das Vorliegen eines Ermüdungszustands geschlossen. Vorzugsweise wird erst dann auf einen Ermüdungszustand geschlossen, wenn eine Mehrzahl von hintereinander ausgeführten Vergleichen auf Basis der jeweils aktuellen Lenkmomente jeweils das Vorliegen eines Ermüdungszustands nahelegen, wodurch implizit eine Plausibilitätsprüfung realisiert wird.
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Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass Lenkwinkelverläufe nicht nur durch den Fahrer beeinflusst werden, sondern auch durch äußere Anregungen, beispielsweise durch Unebenheiten der Fahrbahn.
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Wird direkt aufgrund eines Lenkwinkelverlaufs auf den Ermüdungszustand eines Fahrers geschlossen, so besteht die Gefahr, dass Phasen, in denen der Fahrer aus Gründen einer Ermüdung kein Lenkmoment mehr ausübt oder gar die Hände vom Lenkrad genommen hat, dennoch nicht erkannt werden können, da externe Anregungen den Lenkwinkel beeinflussen und eine Aktivität des Fahrers vortäuschen. Erfindungsgemäß wird deshalb in erster Linie das aktive Lenkmoment für das Erkennen eines Ermüdungszustands herangezogen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der folgenden Zeichnungen erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug;
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2 eine schematische Darstellung eines Beispiels für den Verlauf eines Drehstabmoments und einen Verlauf des aktiven Fahrermoments;
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3a ein schematisches Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Bestimmung des aktiven Fahrermoments an einem ersten Ausführungsbeispiel;
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3b ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Bestimmung des aktiven Fahrermoments gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels;
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In 1 ist ein Lenksystem 1 dargestellt, das eine Lenkvorrichtung 2 und ein Steuergerät 3 umfasst. In dem Steuergerät 3 ist ein Mikroprozessor 4 angeordnet, der über eine Datenleitung, beispielsweise ein Bussystem, mit einem Speicherelement 5 verbunden ist. In dem Speicherelement 5 sind Speicherbereiche ausgebildet, in denen ausführbare Computerprogramme und/oder Daten abgelegt sind. Die Daten können sowohl vorgebbare Größen als auch während der Durchführung des Verfahrens ermittelte oder während der Applikation des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgegebene Daten sein.
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Über eine Signalleitung 6 ist das Steuergerät 3 mit einem Momentensteller, beispielsweise einem Elektromotor 7, verbunden, so dass eine Steuerung des Elektromotors 7 durch das Steuergerät 3 ermöglicht wird. Der Elektromotor 7 wirkt über ein Getriebe 8 auf einen Drehstab 9. An dem Drehstab 9 ist ein Lenkrad 10 angeordnet.
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Die Lenkvorrichtung 2 weist ferner ein Lenkgetriebe 11 auf, das gemäß der in 1 beispielhaft dargestellten Ausführungsform als Zahnstangenlenkgetriebe ausgebildet ist. Das Lenkgetriebe 11 ist über ein Ritzel 12a und eine Zahnstange 12b auf jeder Fahrzeugseite mit einem Lenkgestänge 13, das jeweils mit einem Rad 14 zusammenwirkt, verbunden.
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In 1 ist eine Kraft 15 dargestellt, die von außen auf das Lenksystem 1 einwirkt. Die Kraft 15 kann beispielsweise durch Spurrillen oder durch einen Seitenwind erzeugt werden.
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Das Lenksystem 1 weist ferner einen Drehmomentsensor 16 auf, mittels dessen ein aktuelles Drehmoment M1 des Drehstabs 9 erfassbar ist. Der Drehmomentsensor 16 ist über eine Datenleitung mit dem Steuergerät 3 verbunden.
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Das Lenksystem 1 weist außerdem einen Sensor 17 auf, mittels dessen eine aktuelle Motorwinkelgeschwindigkeit φ . erfassbar ist. Der Sensor 17 ist über eine Datenleitung mit dem Steuergerät 3 verbunden.
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Das in 1 dargestellte Lenksystem 1 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Hierbei wird das Lenkmoment M1 für eine robuste Erkennung einer Fahrerschläfrigkeit beziehungsweise eines Ermüdungszustandes des Fahrers herangezogen. Mittels des Drehmomentsensors 16 kann das gesamte an dem Drehstab angreifende Drehmoment M1 gemessen werden.
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Dynamisch betrachtet ist dieses von dem Drehmomentsensor 16 gelieferte Signal jedoch nicht äquivalent zu dem allein von dem Fahrer aufgebrachten Lenkmoment. Es wurde beobachtet, dass eine auf das vollständige Drehmoment M1 basierende Erkennung eines Ermüdungszustands stark fehlerbehaftet ist. Dies ist darin begründet, dass die Erkennung der Ermüdungszustände durch Beobachten und Vergleichen eines Drehmomentverlaufs mit einem Referenzverlauf erfolgt. Hierbei wird beispielsweise geprüft, ob für eine vorgegebene Zeitspanne keine Veränderung des Drehmoments M1 über einer vorgebbaren Schwelle erfolgt. Ist dies der Fall, so wird darauf geschlossen, dass der Fahrer ermüdet ist, denn in nicht ermüdetem Zustand wird von dem Fahrer regelmäßig eine Lenkaktivität vorgenommen, welche das Aufbringen eines Moments auf das Lenkrad 10 zur Folge hat und gemäß dem Stand der Technik mittels eines Drehmomentsensors 16 erfasst wird. Das bekannte Verfahren ist jedoch fehlerbehaftet, da eine von außen einwirkende Kraft 15 ebenfalls eine Veränderung des erfassten Drehmoments M1 bewirkt. Bei den bekannten Verfahren erfolgt keine Unterscheidung über die Ursache des Drehmoments M1, so dass jede einen vorgegebenen Schwellwert überschreitende Veränderung des Drehmoments M1 dazu führt, dass die Zeitspanne von Neuem zu laufen beginnt, deren Ablauf für das Erkennen eines Ermüdungszustands notwendig ist.
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Der oben geschilderte Zusammenhang ist in 2 dargestellt. 2 zeigt eine erste Kurve 20, die einen möglichen Verlauf des Drehstabmoments M1 zeigt. Eine zweite Kurve 21 zeigt das tatsächlich von einem Fahrer aufgebrachte aktive Fahrermoment M2aktiv.
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In
2 sind Zeitpunkte T
1, T
2, T
3 und T
4 dargestellt. T
1 zeigt einen Zeitpunkt, an dem das von dem Fahrer aufgebrachte Fahrermoment M2
aktiv und das Drehstabmoment M1 beziehungsweise die Amplitude dieser Momente unter einen vorgebbaren Schwellwert S1 sinken. Die Zeitspanne zwischen T
1 und einem Zeitpunkt T
4 gibt beispielhaft die Zeitdauer an, nach deren Ablauf auf einen Ermüdungszustand geschlossen werden soll, wenn innerhalb dieser Zeitspanne das aktive Fahrermoment M2
aktiv unterhalb des vorgegebenen Schwellwerts (S1) bleibt. Wie in
2 ersichtlich, wird zwischen den Zeitpunkten T
1 und T
4 von dem Fahrer kein Moment aufgebracht, das den vorgegebenen Schwellwert S1 überschreitet. Es müsste deshalb spätestens zum Zeitpunkt T
4 auf einen Ermüdungszustand geschlossen werden. Zu den Zeitpunkten T
2 und T
3 erfolgt jedoch eine Veränderung des Drehstabmoments M1 beziehungsweise dessen Amplitude derart, dass der Schwellwert S1 überschritten wird. Die Veränderung des Drehstabmoments kann durch von außen einwirkende Kräfte
15, beispielsweise aufgrund von Fahrbahnunebenheiten, verursacht werden. Diese Veränderung des Drehstabmoments M1 an den Zeitpunkten T
2 und T
3 bewirkt jedoch, dass die durch die Zeitpunkte T
1 und T
4 beispielhaft dargestellte Zeitspanne unterbrochen wird. Es wird folglich in dem Zeitpunkt T
4 ein Ermüdungszustand des Fahrers nicht erkannt, obwohl das von dem Fahrer tatsächlich aufgebrachte aktive Fahrermoment M2
aktiv den Schwellwert S1 zwischen den Zeitpunkten T
1 und T
4 nicht überschreitet. Aufgrund dieser Beobachtung wird deshalb erfindungsgemäß das von dem Fahrer tatsächlich aufgebrachte aktive Fahrermoment M2
aktiv ermittelt. Hierzu wird gemäß einem Ausführungsbeispiel zunächst das gesamte von dem Fahrer aufgebrachte Lenkradmoment M2 ermittelt. Das tatsächlich von dem Fahrer aufgebrachte Lenkradmoment M2 resultiert aus dem Drehstabmoment M1 und einem Anteil, der eine Trägheit J des Lenkrads darstellt, multipliziert mit einer Lenkwinkelbeschleunigung. Das tatsächlich aufgebrachte Lenkradmoment M2 kann wie folgt ermittelt werden:
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3a ist ein Blockschaltbild dargestellt, das eine mögliche Realisierung der oben dargestellten Formel zeigt. Das Blockschaltbild umfasst einen Differenzierer 30, der eine Lenkwinkelbeschleunigung durch Bildung der zweifachen zeitlichen Ableitung aus dem Lenkwinkel δ berechnet. Der Lenkwinkel δ wird beispielsweise mittels des Sensors 17 erfasst und an das Steuergerät 3 übermittelt.
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Die mittels des Differenzierers 30 gebildete Lenkradwinkelbeschleunigung wird mit einem Wert J multipliziert, der eine Trägheit des Lenkrads angibt. Die Trägheit J wird beispielsweise als Wert oder als Kennlinie in einem Speicherbereich des Speichers 5 in dem Steuergerät 3 bereitgehalten. Die Differenz aus dem so gebildeten Produkt und dem erfassten Drehstabmoment M1 entspricht dann dem Lenkradmoment M2. In einem weiteren Schritt wird nun ein passives Lenkmoment M3 subtrahiert und ein aktives Fahrermoment M2aktiv gebildet.
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Das Lenkradmoment M2 besteht im Allgemeinen aus zwei Anteilen, einem aktiven Anteil M2aktiv, der bewusst vom Fahrer aufgebracht wird, um das Fahrzeug zu lenken und einem passiven Anteil M3, welcher aus der Interaktion mit der Umgebung resultiert. Der passive Anteil M3 kann durch Störgrößen, wie beispielsweise Fahrbahnunebenheiten, entstehen. In diesen Fällen beeinflussen die Störgrößen das Lenkmoment mittels des Moments M3, wobei dieses Moment M3 nicht vom Fahrer aufgebracht worden ist.
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Um nun die notwendige Robustheit bei der Erkennung eines Ermüdungszustands zu erhalten und dennoch für die Erkennung des Ermüdungszustands ein Lenkmomentsignal heranzuziehen, wird erfindungsgemäß der rein aktive Anteil M2aktiv des Lenkradmoments M2 bestimmt. Es wird dann der Verlauf des aktiven Fahrermoments M2aktiv zur Bestimmung des Vorliegens eines Ermüdungszustands herangezogen. Mittels des reinen, aktiven Fahrermoments M2aktiv ist eine gegenüber den bekannten Verfahren deutlich zuverlässigere Detektion des Ermüdungszustands des Fahrers möglich.
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Passive Momentenanteile M3 weisen einen charakteristischen Verlauf auf, der auf der Grundlage von statistischen und zeitlichen Referenzgrößen, wie beispielsweise einem Gradienten oder Amplituden des aufgebrachten Moments, sowie mittels Messungen oder Schätzungen von den aktiven Anteilen unterschieden werden kann.
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Bei der in
3a dargestellten Ausführungsform wird die Lenkwinkelbeschleunigung durch eine zweifache zeitliche Ableitung des Lenkwinkelsignals mittels des Differenzierers
30 gewonnen. Das Lenkwinkelsignal ist jedoch häufig verrauscht, so dass die zweifache zeitliche Ableitung dieses Lenkwinkelsignals wenig aussagekräftig sein kann. Vorzugsweise wird deshalb die Lenkwinkelbeschleunigung aus einer zeitlichen Ableitung einer Motorwinkelgeschwindigkeit φ . des Elektromotors
7 wie folgt bestimmt:
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Die Motorwinkelgeschwindigkeit φ . steht bei Elektrolenkungen häufig als Messgröße zur Verfügung und kann für das erfindungsgemäße Verfahren somit ohne weiteren Aufwand verwendet werden. Der in obiger Gleichung dargestellte Wert K bildet einen Umrechnungsfaktor, welcher in Form eines Kennfeldes im Steuergerät abgelegt sein kann.
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Diese bevorzugte Ausführungsform ist in 3b ebenfalls in Form eines Blockschaltbilds, analog zu 3a, dargestellt.
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Grundsätzlich zeigt das Lenkverhalten eines ermüdeten Fahrers das folgende charakteristische Verhalten bzw. den hierdurch bedingten Signalverlauf an:
- – Zunächst verbleibt das Lenkradmoment M2 mindestens für eine erste Zeitdauer unterhalb einer maximalen Amplitude.
- – Nach Ablauf dieser ersten Zeitdauer erfolgt nun eine (verzögerte) Reaktion des Fahrers in der Form, dass das Lenkmoment einen festgelegten Minimalwert, also eine bestimmte Amplitude, überschreitet.
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Aufgrund der verspäteten Reaktion des Fahrers wird zur Korrektur ein deutlich überhöhtes Moment von dem Fahrer aufgebracht. Ein solcher Verlauf eines Lenkmoments zeigt mit hoher Wahrscheinlichkeit das Vorliegen eines Ermüdungszustands an. Ferner kann eine Ruhephase ausgewertet werden, wenn nämlich keine Korrektur erfolgt. Vorzugsweise wird für die Feststellung eines Ermüdungszustands eine Mehrzahl von derartigen Signalverläufen detektiert und statistisch ausgewertet. Erst wenn diese Mehrzahl von Signalverläufen einen Ermüdungszustand anzeigt, wird beispielsweise ein akustisch oder haptisch wahrnehmbares Warnsignal ausgegeben.
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Um ein nochmals verbessertes Verfahren und eine nochmals erhöhte Sicherheit beim Erkennen eines Ermüdungszustands zu erreichen, wird zusätzlich eine Reaktion des Fahrers auf Momente untersucht, die zusätzlich, beispielsweise mittels des Elektromotors 7, erzeugt werden. Diese sogenannten Zusatzmomente sind damit eine Art virtuelles Ereignis, das von dem Fahrer eine Reaktion erfordert. Damit kann in deutlich kürzeren Zeitabständen eine Reaktion von dem Fahrer erhalten und ausgewertet werden, so dass rascher und sicherer ein Ermüdungszustand erkennbar ist. Durch die Erzeugung der virtuellen Ereignisse beziehungsweise der synthetisierten Lenkmomente und die dadurch geschaffenen künstlichen Fahrsituationen wird die Reaktion des Fahrers hierauf ausgewertet. Bevorzugt werden mittels der Aufschaltung eines Zusatzmoments virtuelle Ereignisse wie Spurrillen oder Bahngleise, ein Einfluss von Seitenwind und/oder Störeinflüsse von Fahrbahnunebenheiten erzeugt. Die entsprechende Gestaltung der Zusatzmomente kann beispielsweise in dem Steuergerät abgelegt sein. Die Reaktion des Fahrers auf diese virtuellen Ereignisse wird dann in definierten Abständen erfasst und ausgewertet. Tritt eine hohe Abweichung zwischen den Fahrerreaktionen auf, so kann hieraus auf eine ansteigende Ermüdung des Fahrers geschlossen werden.
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Vorzugsweise wird zunächst die Fahrerreaktion auf die virtuellen Ereignisse erfasst und abgespeichert, wenn davon ausgegangen werden kann, dass der Fahrer sich in ausgeruhtem Zustand befindet (beispielsweise bei Fahrtantritt). Es kann dann ein Vergleich der Reaktionen des Fahrers mit den zu Beginn erfassten und abgespeicherten Reaktionen des Fahrers erfolgen. Unterscheiden sich diese in signifikanter Weise, kann von einer zunehmenden Müdigkeit und/oder Ablenkung des Fahrers ausgegangen werden.
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Vorteilhafterweise wird die Reaktion des Fahrers beim Eintreten, während der Bewältigung und/oder beim Austreten aus der jeweiligen virtuellen Fahrsituation erfasst und ausgewertet. Die Reaktion des Fahrers kann mittels objektiver Messgrößen beschrieben werden. Diese Messgrößen sind beispielsweise ein Lenkwinkel, eine Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Gierrate. Durch Vergleich der ermittelten Werte mit Referenzwerten lässt sich dann eine Aussage über die Reaktionszeit, die Reaktionsstärke, die Korrekturdauer, die Ausregelstrategie und dergleichen treffen. Derartige statistische Verfahren zur Auswertung der relevanten Größen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.