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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Beanspruchungsniveaus eines Fahrers eines Fahrzeugs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Die
CN 202 060 786 U beschreibt, dass eine Beanspruchung oder ein Beanspruchungsniveau des Fahrers eines Fahrzeugs bestimmt werden kann. Hierbei können physiologische Daten des Fahrers verwendet werden, die z.B. mittels eines Augentrackers gewonnen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bestimmen eines Beanspruchungsniveaus eines Fahrers sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung beschäftigt sich mit der Bestimmung eines Beanspruchungsniveaus eines Fahrers eines Fahrzeugs. Hierbei wird das (insbesondere auch zukünftige bzw. prognostizierte) Beanspruchungsniveau basierend auf geostatischen Daten, die z.B. (implizit) Kurvenradien oder Änderungen von Kurvenradien einer zu fahrenden Strecke (oder Route) umfassen, bestimmt oder geschätzt. Dies kann z.B. auch für eine Strecke im Voraus erfolgen.
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Unter einem Beanspruchungsniveau (oder auch allgemein der Beanspruchung) des Fahrers ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Größe zu verstehen, die ein Ausmaß einer Beschäftigung des Fahrers mit dem Fahrzeug angibt, damit der Fahrer die (aktuelle) Fahrsituation beherrschen kann. So würde z.B. eine höhere Herzfrequenz des Fahrers einen Hinweis auf ein höheres Beanspruchungsniveau geben. In diesem Sinne kann das Beanspruchungsniveau auch als Stresslevel bezeichnet werden.
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Die Erfinder haben erkannt, dass es einen Zusammenhang geostatischer Daten einer Strecke und dem davon hervorgerufenen Beanspruchungsniveau des Fahrers gibt. Hierbei besonders relevante geostatischen Daten sind die Daten, welche den Kurvenverlauf der Strecke beschreiben. Dazu gehören die Kurvenradien, wobei sich zur Vereinfachung zu jeder Kurve ein normierter Krümmungsradius bestimmen lässt. Dies kann auf verschiedene Arten berechnet werden. Beispielsweise lässt sich durch ein Verfahren nach Hermann et al., A comparative study on 2d curvature estimators, in 2007 International Conference on Computing: Theory and Applications (ICCTA‘07), IEEE, 2007, pp. 584-589), ein Kreis über jeweils drei Punkte auf einem Streckenabschnitt platzieren, dessen Kurvenradius dann bestimmt wird. Diese Punkte müssen auf der gesamten Strecke äquidistant (bspw. mit einem Abstand 4,5m) verteilt werden, um so sämtliche Kurven zu erfassen. Der normierte Kurvenradius ergibt sich aus einer Metrik, welche für einen Abschnitt die Kurvenradien der o.g. Punkte in das Intervall [0...1] normiert. Dies dient zum Vergleich verschiedener Kurven.
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Je kleiner der Krümmungsradius, desto höher ist das Beanspruchungsniveau. Der relevante Krümmungsradius kann hierbei z.B. zwischen 9 m (minimaler Wenderadius eines Autos) und nahezu 1.000 m liegen. Nach Diem et al., Blickverhalten von Kraftfahrern im dynamischen Straßenverkehr, Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2004, Utz, München, 2005, sind Strecken mit einem Kurvenradius von mehr als 450 m als „gerade“ Strecken zu betrachten. Der Kurvenradius liegt dann zum Beispiel zwischen 30 m (sehr enge, innerstädtische Kurve) und 400 m (lang-gezogene Kurve auf Landstraße). Die Bestimmung der Beanspruchung kann durch weitere Parameter wie z.B. Sichtverhältnisse, Kurvensicht, Spurbreite und dergleichen erweitert und verbessert werden.
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Generell bezeichnet das Beanspruchungsniveau jene kognitive Kapazität, welche für die Bewältigung der aktuellen Fahrsituation benötigt wird. Ein Fokus liegt hierbei insbesondere auf der primären Fahraufgabe (Steuern des Fahrzeugs). Wenngleich die Wahrnehmung einer Person sehr subjektiv ist, kann durch Normalisierung der Werte eine Vergleichbarkeit erreicht werden. So kann dem Beanspruchungsniveau ein Wert zwischen z.B. 0 und 1 zugewiesen werden. Ein im Rahmen der Erfindung bestimmter Wert des Beanspruchungsniveaus kann also z.B. in Prozent angegeben werden.
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Zu diesen Daten gehört auch eine Änderungsgeschwindigkeit der Kurvenradien. Diese gibt an, wie groß die Schwankung der Kurvenradien in Relation zur Distanz auf einem Streckenabschnitt ist. Dies beinhaltet sowohl die Veränderung der Kurvenradien (von mehreren Kurven) auf diesem Abschnitt als auch eine Veränderung in Relation zu vorherigen und/oder nachfolgenden Streckenabschnitten. Eine Normierung findet z.B. durch die Distanz der Streckenabschnitte statt. Dieser Wert stellt ein weiteres geostatisches Datum dar, aus welchem sich Beanspruchungsinformationen ableiten lassen. Je kleiner die Änderungsgeschwindigkeit, desto kleiner ist das Beanspruchungsniveau.
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Beispielsweise kann im Rahmen einer Routenberechnung eine Reihe von befahrenen Streckenabschnitten kalkuliert werden. Dann können die Beeinflussungsfaktoren auf das Beanspruchungsniveau dieser Streckenabschnitte (ein Streckenabschnitt kann hierbei sowohl durch eine feste Distanz von bspw. 1.000 m oder aber auch durch eine Kante innerhalb eines Kostengraphen des Navigationsalgorithmus dargestellt werden; eine Kante stellt dabei eine Strecke bis zum nächsten Knoten, bspw. einer Kreuzung oder Abbiegemöglichkeit, dar) auf Basis der o.g. (und potentiell weiterer) geostatischer Parameter vorberechnet. Durch die Quantifizierung des Einflusses dieser geostatischen Parameter ist es nun möglich, entweder die Strecke diesbezüglich zu optimieren oder aber die Information im Fahrzeug zu nutzen.
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Anhand der Trajektorie der zu befahrenden Strecke kann dann für diese Strecke mittels einer Rechenvorschrift bzw. Metrik sehr einfach das Beanspruchungsniveau bestimmt werden. Damit ist also eine Vorhersage eines Beanspruchungsniveaus ohne Zeitverzug möglich, da die geostatischen Daten z.B. anhand geeigneter (kostengünstig und typischerweise für überall verfügbare) Kartendaten vorhanden sind. In Bezug auf die konkret zu fahrende Strecke bzw. Route kann hierbei z.B. auch auf ein durch den Fahrer vorgegebenes Ziel und die hierfür (durch z.B. ein Navigationssystem) verwendete Route zurückgegriffen werden. Hierbei kommen auch mehrere Nutzungsszenarien in Betracht: z.B. eine Situation, in der während der Fahrt ohne aktive Navigation trotzdem bekannt ist, welche Fahrsituation in Zukunft eintreten wird; ebenso z.B. eine Situation, in der während der Navigation eine relativ hohe langfristige Sicherheit der Abfolge der Strecken vorliegt. Zusätzlich können die Informationen auch schon bei der Streckenplanung genutzt werden.
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Außerdem ergibt sich damit die Möglichkeit der Bewertung von bisher durch den Fahrer unbefahrenen Streckenabschnitten hinsichtlich des Beanspruchungsniveaus des Fahrers.
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Bevorzugt wird basierend auf dem bestimmten Beanspruchungsniveau auch wenigstens eine Funktion (oder Anwendung) in dem Fahrzeug ausgeführt, insbesondere durch Ansteuern einer Recheneinheit bzw. eines Steuergeräts des Fahrzeugs. Hierunter kann insbesondere das Anpassen der zu fahrenden Strecke fallen, d.h. wenn eine gewählte Route z.B. ein hohes Beanspruchungsniveau für den Fahrer aufweist oder erwarten lässt, kann eine alternative Route mit einem geringeren Beanspruchungsniveau gewählt werden, die damit zu weniger Stress beim Fahrer führt. Hierzu kann z.B. ein Navigationssystem entsprechend angesteuert werden. Denkbar ist z.B. auch, dass durch eine Kalibrierung auf einen bestimmten Fahrer für diesen z.B. Routenempfehlungen erzeugt werden. Dies bedeutetet z.B. auch, dass einem Fahrer, der sich robuster gegenüber gewissen geographischen Faktoren zeigt (bspw. viele Kurven, Aufkommen von Kuppen) solche Routen ebenfalls vorgeschlagen werden. Anderen Fahrern werden diese Routen nur nachrangig empfohlen. Auch dies lässt sich z.B. durch entsprechende Ansteuerung des Navigationssystems erreichen. Ebenso kann hierunter allgemein eine Erkennung von anspruchsvollen Strecken fallen, also eine Erkennung von Strecken, die ein hohes Beanspruchungsniveau aufweisen.
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Weiterhin kann eine solche Funktion situationsbedingte Handlungsempfehlungen für den Fahrer umfassen, d.h. es kann z.B. in einem Display eine Anzeige erfolgen, die dem Fahrer eine Richtgeschwindigkeit o.ä. empfiehlt. Entsprechend kann also z.B. ein Displaysteuergerät angesteuert werden. Denkbar sind nicht nur Handlungsempfehlungen, sondern auch Aktionen bzw. (automatisch ausgeführte) Handlungen wie z.B. ein (automatisiertes) Bremsen z.B. durch Ansteuerung des Bremsregelsystems, wenn z.B. das Beanspruchungsniveau einen bestimmten Schwellwert übersteigt, die Anpassung des Nutzerinterfaces oder die Limitierung der Höchstgeschwindigkeit auf einem bestimmten Streckenabschnitt, z.B. durch Ansteuerung eines Steuergeräts, das die Umsetzung des Fahrpedals vornimmt. Die Höhe des Beanspruchungsniveaus kann beispielsweise auch bei der Ansteuerung von Motor-, Fahrwerk- bzw. Antriebsstrangsteuergeräten berücksichtigt werden, indem beispielsweise bei Strecken mit einem höheren Beanspruchungsniveaus eine maximal mögliche Beschleunigung beschränkt oder reduziert wird, oder eine Federung härter eingestellt wird.
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Vorzugsweise wird das Beanspruchungsniveau weiterhin unter Berücksichtigung physiologischer Daten des Fahrers und/oder geographischer und/oder Umweltdaten bestimmt. Insbesondere kann das basierend auf den geostatischen Daten bestimmte Beanspruchungsniveau damit angepasst oder verbessert werden, insbesondere auch spezifisch für einen bestimmten Fahrer. So kann z.B. dann, wenn festgestellt wird, dass das tatsächliche Beanspruchungsniveau, das. z.B. anhand einer (z.B. gemessenen) Herzfrequenz und/oder eines (z.B. gemessenen) Hautstromleitwerts des Fahrers bestimmt wird, höher oder niedriger ist, als anhand der geostatischen Daten bestimmt, in Zukunft die Bestimmung des Beanspruchungsniveaus aus den geostatischen Daten angepasst werden, d.h. die Rechenvorschrift, um aus den geostatischen Daten das Beanspruchungsniveau zu bestimmen, wird personenabhängig (und entsprechend ggf. vorhandener Messdaten) verändert. Ein bestimmter Kurvenradius wird dann z.B. einem geringeren oder höheren Beanspruchungsniveau als bisher zugeordnet. Auf diese Weise ist also ein Lernen bzw. Einlernen eines zur Bestimmung des Beanspruchungsniveaus, basierend auf den geostatischen Daten, verwendeten Algorithmus oder dergleichen möglich.
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Die physiologischen Daten des Fahrers können hierzu insbesondere eine Herzfrequenz und/oder einen Hautstromleitwert umfassen, die z.B. mittels geeigneter Sensoren erfasst bzw. gemessen werden können, ggf. auch unter Verwendung eines kommunikativ angebundenen sog. Wearables (in die Kleidung integriertes oder (unmittelbar) am Körper getragenes Computersystem, das auf den Nutzer oder dessen Umwelt bezogene Daten registriert und verarbeitet) des Fahrers oder dergleichen. Solche Sensoren umfassen z.B. auch im Fahrzeug integrierte Sensoren, z.B. ein EDA-Sensor (EDA steht für elektrodermale Aktivität) am Lenkrad oder eine Ultraschallmessung der Herzfrequenz. Die geographischen und/oder Umweltdaten umfassen bevorzugt Daten wenigstens einer der folgenden Informationen in Bezug auf die zu fahrende Strecke: Wetter, aktuelle und/oder historische Verkehrslage, Verkehrssituation (z.B. Baustellen, Gefahrenstellen) Anzahl an Fahrspuren, Spurbreite, Geschwindigkeitsbegrenzungen, Steigungen, Gefälle, Anzahl und/oder Art von Kuppen und Senken, sowie Sichtweite und/oder Verdeckungen auf der Strecke, z.B. bei Kurven oder Gefahrstellen. Diese Daten lassen sich z.B. ebenfalls messen bzw. mittels Sensoren erfassen. So können diese Daten z.B. beim Befahren einer Strecke mittels Kamera und/oder GPS-Sensor und/oder Geschwindigkeitsmessung und/oder Inertialsensor erfasst werden. So kann z.B. die Anzahl und Breite der Fahrspuren mittels der Kamera erfasst und entsprechend ausgewertet werden. Ebenso können z.B. Geschwindigkeitsbegrenzungen mittels Kameras erfasst werden, ebenso aber auch anhand von z.B. tatsächlich gefahrener Geschwindigkeit bestimmt werden. Auch damit lässt sich das Beanspruchungsniveau genauer bestimmen bzw. präzisieren. Generell lassen sich damit aber auch weitere Erkenntnisse im Forschungsumfeld von Mensch-Maschine-Interaktionen, insbesondere in Fahrzeugen, gewinnen.
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Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist allgemein auch, dass damit im nicht nur das aktuelle oder ggf. sogar nur ein vergangenes Beanspruchungsniveau des Fahrers dargestellt wird, sondern auch eine (zuverlässige) Aussage für die Zukunft möglich ist. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren tritt nämlich keine Zeitverzögerung auf, die möglicherweise in Sensoren oder einer damit verbundenen Datenverarbeitung, oder auch in der individuellen physiologischen Reaktionszeit (z.B. Verzögerung zwischen einem Vorfall und der Erhöhung der Herzfrequenz) begründet liegt.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Fahrzeugs oder Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einer zu fahrenden Strecke, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendet werden kann.
- 2 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein Fahrzeug 100 mit einer zu fahrenden Strecke 150 dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendet werden kann. In dem Fahrzeug 100 befindet sich ein Fahrer 110, dem auf einem Anzeigemittel oder Display 120 Informationen dargestellt werden können, wie später noch näher erläutert. Außerdem ist in dem Fahrzeug 100 eine als Steuergerät ausgebildete Recheneinheit 125 gezeigt, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist und von dem z.B. auch die auf dem Anzeigemittel 120 dazustellenden Informationen erzeugt werden können.
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Die Strecke 150, hier eine kurvenreiche Straße, weist beispielhaft mehrere Kurven 160 mit verschiedenen Kurvenradien r auf und soll für die nachfolgende Erläuterung eine von dem Fahrer 110 bzw. dem Fahrzeug 100 zu fahrende Strecke darstellen.
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In 2 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, wie es z.B. mit dem in 1 gezeigten Fahrzeug bzw. der dort gezeigten Strecke 150 durchführbar ist. In dieser Ausführungsform ist neben der Bestimmung des Beanspruchungsniveaus auch dargestellt, wie eine Rechenvorschrift 230, um aus geostatischen Daten der Strecke 150 das Beanspruchungsniveau zu bestimmen, erhalten werden kann.
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Ist die zu befahrende Strecke (also z.B. die in 1 gezeigte Strecke 150) ausgewählt bzw. bekannt, werden für diese geostatische Daten 220 ermittelt. Dies kann insbesondere mittels eines Algorithmus oder einer Metrik 210 anhand einer vorhandenen Menge von geostatischen Daten 200 mit Verläufen von Straßen bzw. Strecken (sog. Straßentrajektorien) erfolgen. Diese Daten 200 können z.B. in einer Datenbank vorliegen und grundsätzlich solchen Daten entsprechen, wie sie auch für Navigationssysteme und dergleichen verwendet werden, und entsprechend durch geeignete Messungen mit z.B. Sensoren an Fahrzeugen ermittelt werden können.
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Aus den geostatischen Daten 220 wird dann mittels der Rechenvorschrift 230, die der Berechnung oder Bestimmung eines Beanspruchungsniveaus dient, das (prognostizierte) Beanspruchungsniveau 240 des Fahrers für den betreffenden Streckenabschnitt bzw. die zu fahrende Strecke bestimmt. Denkbar ist hierbei, dass das Beanspruchungsniveau in Abhängigkeit von der konkreten Position auf der zu fahrenden Strecke angegeben wird, d.h. es kann für die nächste Kurve noch geringer sein als für die darauffolgende Kurve, dann kann es auch wieder geringer werden.
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Diese Rechenvorschrift 230 stellt dabei insbesondere den Zusammenhang her zwischen den geostatischen Daten und dem Beanspruchungsniveau. Sie kann beispielsweise unter Berücksichtigung von Daten 270 erhalten werden, die z.B. im Rahmen einer Feldstudie und/oder durch (kontinuierliche) Hinzufügung z.B. durch den Fahrer gewonnen werden. Diese Daten 270 können z.B. diverse physiologische Parameter sowie die zugehörige GPS-Position umfassen. Letzteres dient der Georeferenzierung der physiologischen Daten. Als physiologische Parameter können z.B. die Herzfrequenz des Fahrers und dessen Hautleitwert ausgewählt werden, da diese die maximale wissenschaftliche Signifikanz und Sensitivität zur Erfassung des Beanspruchungsniveaus zeigen. Diese Werte dienen damit z.B. als Approximation der sog. „Ground Truth“. So lässt sich eine Korrelation des Kurvenradius und des Beanspruchungsniveaus herleiten.
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Aus den Daten 270 können dann z.B. durch eine Regressionsanalyse oder eine andere statistische Analyse 275 Regressionsparameter 280 gefunden werden, die diese Korrelation zwischen Kurvenradius und Beanspruchungsniveaus darstellen.
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Aus den so bestimmten Regressionsparametern lässt sich die erwähnte Rechenvorschrift 230 zur Berechnung des Beanspruchungsniveaus 240 erstellen, die dann lediglich z.B. eine Straßentrajektorie bzw. deren geostatische Daten als Eingangsdatum benötigt und so das geschätzte Beanspruchungsniveau 240 liefert.
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Außerdem können zusätzlich weitere (geographische) Daten 250 berücksichtigt werden, welche durch eine Metrik 255 formalisiert werden, damit in der Funktion 230 berücksichtigbare, formalisierte Daten 260 erhalten werden. Unter einer Formalisierung ist hier insbesondere eine Quantifizierung einer Eigenschaft, auf welche untersucht werden soll, zu verstehen. Bei den Kurvenradien erfolgt dies z.B. durch die o.g. Metrik. Ein Beispiel wäre die Bestimmung der Spurbreite für einen Streckenabschnitt, was während des Fahrens oder aus erfassten Daten erfolgen kann. So können die Daten 250 z.B. Daten über das Wetter, die (historische) Verkehrslage, ggf. auch das persönliche Empfinden des Fahrers sowie geographische Informationen (z.B. Anzahl der Spuren, Spurbreite, Geschwindigkeitsbegrenzung, Gefälle, Auftreten von Kuppen und Senken) umfassen. Jeder dieser Parameter kann auf diese Weise (separat) formalisiert und der Rechenvorschrift 230 zugeführt werden.
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Mögliche Funktionen oder Anwendungsfälle 245 für das so ermittelte Beanspruchungsniveau 240 sind z.B. eine personalisierte Routenvorhersage, eine Erkennung von anspruchsvollen, „stressigen“ Routen, situationsbedingte Handlungsempfehlungen, die z.B. auf dem erwähnten Anzeigemittel dargestellt werden können, ggf. durchzuführenden Aktionen sowie weitere Erkenntnisse im Forschungsumfeld in der Mensch-Maschine-Interaktion.
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In 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei dem anhand eines Beanspruchungsniveaus, das bestimmt worden ist, eine entsprechende Funktion im Fahrzeug ausgeführt wird.
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Wenn ein Beanspruchungsniveau 300 bestimmt worden ist (wie auch in Bezug auf 2 schon erläutert), kann dies z.B. einen niedrigen Wert 310 aufweisen, bei dem nichts weiter zu unternehmen ist. Wenn es aber einen hohen bzw. höheren Wert 320 aufweist, der beispielsweise oberhalb eines Schwellwerts liegt, wird eine bestimmte Funktion 330 ausgeführt. Dies umfasst z.B. die Ansteuerung einer Recheneinheit 340, z.B. eines Bremsregelsystems, um - bei dem hohen Beanspruchungsniveau - eine zu schnelle Fahrt zu verhindern. Es versteht sich, dass für jede betroffene Funktion ein eigener Schwellwert vorgesehen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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