Forschung Smarte Sensoren und KI entlasten gestresste Autofahrer

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Fraunhofer-Forschende haben ein System entwickelt, das die kognitive Belastung beim Steuern eines Autos überwacht. Ist die Belastungsgrenze erreicht, kann die Technik künftig den Menschen entlasten. Dafür nutzen sie ein Sensor-Netzwerk – und ein PC-Spiel für virtuelles Sushi-Zubereiten.

Autofahren erscheint so selbstverständlich, dass vielen kaum noch bewusst ist, welche enormen Informationsmengen der Mensch am Steuer verarbeiten muss. Das Display meldet Werte wie Geschwindigkeit, Drehzahl und Tankfüllung, das Navi zeigt die Route an, Ampeln, Straßenschilder und andere Verkehrsteilnehmer sind zu beachten. Hinzu kommen eventuell die Unterhaltung mit dem Beifahrer oder die Nachrichten im Autoradio. Gefährlich kann es werden, wenn der Fahrer die Grenze seiner kognitiven Belastungsfähigkeit erreicht – und dann in einer kritischen Verkehrssituation blitzschnell die richtige Entscheidung treffen muss.

Faszination Technik

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Sensoren und KI als Basis

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen arbeiten an einem System, das Menschen bei komplexen Tätigkeiten in unterschiedlichen Anwendungen oder Situationen unterstützt und dabei ihre kognitive Belastungsgrenze berücksichtigt. Sie entwickeln hierfür zwei Technologien:

• Ein Sensor-Netzwerk misst Biosignale wie Puls, Atemfrequenz oder Bewegungen.

• KI-gesteuerte Algorithmen erkennen, wenn ein Mensch die Grenze seiner individuellen kognitiven Belastungsfähigkeit erreicht.

Die Auswertung der Biosignale wurde mithilfe von Studien entwickelt, in denen die Forschenden den Zusammenhang zwischen Biosignalen und kognitiver Belastung bei Probanden untersucht haben. Im praktischen Einsatz kann das System dafür sorgen, dass die Fahrzeugelektronik dem Fahrer oder der Fahrerin beispielsweise bestimmte Aufgaben abnimmt und damit die Komplexität reduziert oder einfach eine Pause an der nächsten Raststätte empfiehlt.

Mobiles und multimodales Sensor-Netzwerk

Um das Konzept zu realisieren, haben die Fraunhofer-Forschenden das Sensor-Netzwerk Maphera entwickelt. Die Sensorsysteme lassen sich in Textilien oder auch beispielsweise in Armbänder und sogenannte Smart Patches einbauen – intelligente, meist hautaufklebbare Sensoren, die kontinuierlich Biosignale überwachen. Übertragen werden die Daten via Bluetooth LE (Low Energy).

Was simpel klingt, birgt eine technische Herausforderung:

• Denn verschiedene Sensoren sind auch mit Mikrocontrollern ausgestattet, die jeweils Unterschiede in den Taktfrequenzen aufweisen.

• Bei einer Kurzzeitmessung ist das kein Problem. Doch bei einer Nutzung während einer Autofahrt oder im Bereich der Arbeitssicherheit laufen die Messungen oft über mehrere Stunden. Hier addieren sich die zeitlichen Drifts, und die Biosignale werden asynchron, das heißt, sie lassen sich nicht mehr demselben Zeitpunkt zuordnen.

• Den Fraunhofer-Forschenden ist es gelungen, die zeitlichen Drifts der Mikrocontroller beim Sammeln der Sensordaten einzuberechnen.

Mit Computerspielen die kognitive Belastung testen

Der zweite Teil des umfangreichen Forschungsvorhabens konzentriert sich auf den Zusammenhang zwischen Biosignalen und kognitiver Belastung. Die Probanden sitzen jeweils in einer Expositionskabine, in der sie ungestört von äußeren Einflüssen wie Temperaturänderungen, Zugluft oder Lärm sind.

Hier lösen sie Aufgaben mit steigendem Schwierigkeitsgrad. Dazu dürfen die Versuchspersonen Computerspiele spielen. Als Koch oder Küchenkraft im Sushi-Restaurant nehmen sie Bestellungen auf und stellen ein Sushi-Gericht zusammen. Mit der Zeit steigen die Zahl der Bestellungen und die Komplexität der bestellten Gerichte. Währenddessen registrieren Sensoren die Biosignale des Körpers. Die so erfassten Daten werden gesammelt und mit dem sogenannten n-back-Test kombiniert, ein Standardtest der Psychologie, der kognitive Fähigkeiten wie Aufmerksamkeit und Erinnerungsvermögen prüft. Im Anschluss an die Tests folgen individuelle Interviews mit den Versuchspersonen.

Dr. Nadine Lang-Richter, Gruppenleiterin Medizinische Datenanalyse am Fraunhofer IIS, sagt: "Im letzten Schritt führen wir alle Informationen zusammen und analysieren diese mithilfe von KI-Algorithmen, die wir selbst entwickelt haben. Damit erstellen wir ein individuelles kognitives Belastungsprofil des Menschen."

Für Driver-Monitoring-Systeme in Neuwagen geeignet

Solche Systeme könnten den Autofahrer oder die Autofahrerin mit Sensoren, darunter auch Kameras, beobachten und beim Erreichen der kognitiven Belastungsgrenze eingreifen. Automobilhersteller haben großes Interesse an der Technik, denn im Rahmen einer EU-Verordnung (EU, 2019/2144 General Safety Regulation) sind ab 2026 kamerabasierte Driver-Monitoring-Systeme (DMS/Advanced Driver Distraction Warning) in Neuwagen vorgeschrieben. Diese sollen prüfen, ob der Mensch am Steuer aufmerksam ist. Das gilt auch für selbstfahrende Autos. Auch hier muss der Fahrer oder die Fahrerin aufmerksam bleiben, um im Notfall schnell eingreifen zu können.

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