DE102010045678A1 - Method for monitoring driver condition, involves determining driver condition on basis of track information and comparing track information with deposited samples of track information - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Fahrerzustands, bei dem der Fahrerzustand anhand von mit dem Fahrerzustand korrelierenden Spurinformationen ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des Fahrerzustand die Spurinformationen mit hinterlegten Mustern von Spurinformationen verglichen werden.The invention relates to a method for monitoring a driver state, in which the driver state is determined on the basis of track information correlated with the driver state, the lane information being compared with stored patterns of lane information for determining the driver state.
Es ist allgemein bekannt, dass die Mehrzahl an Straßenunfällen primär auf ein Fehlverhalten des Fahrers des Fahrzeugs zurückzuführen ist. Bei vorhandener Schläfrigkeit des Fahrers wird das Risiko eines Zusammenstoßes oder eines Beinahe-Zusammenstoßes um ein Vielfaches erhöht.It is well-known that the majority of road accidents are primarily due to a misconduct of the driver of the vehicle. If the driver is drowsy, the risk of a collision or near collision is increased many times over.
Aus dem Stand der Technik sind deshalb verschiedene Verfahren zur Überwachung eines Fahrerzustands bekannt, bei welchen die Schläfrigkeit bzw. Müdigkeit des Fahrers erfasst werden. Die Schläfrigkeit wird dabei anhand einer Analyse des aktuellen Fahrstils des Fahrers erfasst. Zur Bewertung von Maßen der Schläfrigkeit werden Spurinformationen ermittelt, welche mit dem durch die Schläfrigkeit beeinträchtigten Fahren besonders korrelieren.From the prior art, therefore, various methods for monitoring a driver's condition are known, in which the drowsiness or fatigue of the driver are detected. The drowsiness is detected by an analysis of the current driving style of the driver. To assess sleepiness, lane information is determined which is particularly correlated with drowsiness-impaired driving.
Derartige Verfahren zur Bewertung von Maßen der Schläfrigkeit anhand von Spurinformationen, welche mit dem durch die Schläfrigkeit beeinträchtigten Fahren besonders korrelieren, sind aus
Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Überwachung eines Fahrerzustands anzugeben.The invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved method for monitoring a driver's condition.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a method having the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
In einem Verfahren zur Überwachung eines Fahrerzustands wird der Fahrerzustand anhand von mit dem Fahrerzustand korrelierenden Spurinformationen ermittelt, wobei zur Ermittlung des Fahrerzustands die Spurinformationen mit hinterlegten Mustern von Spurinformationen verglichen werden.In a method for monitoring a driver state, the driver state is determined on the basis of track information correlated with the driver state, the lane information being compared with stored patterns of lane information for determining the driver state.
Erfindungsgemäß werden die Spurinformationen aus odometrischen Fahrzeugdaten ermittelt, welche aus mittels zumindest eines Inertialsensors erfassten Sensordaten ermittelt werden. Allgemein soll der Begriff „Spurinformation” den Bewegungsverlauf des Fahrzeugs bezüglich der Fahrbahn mit umfassen.According to the invention, the lane information is determined from odometric vehicle data which is determined from sensor data acquired by means of at least one inertial sensor. Generally, the term "lane information" is intended to include the course of movement of the vehicle with respect to the roadway.
Unter Intertialsensoren werden dabei Sensoren verstanden, mittels welchen translatorische und rotatorische Beschleunigungskräfte oder Bewegungsabläufe messbar sind. So sind Beschleunigungssensoren denkbar aber auch die Auswertung von Raddrehzahlen. Es können auch mehrere Inertialsensoren zu einer so genannten inertialen Messeinheit kombiniert werden, so dass die Beschleunigungen bis zu sechs Freiheitsgraden gemessen werden können. Unter der Annahme einer planaren Bewegung auf einer Fahrbahn, kann man weniger Freiheitsgrade annehmen, weil das Fahrzeug nur gieren kann und sich nicht nach unten oder oben bewegen kann.Intertial sensors are understood to be sensors by means of which translatory and rotational acceleration forces or motion sequences can be measured. So acceleration sensors are conceivable but also the evaluation of wheel speeds. It is also possible to combine several inertial sensors into a so-called inertial measuring unit, so that the accelerations can be measured up to six degrees of freedom. Assuming a planar movement on a roadway, one can assume less degrees of freedom because the vehicle can only yaw and can not move up or down.
Daraus resultiert in besonders vorteilhafter Weise, dass eine Verwendung von optischen Sensoren, insbesondere von kostenintensiven Spurkameras oder Laserscanner (LIDAR), zur Ermittlung der Spurinformationen (Spurmarkierungen) nicht erforderlich ist. Vielmehr werden als Inertialsensoren insbesondere bereits im Fahrzeug
Somit werden mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Verfügbarkeit und die Erkennungsrate von Spurinformationen ohne die Verwendung von Spurkameras zur Verbesserung der Überwachung des Fahrerzustands verbessert.Thus, by means of the method according to the invention, the availability and the recognition rate of lane information are improved without the use of lane cameras for improving the monitoring of the driver's condition.
Es könnten die Signale der Inertialsensoren aber auch ergänzend dazu verwendet werden, vorhandene Spursignale aus einer Kamera aufzubereiten, um die Spurwarnung zu verbessern. Spurwechsel könnten auch bei schlechter Spurqualität zuverlässig erkannt werden. Insgesamt können die Spurdaten verbessert werden.However, the signals of the inertial sensors could also be used in addition to prepare existing track signals from a camera in order to improve the track warning. Lane changes could be detected reliably even with poor track quality. Overall, the lane data can be improved.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
In
Die Fahrzeugtrajektorie umfasst ein Schlingern zwischen Spurmarkierungen und einen Störeinfluss der Spur- oder Straßenkrümmung. Daher werden diese Krümmungen durch ein Tiefpass-Filter entfernt, dessen Grenzfrequenz zwischen der Frequenz des Schlingerns und über der Frequenz der stärksten Kurvenkrümmung liegt. Die stärkste Kurvenkrümmung ist abhängig von der zulässigen Geschwindigkeit. Weiterhin wird die Korrelation zwischen spurbasierten und auf odometrischen Daten basierten Merkmalen sowie deren Verbindung zu Schläfrigkeit verglichen. Hierzu wurde ein Auszug einer Attention Assist Datenbank mit 294 Fahrern und über 76 000 km genutzt. Viele spurbasierte Merkmale lassen sich gut angleichen. Die odometrie-basierte Nulldurchgang-Rate liefert bessere Ergebnisse als eine kamerabasierte Ermittlung der Daten.The vehicle trajectory includes a lurching between lane markers and a disturbance of the lane or road curvature. Therefore, these bends are removed by a low-pass filter whose cut-off frequency is between the frequency of the roll and the frequency of the strongest curve curvature. The strongest curve curvature depends on the permissible speed. Furthermore, the correlation between track-based and odometric data-based features as well as their connection to drowsiness is compared. An extract of an Attention Assist database with 294 drivers and over 76,000 km was used for this purpose. Many track-based features blend well. The odometry-based zero-crossing rate gives better results than a camera-based determination of the data.
Mit den ermittelten Daten sind Fahrerüberwachungssysteme ansteuerbar. Diese Systeme zielen mittels Standardsensoren auf die Reduzierung von schläfrigkeitsbedingten Straßenunfällen ab, welche durch ermüdete und abgelenkte Fahrer verursacht wurden. Um derartige Systeme zu entwickeln und optimieren, ist eine verlässliche und akkurate Referenz für Müdigkeit oder Schläfrigkeit erforderlich. Ein bekanntes Referenzmaß für die Schläfrigkeit ist die subjektive Selbsteinschätzung eines Fahrers gemäß Karolinska Sleepiness Scale (= KSS), wie in Tabelle 1 und
Aus
Im Gegensatz zu diesen bekannten Ansätzen, welche eine Spurkamera zur Ermittlung der Spurdaten verwenden, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren und dessen Weiterbildungen odometrische Fahrzeugdaten mittels Inertialsensoren ermittelt, so dass die klassischen spurbasierten Merkmale ohne den Bedarf einer Spurkamera kalkulierbar sind. Die Hauptannahme hinter diesem Ansatz ist, dass die Straßenkrümmungen durch die odometrischen Daten bewertet werden können. Wie in
Es ist beobachtbar, dass das Schlingern in der Spur bei viel höheren Frequenzen stattfindet, so dass sie durch Hochpassfilter extrahiert werden kann. Für die Bewertung der Fahrzeugtrajektorie werden ein Kalman-Filter, ein erweiterter Kalman-Filter und/oder ein Partikelfilter sowie optional ein Fahrzeugbewegungs-Modell verwendet. Die Verwendung eines Kalman-Filters ist nicht notwendig und es gibt noch viele andere Möglichkeiten zur Ausführung einer Filterfunktion.It can be observed that the lurching in the track takes place at much higher frequencies so that it can be extracted by high pass filters. For the evaluation of the vehicle trajectory, a Kalman filter, an extended Kalman filter and / or a particle filter and optionally a vehicle motion model are used. The use of a Kalman filter is not necessary and there are many other ways to perform a filter function.
Zusätzlich zur gemessenen Gierrate (psi_Punkt) und Fahrzeuggeschwindigkeit wird auch die GPS-Position des Fahrzeugs
Somit sind die Spurdatensignale auch bei fehlenden Spurmarkierungen, schlechten Wetterbedingungen und Lichtbedingungen sicher erfassbar. Manche spurbasierte Merkmale; wie LANEDEV, ZIGZAGS und andere, verlangen keine absolute Position gegenüber der Spurmarkierungen. Es ist deshalb hinreichend, den Verlauf oder das Schlingern (Pendeln) innerhalb der Spur zu kennen.Thus, the track data signals are surely detectable even in the absence of lane markings, bad weather conditions and lighting conditions. Some track-based features; like LANEDEV, ZIGZAGS and others, do not require an absolute position relative to the lane markings. It is therefore sufficient to know the course or the lurching (commuting) within the lane.
Viele weitere Aspekte bezüglich der Erkennung von Schläfrigkeit profitieren von dieser verbesserten Fahrzeugposition. Kurze Fehler bei der Spurverkennung mittels Kamera können ausgefüllt werden und Straßenbedingungsanalysen profitieren von dieser verbesserten Auflösung.Many other aspects of drowsiness detection benefit from this improved vehicle position. Short errors in lane-locking with the camera can be filled in and road condition analyzes benefit from this improved resolution.
Zur Ermittlung der erforderlichen Informationen wurden, wie bereits erläutert, Testfahrten durchgeführt und mit den erfassten Daten eine Datenbank erstellt, welche über 17 800 reale Straßenfahrten mit einer gefahrenen Strecke von über 1,67 Mio. km abdeckt. Nach einer Filterung dieser Datenbank für Fahrten über 30 km, bei vorliegender und plausibler Schläfrigkeits-Selbsteinschätzung nach der Karolinska Sleepiness Scale, gültigen Spurverfolgungsdaten und ohne Messfehler, verblieben 76 215 km reale Fahrten.To determine the required information, as already explained, test drives were carried out and a database was created with the collected data, covering more than 17,800 real road trips with a driven distance of more than 1.67 million km. After filtering this database for trips over 30 km, with present and plausible drowsiness self-assessment according to the Karolinska Sleepiness Scale, valid tracking data and no measurement errors, remained 76 215 km real trips.
Die Durchführung dieser Fahrten, welche insbesondere auch Nachtexperimente umfassten, erfolgte insbesondere gemäß der in
Um das laterale Spurpositionssignal von den odometrischen Daten zu erhalten, werden die Durchführungsschritte im Folgenden präsentiert. Der zur Ermittlung erforderliche Gierratensensor hat eine Musterfrequenz von z. B. FS = 1/T ≈ 50 Hz. Die GPS-Signale waren mit einer Abtastrate von z. B. FS = 1/T ≈ 1 Hz verfügbar. Wenn neue GPS-Daten verfügbar waren, wird jede Sekunde eine zusätzliche modifizierte Kalman-Iteration abgerufen, um die Position gemäß den GPS-Daten zu aktualisieren. Somit übernimmt der Kalman-Filter das Gewichten zwischen intertialsensorbasierten Daten und GPS-Daten.In order to obtain the lateral track position signal from the odometric data, the performing steps are presented below. The yaw rate sensor required for the determination has a pattern frequency of z. B. F S = 1 / T ≈ 50 Hz. The GPS signals were at a sampling rate of z. B. F S = 1 / T ≈ 1 Hz available. When new GPS data became available, an additional modified Kalman iteration is called every second to update the position according to the GPS data. Thus, the Kalman filter takes over the weighting between intertial sensor-based data and GPS data.
Die im dargestellten Modell gezeigte Fahrzeugbewegung x wird gemäß
Dabei weist das Systemmodell einen Lagewechselausgleich gemäß
Ein zweiter Teil des Systemmodels stellt einen Messausgleich gemäß
Dabei ist v+ wie folgt definiert: mit der Durchlaufzeit T und dem Lagevektor x(k + 1) gemäß Where v + is defined as follows: with the cycle time T and the position vector x (k + 1) according to
Die Gierrate psi_Punkt, d. h. die zeitliche Ableitung von Ψ, wird gemessen und ist von zentraler Bedeutung.The yaw rate psi_point, d. H. the time derivative of Ψ is measured and is of central importance.
Letztendlich ergibt sich der folgende Ausgleich, der den Lagewechsel beschreibt: Finally, the following compensation results, which describes the change of position:
Da das System noch nicht-linear ist, wird ein erweiterter Kalman-Filter benötigt. Für den erweiterten Kalman-Filter wird eine nicht-lineare differenzierbare Funktion f in jedem Arbeitsschritt linearisiert, woraus eine aktuelle Systemlage x(k) resultiert. Für die Linearisierung wird die so genannte Jacobi-Matrix der differenzierbaren Funktion verwendet und durch definiert. Somit ist Since the system is still non-linear, an extended Kalman filter is needed. For the extended Kalman filter, a non-linear differentiable function f is linearized in each work step, resulting in a current system position x (k). For linearization, the so-called Jacobi matrix becomes the differentiable function used and through Are defined. Thus is
Dann sind die Messmatrix H und der Vektor z(k) Then the measurement matrix H and the vector z (k)
Für den Fall, dass ein neues GPS-Muster verfügbar ist, wird die Messmatrix H und der Vektor z(k) erweitert gemäß wobei Ue und Un ostwärts und nordwärts gerichtete UTM-Koordinaten sind. Die Kovarianz-Matrizen Q und R wurden durch den Gebrauch von Hochpass-Maßen ausgewählt.In the event that a new GPS pattern is available, the measurement matrix H and the vector z (k) are expanded according to where U e and U n are eastbound and northbound UTM coordinates. The covariance matrices Q and R were selected through the use of high-pass metrics.
Um eine optimale Lagebewertung zu realisieren, wird ein Kalman-Filter verwendet. Der Kalman-Filter für lineare Systeme ist ein Werkzeug für die Bewertung des Lagevektors, der durch indirekte Messungen, die durch eine Störung unterbrochen werden, wie folgt beobachtet werden kann:
Die Modelstörung w(k) und die Messstörung v(k) wurden als zusätzliche normal verteilte weiße Verzerrung ermittelt gemäß:
Modelstörungen, Messstörungen und anfängliche Lagen sind unkorreliert:
Die Gültigkeit von Anforderungen für die Kalman-Filter der Gierrate, Fahrzeuggeschwindigkeit und Beschleunigungssensoren bestimmt sich gemäß
Die Bewertung der linearen Kalman-Filter-Lage wird in zwei Schritten errechnet, wie in
Der erweiterte Kalman-Filter wird verwendet, wenn der Lagewechsel nicht-linear ist, wie im vorliegenden Fall. Dabei wird das System von den nicht-linearen, differenzierbaren Funktionen f und h beschrieben gemäß:
In vorliegenden Fall bleibt der Messausgleich wie in Gleichung [12]. Die erweiterte Kalman-Filter-Lagebewertung wird wiederum, wie in
Für die aufgezeichneten Fahrten war ein Standard-GPS-Sensor verfügbar. Die zeitliche Auflösung mit 1 Hz ist nicht sehr hoch. Auch die absolute Position ist nicht sehr akkurat. Die in
Wie im Bewegungsmodell dargestellt, muss der Gierwinkel φ(k) zwischen dem Fahrzeug
Die Extrahierung von Merkmalen aus dem ermittelten spurbasierten Daten erfolgt insbesondere gemäß
In der folgenden Tabelle 2 sind die ausgewählten Merkmale für das Ausführungsbeispiel aufgelistet. Die Auswahl ist nur beispielhaft, es gibt noch mehr Merkmale. Spurdatenbasierte und odometrische Merkmale sind mit denselben Algorithmen errechnet worden.
Da Spurwechsel nicht von der Spurkamera, sondern von den Inertialsensoren ermittelt werden, wurde das Blinkerbetätigungssignal genutzt, um gewollte Spurwechsel auszublenden. Drei Sekunden vor und zehn Sekunden nach der Hebeloperation wurden ausgeblendet. Gierraten von mehr als 3°/s wurden ebenfalls verworfen. Weiterhin wurde das System so definiert, dass es nur bei Geschwindigkeiten von über 80 km/h aktiv ist.Since lane changes are not determined by the track camera, but by the inertial sensors, the turn signal signal was used to hide intentional lane changes. Three seconds before and ten seconds after the lever operation disappeared. Yaw rates of more than 3 ° / s were also discarded. Furthermore, the system has been defined to be active only at speeds in excess of 80 km / h.
In
Die Korrelation von spurbasierten und odometrischen Merkmalen wird gezeigt, ebenso wie die Korrelation zwischen den odometrischen Merkmalen und der Karolinska Sleepiness Scale, der Bezug zur Schläfrigkeit, indem die Pearson und Spearman Korrelationkoeffizienten genutzt werden.The correlation of trace-based and odometric features is shown, as well as the correlation between the odometric features and the Karolinska Sleepiness Scale, the reference to drowsiness, by using the Pearson and Spearman correlation coefficients.
Dargestellt ist das laterale Differenz-(„Abstands-”)Signal, das man nach dem Entfernen des Offsets erhalten hat. Die Spearman-Korrelationskoeffizienten ρs zwischen den gierratenverzweigten Merkmalen und den ursprünglichen spurbasierten Merkmalen werden in Tabelle 3 gezeigt.
Die Merkmale wurden mit mehreren Methoden berechnet und optimiert. Neben statistischen Tests wurden als Metriken der Bravais-Pearson Korrelationskoeffizient ρp, der Spearman Korrelationskoeffizient ρs und die Fisher-Metrik MDA gemäß
Einige der Merkmale, wie z. B. ZIGZAGS, LATPOSZCR und/oder die Nulldurchgangsrate, korrelieren besonders mit dem spurbasierten Pendant. Insbesondere das Merkmal LATPOSZCR funktioniert sehr gut zur Schläfrigkeitserkennung.Some of the features, such as ZIGZAGS, LATPOSZCR and / or the zero-crossing rate correlate particularly with the track-based counterpart. In particular, the feature LATPOSZCR works very well for drowsiness detection.
Die Hauptmotivation des vorliegenden Verfahrens besteht darin, klassische spurbasierte Merkmale von inertialsensorbasierten Daten anstelle von kamerabasierten Spurdaten zu bewerten. Dies hat den Vorteil, dass odometrische Daten, als ein Beispiel für inertialbasierte Daten, heutzutage in fast jedem Fahrzeug
Das Bewegungsmodell ist für inertialbasierte Sensorsignale vorgesehen, wobei das Bewegungsmodell einen erweiterten Kalman-Filter nutzt, um die laterale Spurdifferenz mit den odometrischen Daten zu schätzen. GPS-Daten können zusätzlich verwendet werden, um die Spurdaten und die von Inertialsensor geschätzten Daten zu vergleichen und zu visualisieren. Da das GPS-Signal nur jede Sekunde verfügbar ist, während die CAN-Daten eine Durchlaufzeit von mehreren ms aufweisen, wird eine Methode zum Einbeziehen von GPS-Messungen in das Bewegungsmodel aufgestellt. Inertialbasierte und GPS-Daten werden in ein UTM-Koordinatensystem konvertiert, um dieselbe metrische Darstellung zu erzielen. Das Verfahren zeigt, dass die aus odometrischen Daten extrahierten Merkmale besonders mit den spurbasierten Merkmalen korrelieren, wobei zur Ermittlung eine große Datenmenge verglichen wurde. Allgemein gesprochen können sich einige spurbasierte Merkmale sehr gut an odometrische Daten annähern, andere können dies jedoch nicht. Insbesondere LATPOSZCR, d. h. die Nulldurchgangsrate der lateralen Position funktioniert aufgrund der kontinuierlichen Systemverfügbarkeit der inerstialsensorbasierten Daten sehr gut.The motion model is for inertial-based sensor signals, and the motion model uses an extended Kalman filter to estimate the lateral track difference with the odometric data. GPS data can also be used to compare and visualize the trace data and the data estimated by inertial sensor. Since the GPS signal is only available every second while the CAN data has a throughput time of several ms, a method for incorporating GPS measurements into the motion model is established. Inertial-based and GPS data are converted to a UTM coordinate system to achieve the same metric representation. The method shows that the features extracted from odometric data correlate particularly with the track-based features, comparing a large amount of data to determine. Generally speaking, some track-based features can approximate very well to odometric data, but others can not. In particular, LATPOSZCR, d. H. the zero-crossing rate of the lateral position works very well due to the continuous system availability of the in-star sensor-based data.
Zusammenfassend ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Weiterbildungen eine Bewertung oder Schätzung der relativen lateralen Spurposition (Differenz innerhalb der Spur) durch Nutzung odometrischer CAN-Daten wie der Gierrate und der Geschwindigkeit der Umsetzung der Räder. Weiterhin umfasst das Verfahren mathematische Grundlagen für die Bewertung der Fahrzeugtrajektorie. Wichtige spurbasierte Merkmale können ohne den Bedarf einer Spurkamera ermittelt werden.In summary, the method and its developments according to the invention make it possible to evaluate or estimate the relative lateral track position (difference within the track) by using odometric CAN data such as the yaw rate and the speed of the conversion of the wheels. Furthermore, the method comprises mathematical foundations for the evaluation of the vehicle trajectory. Important track-based features can be determined without the need for a track camera.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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| DE102010045678A DE102010045678A1 (en) | 2010-09-17 | 2010-09-17 | Method for monitoring driver condition, involves determining driver condition on basis of track information and comparing track information with deposited samples of track information |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE102010045678A DE102010045678A1 (en) | 2010-09-17 | 2010-09-17 | Method for monitoring driver condition, involves determining driver condition on basis of track information and comparing track information with deposited samples of track information |
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| DE (1) | DE102010045678A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102012012667A1 (en) | 2012-06-23 | 2013-12-24 | Daimler Ag | Method for monitoring driver condition based on track information, involves determining driver condition by using track information determined by registered signals of satellite-based navigation system or by vehicle stored digital map data |
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2010
- 2010-09-17 DE DE102010045678A patent/DE102010045678A1/en active Pending
Non-Patent Citations (15)
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE102012012667A1 (en) | 2012-06-23 | 2013-12-24 | Daimler Ag | Method for monitoring driver condition based on track information, involves determining driver condition by using track information determined by registered signals of satellite-based navigation system or by vehicle stored digital map data |
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