L’avènement des interfaces tactiles ouvre des perspectives d’enrichissement de l’interaction entre l’homme et la machine. Nous proposons un nouveau concept de surfaces tactiles souples dont l’objectif est d’étudier l’interaction entre le signal électrique et l’environnement résistif et diélectrique du support, afin de réaliser le système d’acquisition fournissant une information exploitable par la machine.La base technologique est un guide d’ondes sur substrat souple sur lequel le toucher crée une réflexion au port d’entrée. Nous avons développé une méthode de localisation alternative à la réflectométrie temporelle, nommée Harmonic Detection and Location (HDL), permettant l’utilisation d’une électronique d’acquisition de faible complexité, en bande étroite, autour de 100 MHz. Le concept a été validé à partir de mesures sur des dalles tactiles souples et rigides connectées à un analyseur de réseau, utilisé comme référence. Un système d’acquisition compact basé sur un pont de Wheatstone associé à un détecteur de phase a été développé. Pour ce faire, un travail de caractérisation et d’identification des sources d’erreurs a été mené sur les interactions électromagnétiques entre le doigt et le guide d’onde, les imperfections du guide d’onde et la nature du substrat ainsi que l’impact des erreurs induites par l’électronique d’acquisition.Cette connaissance a permis de co-développer la partie matérielle et l’algorithme de détection pour démontrer une précision de localisation de 2cm. Les fondamentaux posés dans ce travail ouvrent la possibilité de réalisation d’interfaces de grande surface, avec une connectique simple, conformables sur des objets sensitifs en trois dimensions / The advent of sensitive interfaces is promising prospects to the human-machine interaction. We propose a new concept of sensitive flexible surface. Its aim is to study the interaction between electrical signal and resistive and dielectric environment of the support in order to realize an acquisition system providing machine readable information.The technological base is a waveguide on flexible substrate on which the touch creates a reflection at the input port. We have developed a location method as an alternative to the time domain reflectometry (TDR). It is named Harmonic Detection and Location (HDL) and it allows using a narrow band, around 100 MHz, low complexity acquisition system. The concept has been approved using measures on flexible and rigid sensitive surfaces connected to a vector network analyzer (VNA) used as reference. A compact acquisition system based on a Wheatstone bridge associated to a phase detector has been developed. For this purpose, errors characterization and identification work has been done. Electromagnetic interactions between the finger and the waveguide, waveguide imperfections, substrate nature and acquisition system errors’ impact have been studied. This knowledge has provided the possibility to co-develop the hardware and the detection algorithm to demonstrate a location accuracy of 2cm. Fundamental principles of this work provide the possibility of realizing large surface interfaces, with simple connection and conformable, for 3D sensitive objects.

Die dauerhafte Reduktion der von Menschen verursachten Emissionen ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Eine Strategie zur Reduzierung von Emissionen im Mobilitätssektor sind elektrisch betriebene Fahrzeuge, die je nach Typ teilweise oder vollständig mit Strom angetrieben werden. Für die Verkehrspsychologie stellt sich nun die Frage, ob und wie schnell sich Fahrer an die Nutzung von Elektrofahrzeugen gewöhnen und welche Herausforderungen sich aus Nutzersicht ergeben. Anhand von Studien mit vollelektrischen Fahrzeugen wurden in der vorliegenden Arbeit zwei grundlegende Eigenschaften von Elektrofahrzeugen aus psychologischer Perspektive untersucht: Zum einen verfügen Elektrofahrzeuge über eine Rekuperationsfunktion, mit der es möglich ist, in Verzögerungsvorgängen kinetische in elektrische Energie umzuwandeln, also Energie rückzugewinnen und damit letztlich die Emissionen zu reduzieren. Zum anderen beschränkt sich die mögliche Emissionsreduktion von Elektrofahrzeugen nicht nur auf den CO2-Ausstoß, sondern betrifft auch die Geräuschentwicklung dieser Fahrzeuge. Fahrzeuge mit Elektroantrieb emittieren weniger Geräusche, was einerseits die Lärmbelastung durch Straßenverkehr reduzieren kann, zum anderen aber auch zu Bedenken z.B. blinder Verkehrsteilnehmer geführt hat. Gerade bei geringen Geschwindigkeiten sind Elektrofahrzeuge schlechter wahrnehmbar und dadurch eine potentielle Gefahr für andere Verkehrsteilnehmer. Das erste Ziel der vorliegenden Dissertation bestand darin, die Auswirkungen einer über das Gaspedal gesteuerten Rekuperation aus verkehrspsychologischer Perspektive zu untersuchen. Die zur Nutzung der Rekuperation nötigen motorischen Fertigkeiten müssen erlernt und in unterschiedlichen Verkehrssituationen angewandt werden. Basierend auf dem Power Law of Practice (Newell & Rosenbloom, 1981) wurde der Fertigkeitserwerb bei der Nutzung der Rekuperationsfunktion eingehend betrachtet. Anhand von Fahrzeugdaten lassen sich eine sehr steile Lernkurve und damit ein kurzer Adaptationsprozess zeigen, der mit einer Powerfunktion beschrieben werden kann. Bereits innerhalb der ersten gefahrenen Kilometer nehmen die Anzahl der konventionellen Bremsmanöver und ihr zeitlicher Anteil an der gesamten Verzögerung rapide ab. Das zweite Ziel der vorliegenden Dissertation war, die Auswirkungen der geringeren Geräuschemission auf das Verkehrsgeschehen zu prüfen. Dies erfolgte jedoch nicht, wie in anderen Studien bereits dargestellt, aus Fußgängerperspektive, sondern aus der Fahrerperspektive. Da die Fahrer gerade in der Anfangsphase eine zentrale Rolle bei der Entschärfung geräuschbedingter kritischer Situationen spielen, soll die Arbeit dazu beitragen, diese Forschungslücke zu schließen, um eine umfassendere Bewertung der Geräuschthematik bei Elektrofahrzeugen zu ermöglichen. In Anlehnung an Deerys (1999) Modell zu Fahrerreaktionen auf potentielle Gefahren, wurden Risikowahrnehmung (risk perception) und Gefahrenwahrnehmung (hazard perception) als entscheidende Determinanten der Fahrerreaktion auf geräuschbedingte Gefahrensituationen identifiziert. Was die Risikowahrnehmung betrifft, so konnte gezeigt werden, dass diese sich mit zunehmender Erfahrung verändert. Risiken aufgrund der Geräuscharmut werden als weniger bedrohlich, das leise Fahren zunehmend als Beitrag zum Komfort gewertet. Zusätzlich wurden im Rahmen der Dissertation Situationen im Straßenverkehr näher untersucht, die aufgrund der Geräuscharmut von Elektrofahrzeugen auftraten. Darauf aufbauend wurde ein Katalog von geräuschbedingten Szenarien erstellt, der als empirische Grundlage für die nähere Betrachtung der Gefahrenwahrnehmung von Fahrern diente. Ergebnisse daraus resultierender Experimente zur Detektion von geräuschbedingten Gefahren (hazard detection tasks) zeigten, dass die individuelle Erfahrung mit Elektrofahrzeugen offenbar lediglich eine untergeordnete Rolle bei der Erkennung und Reaktion auf geräuschbedingte Gefahren spielt. Erfahrene Fahrer von Elektrofahrzeugen unterschieden sich nur marginal von unerfahrenen Fahrern in der Reaktion in und der Bewertung von geräuschbedingten Gefahrensituationen, was darauf hindeutet, dass geräuschbedingte Gefahrensituationen auch von Fahrern ohne extensive Erfahrung mit Elektrofahrzeugen bewältigt werden können. Das dritte, übergreifende Ziel der Dissertation bestand darin, die Bedeutung beider Eigenschaften für die Nutzerakzeptanz zu untersuchen. Neben der Untersuchung momentan existierender Barrieren (z.B. Reichweite, Preis, Batterielebensdauer), die eine weitreichende Adoption von Elektrofahrzeugen erschweren können, ist es ebenso wichtig, solche Eigenschaften zu identifizieren, die sich positiv auf das Nutzererleben auswirken. Sowohl die Rekuperation, als auch die Geräuscharmut spielen eine wichtige Rolle in der Nutzerbewertung, da beide Eigenschaften als zentrale, individuell erlebbbare Vorteile von Elektrofahrzeugen beurteilt werden. Im Hinblick auf die Geräuschemission lässt sich konstatieren, dass diese mit zunehmender Erfahrung des Fahrers fast ausschließlich als Vorteil statt als Barriere von Elektrofahrzeugen gewertet wird. Eine bemerkbare, über das Gaspedal gesteuerte Rekuperation scheint als Teil des Fahrererlebens ebenfalls eine zentrale Rolle in der Bewertung zu spielen. Ein hohes Maß an Nutzerakzeptanz und Vertrauen in das System unterstreichen die positive Evaluation einer solchen Funktionalität. Aus verkehrspsychologischer Sicht haben die angeführten Eigenschaften von Elektrofahrzeugen Auswirkungen auf verschiedene Teilaufgaben der Fahrzeugführung. So sind nicht nur motorische Fertigkeiten in der Pedalnutzung (Stabilisierungsbene) erforderlich, sondern auch komplexere kognitive Prozesse, wie z.B. der Umgang mit möglichen Gefahrensituationen aufgrund der geringen Geräuschemission (Bahnführungsebene). Insgesamt weisen die Ergebnisse der Dissertation darauf hin, dass Herausforderungen aufgrund beider oben genannten Fahrzeugeigenschaften gemeistert werden können. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse, dass beide Eigenschaften von den Nutzern als willkommene Aspekte der technologischen Innovation geschätzt werden und somit zur allgemeinen Akzeptanz von Elektrofahrzeugen beitragen können. Da auch andere Fahrzeugkonzepte mit elektrischem Antriebsstrang diese beiden Eigenschaften aufweisen, lassen sich die gefundenen Ergebnisse auf andere Fahrzeugtypen übertragen.

Ressourcenknappheit und nachhaltige Nutzung von Ressourcen sind zentrale Themen unserer Zeit. Das Thema nachhaltige Mobilität hat auch in der Verkehrspsychologie über die letzten Jahre zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei wird der Elektromobilität ein entscheidender Beitrag zur nachhaltigen Nutzung unserer Energieressourcen zugesprochen. Die Steigerung der Unabhängigkeit von Energieimporten, die mindestens lokale Emissionsfreiheit und die Möglichkeit erneuerbare Energien besser ins Stromnetz zu integrieren sind zentrale Vorteile der Elektromobilität. Eine potentielle Herausforderung für die Nutzer stellt jedoch die Interaktion mit den begrenzten Reichweitenressourcen dar. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem Nutzererleben und -verhalten im Umgang mit der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Zu Beginn des Forschungsprojekts „MINI E Berlin powered by Vattenfall“, welches die Grundlage dieser Dissertation darstellt, gab es kaum veröffentlichte Studien zur Nutzerperspektive auf Reichweite. Das Ziel dieser Dissertation ist daher, ein detailliertes und theoriegeleitetes psychologisches Verständnis zentraler Facetten dieses Themenfelds zu erlangen. Basierend auf übertragbaren Theorien und Konzepten aus verwandten Teilgebieten der angewandten Psychologie, wird in der Dissertation ein Modell entwickelt und getestet: Das Modell der adaptiven Kontrolle von Reichweitenressourcen. Ein Kernpunkt dieses Modells ist das Konzept der komfortablen Reichweite, welches eine psychologische Fundierung des vieldiskutierten Konzepts der Reichweitenangst darstellt. Denn im Alltag erleben Nutzer mit Elektrofahrzeugerfahrung bei einer für Mobilität in Deutschland relativ typischen Fahrleistung kaum Situationen, in denen es zu Reichweitenangst kommt. Die Reichweiteninteraktion ist eher von der Vermeidung und nicht vom Erleben von Reichweitenangst (Reichweitenstress) gekennzeichnet. Über die Analogie zum psychologischen Stress werden verschiedene Einflussvariablen auf die komfortable Reichweite identifiziert. Die komfortable Reichweite (der individuell präferierte Reichweitensicherheitspuffer) stellt sich als eine Variable dar, bei der es eine große interindividuelle Varianz gibt, die teilweise auf einer unterschiedlichen Stressresistenz zu beruhen scheint. Insgesamt wird die, sich in vorangegangenen Studien abzeichnende, suboptimale Reichweitenausnutzung damit erklärt, dass es neben der technischen Reichweite drei psychologische Reichweitenschwellen gibt, die den Übergang von der objektiven physikalischen zur subjektiven psychologischen Reichweitensituation charakterisieren: (1) Die kompetente (für den Nutzer maximal erreichbare), (2) die performante (im Alltag verfügbare), und (3) die komfortable (die wirklich nutzbare) Reichweite. Es zeigt sich, dass 20-25% der im Alltag verfügbaren Reichweitenressourcen als psychologischer Sicherheitspuffer verlorengehen. Mit dem erworbenen Verständnis für die Reichweiteninteraktion sollte es möglich werden besser fundierte Maßnahmen abzuleiten, um mit einer bestimmten Batteriekapazität mehr nutzbare Reichweitenressourcen zu erzielen und Nutzer bei einer nachhaltigeren Nutzung der Reichweitenressourcen zu unterstützen. Einen weiteren Schwerpunkt der Dissertation bilden Interaktionsstile im Umgang mit den Reichweitenressourcen. In Analogie zu psychologischen Konzepten wie Fahrstilen und Bewältigungsstilen und basierend auf ersten Studien zu Ladestilen bei der Nutzung von Smartphones wird das Konzept des UBIS (user-battery interaction style) vorgeschlagen, als eine Tendenz sich mehr oder weniger aktiv mit den Batterieressourcen auseinanderzusetzen (z.B. bei Ladeentscheidungen). Es zeigt sich in der Tat, dass diese Variable, gemeinsam mit der komfortablen Reichweite, bestimmte Parameter des Ladeverhaltens aufklären kann und dabei auch eine gewisse Stabilität über die Zeit und über verschiedene Mensch-Technik-Systeme hinweg aufweist. Auch findet sich ein Zusammenhang zwischen dem UBIS und der nachhaltigen Interaktion mit den Energieressourcen in einem Elektromobilitätssystem. Schließlich behandelt die Dissertation auch die Präferenzen für bestimmte Reichweitenauslegungen. Hier wird dem Befundmuster nachgegangen, dass die Reichweitenpräferenzen von Autokäufern scheinbar oftmals weit über den tatsächlichen Reichweitenbedürfnissen liegen. In der vorliegenden Arbeit wird diese Diskrepanz erstmals auf Basis von Daten potentieller Elektrofahrzeugkäufer mit praktischer Elektrofahrzeugerfahrung quantifiziert. Es zeigt sich, (1) dass solche Nutzer nicht unbedingt übertriebene Reichweitenerwartungen haben, (2) dass erlebte Reichweitenangst während der Nutzung und eine größere vertraute Reichweite bei Verbrennerfahrzeugen mit höheren Reichweitenpräferenzen einhergehen, (3) dass sich die Reichweitenpräferenzen mit zunehmender Erfahrung verringern, und (4) dass es mit zunehmender Erfahrung einen wachsenden Zusammenhang zwischen den tatsächlichen Mobilitätsbedürfnissen und den Reichweitenpräferenzen gibt. Dies weist auf die Wichtigkeit von praktischer Erfahrung für den breiten Erfolg von nachhaltigen Elektromobilitätssystemen hin. Möglicherweise sind einige theoretische und methodische Entwicklungen aus dieser Arbeit auch auf ähnliche Mensch-Technik-Systeme und verwandte Fragestellungen der nachhaltigen Mobilität übertragbar. Implikationen für die Anwendung sind beispielsweise, dass eine verlässlich nutzbare Reichweite wichtiger ist als die Steigerung der maximalen Reichweite und dass Informations- und Assistenzsysteme für den Umgang mit der Reichweite darauf ausgelegt werden sollten, dass sie zu einer intensiven Auseinandersetzung mit der Reichweitendynamik anregen und damit den Kompetenzerwerb fördern sowie die Nutzer bei der alltäglichen Regulation der Reichweitenressourcen unterstützen, zum Beispiel indem sie die subjektive Kontrollierbarkeit der Reichweite erhöhen. / Scarcity of resources and sustainable use of resources are central issues of our time. In traffic psychology, the theme of sustainable mobility has also taken on increased importance in recent years. Herein electric mobility has been ascribed a decisive role in the sustainable utilization of our energy resources. Less dependence on energy imports, zero-emissions (at least locally), and the potential for better integration of renewable energy sources into the power grid are central advantages of electric mobility. Yet, a potential challenge for users is the interaction with limited range resources. The present dissertation focuses on user experience and behavior in dealing with electric vehicle range. Prior to the research project, “MINI E Berlin powered by Vattenfall”, which constitutes the basis for this dissertation, there were rarely any published studies concerning the user perspective on range. Consequently, the goal of this dissertation is to obtain a detailed and theory-driven psychological understanding of the central facets of this topic. Based on transferrable theories and concepts from related areas of applied psychology, a model is developed and tested within this dissertation: the adaptive control of range resources (ACOR) model. A key point of this model is the concept of comfortable range, which represents a psychological foundation of the widely discussed concept of range anxiety. This is because, in everyday life, users with practical electric vehicle experience rarely experience situations in which range anxiety occurs, given a relatively typical mileage for mobility in Germany. Rather, range interaction is characterized by the avoidance, not the experience, of range anxiety (i.e., range stress). Via the analogy to psychological stress, different variables that influence comfortable range are identified. The comfortable range (i.e., an individual’s preferred range safety buffer) appears to be a variable that shows a high interindividual variance, which partly seems to be predicated upon differing stress resistance. In sum, the suboptimal range utilization found in previous studies is explained by the proposition that there are three psychological range levels besides the technical range that characterize the transition from the objective physical to the subjective psychological range situation: (1) The competent (i.e., maximum achievable for the user), (2) the performant (i.e., available on an everyday basis) and (3) the comfortable (i.e., actual usable) range. It shows that 20-25% of the range resources that are available on an everyday basis are lost as a psychological safety buffer. With the acquired understanding of user-range interaction, it should become possible to develop better informed strategies for attaining higher actual battery usage relative to battery capacity, as well as supporting users in the sustainable use of range resources. Another focus of the dissertation is interaction styles in dealing with range resources. Analogous to the psychological concepts of driving styles and coping styles and based on earlier studies of mobile phone use charging styles, the concept of UBIS (user-battery interaction style) is proposed, as a tendency to deal with the battery resources rather more or less actively (e.g., in charging decisions). Indeed, it shows that this variable, together with comfortable range, can explain certain parameters of charging behavior, and also shows temporal stability as well as stability across different human-machine-systems. Moreover, a relationship between UBIS and a sustainable interaction with energy resources in an electric mobility system is found. Finally, the dissertation also covers the preferences for certain range configurations. Here, the pattern of previous research findings indicate that range preferences of car buyers are often far greater than their actual range needs. In the present work, this discrepancy is quantified for the first time based on data from potential electric car customers with practical electric vehicle experience. It shows that, (1) such users do not necessarily have exaggerated range preferences, (2) experienced range anxiety during usage and a higher familiar range of combustion cars are associated with higher range preferences, (3) range preferences decrease with increasing experience, and (4) the correlation between actual range needs and range preferences grows as practical experience increases. This highlights the importance of practical experience for the broad success of sustainable electric mobility systems. Potentially, some theoretical and methodological developments from this work are also transferrable to similar human-machine-systems as well as related issues in the field of sustainable mobility. Implications for application are, for example, that a reliable usable range is more important than an increase in maximum possible range. Moreover, the design of information and assistance systems for facilitation of the user-range interaction must be targeted at encouraging more intensive interaction with range dynamics, promoting skill acquisition as well as supporting users in their daily regulation of range resources, for example by enhancing subjective controllability of range.

Pekskärmar används i allt större utsträckning som interaktionsteknik för hemelektronik. Tekniken har traditionellt sett inte använts i krävande miljöer, exempelvis i miljöer där skakningar och g-laster förekommer. Introduktionen av pekskärmsteknologi i cockpitmiljö får konsekvenser för utformningen av förarmiljön vilka bör utredas. Denna studie syftade till att empiriskt utvärdera användarnas prestation med avseende på precision vid olika interaktionsmanövrar på en pekskärm. Fyra försök genomfördes med 14 försöksdeltagare i en simulerad miljö där olika grader av skakningar förekom. Precisionsmätningar genomfördes i samband med försöken och försöksdeltagarnas subjektivt upplevda arbetsbelastning mättes med hjälp av NASAs självskattningsformulär för upplevd arbetsbelastning (TLX). Korrelationsanalyser genomfördes mellan försöksdeltagarnas subjektiva arbetsbelastning och data från försöken. Det genomfördes också differensanalyser mellan försökens olika betingelser för att se om det förekom någon inlärningseffekt. Testresultaten visar att relativt god precision går att uppnå vid interaktion med pekskärm men att vissa typer av interaktion är svårare och skattas högre med avseende på arbetsbelastning än andra. Resultatet från en inledande workshop med förare och ingenjörer visar på en positiv inställning till pekskärmar som komplement till inmatning i cockpit. Rapporten ger rekommendationer för utformningen av gränssnitt för pekskärm för att undvika interaktionsproblem vid skakningar och g-laster. / Touchscreens are a common occurrence in everyday applications these days. The technology is not traditionally used in high hazard environments, in example where vibrations and G-forces is frequently occurring. The consequences of introducing touchscreens to the cockpit environment are something to consider when designing the pilot environment.   The purpose of this study is to empirically evaluate the user performance and precision when interacting with touchscreens. Four tests were conducted with 14 trial participants in a semi-controlled environment where varying degrees of vibrations occurred. Measurements of the participants’ precision were measured together with a subjective workload measure developed by NASA (TLX).  Correlation analyses were carried out between the experimental participants’ subjective workload and data from the experiments.  The difference in precision and performance was also analysed between the precision tests to see if there was any learning effects.   The test results show that good precision was possible to some extent but that some types of interaction is more difficult then others hence increasing workload for the participants.  The results of an initial workshop with pilots and engineers show a positive attitude towards touchscreens as complement for the currently available input methods. The report provides recommendations for the design of touchscreen interfaces to avoid issues caused by shaking and g-loads.

Aujourd'hui, les utilisateurs souhaitent interagir plus naturellement avec les systèmes numériques. L'une des modalités de communication la plus naturelle pour l'homme est le geste de la main. Parmi les différentes approches que nous pouvons trouver dans la littérature, celle basée sur la vision est étudiée par de nombreux chercheurs car elle ne demande pas de porter de dispositif complémentaire. Pour que la machine puisse comprendre les gestes à partir des images RGB, la reconnaissance automatique de ces gestes est l'un des problèmes clés. Cependant, cette approche présente encore de multiples défis tels que le changement de point de vue, les différences d'éclairage, les problèmes de complexité ou de changement d'environnement. Cette thèse propose un système de reconnaissance de gestes statiques qui se compose de deux phases : la détection et la reconnaissance du geste lui-même. Dans l'étape de détection, nous utilisons un processus de détection d'objets de Viola Jones avec une caractérisation basée sur des caractéristiques internes d'Haar-like et un classifieur en cascade AdaBoost. Pour éviter l'influence du fond, nous avons introduit de nouvelles caractéristiques internes d'Haar-like. Ceci augmente de façon significative le taux de détection de la main par rapport à l'algorithme original. Pour la reconnaissance du geste, nous avons proposé une représentation de la main basée sur un noyau descripteur KDES (Kernel Descriptor) très efficace pour la classification d'objets. Cependant, ce descripteur n'est pas robuste au changement d'échelle et n'est pas invariant à l'orientation. Nous avons alors proposé trois améliorations pour surmonter ces problèmes : i) une normalisation de caractéristiques au niveau pixel pour qu'elles soient invariantes à la rotation ; ii) une génération adaptative de caractéristiques afin qu'elles soient robustes au changement d'échelle ; iii) une construction spatiale spécifique à la structure de la main au niveau image. Sur la base de ces améliorations, la méthode proposée obtient de meilleurs résultats par rapport au KDES initial et aux descripteurs existants. L'intégration de ces deux méthodes dans une application montre en situation réelle l'efficacité, l'utilité et la faisabilité de déployer un tel système pour l'interaction homme-robot utilisant les gestes de la main. / Nowadays, people want to interact with machines more naturally. One of the powerful communication channels is hand gesture. Vision-based approach has involved many researchers because this approach does not require any extra device. One of the key problems we need to resolve is hand posture recognition on RGB images because it can be used directly or integrated into a multi-cues hand gesture recognition. The main challenges of this problem are illumination differences, cluttered background, background changes, high intra-class variation, and high inter-class similarity. This thesis proposes a hand posture recognition system consists two phases that are hand detection and hand posture recognition. In hand detection step, we employed Viola-Jones detector with proposed concept Internal Haar-like feature. The proposed hand detection works in real-time within frames captured from real complex environments and avoids unexpected effects of background. The proposed detector outperforms original Viola-Jones detector using traditional Haar-like feature. In hand posture recognition step, we proposed a new hand representation based on a good generic descriptor that is kernel descriptor (KDES). When applying KDES into hand posture recognition, we proposed three improvements to make it more robust that are adaptive patch, normalization of gradient orientation in patches, and hand pyramid structure. The improvements make KDES invariant to scale change, patch-level feature invariant to rotation, and final hand representation suitable to hand structure. Based on these improvements, the proposed method obtains better results than original KDES and a state of the art method.

<div>Intelligent machines, and more broadly, intelligent systems, are becoming increasingly common in the everyday lives of humans. Nonetheless, despite significant advancements in automation, human supervision and intervention are still essential in almost all sectors, ranging from manufacturing and transportation to disaster-management and healthcare. These intelligent machines<i> interact and collaborate</i> with humans in a way that demands a greater level of trust between human and machine. While a lack of trust can lead to a human's disuse of automation, over-trust can result in a human trusting a faulty autonomous system which could have negative consequences for the human. Therefore, human trust should be <i>calibrated </i>to optimize these human-machine interactions. This calibration can be achieved by designing human-aware automation that can infer human behavior and respond accordingly in real-time.</div><div><br></div><div>In this dissertation, I present a probabilistic framework to model and calibrate a human's trust and workload dynamics during his/her interaction with an intelligent decision-aid system. More specifically, I develop multiple quantitative models of human trust, ranging from a classical state-space model to a classification model based on machine learning techniques. Both models are parameterized using data collected through human-subject experiments. Thereafter, I present a probabilistic dynamic model to capture the dynamics of human trust along with human workload. This model is used to synthesize optimal control policies aimed at improving context-specific performance objectives that vary automation transparency based on human state estimation. I also analyze the coupled interactions between human trust and workload to strengthen the model framework. Finally, I validate the optimal control policies using closed-loop human subject experiments. The proposed framework provides a foundation toward widespread design and implementation of real-time adaptive automation based on human states for use in human-machine interactions.</div>

Applicable image-based reconstruction of three-dimensional (3D) objects offers many interesting industrial as well as private use cases, such as augmented reality, reverse engineering, 3D printing and simulation tasks. Unfortunately, image-based 3D reconstruction is not yet applicable to these quite complex tasks, since the resulting 3D models are single, monolithic objects without any division into logical or functional subparts. This thesis aims at making image-based 3D reconstruction feasible such that captures of standard cameras can be used for creating functional 3D models. The research presented in the following does not focus on the fine-tuning of algorithms to achieve minor improvements, but evaluates the entire processing pipeline of image-based 3D reconstruction and tries to contribute at four critical points, where significant improvement can be achieved by advanced human-computer interaction: (i) As the starting point of any 3D reconstruction process, the object of interest (OOI) that should be reconstructed needs to be annotated. For this task, novel pixel-accurate OOI annotation as an interactive process is presented, and an appropriate software solution is released. (ii) To improve the interactive annotation process, traditional interface devices, like mouse and keyboard, are supplemented with human sensory data to achieve closer user interaction. (iii) In practice, a major obstacle is the so far missing standard for file formats for annotation, which leads to numerous proprietary solutions. Therefore, a uniform standard file format is implemented and used for prototyping the first gaze-improved computer vision algorithms. As a sideline of this research, analogies between the close interaction of humans and computer vision systems and 3D perception are identified and evaluated. (iv) Finally, to reduce the processing time of the underlying algorithms used for 3D reconstruction, the ability of artificial neural networks to reconstruct 3D models of unknown OOIs is investigated. Summarizing, the gained improvements show that applicable image-based 3D reconstruction is within reach but nowadays only feasible by supporting human-computer interaction. Two software solutions, one for visual video analytics and one for spare part reconstruction are implemented. In the future, automated 3D reconstruction that produces functional 3D models can be reached only when algorithms become capable of acquiring semantic knowledge. Until then, the world knowledge provided to the 3D reconstruction pipeline by human computer interaction is indispensable.

Ressourcenknappheit und nachhaltige Nutzung von Ressourcen sind zentrale Themen unserer Zeit. Das Thema nachhaltige Mobilität hat auch in der Verkehrspsychologie über die letzten Jahre zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei wird der Elektromobilität ein entscheidender Beitrag zur nachhaltigen Nutzung unserer Energieressourcen zugesprochen. Die Steigerung der Unabhängigkeit von Energieimporten, die mindestens lokale Emissionsfreiheit und die Möglichkeit erneuerbare Energien besser ins Stromnetz zu integrieren sind zentrale Vorteile der Elektromobilität. Eine potentielle Herausforderung für die Nutzer stellt jedoch die Interaktion mit den begrenzten Reichweitenressourcen dar. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem Nutzererleben und -verhalten im Umgang mit der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Zu Beginn des Forschungsprojekts „MINI E Berlin powered by Vattenfall“, welches die Grundlage dieser Dissertation darstellt, gab es kaum veröffentlichte Studien zur Nutzerperspektive auf Reichweite. Das Ziel dieser Dissertation ist daher, ein detailliertes und theoriegeleitetes psychologisches Verständnis zentraler Facetten dieses Themenfelds zu erlangen. Basierend auf übertragbaren Theorien und Konzepten aus verwandten Teilgebieten der angewandten Psychologie, wird in der Dissertation ein Modell entwickelt und getestet: Das Modell der adaptiven Kontrolle von Reichweitenressourcen. Ein Kernpunkt dieses Modells ist das Konzept der komfortablen Reichweite, welches eine psychologische Fundierung des vieldiskutierten Konzepts der Reichweitenangst darstellt. Denn im Alltag erleben Nutzer mit Elektrofahrzeugerfahrung bei einer für Mobilität in Deutschland relativ typischen Fahrleistung kaum Situationen, in denen es zu Reichweitenangst kommt. Die Reichweiteninteraktion ist eher von der Vermeidung und nicht vom Erleben von Reichweitenangst (Reichweitenstress) gekennzeichnet. Über die Analogie zum psychologischen Stress werden verschiedene Einflussvariablen auf die komfortable Reichweite identifiziert. Die komfortable Reichweite (der individuell präferierte Reichweitensicherheitspuffer) stellt sich als eine Variable dar, bei der es eine große interindividuelle Varianz gibt, die teilweise auf einer unterschiedlichen Stressresistenz zu beruhen scheint. Insgesamt wird die, sich in vorangegangenen Studien abzeichnende, suboptimale Reichweitenausnutzung damit erklärt, dass es neben der technischen Reichweite drei psychologische Reichweitenschwellen gibt, die den Übergang von der objektiven physikalischen zur subjektiven psychologischen Reichweitensituation charakterisieren: (1) Die kompetente (für den Nutzer maximal erreichbare), (2) die performante (im Alltag verfügbare), und (3) die komfortable (die wirklich nutzbare) Reichweite. Es zeigt sich, dass 20-25% der im Alltag verfügbaren Reichweitenressourcen als psychologischer Sicherheitspuffer verlorengehen. Mit dem erworbenen Verständnis für die Reichweiteninteraktion sollte es möglich werden besser fundierte Maßnahmen abzuleiten, um mit einer bestimmten Batteriekapazität mehr nutzbare Reichweitenressourcen zu erzielen und Nutzer bei einer nachhaltigeren Nutzung der Reichweitenressourcen zu unterstützen. Einen weiteren Schwerpunkt der Dissertation bilden Interaktionsstile im Umgang mit den Reichweitenressourcen. In Analogie zu psychologischen Konzepten wie Fahrstilen und Bewältigungsstilen und basierend auf ersten Studien zu Ladestilen bei der Nutzung von Smartphones wird das Konzept des UBIS (user-battery interaction style) vorgeschlagen, als eine Tendenz sich mehr oder weniger aktiv mit den Batterieressourcen auseinanderzusetzen (z.B. bei Ladeentscheidungen). Es zeigt sich in der Tat, dass diese Variable, gemeinsam mit der komfortablen Reichweite, bestimmte Parameter des Ladeverhaltens aufklären kann und dabei auch eine gewisse Stabilität über die Zeit und über verschiedene Mensch-Technik-Systeme hinweg aufweist. Auch findet sich ein Zusammenhang zwischen dem UBIS und der nachhaltigen Interaktion mit den Energieressourcen in einem Elektromobilitätssystem. Schließlich behandelt die Dissertation auch die Präferenzen für bestimmte Reichweitenauslegungen. Hier wird dem Befundmuster nachgegangen, dass die Reichweitenpräferenzen von Autokäufern scheinbar oftmals weit über den tatsächlichen Reichweitenbedürfnissen liegen. In der vorliegenden Arbeit wird diese Diskrepanz erstmals auf Basis von Daten potentieller Elektrofahrzeugkäufer mit praktischer Elektrofahrzeugerfahrung quantifiziert. Es zeigt sich, (1) dass solche Nutzer nicht unbedingt übertriebene Reichweitenerwartungen haben, (2) dass erlebte Reichweitenangst während der Nutzung und eine größere vertraute Reichweite bei Verbrennerfahrzeugen mit höheren Reichweitenpräferenzen einhergehen, (3) dass sich die Reichweitenpräferenzen mit zunehmender Erfahrung verringern, und (4) dass es mit zunehmender Erfahrung einen wachsenden Zusammenhang zwischen den tatsächlichen Mobilitätsbedürfnissen und den Reichweitenpräferenzen gibt. Dies weist auf die Wichtigkeit von praktischer Erfahrung für den breiten Erfolg von nachhaltigen Elektromobilitätssystemen hin. Möglicherweise sind einige theoretische und methodische Entwicklungen aus dieser Arbeit auch auf ähnliche Mensch-Technik-Systeme und verwandte Fragestellungen der nachhaltigen Mobilität übertragbar. Implikationen für die Anwendung sind beispielsweise, dass eine verlässlich nutzbare Reichweite wichtiger ist als die Steigerung der maximalen Reichweite und dass Informations- und Assistenzsysteme für den Umgang mit der Reichweite darauf ausgelegt werden sollten, dass sie zu einer intensiven Auseinandersetzung mit der Reichweitendynamik anregen und damit den Kompetenzerwerb fördern sowie die Nutzer bei der alltäglichen Regulation der Reichweitenressourcen unterstützen, zum Beispiel indem sie die subjektive Kontrollierbarkeit der Reichweite erhöhen.:I Synopse 1 1 Einleitung 2 2 Forschungsrahmen & Forschungsziele 4 2.1 Einbettung der Dissertation in die angewandte Psychologie 4 2.2 Nutzer und Reichweite von Elektromobilitätssystemen 5 2.3 Vorbefunde zum Reichweitenerleben und -verhalten 6 2.4 Forschungsziele der Dissertation 7 3 Der Umgang mit knappen Ressourcen 8 3.1 Das Task-Capability Interface (TCI) Modell 8 3.2 Übertragbarkeit des TCI-Modells 9 3.3 Das Comfort Zone Modell von Summala (2007) 10 3.4 Übertragbarkeit des Comfort Zone Modells 10 3.5 Das transaktionale Stressmodell 11 3.6 Übertragbarkeit des transaktionalen Stressmodells 12 4 Die adaptive Kontrolle von Reichweitenressourcen 13 4.1 Psychologische Konzepte zum Umgang mit Reichweite 13 4.2 Der Prozess der Reichweitenkontrolle 15 5 Methodische Aspekte der Dissertation 17 6 Diskussion und Implikationen 19 6.1 Zusammenfassung der Befunde 19 6.2 Theoretische Implikationen 20 6.3 Implikationen für die Anwendung 24 6.4 Kritische Reflexion der Studienmethodik 29 6.5 Ertrag für die psychologische Forschung 31 7 Literatur 34 II Artikel 1: Experiencing range in an electric vehicle: Understanding psychological barriers 40 III Artikel 2: Interacting with limited mobility resources: Psychological range levels in electric vehicle use 65 IV Artikel 3: Understanding charging behaviour of electric vehicle users 80 V Artikel 4: What drives range preferences in electric vehicle users? 96 VI Lebenslauf 104 VII Publikationen 106 / Scarcity of resources and sustainable use of resources are central issues of our time. In traffic psychology, the theme of sustainable mobility has also taken on increased importance in recent years. Herein electric mobility has been ascribed a decisive role in the sustainable utilization of our energy resources. Less dependence on energy imports, zero-emissions (at least locally), and the potential for better integration of renewable energy sources into the power grid are central advantages of electric mobility. Yet, a potential challenge for users is the interaction with limited range resources. The present dissertation focuses on user experience and behavior in dealing with electric vehicle range. Prior to the research project, “MINI E Berlin powered by Vattenfall”, which constitutes the basis for this dissertation, there were rarely any published studies concerning the user perspective on range. Consequently, the goal of this dissertation is to obtain a detailed and theory-driven psychological understanding of the central facets of this topic. Based on transferrable theories and concepts from related areas of applied psychology, a model is developed and tested within this dissertation: the adaptive control of range resources (ACOR) model. A key point of this model is the concept of comfortable range, which represents a psychological foundation of the widely discussed concept of range anxiety. This is because, in everyday life, users with practical electric vehicle experience rarely experience situations in which range anxiety occurs, given a relatively typical mileage for mobility in Germany. Rather, range interaction is characterized by the avoidance, not the experience, of range anxiety (i.e., range stress). Via the analogy to psychological stress, different variables that influence comfortable range are identified. The comfortable range (i.e., an individual’s preferred range safety buffer) appears to be a variable that shows a high interindividual variance, which partly seems to be predicated upon differing stress resistance. In sum, the suboptimal range utilization found in previous studies is explained by the proposition that there are three psychological range levels besides the technical range that characterize the transition from the objective physical to the subjective psychological range situation: (1) The competent (i.e., maximum achievable for the user), (2) the performant (i.e., available on an everyday basis) and (3) the comfortable (i.e., actual usable) range. It shows that 20-25% of the range resources that are available on an everyday basis are lost as a psychological safety buffer. With the acquired understanding of user-range interaction, it should become possible to develop better informed strategies for attaining higher actual battery usage relative to battery capacity, as well as supporting users in the sustainable use of range resources. Another focus of the dissertation is interaction styles in dealing with range resources. Analogous to the psychological concepts of driving styles and coping styles and based on earlier studies of mobile phone use charging styles, the concept of UBIS (user-battery interaction style) is proposed, as a tendency to deal with the battery resources rather more or less actively (e.g., in charging decisions). Indeed, it shows that this variable, together with comfortable range, can explain certain parameters of charging behavior, and also shows temporal stability as well as stability across different human-machine-systems. Moreover, a relationship between UBIS and a sustainable interaction with energy resources in an electric mobility system is found. Finally, the dissertation also covers the preferences for certain range configurations. Here, the pattern of previous research findings indicate that range preferences of car buyers are often far greater than their actual range needs. In the present work, this discrepancy is quantified for the first time based on data from potential electric car customers with practical electric vehicle experience. It shows that, (1) such users do not necessarily have exaggerated range preferences, (2) experienced range anxiety during usage and a higher familiar range of combustion cars are associated with higher range preferences, (3) range preferences decrease with increasing experience, and (4) the correlation between actual range needs and range preferences grows as practical experience increases. This highlights the importance of practical experience for the broad success of sustainable electric mobility systems. Potentially, some theoretical and methodological developments from this work are also transferrable to similar human-machine-systems as well as related issues in the field of sustainable mobility. Implications for application are, for example, that a reliable usable range is more important than an increase in maximum possible range. Moreover, the design of information and assistance systems for facilitation of the user-range interaction must be targeted at encouraging more intensive interaction with range dynamics, promoting skill acquisition as well as supporting users in their daily regulation of range resources, for example by enhancing subjective controllability of range.:I Synopse 1 1 Einleitung 2 2 Forschungsrahmen & Forschungsziele 4 2.1 Einbettung der Dissertation in die angewandte Psychologie 4 2.2 Nutzer und Reichweite von Elektromobilitätssystemen 5 2.3 Vorbefunde zum Reichweitenerleben und -verhalten 6 2.4 Forschungsziele der Dissertation 7 3 Der Umgang mit knappen Ressourcen 8 3.1 Das Task-Capability Interface (TCI) Modell 8 3.2 Übertragbarkeit des TCI-Modells 9 3.3 Das Comfort Zone Modell von Summala (2007) 10 3.4 Übertragbarkeit des Comfort Zone Modells 10 3.5 Das transaktionale Stressmodell 11 3.6 Übertragbarkeit des transaktionalen Stressmodells 12 4 Die adaptive Kontrolle von Reichweitenressourcen 13 4.1 Psychologische Konzepte zum Umgang mit Reichweite 13 4.2 Der Prozess der Reichweitenkontrolle 15 5 Methodische Aspekte der Dissertation 17 6 Diskussion und Implikationen 19 6.1 Zusammenfassung der Befunde 19 6.2 Theoretische Implikationen 20 6.3 Implikationen für die Anwendung 24 6.4 Kritische Reflexion der Studienmethodik 29 6.5 Ertrag für die psychologische Forschung 31 7 Literatur 34 II Artikel 1: Experiencing range in an electric vehicle: Understanding psychological barriers 40 III Artikel 2: Interacting with limited mobility resources: Psychological range levels in electric vehicle use 65 IV Artikel 3: Understanding charging behaviour of electric vehicle users 80 V Artikel 4: What drives range preferences in electric vehicle users? 96 VI Lebenslauf 104 VII Publikationen 106

Die dauerhafte Reduktion der von Menschen verursachten Emissionen ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Eine Strategie zur Reduzierung von Emissionen im Mobilitätssektor sind elektrisch betriebene Fahrzeuge, die je nach Typ teilweise oder vollständig mit Strom angetrieben werden. Für die Verkehrspsychologie stellt sich nun die Frage, ob und wie schnell sich Fahrer an die Nutzung von Elektrofahrzeugen gewöhnen und welche Herausforderungen sich aus Nutzersicht ergeben. Anhand von Studien mit vollelektrischen Fahrzeugen wurden in der vorliegenden Arbeit zwei grundlegende Eigenschaften von Elektrofahrzeugen aus psychologischer Perspektive untersucht: Zum einen verfügen Elektrofahrzeuge über eine Rekuperationsfunktion, mit der es möglich ist, in Verzögerungsvorgängen kinetische in elektrische Energie umzuwandeln, also Energie rückzugewinnen und damit letztlich die Emissionen zu reduzieren. Zum anderen beschränkt sich die mögliche Emissionsreduktion von Elektrofahrzeugen nicht nur auf den CO2-Ausstoß, sondern betrifft auch die Geräuschentwicklung dieser Fahrzeuge. Fahrzeuge mit Elektroantrieb emittieren weniger Geräusche, was einerseits die Lärmbelastung durch Straßenverkehr reduzieren kann, zum anderen aber auch zu Bedenken z.B. blinder Verkehrsteilnehmer geführt hat. Gerade bei geringen Geschwindigkeiten sind Elektrofahrzeuge schlechter wahrnehmbar und dadurch eine potentielle Gefahr für andere Verkehrsteilnehmer. Das erste Ziel der vorliegenden Dissertation bestand darin, die Auswirkungen einer über das Gaspedal gesteuerten Rekuperation aus verkehrspsychologischer Perspektive zu untersuchen. Die zur Nutzung der Rekuperation nötigen motorischen Fertigkeiten müssen erlernt und in unterschiedlichen Verkehrssituationen angewandt werden. Basierend auf dem Power Law of Practice (Newell & Rosenbloom, 1981) wurde der Fertigkeitserwerb bei der Nutzung der Rekuperationsfunktion eingehend betrachtet. Anhand von Fahrzeugdaten lassen sich eine sehr steile Lernkurve und damit ein kurzer Adaptationsprozess zeigen, der mit einer Powerfunktion beschrieben werden kann. Bereits innerhalb der ersten gefahrenen Kilometer nehmen die Anzahl der konventionellen Bremsmanöver und ihr zeitlicher Anteil an der gesamten Verzögerung rapide ab. Das zweite Ziel der vorliegenden Dissertation war, die Auswirkungen der geringeren Geräuschemission auf das Verkehrsgeschehen zu prüfen. Dies erfolgte jedoch nicht, wie in anderen Studien bereits dargestellt, aus Fußgängerperspektive, sondern aus der Fahrerperspektive. Da die Fahrer gerade in der Anfangsphase eine zentrale Rolle bei der Entschärfung geräuschbedingter kritischer Situationen spielen, soll die Arbeit dazu beitragen, diese Forschungslücke zu schließen, um eine umfassendere Bewertung der Geräuschthematik bei Elektrofahrzeugen zu ermöglichen. In Anlehnung an Deerys (1999) Modell zu Fahrerreaktionen auf potentielle Gefahren, wurden Risikowahrnehmung (risk perception) und Gefahrenwahrnehmung (hazard perception) als entscheidende Determinanten der Fahrerreaktion auf geräuschbedingte Gefahrensituationen identifiziert. Was die Risikowahrnehmung betrifft, so konnte gezeigt werden, dass diese sich mit zunehmender Erfahrung verändert. Risiken aufgrund der Geräuscharmut werden als weniger bedrohlich, das leise Fahren zunehmend als Beitrag zum Komfort gewertet. Zusätzlich wurden im Rahmen der Dissertation Situationen im Straßenverkehr näher untersucht, die aufgrund der Geräuscharmut von Elektrofahrzeugen auftraten. Darauf aufbauend wurde ein Katalog von geräuschbedingten Szenarien erstellt, der als empirische Grundlage für die nähere Betrachtung der Gefahrenwahrnehmung von Fahrern diente. Ergebnisse daraus resultierender Experimente zur Detektion von geräuschbedingten Gefahren (hazard detection tasks) zeigten, dass die individuelle Erfahrung mit Elektrofahrzeugen offenbar lediglich eine untergeordnete Rolle bei der Erkennung und Reaktion auf geräuschbedingte Gefahren spielt. Erfahrene Fahrer von Elektrofahrzeugen unterschieden sich nur marginal von unerfahrenen Fahrern in der Reaktion in und der Bewertung von geräuschbedingten Gefahrensituationen, was darauf hindeutet, dass geräuschbedingte Gefahrensituationen auch von Fahrern ohne extensive Erfahrung mit Elektrofahrzeugen bewältigt werden können. Das dritte, übergreifende Ziel der Dissertation bestand darin, die Bedeutung beider Eigenschaften für die Nutzerakzeptanz zu untersuchen. Neben der Untersuchung momentan existierender Barrieren (z.B. Reichweite, Preis, Batterielebensdauer), die eine weitreichende Adoption von Elektrofahrzeugen erschweren können, ist es ebenso wichtig, solche Eigenschaften zu identifizieren, die sich positiv auf das Nutzererleben auswirken. Sowohl die Rekuperation, als auch die Geräuscharmut spielen eine wichtige Rolle in der Nutzerbewertung, da beide Eigenschaften als zentrale, individuell erlebbbare Vorteile von Elektrofahrzeugen beurteilt werden. Im Hinblick auf die Geräuschemission lässt sich konstatieren, dass diese mit zunehmender Erfahrung des Fahrers fast ausschließlich als Vorteil statt als Barriere von Elektrofahrzeugen gewertet wird. Eine bemerkbare, über das Gaspedal gesteuerte Rekuperation scheint als Teil des Fahrererlebens ebenfalls eine zentrale Rolle in der Bewertung zu spielen. Ein hohes Maß an Nutzerakzeptanz und Vertrauen in das System unterstreichen die positive Evaluation einer solchen Funktionalität. Aus verkehrspsychologischer Sicht haben die angeführten Eigenschaften von Elektrofahrzeugen Auswirkungen auf verschiedene Teilaufgaben der Fahrzeugführung. So sind nicht nur motorische Fertigkeiten in der Pedalnutzung (Stabilisierungsbene) erforderlich, sondern auch komplexere kognitive Prozesse, wie z.B. der Umgang mit möglichen Gefahrensituationen aufgrund der geringen Geräuschemission (Bahnführungsebene). Insgesamt weisen die Ergebnisse der Dissertation darauf hin, dass Herausforderungen aufgrund beider oben genannten Fahrzeugeigenschaften gemeistert werden können. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse, dass beide Eigenschaften von den Nutzern als willkommene Aspekte der technologischen Innovation geschätzt werden und somit zur allgemeinen Akzeptanz von Elektrofahrzeugen beitragen können. Da auch andere Fahrzeugkonzepte mit elektrischem Antriebsstrang diese beiden Eigenschaften aufweisen, lassen sich die gefundenen Ergebnisse auf andere Fahrzeugtypen übertragen.:Synopsis 1 1 Road transport and emissions 1 2 Overview of the dissertation 3 3 Specific features of BEVs from a psychological perspective 4 3.1 Regenerative braking 5 3.2 Low external vehicle noise 6 4 BEV specific attributes and their relevance for the driving task 8 4.1 Michon’s model 8 4.2 The ECOM model 9 5 BEV specific attributes and their relevance for driver acceptance 11 5.1 Regenerative braking and acceptance 11 5.2 Low noise emission and acceptance 12 6 Research objectives of the dissertation 13 6.1 Research objective 1: Examination of regenerative braking skill acquisition and system trust 13 6.2 Research objective 2: Low noise emission and its implications for risk and hazard perception of drivers 14 6.3 Research objective 3: Regenerative braking and low noise emission as crucial factors for acceptance of BEVs 14 7 Overview of methodology 15 8 Discussion and critical reflection of results 17 8.1 Research objective 1: Examination of regenerative braking skill acquisition and trust 19 8.1.1 Objective parameters 19 8.1.2 Subjective parameters 20 8.2 Research objective 2: Low noise emission and its implications for risk and hazard perception of drivers 20 8.2.1 Step 1: Creation of a catalogue of noise related scenes 21 8.2.2 Step 2: Driver assessment of low noise emission of BEVs (risk perception) 21 8.2.3 Step 3: Development of a task to study driver responses in noise related incidents (hazard perception) 23 8.3 Research objective 3: Regenerative braking and low noise emission as crucial factors for acceptance of BEVs 25 8.3.1 Experiential advantages 25 8.3.2 Experiential barriers 26 9 Implications and conclusions 27 9.1 Specific implications of regenerative braking 28 9.2 Specific implications of low noise 29 10 References 30 Paper I: Energy recapture through deceleration – regenerative braking in electric vehicles from a user perspective 39 Paper II: Driver perceptions of the safety implications of quiet electric vehicles 65 Paper III: Is EV experience related to EV acceptance? Results from a German field study 95 Paper IV: Hazard detection in noise-related incidents – the role of driving experience with battery electric vehicles 133 Curriculum Vitae 169 Publications 173

Vor dem Hintergrund des Klimawandels ist die Senkung der von Menschen hervorgerufenen CO2-Emissionen in den letzten Jahren zu einem der weltweit zentralen Themenfelder geworden. In diesem Kontext werden Elektrofahrzeuge als ein vielversprechender Lösungsansatz zur Verringerung der CO2-Emissionen im Transportsektor diskutiert und ihr Einsatz im Straßenverkehr im Rahmen zahlreicher nationaler Initiativen vorangetrieben. Elektrofahrzeuge weisen eine Reihe von Spezifika gegenüber konventionellen Fahrzeugen auf, aus denen verschiedene Herausforderungen für den Fahrer entstehen. Eine in diesem Zusammenhang zentrale Eigenschaft ist die vor dem Hintergrund von vergleichsweise langen Ladedauern und einer eingeschränkten Verfügbarkeit von Lademöglichkeiten begrenzte Reichweite. Zudem wird mit der Elektrifizierung des Verkehrs auch das im Fahrkontext bisher ungewohnte Konzept der Elektrizität mit seinen elektrischen Einheiten wie Watt und Ampere eingeführt. Zusätzlich steht mit der Rekuperationsfunktion ein neues System zur Verfügung, das dem Fahrer eine aktive Energierückgewinnung während Verzögerungsvorgängen ermöglicht. Die Aufgabe der Verkehrspsychologie ist es dabei, die aus diesen spezifischen Eigenschaften und neuen Systemen entstehenden Bedürfnisse und Anforderungen der Fahrer im Zusammenspiel mit dem Fahrzeug und der Fahrumgebung in den Mittelpunkt zu stellen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen können entsprechende Empfehlungen und Maßnahmen abgeleitet werden, die der Verbreitung sowie der sicheren und effizienten Nutzung dieser Technologie dienlich sind. In diesem Sinne leistet auch die vorliegende Arbeit einen Beitrag, indem vor dem Hintergrund der spezifischen Eigenschaften und neuen Systeme von Elektrofahrzeugen Implikationen für die Nutzerschnittstelle, die veränderte Fahraufgabe sowie motivationale Aspekte abgeleitet werden. Dies geschieht vor allem im Hinblick auf die Energieeffizienz, die im Elektrofahrzeug einen besonderen Stellenwert besitzt. Das erste Forschungsziel der Dissertation bestand in der nutzerzentrierten Untersuchung der Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug sowohl generell vor dem Hintergrund der besonderen Merkmale dieses neuen Transportmittels als auch spezifisch basierend auf der Interaktion der Fahrer mit der begrenzten Reichweite dieser Fahrzeuge. Aus den Ergebnissen wurden konkrete Informationsbedarfe der Nutzer jenseits eines gewissen Informationsstandards deutlich, die in einem Anforderungskatalog zusammengefasst wurden, dessen Inhalte vor allem die Bedeutsamkeit der energieeffizienten Interaktion mit dem Elektrofahrzeug unterstreichen. Zudem zeigten sich Probleme der Nutzer hinsichtlich der Verständlichkeit des Konzepts von Elektrizität im Fahrkontext, besonders im Hinblick auf elektrische Einheiten, die eine Darstellung des Energieverbrauchs in der vertrauten und handlungsrelevanten Einheit Kilometer nahelegen. Ausgehend von den Ergebnissen der Evaluation der Anzeigen durch die Nutzer wurden diejenigen Prinzipien der Schnittstellengestaltung (Wickens, Lee, Liu, & Gordon-Becker, 2004) identifiziert, die im Kontext von Elektrofahrzeugen besondere Relevanz besitzen. Eine transparente und zuverlässige Darstellung der Wirkfaktoren auf den Energieverbrauch sowie konkreter Handlungsmöglichkeiten des Fahrers zur Senkung des Energieverbrauchs kann helfen, Nutzer in ihrem Anpassungsprozess an das elektrische Fahren zu unterstützen und Unsicherheitsgefühle in der Interaktion mit der begrenzten Reichweite zu reduzieren. Die Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren und assoziierter Lern- und Transferprozesse beim Fahren eines Elektrofahrzeugs waren Gegenstand des zweiten Forschungsziels. Aufeinander aufbauende Untersuchungen zeigten, dass unerfahrene Elektrofahrzeugnutzer ihr Wissen über energieeffiziente Fahrstrategien beim Wechsel vom Verbrenner- zum Elektrofahrzeug anpassen und dieses Wissen mit zunehmender Elektrofahrzeugerfahrung weiter zunimmt. Sowohl unerfahrene als auch erfahrene Elektrofahrzeugnutzer waren in der Lage, durch die Anwendung effektiver Verhaltensstrategien, wie etwa einer moderaten Beschleunigung und einer effizienten Nutzung der Rekuperationsfunktion, den Energieverbrauch des Elektrofahrzeugs zu senken. Dies weist auf die Übertragung von Fertigkeiten im Umgang mit dem Verbrenner- auf das Elektrofahrzeug im Sinne eines positiven Transfers (Fitts & Posner, 1967) hin. Die Wirksamkeit einer wissensbasierten Intervention blieb auf einen positiven Effekt hinsichtlich des Wissens über energieeffiziente Strategien sowie positivere Einschätzungen der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren beschränkt. Um die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren auch hinsichtlich einer verbesserten Umsetzung energiesparender Verhaltensstrategien und einer daraus resultierenden besseren Perfomanz, also einem niedrigeren Energieverbrauch, zu unterstützen, kann die zusätzliche Implementierung von fertigkeitsbasierten, praktischen Komponenten hilfreich sein. Neben der Kompetenz eines Fahrers, energieeffizient zu fahren, sind für das tatsächliche Fahrverhalten vor allem auch motivationale Faktoren relevant (Hatakka, Keskinen, Gregersen, Glad, & Hernetkoski, 2002; Rothengatter, 1997; Summala, 2007). Diese motivationalen Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug wurden im Rahmen des dritten Forschungsziels näher beleuchtet. Dabei unterstreichen die gefundenen mittleren bis starken Zusammenhänge zwischen den untersuchten rationalen (Ajzen, 1991) und hedonischen, also spaßbetonten, Motiven und dem beobachteten Fahrerverhalten die Bedeutung der motivationalen Komponente im Kontext energieeffizienten Fahrens. Zudem implizieren die Ergebnisse eine teilweise höhere Motivation zum energieeffizienten Fahren mit dem Elektro- im Vergleich zum Verbrennerfahrzeug; ein Potenzial, das möglichst voll ausgeschöpft werden sollte. Neben wichtigen rationalen Motivatoren kann hier vor allem das hedonische Motiv, also die Betonung von Spaß und Freude, beispielsweise bei der Gestaltung von Nutzerschnittstellen genutzt werden, um energieeffizientes Fahren nicht nur als zweckdienlich hinsichtlich der potenziellen Verlängerung der Reichweite, sondern auch als für den Nutzer positiv erlebbar zu machen. Die Ergebnisse der Dissertation verdeutlichen aus verkehrspsychologischer Sicht eine zentrale Bedeutung der Monitoringebene der Fahraufgabe (Hollnagel & Woods, 2005) im Elektrofahrzeug, also eine hohe Relevanz des Abgleichs von Informationen aus der Umwelt mit dem aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs. Hier kommt der Gestaltung der Nutzerschnittstelle als einem zentralen Stellglied zur Vermittlung situationsspezifischer, transparenter sowie handlungsrelevanter Informationen für den Fahrer eine besondere Bedeutung zu. Zusammenfassend unterstreichen die Befunde der Dissertation die zentrale Bedeutung einer energieeffizienten Interaktion mit dem Elektrofahrzeug. Unter diesem Fokus weisen die Ergebnisse konkrete Möglichkeiten auf, wie der Fahrer durch eine geeignete Gestaltung der Nutzerschnittstelle beim energieeffizienten Fahren unterstützt und die Verständlichkeit der Darstellung von Informationen zum Energieverbrauch erhöht werden kann. Zudem zeigen die Ergebnisse, dass Anpassungsprozesse hinsichtlich der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren notwendig sind und wie sich diese zu Beginn der Elektrofahrzeugnutzung sowie mit zunehmender Elektrofahrzeugerfahrung entwickeln. Gleichzeitig weisen die Untersuchungen zur motivationalen Komponente energieeffizienten Fahrens auf ein erhöhtes Potenzial von Elektrofahrzeugen hin und betonen sowohl rationale und hedonische Motive als wichtige Faktoren im Zusammenhang mit energieeffizientem Fahren, die zugleich auch vielversprechende Ansatzpunkte für eine weitere Steigerung der Nachhaltigkeit dieser „grünen“ Technologie darstellen.:I Synopse 1 1 Einleitung 3 2 Die Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug 7 2.1 Spezifika von Elektrofahrzeugen und ihre Bedeutung für die Gestaltung der Nutzerschnittstelle 7 2.2 Designprinzipien für die Gestaltung von Nutzerschnittstellen 9 2.3 Nutzerzentriertes Design 10 3 Energieeffizientes Fahren im Elektrofahrzeug als Fahrerkompetenz 11 3.1 Energieeffizientes Fahren – Definition und theoretische Überlegungen 11 3.2 Die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren – Einordnung in psychologische Modelle des Fahrerverhaltens 12 3.3 Besondere Eigenschaften von Elektrofahrzeugen und ihre Relevanz für energieeffizientes Fahren 15 3.4 Die Wirksamkeit von Interventionen zur Steigerung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren 16 4 Energieeffizientes Fahren im Elektrofahrzeug - die motivationale Komponente 18 4.1 Motivationale Faktoren des Fahrerverhaltens 18 4.2 Motivationale Faktoren und ihre Eingliederung in psychologische Modelle des Fahrerverhaltens 18 5 Forschungsziele der Dissertation 21 5.1 Forschungsziel 1: Evaluation der Nutzerschnittstelle vor dem Hintergrund spezifischer Eigenschaften von Elektrofahrzeugen 21 5.2 Forschungsziel 2: Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren mit dem Elektrofahrzeug 22 5.3 Forschungsziel 3: Untersuchung motivationaler Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug 23 6 Überblick über die Methodik der Dissertation 24 6.1 Der MINI E-Feldversuch 24 6.2 Studie im Realverkehr im Rahmen des Projekts EVERSAFE 25 7 Diskussion und kritische Reflexion der Ergebnisse 26 7.1 Forschungsziel 1: Evaluation der Nutzerschnittstelle vor dem Hintergrund spezifischer Eigenschaften von Elektrofahrzeugen 28 7.2 Forschungsziel 2: Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen 31 7.3 Forschungsziel 3: Untersuchung motivationaler Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug 36 8 Implikationen und Schlussfolgerungen 37 8.1 Implikationen für die Gestaltung der Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug 37 8.2 Implikationen für die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen 38 8.3 Implikationen für die motivationale Komponente energieeffizienten Fahrens 39 9 Literatur 41 II Artikel 1: Battery Electric Vehicles – Implications for the Driver Interface 53 III Artikel 2: Eco-Driving Strategies in Battery Electric Vehicle Use – How Do Drivers Adapt over Time? 85 IV Artikel 3: Experiencing Range in an Electric Vehicle – Understanding Psychological Barriers 109 V Artikel 4: BEV Eco-Driving – Competence, Motivational Aspects, and the Effectiveness of Eco-Instructions 137 VI Lebenslauf 179 VII Publikationen 181 / Against the background of climate change, the reduction of human-induced CO2 emissions has become one of the key issues world-wide during the last years. In this context, battery electric vehicles are discussed as a promising solution for the reduction of CO2 emissions in the transportation sector and their use in road traffic is expedited through numerous national initiatives. Battery electric vehicles exhibit a number of specific features compared to conventional vehicles which pose new challenges to the driver. In this connection, the most specific feature of battery electric vehicles is the limited range, which is specifically important given the limited availability of charging stations and currently long charging durations. Moreover, with the electrification of transportation the concept of electricity with its unfamiliar units like Watt and Ampere is introduced in the driving context. Additionally, the regenerative braking system offers the possibility to actively regain energy during deceleration manoeuvers. One task of traffic psychology is to focus on and investigate the drivers’ needs and requirements related to these specific features and the interaction with the vehicle and the environment. Based on the acquired knowledge, recommendations and measures can be derived, which could facilitate the adoption of battery electric vehicles as well as the efficient and safe usage of this technology. In that sense the contribution of the present dissertation is to derive implications for the design of the user interface, the changed driving task, and regarding motivational aspects based on the specific features and new systems incorporated in battery electric vehicles. These issues are specifically considered in the light of energy efficiency which is of particular importance in the context of battery electric vehicles. The first research objective of the present dissertation was the user-centred evaluation of a driver interface generally against the background of the specific characteristics of battery electric vehicles as well as specifically based on drivers‘ interaction with the limited range. Based on the results, users’ needs for additional information became apparent, which were compiled in a taxonomy of user requirements and further highlight the relevance of energy-efficient interaction with battery electric vehicles. Furthermore, the results revealed difficulties for users’ in comprehending the concept of electricity in the driving context, specifically regarding electric units of measurement. Hence a presentation of energy consumption using the familiar unit kilometres, which has also practical relevance for the driving task, is recommended. Based on the evaluation results of the displayed information, design principles (Wickens, Lee, Liu, & Gordon-Becker, 2004) which are specifically important in the context of battery electric vehicles are derived. A transparent and trustworthy presentation of influencing factors on energy efficiency as well as drivers’ concrete opportunities for actions may support users in the adaptation process initiated when starting to use an electric vehicle and reduce feelings of uncertainty when interacting with the limited range. The eco-driving competence and associated processes of learning and transfer when driving a battery electric vehicle were examined within the scope of the second research objective. Investigations revealed an adaptation of eco-driving knowledge when starting to use a battery electric vehicle instead of a conventional vehicle. Additionally, the eco-driving knowledge increased with battery electric vehicle use. Both inexperienced and experienced battery electric vehicle drivers were able to reduce the energy consumption of the battery electric vehicle by applying effective eco-driving strategies, such as accelerating moderately or using regenerative braking for deceleration manoeuvers. That implies the transfer of drivers’ eco-driving skills from conventional to battery electric vehicles in terms of a positive transfer (Fitts & Posner, 1967). The effectiveness of an implemented knowledge-based intervention to enhance the eco-driving competence of inexperienced battery electric vehicle users was limited to an increase in drivers’ eco-driving knowledge and more positive subjective assessments of their eco-driving competence. In order to enhance users’ eco-driving competence also regarding eco-driving behaviour and performance (i.e. reduced energy consumption) the implementation of supplemental skill-based components might be effective. Beside a driver’s eco-driving competence, motivational aspects are important determinants of driving behaviour (Hatakka, Keskinen, Gregersen, Glad, & Hernetkoski, 2002; Rothengatter, 1997; Summala, 2007). The third research objective aimed to shed light on motivational aspects of battery electric vehicle eco-driving. In this regard the obtained medium-sized to strong correlations between rational (Ajzen, 1991) and hedonic (i.e. fun-oriented) motives and normal driving behaviour underline the relevance of motivational components in the context of eco-driving. Moreover, results indicate a to some extent higher motivation to drive efficiently with battery electric compared to conventional vehicles – a potential which should be fully exploited. Beside important rational motivators, hedonic values – i.e. feelings of pleasure or joy – could be used to experience eco-driving positively in terms of enjoying to efficiently interact with battery electric vehicles rather than merely prolonging the vehicle‘s range. From the perspective of traffic psychology the results of the dissertation emphasise the relevance of the monitoring layer of the driving task (Hollnagel & Woods, 2005) in battery electric vehicle use, which is characterised by a permanent comparison of the environment and the vehicle state. In this connection the design of the user interface is of specific relevance in terms of providing transparent, situation-specific, and action-oriented information to the driver. In sum, findings of the dissertation highlight the specific relevance of an energy-efficient interaction with battery electric vehicles. Focussing on this issue, results show concete possibilities to design the user interface of battery electric vehicles in a way to support the driver in eco-driving and to improve the comprehensibility of associated energy consumption information. Moreover, results reveal that adapation processes in terms of eco driving competence from internal combustine engine vehicles to battery electric vehicles occur and shed light on the deveopment of eco-driving competence with battery electric vehicle experience. Additionally, investigations concerning motivational aspects of eco-driving imply an increased potential of battery electric compared to conventional vehicles. Both rational and hedonic motives are important factors that are linked to battery electric vehicle eco-driving, which supplementary represent promising possibilities to further enhance the sustainability of this inherently „green“ technology.:I Synopse 1 1 Einleitung 3 2 Die Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug 7 2.1 Spezifika von Elektrofahrzeugen und ihre Bedeutung für die Gestaltung der Nutzerschnittstelle 7 2.2 Designprinzipien für die Gestaltung von Nutzerschnittstellen 9 2.3 Nutzerzentriertes Design 10 3 Energieeffizientes Fahren im Elektrofahrzeug als Fahrerkompetenz 11 3.1 Energieeffizientes Fahren – Definition und theoretische Überlegungen 11 3.2 Die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren – Einordnung in psychologische Modelle des Fahrerverhaltens 12 3.3 Besondere Eigenschaften von Elektrofahrzeugen und ihre Relevanz für energieeffizientes Fahren 15 3.4 Die Wirksamkeit von Interventionen zur Steigerung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren 16 4 Energieeffizientes Fahren im Elektrofahrzeug - die motivationale Komponente 18 4.1 Motivationale Faktoren des Fahrerverhaltens 18 4.2 Motivationale Faktoren und ihre Eingliederung in psychologische Modelle des Fahrerverhaltens 18 5 Forschungsziele der Dissertation 21 5.1 Forschungsziel 1: Evaluation der Nutzerschnittstelle vor dem Hintergrund spezifischer Eigenschaften von Elektrofahrzeugen 21 5.2 Forschungsziel 2: Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren mit dem Elektrofahrzeug 22 5.3 Forschungsziel 3: Untersuchung motivationaler Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug 23 6 Überblick über die Methodik der Dissertation 24 6.1 Der MINI E-Feldversuch 24 6.2 Studie im Realverkehr im Rahmen des Projekts EVERSAFE 25 7 Diskussion und kritische Reflexion der Ergebnisse 26 7.1 Forschungsziel 1: Evaluation der Nutzerschnittstelle vor dem Hintergrund spezifischer Eigenschaften von Elektrofahrzeugen 28 7.2 Forschungsziel 2: Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen 31 7.3 Forschungsziel 3: Untersuchung motivationaler Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug 36 8 Implikationen und Schlussfolgerungen 37 8.1 Implikationen für die Gestaltung der Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug 37 8.2 Implikationen für die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen 38 8.3 Implikationen für die motivationale Komponente energieeffizienten Fahrens 39 9 Literatur 41 II Artikel 1: Battery Electric Vehicles – Implications for the Driver Interface 53 III Artikel 2: Eco-Driving Strategies in Battery Electric Vehicle Use – How Do Drivers Adapt over Time? 85 IV Artikel 3: Experiencing Range in an Electric Vehicle – Understanding Psychological Barriers 109 V Artikel 4: BEV Eco-Driving – Competence, Motivational Aspects, and the Effectiveness of Eco-Instructions 137 VI Lebenslauf 179 VII Publikationen 181