Simulation: „Fahrlehrer“ für automatisierte Fahrzeuge

Mit Drive.Lab eröffnet das Virtual Vehicle Research Center in Graz eine Entwicklungs- und Forschungsplattform, um das Zusammenspiel von Mensch und automatisiertem Fahren zu optimieren. Im Zentrum des Drive.Lab steht der „Human Centered Driving Simulator“, ein neuartig konzipierter Fahrsimulator, der für Forschung und Entwicklung im Bereich des automatisierten Fahrens entwickelt wurde.

Mit dem neuen Fahrsimulator werden die Wechselwirkungen zwischen Fahrer, Insassen, Fahrzeugen und anderen Verkehrsteilnehmern in komplexen Situationen untersucht, um daraus Prognose-Modelle für das menschliche Verhalten zu erstellen. Ziel ist es, das Verhalten automatisierter Fahrzeuge möglichst nahe an menschliche Verhaltens- und Reaktionsmuster anzunähern. Mit der Entwicklung des „Fahrlehrers“ für automatisierte Fahrzeuge kann die Akzeptanz und Vertrauenswürdigkeit deutlich erhöht werden. Dies führt dann auch zu mehr Sicherheit im Miteinander von Mensch und Computer.

„Stellen Sie sich vor, Sie nähern sich mit Ihrem Auto einer Kreuzung ohne Ampel und gleichzeitig nähert sich ein weiteres Fahrzeug aus einer anderen Richtung“ entwirft Univ.-
Doz. Dr. Bernhard Brandstätter, Abteilungsleiter Energy Efficiency & Human Centered Solutions am Virtual Vehicle, ein gängiges Szenario: „Menschen in dieser Situation werten viele Informationen innerhalb von Sekundenbruchteilen aus: eigene Geschwindigkeit, Geschwindigkeit des anderen Fahrzeugs, eventuell vorhandene Verkehrszeichen — und vor allem auch das Verhalten der anderen Verkehrsteilnehmer, die vielleicht gerade abgelenkt sein könnten, mit dem Handy agieren oder nach einem Radiosender suchen. Wenn nun Ihr automatisiertes Fahrzeug einige, für Sie und andere vielleicht unerwartete, wenn auch sichere Manöver durchführen würde (zum Beispiel sehr starkes Beschleunigen, um sicher über die genannte Kreuzung zu kommen) — wäre das für Sie ein akzeptables Assistenz-System oder würden sie es vorsichtshalber deaktivieren? Mit Drive.Lab schlagen wir eine Brücke zwischen automatisierten Fahrmanövern und menschlichem Verhalten.“

Automatisiertes Fahren – eine Frage des Vertrauens

Sobald automatisierte Fahrzeuge auf ein komplexes Szenario mit gemischten automatisierten und nicht automatisierten Fahrzeugen und anderen Verkehrsteilnehmern treffen, sind Vertrauen und damit auch die Akzeptanz aller Beteiligten der Schlüssel für eine wesentliche und nachhaltige Marktdurchdringung der autonomen Fahrzeuge. Für das Schaffen von Vertrauen und Akzeptanz reicht es nicht aus, fahrphysikalische und regelungstechnische Möglichkeiten auszuschöpfen, da dies zwar zu prinzipiell korrekten Handlungen und Entscheidungen des Fahrzeugsystems im technischen Sinne führen wird, aber nicht die subjektiv menschliche Erwartung berücksichtigt. Genau dies muss aber berücksichtigt und gelernt werden, da es sonst zu Misstrauen gegenüber solchen technischen Systemen oder im schlimmsten Fall sogar zu Fehlreaktionen des Fahrers kommen kann.

Der Forschungsbereich Human Centered Solutions am Virtual Vehicle entwickelt gemeinsam mit seinen Forschungspartnern Systeme, die sich in komplexen Verkehrssituationen menschenähnlich verhalten, deren Verhalten also für den Menschen verständlich und nachvollziehbar ist. Unter dem Überbegriff Human.Like-Systems werden Fahrer zunächst unterschiedlichen Verkehrssituationen ausgesetzt, ihr psychophysischer Zustand und ihr Verhalten systematisch erfasst, um in weiterer Folge Modelle ableiten zu können, die dann in der Steuerung von automatisierten Fahrzeugen implementiert werden können. Für die Erfassung des psychophysischen Zustands des Fahrers wird Messtechnik verwendet, die vor allem die Aufmerksamkeit des Fahrers, aber auch seine Handlungen und Bewegungsabläufe erfassen kann. Neben einem Eye-Tracker kommen zum Beispiel auch Time-of-flight Kameras zum Einsatz, die die Pulsfrequenz berührungslos messen können, ebenso wie Kameras, Wearables und Mikrofone. Damit kann festgestellt werden, ob sich der Fahrer gerade im Gespräch befindet, welche Bewegungsabläufe er gerade vollzieht oder ob gerade laute Musik läuft und seine Aufmerksamkeit eingeschränkt oder defokussiert ist.

Wegbereiter für menschenähnliche automatisierte Fahrzeuge

„Mit dem Drive.Lab haben wir eine innovative Forschungsumgebung für die Integration von Fahrer-, Fahrzeug- und Infrastrukturinformationen zur Untersuchung des Fahrerverhaltens in komplexen Verkehrsszenarien mit gemischter Automatisierung geschaffen“, erklärt Dr. Paolo Pretto, Forschungsleiter des Bereiches Human Factors & Driving Simulation. „Drive.Lab implementiert menschenzentrierte Entwicklungsprozesse, um Sicherheit, Komfort und Vertrauen in der Automatisierung zu berücksichtigen. Damit ermöglichen wir die Entwicklung von menschenähnlichen automatisierten Fahrzeugen (human-like autonomous vehicles), deren Verhalten für den Menschen verständlich,
vorhersehbar und daher akzeptabel ist.“

Das Virtual Vehicle Drive.Lab umfasst als zentrales Tool einen Fahrsimulator, der zur Beurteilung von Fahrern in einem komplexen Fahrszenario mit gemischtem Verkehr mit anderen Fahrzeugen, Verkehrsteilnehmern und Fußgängern konzipiert ist. Der höchste Komplexitätsgrad wird durch die Möglichkeit erreicht, realistische Szenarien mit hunderten Fahrzeugen mit unterschiedlichen Fahrermodellen, Fahrdynamiken und Sensoren zu integrieren. Durch Multi-Ego Fahrzeuge können mehrere Verkehrsteilnehmer aufeinander reagieren. Hierzu wird daran gearbeitet, den Simulator mit anderen Fahrsimulatoren, mit Fußgängern via Augmented oder Virtual Reality, oder auch mit einem der Virtual Vehicle Automated Drive-Forschungsfahrzeuge zu verbinden. Auf diese Weise kann künftig nahtlos „in-the-Loop“ eine Schleife zu realen Verkehrssituationen geschlossen werden.

Drei Bausteine für die Entwicklung menschenähnlicher Systeme

Das menschliche Bedürfnis nach Sicherheit und Komfort in einer Umgebung, in der der Fahrer mit anderen Aktivitäten als nur dem Autofahren – also zum Beispiel Arbeiten, Entspannen oder Unterhalten – konfrontiert wird, ist nur in einem vollständig vertrauenswürdigen Umfeld denkbar. Menschenähnliche Systeme werden daher der Schlüssel sein, um Vertrauen und Akzeptanz zu schaffen. Zudem ist auch die Schulung des Benutzers in der kontext- und situationsbezogenen Interaktion mit automatisierten Systemen ein weiterer wichtiger Baustein.
Virtual Vehicle bietet drei im Drive.LAB Konzept integrierte Bausteine an, um eine Human-Like-System-Entwicklung zu ermöglichen:

1. Der Driver Digital Twin: Das „Digitale Zwillingsmodell“ eines realen Fahrers bildet menschliche Verhaltensmodelle ab, die als Grundlage für alle künftigen kontextbasierten Steueraktionen dienen. Diese Modelle werden fortlaufend aktualisiert und gemäß den Messungen im Drive.LAB erweitert.
2. Fluid Interaction: Alle Interaktionen, wie die Berücksichtigung von Umweltinformationen (Wetter, Straßenzustand, andere Fahrzeuge, Kenntnis und Zustand anderer Fahrer und Fußgänger), des eigenen Fahrzeugzustands sowie der Verfassung des Fahrers, werden ganzheitlich erfasst. In diesem Kontext wird adaptiv die jeweils beste Möglichkeit bestimmt, den Fahrer zu warnen oder auf die nächste Aktion vorzubereiten. (prädiktive Gefahrenvermeidung unter Einbeziehung der Umwelt und des psychophysischen Zustandes des Fahrers wird am Virtual Vehicle unter dem Namen „Foresight Safety“ behandelt.) Ein sogenanntes „Fluid Interface“, eine „fließende Schnittstelle“, umgibt den Fahrer wie eine Flüssigkeit und passt sich kontinuierlich seiner psychophysischen Verfassung an. Es ist ein multisensorisches, allgegenwärtiges und omnidirektionales System, das den Fahrer, seine Aktivitäten und Aufmerksamkeitsstufen ständig überwacht, um ein „digitales Zwillingsmodell“ für den Fahrer zu aktualisieren. Die Fluidschnittstelle ermöglicht folgendes:

• dauerhafte Überwachung von Fahrer, Passagieren und Umgebung, einschließlich Fahrzeug zu Fahrzeug und Fahrzeug zu Infrastruktur Kommunikation (V2X);
• Steuerungsmanagement, einschließlich Übergänge (Übernahme und Rückgabe der Kontrolle zwischen System und Fahrer) über verschiedene Automatisierungsstufen hinweg;
• Hilfestellung und Training der Fahrzeuglenker beim Umgang mit höheren Automatisierungsstufen.

3. AV-Instruktor – der „Fahrlehrer“ für autonome Fahrzeuge: Ziel ist es, eine Fahrstilbewertung zu entwickeln, die dem autonomen Fahrzeug ein nachvollziehbares Verhalten im Straßenverkehr „lehrt“ und somit Vertrauen in das System schafft.

In der ersten Projektphase wird das Verhalten von manuell gefahrenen Fahrzeugen in simulierten Umgebungen gemessen und bewertet. In einem nächsten Schritt wird das Bewertungssystem anhand realer Verkehrsdaten verbessert und zum Training automatisierter Fahrzeuge verwendet, damit sie das Verhalten manueller Fahrzeuge bei zugleich höheren Sicherheitsreserven reproduzieren. Das Ziel ist also ein zuverlässiges Bewertungssystem, das den aktuellen Fahrstil automatisierter Fahrzeuge in Echtzeit und in realen Szenarien evaluiert und Grundlagen zur laufenden Verbesserung liefert. Dies ist besonders relevant in Situationen mit hoher Verkehrsdichte und vielen Verkehrsteilnehmern, die sich auf unvorhersehbare Weise bewegen, wie zum Beispiel Fußgänger und Radfahrer.

Virtualisierung der Fahrzeugentwicklung

Das Virtual Vehicle Research Center ist ein internationales F&E-Zentrum für die Automobil- und Bahnindustrie mit Sitz in Graz, Österreich. Das Zentrum konzentriert sich auf die konsequente Virtualisierung der Fahrzeugentwicklung. Diese Verknüpfung von numerischen Simulationen und Hardware-Tests führt zu einem umfassenden HW-SW-Gesamtsystem-Design und zur Automatisierung von Test- und Validierungsverfahren.

Das internationale Partnernetzwerk von Virtual Vehicle besteht aus rund 100 internationalen Industriepartnern (OEMs, Tier-1 und Tier-2 Zulieferern sowie Software-Anbietern) sowie über 40 internationalen wissenschaftlichen Institutionen. Virtual Vehicle ist das größte Comet-finanzierte Forschungszentrum Österreichs und ist aktuell
in über 35 EU-Projekten aktiv. Zusätzlich bietet das Zentrum ein breites Portfolio an Auftragsforschung für die Fahrzeugentwicklung.

Weitere Informationen: www.v2c2.at

Bild oben: Im Zentrum von Drive.LAB steht der „Human Centered Driving Simulator“, ein neuartig konzipierter Fahrsimulator – oder vielmehr ein „Fahrer“-Simulator, der für Forschung und Entwicklung im Bereich des automatisierten Fahrens entwickelt wurde. ©VIRTUAL VEHICLE