Guardian angel : a driver-vehicle interaction for oversteering the driver in a highly automated vehicle

Abstract

Das Aufkommen von Technologien für automatisiertes Fahren und die ständige Weiterentwicklung der Fähigkeiten der Fahrzeuge eröffnet immer neue Möglichkeiten automatisiertes Fahren in immer mehr Situationen einsetzen zu können. Diese Entwicklung wird hoffentlich stark dazu beitragen, die Zahl der Toten und Verunglückten im Straßenverkehr zu senken.

Automatisierte Systeme gibt es schon seit vielen Jahren in anderen Transportsystemen, beispielsweise in Flugzeugen. Die Fähigkeiten der Systeme erlauben eine kontinuierliche Überwachung der aktuellen Situation und der Eingaben des menschlichen Bedieners. Erkennt die Automatisierung falsche Eingaben oder eine gefährliche Situation, so kann sie die Kontrolle übernehmen um einen Unfall zu verhindern, sogar wenn das System dazu den Mensch übersteuern muss. Bis autonomes Fahren möglich ist, wird es immer Situationen geben, in denen der menschliche Fahrer die Steuerung übernehmen kann oder sogar muss. Dies bedeutet auch, dass es für den Menschen möglich sein wird Fehler zu machen oder eine Situation falsch einzuschätzen. Ein automatisiertes System, dass in so einem Fall die Kontrolle übernehmen kann, könnte als Schutzengel Schlimmeres verhindern.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Taxonomie entwickelt, die die aktuellen Assistenzsysteme und Technologien klassifiziert und dabei das Fehlen einer Schutzengelfunktion im Automobilbereich aufzeigt.

Eine erste Simulatorstudie liefert ein generelles Konzept ob eine solche Funktion überhaupt akzeptiert würde und wie die zugehörige Benutzerschnittstelle aussehen müsste. In dieser Studie wurden die Probanden mit einer kritischen und einer unkritischen Situation konfrontiert, in denen die Schutzengelfunktion die Kontrolle über das Fahrzeug übernommen hat. Qualitative und quantitative Untersuchungen und eine ethische Betrachtung liefern uneindeutige Ergebnisse. Während die meisten Probanden einen Eingriff in der kritischen Situation tolerieren und gutheißen, ist nur die Hälfte gewillt, dies auch in einer unkritischen Situation, zum Beispiel zur Vermeidung eines Umweges, zu akzeptieren. Eine Betrachtung zum Thema Ethik findet hier zudem offene Fragen bezüglich der Autonomie des Fahrers und vor allem ein sehr uneinheitliches Bild der Autonomiewahrnehmung der Probanden.

Um ein besseres Verständnis über die Art der Situationen zu erlangen, in denen der menschliche Fahrer einen Systemeingriff tolerieren würde, wurde eine Studie entwickelt, die dies mit Hilfe von Gamification untersucht. In der Studie mussten die Probanden als Schutzengelfunktion agieren und falls sie es für nötig erachteten, dem (simulierten) Fahrer die Kontrolle über sein Fahrzeug entziehen. Dieser Perspektivenwechsel sollte eine Selbstüberschätzung des Fahrkönnens der Probanden verhindern.

Die Resultate der vorangegangenen Studien werden in einer Abschlussstudie im Fahrsimulator kombiniert, um die Schutzengelfunktion in Situationen zu testen, die in der Gamification-Studie ermittelt wurden. Die Resultate bestätigen eine hohe Akzeptanz einer solchen Funktion in gefährlichen Situationen. Die Akzeptanz in unkritischen Situationen hängt mit der Selbsteinschätzung des Fahrkönnens des Probanden ab und korreliert signifikant mit der Aggressivität des Probanden beim Autofahren.

Im öffentlich geförderten Forschungsprojekt KoFFI (Kooperative Fahrer- Fahrzeug-Interaktion) wurde ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Softwarearchitektur entwickelt und umgesetzt. In die Architektur integriert ist ein Mechanismus, der die aktuelle Fahrsituation überwacht und als Schutzengel eingreifen kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein automatisiertes System, dass in kritischen Situationen den menschlichen Fahrer übersteuern kann, um Unfälle zu verhindern, als Schutzengel funktioniert. Es wird auch als solches wahrgenommen, aber kann in weniger kritischen Situationen auch als übervorsichtiger Beschützer zu Frustration bei den Fahrenden führen, da diese sich unnötigerweise bevormundet sehen.

With the rise of automated driving technologies, the functionalities of automotive systems are getting more and more refined and capable of driving in new situations. As "road traffic injuries are the eighth leading cause of death for all age groups" [39] worldwide, automated technologies will hopefully help to reduce the risk of accidents and casualties in road traffic.

Automation is already an integral part of other transportation modes, for example in aviation. The capabilities of automation allow for a continuous evaluation of the situational state and the input of the human operator and to intervene in problematic and risky situations. As driving manually is still possible and sometimes even required until autonomous driving has been achieved, it is possible for the human driver to make mistakes. An automation that could intervene in critical situations would act as a guardian angel and help mitigating the consequences.

For this matter, this thesis will provide a taxonomy of automated systems and use it to show the absence of a guardian angel-like system in the automotive domain.

To get a general idea of the acceptance of such systems and the required human-machine interface a simulator study is conducted. This study presents to situations to the participants, a critical and a noncritical situation during driving where the automation impeaches the driver and takes over control of the vehicle. Qualitative as well as quantitative user data is gathered along with an ethical examination and yields ambiguous results. Most participants accept an intervention in critical situations but only half are willing to accept a forced take over by the automation in a non-critical situation, for example to avoid an unnecessary detour if the driver is about to miss a turn. An examination concerning the ethics of such an intervention shows a dissonant view, especially regarding autonomy and felt autonomy by the human driver.

For a better understanding of the situations in which the human driver would accept an intervention by the system a study is designed that uses a gamified approach. The study shifts the perspective of the participants, as they are not the driver in the examined scenario, but are acting as the automation impeaching the (simulated) driver and giving full control to the automation.

The results of all previous studies are then combined in another driving simulator study to evaluate a guardian angel-like system in situations that have been identified in the gamification study. The results show that a guardian angel-like system is highly useful and generally accepted in dangerous situations. However, the self-assessment of the driving behavior of the participant has a huge influence on the acceptance in non-critical situations, as it significantly correlates with the aggressiveness in driving of the respective participant.

The research for this thesis was conducted during the course of a publicly funded research project called KoFFI (Cooperative driver-vehicle interaction, German: "Kooperative Fahrer-Fahrzeug-Interaktion"). For this project a software architecture was designed and implemented. This architecture also allows the integration of mechanisms that act as the described guardian angel and are able to intervene with the driving.

In summary, an automated system that is able to intervene in critical situations during manual driving can act like a guardian angel and mitigate risky situations. It is also perceived as a guardian angel in very critical situations but can be felt as an overcautious protector in nonhazardous situations.