Das Vehicle in the Loop : Ein Werkzeug für die Entwicklung und Evaluation von sicherheitskritischen Fahrerassistenzsystemen

Das „Vehicle in the Loop (VIL)“ ist eine Test- und Simulationsumgebung für Fahrerassistenzsysteme, welche die Vorzüge eines realen Versuchsfahrzeugs mit der Sicherheit und Reproduzierbarkeit von Fahrsimulatoren kombiniert. Als Werkzeug für Entwickler ausgelegt, wurde das VIL weiterentwickelt, um auch als Evaluationswerkzeug für sicherheitskritische Fahrerassistenzsysteme eingesetzt werden zu können. Hierfür wurde das VIL mit neuen Komponenten aufgebaut und auf eine vollständig virtuelle Visualisierung umgestellt. Mit Hilfe einer Validierungsstudie wurde geprüft, ob das VIL reales Fahrerverhalten abbildet. Hierbei konnte relative Validität bezüglich Reaktionszeit und aufgebrachtem Bremsdruck nachgewiesen werden. Gleichzeitig diente die Studie dazu, während des Aufbaus identifizierte Schwachstellen zu bestätigen und weitere Ansätze für die Verbesserung des VIL zu finden. Hierbei wurden drei Ansätze für eine Verbesserung des VIL aufgedeckt, welche näher betrachtet wurden. Bei der Auswahl des Head Mounted Displays (HMD) wurde beim Aufbau darauf geachtet, dass das darstellbare Blickfeld möglichst dem des Menschen entspricht. Jedoch war das ausgewählte HMD schwer und unhandlich, so dass dieses in einer zweiten Studie mit einem kleineren, leichteren HMD aber kleinerem Blickfeld verglichen wurde. Hierbei konnte gezeigt werden, dass das kleinere Blickfeld keinen signifikanten Einfluss auf das Fahrerverhalten hat. Zudem wurde das kleinere und leichtere HMD auch von den Probanden klar bevorzugt, so dass sich dieses als sinnvoll für die Verwendung im VIL durchsetzte. Der verwendete optische Tracker zur Verfolgung der Kopfausrichtung des Fahrers stellte im ersten VIL Aufbau die Fahrerbewegung nur stark verzögert dar. Deswegen wurde ein Headtracking-Verfahren entwickelt, welches die aktuelle Ausrichtung des Fahrerkopfs mit Hilfe von einem optischen Tracker und zwei Drehratensensoren berechnet und die Bewegung zusätzlich prädiziert, so dass die Latenz bei der Darstellung von Fahrerbewegungen signifikant verringert wurde. Durch den Einsatz einer VR-Visualisierung verliert der Fahrer die gewohnte Sicht auf den Innenraum des Fahrzeugs. Hierdurch geht die Möglichkeit der Interaktion mit dem Fahrzeug verloren und der Fahrer hat das Gefühl über die Straße zu fliegen. Um dem entgegen zu wirken, wurde ein Augemented Reality Konzept auf Basis von video-see-through erarbeitet, welches es ermöglicht, dem Fahrer sowohl den Fahrzeuginnenraum, wie auch die virtuelle Welt, in welcher er sich bewegt, darzustellen. Es konnte gezeigt werden, dass das Konzept viel Potential für eine bessere Darstellung im VIL bietet, dieses aber noch Verbesserungen bedarf bevor es im VIL für Probandenstudien eingesetzt werden kann. Durch die Weiterentwicklung des VIL hat dieses mittlerweile einen Reifegrad erreicht, welches erlaubt das VIL als kostengünstiges Werkzeug für die Entwicklung und Evaluation von sicherheitskritischen Fahrerassistenzsystemen einzusetzen.The Vehicle in the Loop (VIL) is a test and simulation tool to develop and evaluate driving assistant systems. Its greatest advantage is that the VIL combines the real driving experience with the safety and replicability of a driving simulator. Initially designed as a developer tool, the VIL was further developed to extend its field of operation to the evaluation of safety systems in the automotive context. For this purpose, the original VIL was reconstructed with the use of new hardware components and a virtual reality visualization. To proof that the VIL is capable of eliciting and promoting naturalistic driving behavior, an evaluation study was conducted in which driving scenarios were compared in reality and the VIL. In addition the evaluation study aimed at identifying further development needs. Initially a Head Mounted Display (HMD) with a field of view comparable to the natural field of view was chosen. However, it turned out that the weight and the lack of comfort of the device dominated the overall negative feedback given by participants. Thus, in an additional study, a smaller HMD was compared with the first HMD to identify the pivotal features that provide the best visual and wearing experience. Furthermore, the optical head tracker used for measuring the driver’s current head pose turned out to show a time lag which is perceived by the driver and thus affects the driving experience. Therefore, the head tracking hardware was supplemented with gyroscopes to additionally measure the drivers’ head turning rate. Based on the different sensor signals, a sensor fusion algorithm was implemented which reduces the lag. An additional reduction is achieved with a prediction of the head pose. In combination, these measures reduced the perceived lag in the head tracking significantly. Due to the virtual reality visualization, the driver has no visual feedback of the car interior. Furthermore, this visualization creates the feeling of flying over the street. To emphasize the impression of driving a car, a proof of concept for an augmented reality based on video-see-through was developed and evaluated. Hereby, the driver’s view is filmed by a camera which is mounted on the HMD. Before visualizing, the camera image is augmented with the virtual reality, which results in a view of the car’s interior and the virtual reality instead of the windshield’s view. It could be shown that the new concept of augmented reality based on video-see-through has a high potential to make driving in the VIL even more realistic. However, the concept requires further improvement before it can be used for the evaluation of driving assistant systems. Due to the reported advances in technological development, the VIL with virtual reality visualization has currently reached a level of technological readiness which enables the VIL to be used as a tool to develop and evaluate automotive safety assistance systems. Future developments show potential to promote naturalistic driving with the VIL even further