Manoeuvre-based cooperative automation for partially, conditionally and highly automated driving

Bei der Entwicklung des teil- und hochautomatisierten Fahrens muss ein besonderer Fokus auf die Gestaltung des Zusammenwirkens des Fahrers mit der Automation bei der Fahraufgabenbearbeitung gelegt werden. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass der durch die Automatisierung erhoffte Komfort- und Sicherheitsgewinn nicht erreicht wird. Basierend auf der Betrachtung von bekannten Problemen beim Einsatz einer hohen Automatisierung zielt die Arbeit auf eine Gestaltung einer Automation für das teil- und hochautomatisierte Fahren ab, die es ermöglicht, die Probleme im Zusammenwirken von Mensch und Automation zu vermeiden und einen signifikanten Komfort- und Sicherheitsgewinn zu erreichen. Der Ansatz der Arbeit zur Erreichung der Zielsetzung ist die kooperative Gestaltung des Zusammenwirkens von Fahrer und Automation. Dazu erfolgt eine ausführliche Auseinandersetzung mit der Idee der kooperativen Automation für das teil- und hochautomatisierte Fahren aus ingenieurwissenschaftlicher Perspektive. Dies umfasst die Darstellung des allgemeinen Konzeptes, dessen technische Konkretisierung, die Beschreibung von Ansätzen zur technischen Umsetzung sowie eine ausführliche Evaluierung. Kernelemente des Konzeptes der kooperativen Automation sind die gemeinsame Handlungsplanung und -ausführung sowie die Kompatibilität, welche die Passung der Automation mit dem Fahrer beschreibt. Die Strukturierung des Fahrtablaufes in einzelne Manöver nimmt dabei eine besondere Stellung ein. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Automationsfunktionalität. Daher ist die Zielsetzung hinsichtlich der Mensch-Maschine-Schnittstelle die Beschreibung von Konzepten und Methoden zur Bereitstellung verschiedenster Kommunikationsmöglichkeiten, nicht die Beschreibung der Ausgestaltung der Schnittstelle. Da die Ausgestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle einen erheblichen Einfluss auf die Wirkung der kooperativen Automation beim Fahrer hat, zielt die Arbeit auf die Bereitstellung eines möglichst großen positiven Wirkpotentials hinsichtlich der genannten Ziele ab. Als zentrales Ergebnis der Arbeit ergibt sich, dass eine kooperative Automation für das teil- und hochautomatisierte Fahren helfen kann, die Probleme im Zusammenwirken von Mensch und Automation zu vermeiden und einen signifikanten Komfort- und Sicherheitsgewinn zu erreichen.In the development of partially, conditionally, or highly automated driving the design of the coaction of driver and automation for the joint execution of the driving task has to be in focus especially. When no profound design of this coaction is done, the benefits sought as regards comfort and safety will not be achieved. Based on the analyses of well-known problems when employing high levels of automation, the thesis aims to design an automation for partially, conditionally, and highly automated driving, which allows for these problems in the coaction of human and automation to be avoided, and significant benefits in comfort and safety to be achieved. To attain this objective, the approach of this thesis is the cooperative design of the coaction of driver and automation. For this purpose, the idea of cooperative automation for partially, conditionally, and highly automated driving will be examined in detail from the perspective of engineering science. This comprises the elaboration of the general concept, the technical concretion of this concept, the development of approaches for the technical realisation, and a detailed evaluation. The core elements of the concept are the joint planning and execution of actions as well as the compatibility, which describes the fit of the automation with the driver. Apart from that, the structuring of the whole ride in several compatible manoeuvres will occupy an important position in the thesis. The focus of the thesis is on the automation functionality. Therefore, the objective with regard to the human-machine interface is the development of concepts and methods for providing several communication options, not the concrete design of the interface. Because the concrete design of the human-machine interface significantly influences the effect of the cooperative automation on the driver, the thesis aims to provide the largest possible positive impact potential regarding the avoidance of problems in coaction and the achievement of benefits in comfort and safety. The core result of the thesis is that a cooperative automation for partially, conditionally, and highly automated driving can help avoid the problems in the coaction of human and automation as well as achieve significant benefits in comfort and safety

Kooperative, manöverbasierte Automation und Arbitrierung als Bausteine für hochautomatisiertes Fahren

Bei der Entwicklung von hochautomatisierten Fahrzeugen ist eine intuitive Bedienbarkeit für den Fahrer von entscheidender Bedeutung. Die kooperative Kontrolle („Cooperative Control“) stellt ein viel versprechendes Konzept dar, wie eine Automation in einem hochautomatisierten Fahrzeug gestaltet werden kann, so dass eine gewinnbringende Zusammenarbeit zwischen Automation und Fahrer möglich wird. Nach dem Aufzeigen von Anforderungen wird eine konkrete Ausgestaltung einer solchen kooperativen Automation vorgestellt. Die Arbitrierung bietet eine Strategie zur Abstimmung über auszuführende Handlungen zwischen Fahrer und kooperativer Automation. Die Umsetzbarkeit der Konzepte wird am Beispiel eines prototypischen Systems zum hochautomatisierten Fahren mit integrierter Längs- und Querführung gezeigt

Mobilitätsdienste zur Eingliederung individuell abrufbarer Personentransportsysteme in den ÖPNV

Unternehmen des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) streben einen Betrieb an, der wirtschaftlich, sicher und für die Fahrgäste attraktiv ist. Neben einer ausreichenden räumlichen und zeitlichen Bedienung mit Verkehrsleistungen rücken zunehmend weitere Komfortmerkmale in den Vordergrund. Die Bereitstellung aktueller betrieblicher Informationen im Sinne kollektiver Auskunftsmedien ist seit langer Zeit im Betrieb von ÖPNV-Systemen erfolgreich gelebte Praxis. In der zunehmenden Verfügbarkeit des mobilen Internets und einer entsprechenden Ausstattungsrate der Fahrgäste mit Smartphones besteht jedoch das Potenzial, neben der Bereitstellung von Echtzeitinformation auch Anwendungsprogramme (Apps) zur Assistenz der Reisenden bei verkehrsträgerübergreifenden Reiseketten zu entwickeln und bereitzustellen. Parallel hierzu zeichnet sich eine sukzessive Zunahme der Fahrzeugautomation ab. Am Ende dieser Entwicklung wird das autonome Fahrzeug stehen. Auf dieser technologischen Grundlage werden bedarfsorientierte Bedienformen in Form individuell abrufbarer Transportsysteme in städtischen Quartieren langfristig umsetzbar. Dieser Beitrag beschreibt, wie individuell abrufbare Transportsysteme auf Basis autonom fahrender Fahrzeuge in die Informationsdienste des ÖPNV integriert werden können

Towards Highly Automated Driving: Intermediate report on the HAVEit-Joint System

International audienceThis overview article describes the goals, concepts and very preliminary results of the subproject Joint System within the EU-project HAVEit. The goal of HAVEit is to develop and investigate vehicle automation beyond ADAS systems, especially highly automated driving, where the automation is doing a high percentage of the driving, while the driver is still meaningfully involved in the driving task. In HAVEit, an overarching architecture and several prototypes will be built up over time by manufacturers and suppliers. As a trail blazer, a Joint System prototype is under development by an interdisciplinary team of several European research institutes in order to investigate and demonstrate the basic principles of highly automated driving, which will then be gradually applied to vehicles closer to serial production. Starting with sensor data fusion, the Co-System part of the Joint Systems plans manoeuvres and trajectories, which are then used to control active interfaces and, taking into account the results of an online driver assessment, joined with the actions of the driver. While many aspects of this research undertaking are still under investigation, the concept, a first prototype and first results from a simulator evaluation will be sketched

Automation spectrum, inner / outer compatibility and other potentially useful human factors concepts for assistance and automation

Enabled by scientific, technological and societal progress, and pulled by human demands, more and more aspects of our life can be assisted or automated. One example is the transportation domain, where in the sky commercial aircraft are highly automated, and on the roads a gradual revolution takes place towards assisted, highly automated or fully automated cars and trucks. Assistance and automation can have benefits such as higher safety, lower workload, or a fascination of use. Assistance and automation can also come with downsides, especially regarding the interplay between human and technology (e.g., Bainbridge, 1983; Billings, 1997; Norman, 1990; Sarter and Woods, 1995a). In parallel to the technological progress, the science of human factors has to be continuously developed such that it can help to handle the technological complexity without adding new complexity (e.g., Hollnagel, 2007). In this overview article, some fundamental human factors issues for assistance and automation that the authors found useful in their daily work are briefly sketched. Some examples are described how those concepts could be used in the development of assistance and automation systems. While the article deals especially with assistance and automation in vehicles, the underlying concepts might also be useful in other domains

Safe Cooperation of Automated Vehicles

A significant challenge in automated vehicle design is validation and verification. Purely test-based validation approaches can suffer from extremely high number of required test kilometers, as well as difficulties to transfer results to new driving situations. Classical offline verification approaches struggle to account for the high number of environmental variables and the mixture of continuous and discrete dynamics, which are apparent in the application. A promising approach investigated in the EU project UnCoVerCPS is the combination of online and offline verification as well as testing steps. The methods developed in UnCoVerCPS are applicable to many safety critical, cyber physical systems. As a specific use case, we investigate a system, which facilitates safe interactions of automated vehicles. Leveraging a formal proof on a validated vehicle dynamics model and by negotiating exclusive access to phase space regions via Car-to-Car communication, the freedom of collisions and safe operation in other respects are ascertained online and for the situation at hand. Our design is tailored to make the distributed system amenable to verification. Each individual vehicle has to guarantee certain time and space requirements, thus allowing to show safety of the vehicle group. Individual vehicle guarantees are constructed by subdividing a vehicle into the tree layers “physical vehicle”, “closed-loop control” and “decision making”. The physical vehicle is modeled as a set of nonlinear differential equations with bounded uncertain parameters and disturbances. The second layer is realized by a classical discrete time trajectory tracking controller, which stabilizes the vehicle around a given reference trajectory, while operating on state measurements that are also considered to be afflicted by bounded errors. The first validation step in the approach is to subject the vehicle to test drives targeting the two lower layers: Bounds on system parameters, disturbances and measurement errors are derived, which establish conformance between the mathematical vehicle model and each of the recorded time series. The validation step is independent from the control layer, the decision layer and the surrounding traffic situation. Coverage of the vehicle’s operable state space region, as well as admissible disturbance situations is required, (which can be achieved with relatively few test km). Based on the validated model, a subsequent offline verification step computes a set of reference trajectories, their admissible order of execution and bounds on control performance under consideration of the closed loop controller. Using reachability analysis for nonlinear dynamical systems, the computed bounds are formally sound and thus reliability of the second layer is established. Results are grouped in a so called Maneuver Database (MDB), which is made available to the decision layer. At the decision layer, an online verification module uses the MDB to determine at each time-step, which available actions are safe and compliant with the cooperation requirements. An action is proven to be safe by appending an emergency maneuver, which leads to a safe terminal state, adheres to precomputed bounds of the MDB and is collision free under certain types of worst-case behaviors of other traffic participants. Behavioral software components can be attached to the online verification module, e.g. behaviors for lane-following, lane-changing, cooperative lane-changing, etc. As long as these modules select only from the set of verified actions, they cannot infringe on the vehicle’s safety property. On the level of vehicle cooperation, a formal analysis of the negotiation protocol establishes correctness under arbitrary message delay and loss. A prototypical implementation of the system design is presented and analyzed in simulation for two cooperating vehicles. It remains to conclude with several benefits of our approach: Very limited physical testing is required. In contrast to other approaches, which are either restricted to linear systems or nonlinear systems in a small state space region, our approach is able to cover a broad operation regime for a nonlinear vehicle model and maintains guarantees for transitions between different areas of the state space. The offline analysis of the closed loop system and the precomputation of bounds enable formally sound online decision making. Furthermore, the online verification module is able to handle unforeseen traffic situations and encapsulates the safety property in such a way that computations of other behavioral modules cannot affect correctness

Balancierte Gestaltung kooperativer multimodaler Bedienkonzepte für Fahrerassistenz und Automation: H-Mode beim Annähern, Notbremsen, Ausweichen

Im Rahmen des DFG-Projektes H-Mode wird eine intuitive, metapherbasierte Mensch-Maschine-Interaktion für ein hochautomatisiertes Fahrzeugführungssystem erforscht und entwickelt, das auf einer manöverbasierten kooperativen Automation aufbaut. Im speziellen wird in diesem Beitrag auf die Aspekte der Interaktion beim Annähern, Notbremsen und Ausweichen eingegangen. Der Aufbau eines Prototyps sowie die Methodik und ausgewählte Ergebnisse einer Exploration werden kurz dargestellt und diskutiert

Haptisch-multimodale Interaktion für hochautomatisierte, kooperative Fahrzeugführung bei Fahrstreifenwechsel-, Brems- und Ausweichmanövern

In Serienfahrzeugen werden seit einiger Zeit Assistenzsysteme angeboten, die den Fahrer entweder informieren bzw. warnen oder aktiv in die Ausführung der Fahraufgabe eingreifen. In Zukunft wird sowohl die Anzahl dieser Assistenzfunktionen als auch die Fähigkeiten über Assistenz hinaus in Richtung Automation weiter zunehmen. Dabei ist es entscheidend, solche Systeme so zu gestalten, dass die Interaktion auch für zahlreiche Automationsfunktionen konsistent ist, der Fahrer dies integriert und zusammenhängend begreifen kann und ausreichend in den Regelkreis der Fahrzeugführung eingebunden ist. So muss z.B. der Fahrer in der Lage sein, an Systemgrenzen sicher die Kontrolle über das Fahrzeug zu übernehmen. Ein möglicher Ansatz dafür ist der der kooperativen Fahrzeugführung. Hier werden Fahrer und Automation als zwei Akteure angesehen, die hinsichtlich der Ausführung der Fahraufgabe kooperieren, wobei die jeweiligen Anteile an der Fahraufgabe dynamisch variieren können. Ein Beispiel einer kooperativen Fahrzeugführung ist H-Mode, eine von der H-Metapher (Flemisch 2003) abgeleitete haptisch-multimodale Bedienweise hochautomatisierter Fahrzeuge. In diesem Beitrag wird die nutzerzentrierte Entwicklung und Integration einer neuen Funktion des H-Mode Konzeptes beschrieben. Sie deckt das Annähern an vorausfahrende Fahrzeuge mit den verbundenen Manövern wie Fahrstreifenwechsel, bis hin zum automatischen Notbremsen und / oder Ausweichen ab. Anschließend werden Ergebnisse des Tests eines ersten Prototyps dargestellt