Konzeptentwicklung für das hochautomatisierte Fahren

In meinem letzten Beitrag habe ich derzeitige Konzepte für das hochautomatisierte Fahren analysiert und evaluiert. Dabei sollte herausgefunden werden, ob diese das Situationsbewusstsein des Fahrers unterstützen. Es konnten positive als auch negative Umsetzungen erörtert werden. Die Ergebnisse dieser Analyse bilden jetzt die Grundlage für die Konzeptentwicklung. Das Konzept sollte einen Lösungsansatz bieten, der das Situationsbewusstsein des Fahrers während des hochautomatisierten Fahrens unterstützt. Da ein vollumfängliches Konzept mit Berücksichtigung möglicher Displays (Kombi, CID), also sämtlicher Anzeigekonzepte höchst komplex und umfangreich ist, konzentriert sich das nachfolgende Konzept auf die Ausgestaltung passenden Feedbacks für den Fahrer. Ziel ist es, dadurch in die Tiefe gehen zu können und das Feedback-Konzept detailliert ausarbeiten zu können.

Die Konzeptentwicklung orientiert sich an dem Design-Thinking-Prozess. Teile der Analyse- und Beobachtungs-Phase konnten bereits im ersten Blogbeitrag beschrieben werden. In diesem Beitrag stelle ich nun das weitere Vorgehen der Konzeptentwicklung vor:

Klären der funktionalen Anforderungen

Im ersten Schritt der Konzipierung galt es, aus der Analyse- und Beobachtungsphase die konkreten funktionalen Anforderungen zu sammeln und zu verdichten. Dabei habe ich mich an drei Szenarien im hochautomatisierten Fahren orientiert:

      1. Der Fahrer befindet sich im manuellen Fahrmodus auf der Autobahn und möchte in den hochautomatisierten Modus wechseln.
      2. Der Fahrer befindet sich im hochautomatisierten Modus auf der Autobahn und beschäftigt sich mit seinem Smartphone. Das Fahrzeug wechselt dabei die Fahrspur.
      3. Der Fahrer befindet sich im hochautomatisierten Modus auf der Autobahn. Die Wetterverhältnisse ändern sich und schränken die Leistung des hochautomatisierten Systems ein. Der Fahrer muss das Fahrzeug wieder selbst übernehmen.

Jedes Szenario erhielt verschiedene funktionale Anforderungen an ein Feedback für den Fahrer, die im Konzept berücksichtigt werden sollten. Diese orientieren sich an den zuvor aufgestellten Kriterien für ein angemessenes Situationsbewusstsein:

Szenario 1:

  • Status für die Verfügbarkeit des hochautomatisierten Modus
  • Hinweis, wie der hochautomatisierte Modus aktiviert werden kann
  • Bestätigung für das Aktivieren des hochautomatisierten Modus

Szenario 2:

  • Informationsangabe über das Vorhaben des Fahrzeuges (Manöver, hier: Spurwechsel)
  • Informationsangabe über die Straßensituation
  • Bestätigung über den erfolgreichen Spurwechsel

Szenario 3:

  • Information über die Übernahme des Fahrzeuges
  • Erklärung, wie und warum das Fahrzeug wieder durch den Fahrer übernommen/manuell gesteuert werden muss
  • Informationsangabe über die Straßensituation
  • Bestätigung der Übernahme

Diese Anforderungen an entsprechendes Feedback für den Fahrer bilden die Grundlage für die Ausarbeitung des Konzepts.

Erwartungen des Nutzers mit einbeziehen

Um einen potentiellen Nutzer in die Konzeptentwicklung mit einbeziehen zu können, wurde eine Onlinebefragung durchgeführt. Diese sollte die Erwartungen hinsichtlich des Feedbacks im hochautomatisierten Fahren abfragen. Dabei wurden den Probanden die Szenarien zuerst vorgestellt. Danach konnten sie auswählen, wie wichtig ihnen bestimmte Informationen in diesem Szenario sind und welche Erwartungen sie an die Informationsvermittlung über ein Feedback haben. Dabei stand das auditive, visuelle und haptische Feedback zur Auswahl. Die Teilnehmer wurden über das Marktforschungspanel Bonopolis der Firma eresult rekrutiert. Ingesamt haben n=246 Personen den Fragebogen vollständig ausgefüllt. Personen, die den Fragebogen zu schnell oder nicht vollständig ausgefüllt hatten, wurden nicht weiter berücksichtigt. Die Teilnehmeranzahl war auf die Geschlechter gleichermaßen verteilt (männlich n=126, weiblich n=120). Alle Probanden waren im Besitz eines Führerscheins und fuhren regelmäßig Auto.
Die Umfrage zeigte eine klare Tendenz zu einer visuellen Vermittlung des Feedbacks. In brenzlichen Situationen, wie zum Beispiel der Übernahme, wollten die Probanden ein zusätzliches akustisches Feedback. Allerdings muss bei dieser Umfrage davon ausgegangen werden, dass die Antworten der Probanden von eigenen Fahrerlebnissen in einem normalen Fahrzeug ohne hochautomatisierten Modus beeinflusst wurden.

Erste Konzeptentwürfe

In einer Phase der Ideengenerierung wurden zunächst verschiedene Design-Ansätze, Zukunftsvision und Ideen primär zu visuellem, akustischen und haptischen Feedback gesammelt. Ebenso flossen hier die Ergebnisse aus vorheriger Analyse von derzeitigen Prototypen mit ein. Dabei wurden auch wahrnehmungspsychologische Aspekte und vertrauensbildende Eigenschaften berücksichtigt und in der Auswahl passender Feedback-Kanäle herangezogen.
Ziel der ersten Konzeptentwürfe war, ein breites Feld an möglichen Anwendungsfällen aufzumachen, um den Anforderungen (Situationsbewusstsein, Vertrauensbildung) gerecht zu werden. Dabei stellten sich folgende Fragen: Wie, also über welchen Kanal/Modus, möchte ich meine Information vermitteln?
Wo, also an welcher Stelle des Fahrercockpits, soll die Information vermittelt werden?

Das „wie“ sollte folglich durch einen der drei Feedback-Kanäle (visuell, akustisch, haptisch) vermittelt werden. Dafür erfolgte eine umfassende Recherche verschieden eingesetzter Feedback-Kanäle in der Automobilbranche. Anhand dieser Recherche wurden verschiedene Konzepttypen festgelegt. Diese können auch multimodal eingesetzt werden:

  • Displaykonzept
  • Lichtkonzept
  • Soundkonzept
  • Haptisches Konzept

Nun galt es noch zu klären, wo dieses Feedback im Fahrzeug zum Einsatz kommen kann. Um auch hier möglichst schnell und einfach auf Ideen zu kommen, wurde eine analoge Methode verwendet: Die genannten Einordnungen für Feedback wurden als Icon dargestellt, ausgedruckt und auf einem Foto, auf dem der Innenraum eines Fahrzeugs zu sehen war, angeordnet. So konnten verschiedene Ideen für mögliche Einsatzorte generiert werden.

Abb. 1: Ideengenerierung

Es entstanden sehr viele Ideen für mögliche Umsetzungen. Einige davon wurden danach skizziert und die Anwendungs- und Umsetzungsmöglichkeiten diskutiert, wobei diese einzelnen Ideenansätze in diesem Beitrag nicht weiter beschrieben werden. Anhand der Skizzen konnte entschieden werden, welches Feedback für die aufgestellten funktionalen Anforderungen geeignet ist. Im hochautomatisierten Modus verlässt der Fahrer seine gewohnte Haltung am Lenkrad. Es muss davon ausgegangen werden, dass er sich fremdbeschäftigt (wie in Szenario 2 beschrieben) und somit die Steuermodule seines Fahrzeuges nicht mehr dauerhaft überwacht. Für diese Situation muss das Feedback passend gewählt werden. Für die weitere Ausarbeitung wurde deshalb ein Lichtkonzept gewählt, wobei das Licht als indirekte Lichtquelle im Cockpit integriert werden sollte. Licht bietet die Möglichkeit, im Gegensatz zu anderen Feedback-Kanälen, auch peripher wahrgenommen zu werden und ist deshalb ein interessanter Ansatz für eine Konzeptumsetzung im hochautomatisierten Fahren.

Konzeptausarbeitung

Herausforderung in der Konzeptausarbeitung war, ein Lichtkonzept zu entwickeln, das die zuvor festgelegten Funktionsanforderungen erfüllt und zugleich dem Anspruch gerecht wird, beim Fahrer ein Situationsbewusstsein während der gesamten Fahrt aufrecht zu erhalten. Licht kann Informationen durch Farbwechsel, Lichtintensität und Animationen (Frequenz) vermitteln. Diese Eigenschaften wurden in der Konzeptentwicklung verwendet, um die aufgestellten funktionalen Anforderungen zu erfüllen. Da nicht alle Anforderungen mit einem Licht-Feedback vermittelt werden können, arbeiten die Konzepte zusätzlich mit einer Displayanzeige und einem Warnton. Im Folgenden werden die drei Konzepte kurz beschrieben. Dabei stehen die Zahlen an den Bildern für das jeweilige Szenario.

Konzept 1:

Abb. 4: Konzept 1 LED-Leiste im Armaturenbrett


1. Der Fahrer fährt auf der Autobahn im manuellen Modus. Dabei ist die LED Leiste im Armaturenbrett nur sehr schwach beleuchtet. Sobald der hochautomatisierte Modus zur Verfügung steht, beginnt die LED-Leiste in einem Weißton zu leuchten. Dazu wird auf dem Lenkrad die Aktivierungstaste in blau beleuchtet. Eine Erklärungs- und Informationsanzeige wird gleichzeitig auf einem Display gezeigt. Wurde der Knopf betätigt und der hochautomatisierte Modus aktiviert, wird dies durch eine Farbänderung der LED-Leiste verdeutlicht. Ein blauer Farbraum soll den Fahrer nun auf den hochautomatisierten Modus hinweisen.

2. Das Wechseln der Fahrspur wird durch eine sanfte Animation auf dem LED-Streifen gezeigt. Die Animation zeigt dem Fahrer, in welche Richtung das Fahrzeug die Spur wechselt. Auf einem Display werden dem Fahrer zusätzliche Umgebungsinformationen angezeigt.

3. Muss der Fahrer das Fahrzeug wieder selbst übernehmen, beginnt die LED-Leiste zu blinken. Gleichzeitig ist ein Warnton zu hören. Auf einem Display werden eine Erklärung und Umgebungsinformationen angezeigt.

Konzept 2:

Abb. 5: Konzept 2 LED-Leisten im Fahrzeuginnenraum

1. Der Fahrer befindet sich im manuellen Fahrmodus. In diesem Status wird noch kein Licht-Feedback eingesetzt. Ist der hochautomatisierte Modus verfügbar, beginnen LED‘s am Lenkrad in einer weißen Farbe zu leuchten. Die Aktivierungstaste leuchtet in einem blauen Farbton. Dem Fahrer werden während diesem Vorgang Informationen auf einem Display gezeigt. Hat der Fahrer die Aktivierungstaste bestätigt, beginnt eine kurze Animation. Dabei färbt sich das weiße Licht blau und breitet sich langsam im Fahrzeuginnenraum aus.

2. Sobald das Fahrzeug die Spur wechselt, wird dies durch eine Verlagerung der Farbintensität verdeutlicht. Die Farbintensität wird auf der Seite erhöht, auf der das Fahrzeug die Spur wechselt. Zusätzliche Umgebungsinformationen werden auf dem Display angezeigt.

3. Muss der Fahrer wieder selbst übernehmen, beginnen die LED‘s am Lenkrad zu pulsieren. Ein Warnton wird abgespielt und Informationen auf einem Display angezeigt.

Konzept 3:

Abb. 6: Konzept 3 Kombination mit einem Ambient Light

1. Das Ambient Light befindet sich auf niedrigster Farbintensität und somit im manuellen Fahrmodus. Ist der hochautomatisierte Modus verfügbar, erhöht sich die Intensität des Ambient Light und der Fahrer kann in den hochautomatisierten Modus schalten. Dazu stehen ihm Informationen auf einem Display zur Verfügung. Ist der hochautomatisierte Modus aktiviert, befindet sich die Farbintensität auf höchster Stufe.

2. Ähnlich wie bei Konzept 2, werden die Lichter im Falle eines Spurwechsels auf einer Seite erhöht und auf der anderen Seite zurückgenommen. Zusätzliche Umgebungsinformationen können auf dem Display abgelesen werden.

3. Muss der Fahrer wieder selbst das Steuer übernehmen, beginnt das Ambient Light im gesamten Fahrzeuginnenraum zu pulsieren. Ein Warnton ertönt und auf einem Display werden zusätzliche Informationen gezeigt.

Experteninterview

Bevor einer dieser Konzeptansätze im Detail ausgearbeitet wurde, fanden Experteninterviews statt, um weitere Meinungen und Anregungen der Experten in die Konzeptentwicklung mit einzubeziehen. Dafür wurden diesen die drei Konzepte vorgestellt und anschließend Fragen gestellt.
Damit die Konzepte den Experten optimal präsentiert werden konnten, wurden die einzelnen Szenarien in einer realistischen Darstellung gezeigt: anhand eines Entwurfs eines Fahrzeuginterieurs, in das das Lichtkonzept eingearbeitet wurde. Die Bilder wurden während des Interviews auf einem iPad zur Verfügung gestellt. Dies ermöglichte es dem Probanden, sich in die Fahrzeugsituation hineindenken zu können. Ebenso dienten die Bilder als Vision des Konzeptes und somit als Diskussionsgrundlage zwischen den Experten und dem Entwickler.

Abb. 7: Die Abbildung der drei Konzepte für das Experteninterview

Da das Licht in den Konzepten mit zusätzlichen Anzeigen auf einem Display zusammen arbeitet, wurden diese als Mockup auf Papier ausgedruckt gezeigt. Sie dienten lediglich dazu, dem Experten aufzuzeigen, welche Informationen zusätzlich in welchem Szenario angezeigt werden.

In allen drei Konzepten spielt das Licht eine wichtige Rolle, deshalb war es wichtig, den Experten ein Gefühl für verschiedene Lichtverhältnisse zu zeigen. Mit Hilfe einer LED-Leiste, die auf Basis eines Arduinos animiert wurde, konnte die Farbgebung des Lichts in den verschiedenen Szenarien dargestellt und so eine möglichst realitätsnahe Simulation der Konzepte realisiert werden.

Abb. 8: Der Aufbau des Experteninterviews

Allgemein fassten die Experten den Einsatz von Licht-Feedback als Unterstützung für den hochautomatisierten Modus im Fahrzeug positiv auf. Aus den Ergebnissen des Experteninterviews gehen nun folgende Themen für einen Optimierungsansatz hervor:

  • Animation
  • Frequenz
  • Farbe


Die Animation nimmt in allen Konzepten eine wichtige Rolle ein.

Die Animation nimmt in allen Konzepten eine wichtige Rolle ein. Die Experten merkten an, dass die Frequenzen der Animationen teilweise zu schnell sind. Besonders die Übernahmeaufforderung erscheint zu hektisch. Dies gilt auch für die Animation des Abbiegens. Hier sah fast jeder Proband Schwierigkeiten, da die Animation zu dominant erschien.

Die Farbintensität sollte je nach Umweltbedingung angepasst werden können. Am Tag mit viel Licht wird eine andere Intensität als in der Nacht benötigt. Ebenso wurde das dritte Konzept kritisiert, da Abstufungen der Farbintensitäten nur schwer zu unterscheiden sind, wenn kein Vergleichsmerkmal vorliegt.
Konzept 1 und 2 arbeiten mit unterschiedlichen Farbräumen. Die Probanden merkten an, dass die Farben ein einmaliges Lernen voraussetzen. Diese Voraussetzung wurde allerdings nicht weiter kritisiert, da der Ablauf leicht zu merken ist. Allerdings nimmt in diesem Zusammenhang die Information auf dem Display eine wichtige Rolle ein, denn so kann sichergestellt werden, dass dem Fahrer der Farbwechsel auch einmalig erklärt werden kann.
Aus den Empfehlungen der Experten wird nun ein Konzept weiter ausgearbeitet. Dieses wird auf die drei Optimierungsansätze eingehen. Anschließend wird dieses Konzept als Prototyp umgesetzt.

Ausblick

Mit den Ergebnissen aus dem Experteninterview kann nun ein Konzept ausgearbeitet und als Prototyp auf Basis von LED-Lichterketten, die mit einem Arduino gesteuert/animiert werden, umgesetzt werden. Zur Prototypen-Entwicklung mehr in einem weiteren Blogbeitrag zu dieser Reihe.

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