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Autonome Fahrtechnologien wurden bereits in viele Serienfahrzeuge integriert und unterstützen die menschlichen Fahrerinnen bei Aufgaben wie dem Zentrieren des Fahrzeugs in seiner Spur. Die wenigen Daten, die über die Sicherheit des automatisierten Fahrens vorliegen, zeigen jedoch, dass es mehr schaden als nützen kann, wenn die Kontrolle über ein Fahrzeug zu sehr in die Hände der Automatisierung gelegt wird, da das Auskuppeln des menschlichen Fahrers das Unfallrisiko erhöhen kann.
«Bei den derzeit auf dem Markt befindlichen Fahrzeugen handelt es sich entweder um manuelle oder automatisierte Fahrzeuge, und es gibt keine klare Möglichkeit, ihre Steuerung zu einer wirklich gemeinsamen Erfahrung zu machen. Das ist gefährlich, denn es führt dazu, dass sich die Lenkenden zu sehr auf die Automatisierung verlassen», erklärt Jürg Schiffmann, Leiter des Labors für Angewandte Mechanik in der Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie.
Die Forschenden des Labors haben nun in Zusammenarbeit mit dem japanischen Lenksystemhersteller JTEKT Corporation ein haptikbasiertes automatisiertes Fahrsystem entwickelt und erfolgreich auf der Strasse getestet, das verschiedene Arten der Mensch-Roboter-Interaktion integriert. Die Forschenden hoffen, dass ihr Ansatz nicht nur die Sicherheit des automatisierten Fahrens erhöhen wird, sondern auch die gesellschaftliche Akzeptanz dafür.
«Diese Forschung basierte auf der Idee, dass sich Automatisierungssysteme an die menschlichen Lenkenden anpassen sollten und nicht umgekehrt», sagt der EPFL-Doktorand und JTEKT-Forscher Tomohiro Nakade, der auch Erstautor einer kürzlich in der Fachzeitschrift «Nature» veröffentlichten Beschreibung des Systems ist.
Nakade fügt hinzu, dass eine gute Metapher für das neue System von einem Verkehrsmittel abgeleitet werden kann, das noch aus der Zeit vor der Automatisierung stammt: «Ein Fahrzeug muss offen für Verhandlungen mit einer menschlichen Fahrerin sein, so wie ein Reiter seine Absicht durch die Zügel an das Pferd weitergibt.»
Interaktion, Schlichtung und Einbeziehung
Im Gegensatz zu den derzeitigen automatisierten Fahrsystemen, die nur Kameras für den sensorischen Input nutzen, integriert der ganzheitlichere Ansatz der Forschenden Informationen von der Lenksäule eines Autos. Ausserdem fördert er die kontinuierliche Interaktion zwischen Fahrerin oder Fahrer und Automatisierung, im Gegensatz zu den derzeitigen automatisierten Systemen, die in der Regel entweder ein- oder ausgeschaltet werden.
«Bei der Automatisierung im Allgemeinen verliert der Mensch die Fähigkeit zu reagieren, wenn er ein System nur überwacht, aber nicht aktiv daran beteiligt ist», sagt Robert Fuchs, ein ehemaliger EPFL-Doktorand, der jetzt als General Manager für Forschung und Entwicklung bei der JTEKT Corporation tätig ist. «Deshalb wollten wir die Einbindung der Lenkenden durch die Automatisierung aktiv verbessern.»
Das System der Forschenden erreicht dies durch drei Funktionalitäten: Interaktion, Schlichtung und Einbeziehung. Zunächst unterscheidet das System zwischen vier verschiedenen Arten der Mensch-Roboter-Interaktion: Kooperation (die Automatisierung unterstützt den Menschen bei der Erreichung eines Ziels); Koaktivität (Mensch und Automatisierung haben unterschiedliche Ziele, aber ihre Handlungen beeinflussen sich gegenseitig); Kollaboration (Mensch und Automatisierung unterstützen sich gegenseitig bei der Erreichung unterschiedlicher Ziele); und Wettbewerb (Mensch und Automatisierung sind gegensätzlich aktiv).
Während der Fahrer das Fahrzeug steuert, schaltet das System zwischen verschiedenen Interaktionsmodi um, je nach der sich entwickelnden Situation auf der Strasse. So kann das Fahrzeug beispielsweise vom Kooperations- in den Wettbewerbsmodus wechseln, um eine plötzlich drohende Kollision zu vermeiden.
Schliesslich, und immer noch innerhalb desselben Kontrollrahmens, integriert das System eine «Einbeziehungs»-Funktion: Es berechnet die Fahrbahn des Fahrzeugs neu, wenn die Fahrerin eingreift – zum Beispiel durch Drehen des Lenkrads –, anstatt dies als Übersteuerung zu betrachten und abzuschalten.
Eine praktische Lösung
Um ihr System zu testen, entwickelten die Forschenden Experimente mit einem simulierten virtuellen Lenkenden und einem menschlichen Lenkenden unter Verwendung eines abgesetzten Servolenkungssystems, eines vollständigen Fahrsimulators und sogar Feldtests mit einem modifizierten Testfahrzeug. Die Feldtests wurden mit fünf Fahrern auf einer JTEKT-Teststrecke in der japanischen Präfektur Mie durchgeführt, indem das System der Forschenden über ein externes Steuergerät an eine Standard-Limousine angeschlossen wurde.
Die Forschenden testeten insbesondere die Erfahrungen der Lenkenden in Bezug auf die Leichtgängigkeit der Lenkung und die Leichtigkeit des Spurwechsels, und ihre Ergebnisse bestätigten das erhebliche Potenzial des Systems, den Komfort zu erhöhen und den Kraftaufwand für die Fahrerinnen durch kooperative Lenkung zu verringern.
«Es handelt sich um ein sehr praktisches Konzept – es ist nicht nur Forschung um der Forschung willen», sagt Schiffmann und fügt hinzu, dass das softwarebasierte System ohne spezielle Ausrüstung in Serienfahrzeuge integriert werden kann: «Es ist auch ein schönes Beispiel für eine fruchtbare Partnerschaft zwischen unserem Labor und JTEKT, mit dem die EPFL seit 1998 zusammenarbeitet.»