Conception and development of a highly integrated human machine interface for advanced driver assistance systems in a task-oriented warning strategy

Im Bereich des assistierten Fahrens steht trotz der Unterstützung der Fahraufgabe durch technische Systeme der Mensch als Fahrzeugführer weiterhin im Mittelpunkt. Er muss Teile der Fahraufgabe selbständig ausführen und die Fahrassistenzsysteme überwachen, da er in der Verantwortung für die Fahrzeugführung verbleibt. Zur Unterstützung der Überwachungsaufgabe dienen grafische Anzeigen, die den Status der Assistenzfunktionen und deren Aktivitäten abbilden. Die vorliegende Arbeit beschreibt die nutzerzentrierte Entwicklung eines Anzeigesystems für fahraufgabenbezogene Fahrerassistenzsysteme, deren wichtigstes Ziel in der Aggregation aller betrachteten Systeme in einer einzigen, integrierten Darstellung lag. Dabei dienten unter anderem Vorarbeiten von Lindberg (2012), Wäller, Petermann, Kleen und Peukert (2010) sowie van Gijssel, Brunner und Kuenzner (2007) als Ausgangsbasis, die jeweils eine Ringdarstellung für die visuelle Repräsentanz von Fahrassistenzsystemen nutzten. Die hier beschriebene Entwicklung eines Anzeigesystems orientierte sich am mentalen Modell von Autofahrern, an den Anforderungen durch die Fahraufgabe sowie an Usability-Kriterien. Die Integration der verschiedenen Fahrerassistenzgruppen, die notwendige Zukunftsfähigkeit und die angestrebte Erweiterbarkeit des Anzeigesystems erforderten weitergreifende Untersuchungen für einzelne Systemgruppen. Daher war ein zusätzliches Ziel die Einbindung des Anzeigesystems in eine handlungsorientierte Warnstrategie. In diesem Zusammenhang wurde eine alternative farbliche Kodierung von Informations- und Warnmeldungen durch eine zweiteilige Studie überprüft. Bei diesem Ansatz diente die Konsequenz bei ausbleibender Fahrerreaktion als Hauptkriterium für die Auswahl der Warnstrategie. Dabei zeigte sich in einem Autobahnszenario im Fahrsimulator eine subjektive Präferenz der Versuchspersonen für die alternative Darstellung ohne negative Effekte für die Fahraufgabe gegenüber der klassischen Vorgehensweise. Eine weitere zu integrierende Gruppe von Fahrerassistenzsystemen waren permanent agierende Systeme (z.B. Abstandsregeltempomat). Dabei wurde für potentielle, neue adaptive längsführende Systeme die Fragestellung untersucht, wie spezifisch die realen und virtuellen Objekte, auf die das Assistenzsystem regelt (Regelobjekte), im Anzeigesystem dargestellt werden müssen. Mittels einer breit angelegten Card-Sorting-Studie wurde das mentale Modell von Nutzern erfasst, für die resultierenden Regelobjekt-Gruppen graphische Icons entworfen und eine Auswahl dieser im Rahmen einer Fahrsimulatorstudie validiert. Dabei konnte auf dem verwendeten Abstraktionsniveau beispielsweise die Richtungsunabhängigkeit von Kurvendarstellungen nachgewiesen werden. Um dem Ziel einer leicht verständlichen Gesamtdarstellung näher zu kommen, wurden bereits in frühen Entwicklungsphasen des Anzeigesystems Untersuchungen zum Verständnis und der Akzeptanz durchgeführt, Verbesserungspotentiale identifiziert und entsprechende Anpassungen vorgenommen. In einem Systemvergleich wurde abschließend die entwickelte Anzeige „DASview“ einer seriennahen Darstellung und einer Zwischenstufe der Anzeigenentwicklung gegenübergestellt. Deutliche Vorteile der neu entwickelten Darstellung zeigten sich vor allem bei den Kriterien „Usability“ und „Akzeptanz“. Beim Beurteilen der Systemzustände wurde die gleiche Erkennungsleistung der Probanden wie bei der seriennahen Lösung beobachtet. Zur besseren Interpretierbarkeit der Ergebnisse erfolgte ergänzend eine Erfassung der Assistenzsystem-Verortungen in segmentierten Ringdarstellungen. Die Verortungen der in vorangegangenen Studien erfassten Fahrerassistenzsysteme wiesen zwar eine hohe Streuung auf, wurden aber mehrheitlich bestätigt. Darüber hinaus wurden Segmentzuordnungen für weitere potentielle Assistenzfunktionen sowie Vor- und Nachteile unterschiedlicher Segmentanzahlen erfasst.In the field of assisted driving the human driver is supported by various technical systems but he is still in charge of all driving actions. The driver has to fulfill parts of the driving task by himself and has to supervise the assistance systems. The monitoring task is supported by graphical presentations for the status of the technical systems and their activities. This thesis describes a user-centered development of the graphical part of a Human-Machine-Interface (HMI). Its primary goal was to integrate all driving related assistance systems in one screen. Based on preliminary works of Lindberg (2012), Wäller et al. (2010), and van Gijssel et al. (2007) the developed system refers to the mental models of drivers, the driving task as well as usability standards. Furthermore it is using a segmented ring for the representation of status indication and warnings of situational intervening systems. The integration of various Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), the needs of sustainability, and the demanded expandability have required the survey of additional aspects for the considered groups of ADAS. Therefore the integration of the graphical representation in a task-oriented information and warning strategy has formulated an additional objective. Thus an alternative color-coding of information and warning messages was tested. In this approach the consequence of a missed driver’s action decides which warning strategy is used. A highway situation in a driving simulator setting has shown a subjective preference for the new approach without any negative effects to the driving task. Another subject was focusing the integration of permanent regulating systems (e.g. adaptive cruise control). Particularly the following question should be answered. How have specific real and virtual control objectives of a longitudinal assistance system to be shown in the HMI? A card sorting experiment was used to identify groups of control objects. To evaluate the results icons for the groups were drafted and a sample of them was tested as part of a driving simulator study. As one result this study has demonstrated the unimportance of showing the direction of a curve when the abstraction of the graphical representation is on a high level. During the whole process of development smaller or bigger surveys were made to identify potentials for improvement and to learn more about the acceptance and usability of the HMI. As a final study the developed graphical HMI was tested against a HMI, near a series production system, and an interim draft. As a result the ratings of the criteria for usability and acceptance were significantly higher in comparison to the other test systems. Although no negative effects were observed for the recognition of the correct systems states compared to the closed-to-production system. To improve the interpretation an additional study was realized to survey how people place ADAS in a representation in form of a segmented ring. For ADAS tested in preliminary studies the results has demonstrated mostly the expected mapping to the segments but with high variances. Furthermore it has shown the mapping of much more potential ADAS as well as pros and cons of a different number of ring segments