Conceptual design and implementation of an external human-machine interface for an autonomously driving cargo bike

Abstract

With the introduction of autonomous driving vehicles, road traffic is facing a great challenge. Especially if the vehicle is an autonomously driving cargo bike to be used in inner cities, this poses an unknown challenge for the people and the machine to get along and to create together conflict-free and safe road traffic. This thesis aims to design a human-machine interface for an autonomous cargo bike. This interface consists, on the one hand, of the hardware interface itself but in particular of the designed interaction that is to be implemented with the interface. The focus is to design an interaction with the interface that allows the other road users to get the same information as if a cyclist would sit on the cargo bike with as littlemental workload as possible. In order to achieve this goal, the first step is to find adequate hardware to implement these interactions as seamlessly as possible in the cargo bike. For this purpose, a series of expert meetings and studies were scheduled to reduce the abundance of possible hardware and to decide on an interface in the final step, which will then be implemented in a prototype. Based on this interface, the interactions were designed and implemented. For this purpose, three main points were identified that should be implemented. First, the interactions of the cargo bike should be easily recognizable so that other road users can recognize the following type of interaction of the cargo bike without much thought. At the same time, the interactions should also adapt to the traffic situation and demand the necessary attention to defuse potentially dangerous situations. The last focus was to give people feedback so they feel recognized by the autonomous cargo bike, thus creating a sense of trust. An online study with 120 subjects evaluated these interactions in the end. For this purpose, the prototype was filmed in different traffic situations where the interface performs different interactions. The study results show positive results but without significant differences between the different color and animation schemes that are part of the interaction.

Mit der Einführung autonom fahrender Fahrzeuge steht dem Straßenverkehr eine große Herausforderung voraus. Im Besonderen, wenn es sich bei dem Fahrzeug um eine autonom fahrendes Lastenrad handelt, welches in Innenstädte zum Einsatz kommen soll. Dies stellt eine unbekannte Herausforderung für die Menschen und Maschinen dar, die zusammen auszukommen und gemeinsam ein möglichst konfliktfreien und sicheren Straßenverkehr gestalten wollen. Das Ziel dieser Arbeit ist eineMensch-Maschine Schnittstelle für ein autonomes Lastenrad zu gestalten. Dieses Schnittstelle besteht zum einen aus der technischen Konstruktion, dem Signalgeber, selbst und zum anderen aus der ausgestalteten Interaktion, die damit umgesetzt werden soll. Am Ende soll dabei eine Schnittstelle entstehen, welches den anderen Verkehrsteilnehmern erlaubt mit möglichstwenig mentaler Belastung die gleichen Informationen zu erhalten, wie als wenn eine Fahrradfahrer auf dem Lastenrad sitzen würde. Umdieses Ziel zu erreichen, muss zu Beginn als erstes ein Signalgeber gefunden werden der die vielseitigen Anfoderungen, bezüglich benötigte Kommunikation und der technischen Umsetzbarkeit, erfüllt. Hierfür wurden eine Reihe von Expertenrunden und Studien angesetzt, um die Fülle an möglicher Hardware zu reduzieren und im finalen Schritt einen Signalgeber zu finden, welcher dann in einem Prototyp umgesetzt wird. Auf Basis dieses Signalgebers wurde daraufhin mit der Gestaltung undUmsetzung der Interaktionen begonnen. Hierfür wurden drei Schwerpunkte identifiziert die umgesetzt werden sollen. Zum einen sollten die Interaktionen des Lastenrades leicht wieder zu erkennen sein, sodass andere Verkehrsteilnehmer ohne viele Gedanken die nächste Art der Aktion des Lastenrades erkennen zu können. Gleichzeitig sollten die Interaktionen aber auch auf die jeweilige Verkehrssituation anpassen und die nötige Aufmerksamkeit einfordern, wenn diese nötig ist um mögliche gefährliche Situationen zu entschärfen. Der letzte Schwerpunkt bestand darin die Menschen eine Art von Feedback zu geben, sodass sie sich von dem autonomen Lastenrad gesehen fühlen und damit ein Gefühl von Vertrauen entsteht. Diese Interaktionen wurden am Ende durch eine Onlinestudie mit 120 Probanden evaluiert. Dafür wurde der Prototyp in verschiedenen Verkehrssituationen gefilmt in denen das Interface jeweils andere Interaktionen ausführt. Die Ergebnisse der Studie zeigen positive Ergebnisse, jedoch ohne signifikanten Unterschied zwischen den verschiedenen Farb- und Animationsschemas die Teil der Interaktion sind.