Der Hexapodenprüfstand, eigentlich ein dynamischer Fahrsimulator, an der Technischen Hochschule Ingolstadt zählt zu den einzigartigen und beweglichen Highlights und ist Bestandteil des Forschungszentrums CARISSMA.
Labor Human-Computer-Interaction (C020)
Ziele und Idee
Dieses Labor nimmt eine Doppelrolle ein und beherbergt auf der einen Seite einen dynamischen Fahrsimulator (Hexapode; VW-Golf auf Hdyraulikplattform) zur Untersuchung von Fahrer-Fahrzeug Interaktion, der Evaluation von Fahrerassistenzsytemen oder der Erprobung neuer automatisierter Fahrfunktionen und auf der anderen ein Usability-/UX-Labor zur Durchführung von qualitativen und quantitativen Benutzertests (Fokusgruppendiskussionen, Interviews, usw.) und User Research.
Generell beschäftigt sich die Forschungsgruppe des Laborleiters Prof. Dr. Andreas Riener („Human Computer Interaction Group“, HCIG) mit der Wechselwirkung zwischen Mensch und Computer, mit dem Ziel die Interaktion zu verbessern und die Bedürfnisse des Menschen besser zu erfüllen. Das interdisziplinär zusammengesetzte Team forscht dabei an mit der Frage, wie Menschen aktuell und in Zukunft mit verschiedenen Technologien interagieren und setzt hierzu verschiedene Forschungsmethoden ein. Diese reichen von qualitativen Methoden wie Beobachtungsstudien, Befragungen und Interviews bis hin zu quantitativen Methoden wie Fragebogenstudien oder der Messung von physiologischen (Blickbewegung, Hirnaktivität, Herzaktion etc.) und psychologischen Messgrößen. Je nach Fragestellung sind die Ziele der Studien sehr vielfältig und umfassen neben der Erhebung der gesellschaftlichen Einstellungen gegenüber Technologien außerdem die Entwicklung, Evaluation und Optimierung von Interaktionskonzepten der Zukunft. Als besonderen Schwerpunkt wird im Labor Fahrer-Fahrzeug Interaktion untersucht – dazu werden mehrere Simulatoren eingesetzt, u.a. das Kernstück des Labors, der Hexapodenprüfstand aber auch unterschiedliche Sitzkisten und Virtual Reality-basierte (Fahr)simulatoren.
Laborbereich "Hexapodenprüfstand" (C020, Süd)
Der Einsatz automatisierter Fahrzeuge steht kurz davor, Realität zu werden. Aber wie werden Menschen in Zukunft mit Fahrzeugen in verschiedenen Automatisierungsstufen interagieren? Welche menschlichen Faktoren spielen dabei eine Rolle? Und wird die Bevölkerung automatisierte Fahrzeuge akzeptieren? Hoch- und vollautomatisierte Fahrzeuge können aktuell nur unter hohen Sicherheitsauflagen im öffentlichen Straßenverkehr eingesetzt werden, was Benutzerstudien unter realen Bedingungen zu einer Herausforderung macht. Zudem sind diese Versuche nicht reproduzierbar und damit direkt miteinander vergleichbar.
In diesem Labor besteht die Möglichkeit, Benutzerstudien in einem dynamischen Fahrsimulator (Hexapodenprüfstand) oder auch in virtueller Realität durchzuführen. Dabei können die Labornutzer auf weitreichende Kompetenzen des Laborleiters inkl. PostDoc-/PhD-Team (die „Human Computer Interaction Group“, HCIG) in den Bereichen automatisiertes Fahren, „Human Factors“, Augmented/Virtual Reality, Usability-Forschung und User Experience Design zurückgreifen. Das Spektrum bei der Durchführung von Benutzerstudien im Lehr- und Projektkontext reicht von Grundlagenforschung über die Evaluierung von Fahrverhalten und Nutzerwünschen bis hin zur Implementierung und Erprobung von Prototypen für zukünftige Interaktionskonzepte bzw. Mensch-Maschine Schnittstellen im Fahrzeug. Das Ziel ist es, sowohl die Sicherheit als auch das Benutzererlebnis zu erhöhen. Dies erfolgt unter Einbeziehung modernster Messinstrumente und -verfahren, wie etwa Eye Tracking, EKG oder EEG.
Der dynamische Fahrsimulator (Hexapodenprüfstand), das Herzstück des Labors, besteht aus einem realen Halbfahrzeug (VW Golf), welches auf einer hydraulischen Bewegungsplattform montiert ist. Die Fenster der in sechs Freiheitsgraden beweglichen Fahrerkabine werden mit insgesamt vier Projektoren sowie einem zusätzlichen Monitor für den Rückspiegel bespielt, um Probanden ein möglichst realistisches Fahrerlebnis zu bieten. Zusätzlich wurde der Innenraum des Fahrzeuges so modifiziert, dass eine Reihe von Tablet-Computern das Instrumenten-Cluster, die Mittelkonsole, sowie den Beifahrerbereich abdecken. Damit können neuartige Interaktionskonzepte umgesetzt und evaluiert werden.
Eines der zentralen Ziele der Weiterentwicklung des Labors ist es, eine Vernetzung in Echzeit mit anderen Simulatoren und Laboren, insbesondere dem HiL-Labor, dem Car2X-Labor oder auch dem VR-Labor herzustellen, um so die Vision einer sog. „Mixed Reality“-Versuchsumgebung zu realisieren.
Laborausstattung und Aktivitäten
Geräte und Funktion
Hydraulischer 6-DOF-Fahrsimulator
Modifizierter Abschnitt eines VW Golf, Hydraulikplattform, Videoüberwachungs- und Kommunikationsanlage, hochsensibles Lenksystem mit Force-Feedback, moderne Computer zur realistischen Simulation und Visualisierung von manuellen und automatisierten Fahrszenarien. An Software kommen IPG CarMaker und Vires VTD zum Einsatz.
Darüber hinaus stehen mehrere low-fidelity Fahrsimulatoren (Sitzkiste mit Logitech G27 Lenkrad, drei 55“-Monitore, etc.) zur einfachen, kostengünstigen Untersuchung – insbesondere für studentische Projekte und Vorstudien – zur Verfügung.
Mehrere Tablets unterschiedlicher Größe/Ausstattung (u.a. Google-Pixel C 10“, NVIDIA Shield 8“), welche für unterschiedliche Einsatzszenarien im modifizierbaren Innenraum der Fahrerkabine angebracht werden können. Darüber hinaus ist das Labor mit diversen LeapMotion Gesten- und RealSense Tiefen-Kameras, sowie Myo Armbänder, Arduino-Kits zum Prototyping, uvm. ausgestattet. Ein 3D-Drucker (Ultimaker 2+) steht zur raschen Realisierung von Hardware-Prototypen zur Verfügung.
Hardware für Virtual/Augmented Reality-Applikationen
Das VR/AR-Equipment umfasst mehrere Virtual Reality-Brillen (HTC Vive, Oculus Rift) sowie Augmented Reality-Geräte (Microsoft HoloLens, Cardboards) inklusive Bewegungstracking und einem leistungsstarken Notebook. Hiermit können sowohl komplexe Umgebungen für „Vulnerable Road Users“ (z.B. Fußgängersimulator) simuliert, als auch AR/VR-Anwendungen für Fahrer/Passagiere zukünftiger Fahrzeuggenerationen realisiert werden.
Umfangreiches Messinstrumentarium für physiologische Untersuchungen
Mit Hilfe modernster physiologischer Messtechnik bleibt kein Detail verborgen. Professionelles EKG/EEG/GSR-Equipment (gtec, Empatica) sowie Eye-Tracking-Brillen (Tobii Glasses Pro2+, PupilLabs) stehen im Labor ebenso zur Verfügung wie unterschiedliche RGB- und Tiefenbildkameras (Intel Realsense, GoPro) um damit kleinste Reaktionen der Probanden zu erkennen und mittels Software-Frameworks (Affectiva Emotion API) zu klassifizieren.
Synchronisierte Versuchsumgebung
Mit Hilfe eines in-house entwickelten Software-Frameworks können sämtliche Geräte und Software-Komponenten synchronisiert angesteuert, Daten zwischen ihnen dynamisch ausgetauscht, und neue Komponenten einfach eingebunden werden.
Anwendungsbeispiele
- Probandenstudien zu sicherheitskritischen Faktoren in unterschiedlichen Automatisierungsstufen („Driver Take Over“, „Driver Monitoring“, „Automation Trust“, etc.) sowie zur Akzeptanzuntersuchung neuer ADAS-Systeme (AEB, etc.)
- Evaluierung von alternativen, „shared-control“ Interfaces für zukünftige Fahrzeuggenerationen
- Fahrerzustandsüberwachung (Müdigkeitserkennung, Attentive User Interfaces) für verbesserte Fahrer-Fahrzeug Kommunikation und Interaktion
- Prototyping zukünftiger Fahrzeug-Innenräume in automatisierten Fahrzeugen („Mobile Office“)
- Implementierung und Evaluierung von Anwendungen für Vollformat-AR- Displays in Fahrzeugen (sog. „Windshield Displays“, WSDs
- Internationale Studien zur Verkehrssicherheit
- Fahrerschnittstelle zur Integration in HiL- und Gesamtfahrzeug-Prüfstände im modularen Sicherheits-Laborfahrzeug (CARISSMA-Prüfstandsverbund)
Software
Der Steuerschrank (eingebauter Steuerrechner) stellt den Kern des elektronischen Steuerungssystems dar. Er übernimmt im Programm „Steuerung der Bewegungsplattform“ folgende Aufgaben:
- Überwachung des Betriebsablaufs für einen sicheren Betrieb der Bewegungsplattform
- Steuerung des Bewegungsablaufs der Plattform gemäß der vom Programm „CarMaker“ errechneten Bewegungsdaten
- Ermittlung der Zylinderauslenkungen für alle sechs Achsen aus den Bewegungsdaten in Echzeit
- Leistungsfähige Workstations für die Berechnung und Visualisierung
- Simulationssoftware: CarMaker, Matlab/Simulink
Lehrveranstaltungen
Im Labor stehen ausreichende Arbeitsplätze für Studierende zur Verfügung. Praktika wie Fahrzeugintegrations- und Test werden im Sommersemester für Studiengänge der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik durchgeführt. Dabei werden verschiedenste Fragestellungen aus dem Themengebiet Fahrerassistenzsystem, Fahrdynamik und Simulationen bearbeitet.
Zahlreiche Praktikanten, auch aus internationalen Partneruniversitäten, und Abschlussarbeiten werden pro Semester direkt im Labor und in diesen Themengebieten betreut und absolviert.
Mögliche Lehrveranstaltungen
- Fahrzeugintegration & -test
- Fahrdynamik (Längs- und Querdynamik)
- Grundlagen zur Human-Machine-Interface
Forschung - CARISSMA Institute of Automated Driving (C-IAD)
Das Labor Hexapodenprüfstand (C020, Süd) wird intensiv in der Forschung genutzt und ist dabei dem „CARISSMA Institute of Automated Driving“ (C-IAD) zugeordnet. Das Institut rückt Entwicklung, Test und Absicherung automatisierter Fahrfunktionen in den Fokus. Dabei liegt im Kontext der Verkehrssicherheit der Schwerpunkt auf der Unfallvermeidung. Hier ist das Institut eng mit dem an der THI ansässigen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen (AININ – Artificial Network Ingolstadt) vernetzt. Als Querschnittsthema beschäftigt sich das Institut intensiv mit der Erforschung menschlicher Faktoren (z. B. Vertrauen, Akzeptanz, Ethik) sowie User Experience-/Usability-Evaluation rund um das automatisierte Fahren.
Laborleitung und Team
Studiengangleiter UXD (MSc), Forschungsprofessor CARISSMA Institut für automatisiertes Fahren, Leiter Human-Computer Interaction Group
Prof. Dr. techn. Priv.-Doz. Andreas Riener
Tel.: +49 841 9348-2833
Raum: B210
E-Mail: Andreas.Riener@thi.de
Prof. Dr. techn. Priv.-Doz. Andreas Riener
Tel.: +49 841 9348-2833
Raum: B210
E-Mail: Andreas.Riener@thi.de
