STADT:up - Solutions and technologies for automated driving in town: an urban mobility project

Abstract

Der urbane Verkehrsraum stellt aufgrund seiner hohen Komplexität, der Vielzahl unterschiedlicher Verkehrsteilnehmender sowie dynamischer und schwer vorhersehbarer Situationen besondere Anforderungen an das automatisierte Fahren. Das Projekt STADT:up verfolgte daher das Ziel, nutzerzentrierte Konzepte, Methoden und Pilotanwendungen für ein durchgängiges automatisiertes Fahren im urbanen Raum zu entwickeln und unter realitätsnahen Bedingungen zu erproben. Im Mittelpunkt standen dabei sowohl die sichere Wahrnehmung, Prädiktion und Planung in komplexen Verkehrssituationen als auch die Interaktion und Kommunikation zwischen automatisierten Fahrzeugen, ihren Nutzenden und anderen Verkehrsteilnehmenden. Die Beiträge des Lehrstuhls für Ergonomie zielten auf die sichere, nutzerzentrierte und situationsgerechte Gestaltung automatisierter Mobilität sowie auf die Entwicklung adaptiver HMI-Konzepte unter Berücksichtigung unterschiedlicher Nutzungskontexte und Personengruppen. Besondere Herausforderungen bestanden bei der Erst- und wiederholten Nutzung automatisierter Fahrfunktionen, der menschlichen Fernunterstützung automatisierter Fahrzeuge sowie bei der Kommunikation und Interaktion mit mehreren FußgängerInnen und spezifischen Gruppen vulnerabler Verkehrsteilnehmender. Dazu wurden am Lehrstuhl für Ergonomie Literaturanalysen, Befragungen, Verkehrsbeobachtungen sowie Fahr- und VR-Simulatorstudien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass HMI-, Informations- und Unterstützungsfunktionen an Vorwissen, Erfahrung, individuelle Bedürfnisse und die jeweilige Nutzungssituation angepasst werden sollten. Bei der Interaktion mit FußgängerInnen bildet das Fahrverhalten des automatisierten Fahrzeugs die primäre Kommunikationsgrundlage, während externe HMIs als kongruente und redundante Bestätigung eingesetzt werden können. In komplexen Multiagentenszenarien müssen das Verhalten mehrerer Personen sowie alters- und nutzergruppenspezifische Unterschiede berücksichtigt werden. Für die Teleoperation wurden zudem Anforderungen an Rollenverteilung, Leitstellenorganisation und die sozio-technische Gestaltung abgeleitet. Auf dieser Grundlage wurden adaptive HMI-, Informations-, Kommunikations- und Interaktionskonzepte entwickelt, evaluiert und in Demonstratoren überführt. Am Lehrstuhl für Verkehrstechnik (TUM-VT) wurden zunächst Anforderungen, Erwartungen und Mobilitätsvisionen von Städten, Kommunen und Technologieunternehmen in einem mehrstufigen Dialogprozess erhoben und systematisch ausgewertet. Die Ergebnisse bildeten die Grundlage für die Definition und Bewertung zukünftiger Mobilitätsfälle automatisierter und vernetzter Mobilität. Darüber hinaus wurden durch Ansätze zur Integration automatisierter Fahrzeuge in urbane Digitale Zwillinge untersucht. Hierzu entwickelte TUM-VT das Open-Source-Simulationsframework FTO-Sim zur Analyse von Sichtbeziehungen, kooperativer Wahrnehmung und der Detektion vulnerabler Verkehrsteilnehmender im urbanen Raum. Ergänzend wurde ein gekoppelter Digitaler Zwilling aufgebaut, mit dem Auswirkungen automatisierter On-Demand-Mobilitätsangebote auf Nutzende, Betreiber und Verkehrssysteme analysiert werden können. Weiter wurden Verfahren zur Interaktion und Kooperation automatisierter Fahrzeuge mit vulnerablen Verkehrsteilnehmenden entwickelt und untersucht. Hierzu wurden urbane Haltestellen- und Dynamic-Stop-Szenarien modelliert sowie verschiedene Infrastruktur- und HMI-Konzepte für die sichere Interaktion zwischen automatisierten Shuttles, Fahrgästen sowie Radfahrenden entwickelt und in Simulatorstudien evaluiert. Es wurden weiterhin Verfahren zur Vorhersage von Radfahrmanövern auf Basis videobasierter Bewegungsmerkmale erforscht sowie neue Ansätze zur Verhaltens- und Bewegungsplanung automatisierter Fahrzeuge entwickelt. Hierzu entstanden sowohl ein Framework zur lokalen Trajektorienverfeinerung als auch ein formales Verfahren zur regelbasierten Bewertung und Auswahl von Fahrmanövern automatisierter Fahrzeuge. Diese entwickelten Konzepte wurden auf weitere Interaktionsszenarien mit vulnerablen Verkehrsteilnehmenden übertragen. Hierzu wurde insbesondere ein VR-basierter Rollstuhlsimulator entwickelt, mit dem Interaktionen zwischen automatisierten Fahrzeugen und mobilitätseingeschränkten Personen untersucht werden können. Ergänzend wurden verkehrsregelbasierte Konzepte für automatisiertes Fahren in Baustellen- und Engstellenszenarien entwickelt und auf Basis der im Projekt aufgebauten Simulationsinfrastruktur evaluiert. Neben den unmittelbaren wissenschaftlichen Ergebnissen entstanden zahlreiche Open-Source-Softwarebausteine, Simulationsumgebungen, Datensätze und Demonstratoren, die über das Projekt hinaus für Forschung, Lehre und weitere Entwicklungsarbeiten genutzt werden können. The urban traffic environment poses challenges for automated driving due to its high complexity, the large number of different road users, and dynamic and difficult-to-predict situations. The STADT:up project therefore aimed to develop user-centered concepts, methods, and pilot applications for continuous automated driving in urban environments and to test them under realistic conditions. The focus was on both the safe perception, prediction, and planning of complex traffic situations and the interaction and communication between automated vehicles, their users, and other road users. The contributions of the Chair of Ergonomics focused on the safe, user-centered, and situation-appropriate design of automated mobility as well as on the development of adaptive HMI concepts, considering different usage contexts and user groups. Particular challenges arose in the initial and repeated use of automated driving functions, the human remote support of automated vehicles, and the communication and interaction with multiple pedestrians and specific groups of vulnerable road users. To address these issues, the Chair of Ergonomics conducted literature analyses, surveys, traffic observations, and driving and VR simulator studies. The results show that HMI, information, and support functions should be adapted to users’ prior knowledge, experience, individual needs, and the respective usage situation. In interactions with pedestrians, the driving behavior of the automated vehicle forms the primary basis for communication, while external HMIs can be used as a congruent and redundant confirmation. In complex multi-agent scenarios, the behavior of multiple individuals as well as age- and user-group-specific differences must be taken into account. For teleoperation, requirements regarding the allocation of roles, control-center organization, and socio-technical design were also derived. On this basis, adaptive HMI, information, communication, and interaction concepts were developed, evaluated, and transferred into demonstrators. At the Chair of Traffic Engineering and Control (TUM-VT), the requirements, expectations, and mobility visions of cities, municipalities, and technology companies were first identified and systematically evaluated through a multi-stage dialogue process. The results formed the basis for defining and evaluating future mobility scenarios involving automated and connected mobility. In addition, approaches for integrating automated vehicles into urban digital twins were investigated. To this end, TUM-VT developed the open-source simulation framework FTO-Sim to analyze line-of-sight relationships, cooperative perception, and the detection of vulnerable road users in urban environments. In addition, a coupled digital twin was established to analyze the impacts of automated on-demand mobility services on users, operators, and transportation systems. Furthermore, methods for the interaction and cooperation of automated vehicles with vulnerable road users were developed and investigated. For that, urban bus stop and dynamic-stop scenarios were modeled, and various infrastructure and HMI concepts for safe interaction between automated shuttles, passengers, and cyclists were developed and evaluated in simulator studies. Research was also conducted on methods for predicting cyclist maneuvers based on video-based motion features, as well as new approaches to behavior and motion planning for automated vehicles. For this purpose, both a framework for local trajectory refinement and a formal method for the rule-based evaluation and selection of driving maneuvers for automated vehicles were developed. These concepts were then applied to additional interaction scenarios involving vulnerable road users. In particular, a VR-based wheelchair simulator was developed to investigate interactions between automated vehicles and people with limited mobility. Also, traffic-rule-based concepts for automated driving in construction zones and narrow-passage scenarios were developed and evaluated using the simulation infrastructure established during the project. In addition to the direct scientific results, numerous open-source software components, simulation environments, datasets, and demonstrators were created that can be used beyond the scope of the project for research, teaching, and further development work.