Modeling the Driving Experience of Shared Steering Control for Lane Keeping

Abstract

대표적인 첨단 운전자 보조시스템(ADAS)인 차선 유지 보조시스템 (LKAS)은 운전자와 시스템이 공통의 목표를 달성하기 위해 제어 권한을 나눠 갖는 공유형 제어(shared control)의 특징을 갖는다. 차선 유지 보조 시스템에서 핸들은 운전자의 조작을 받아들이는 입력 장치이자 동시에 시스템의 조작을 반영하는 출력 장치의 역할 모두를 수행한다. 따라서 운전자는 핸들을 잡고 있을 때 시스템의 개입을 느낄 수 있게 되며, 시스템은 운전자의 토크를 고려하여 바람직한 보조 토크를 끊임없이 계산하게 되면서 둘 사이에 다양한 상호작용이 발생한다. 이러한 상황에서 시스템이 핸들에 어떻게 개입하는지에 따라 운전자가 느끼는 운전 경험은 크게 바뀔 수 있다는 것이 관련 연구를 통해 밝혀져 있다. 시스템의 제어 토크가 강하면 우수한 차선 유지 성능을 보이지만 운전자의 정상적인 조향 제어조차 바로잡으려고 하기 때문에 압도되거나 방해 받는 느낌을 받을 수 있다. 시스템의 제어 토크가 약하면 운전자가 느끼는 방해감을 완화시킬 수 있지만, 차선 유지 성능을 보장할 수 없으며 운전자는 시스템에 대해 불신하게 된다. 따라서 방해 받지 않는 편안함과 신뢰의 가치를 모두 추구할 수 있는 제어 전략을 찾는 것이 중요하다. 본 학위 논문에서는 시뮬레이터 환경에서 차선 유지 보조시스템을 구현하고 설계 파라미터들을 조정하는 실험을 통해 운전 경험의 실증적 모델을 구축하고 이를 통해 최적의 제어 전략을 찾고자 한다. 먼저, Unity 3D 환경과 햅틱 피드백이 가능한 핸들 장치를 사용하여 간소화된 차선 유지 보조시스템을 구현하였다. 그리고 선행 연구를 통해 운전자가 이질감을 느끼는 요소와 관련이 깊은 설계 파라미터(토크량, 개입시작 이탈거리, 토크 감쇄)를 선정하고, 설계 파라미터를 시뮬레이터 환경에서 동작하도록 구현하였다. 본 학위 논문에서는 연구 목표 달성을 위해 2가지 실험을 수행하였다. 첫 번째 실험에서는 토크량과 개입시작 이탈거리의 효과가 운전 경험에 미치는 영향을 확인하는 것을 목적으로 한다. 사전 실험을 통해 3 수준의 참조 토크량(Reference torque, TOR)과 3 수준의 개입 시작 이탈거리(Deviations to start control, DEV)를 선정하고 이를 조합하여 총 9개의 제어 전략을 설계하였다. 총 18명의 피험자가 고속도로 환경에서 각각의 제어 전략을 경험한 후 평가에 임하였다. 이차 과업(Secondary task)으로 피험자가 수신한 메시지를 확인하고 그 메시지를 그대로 다시 입력하도록 하였다. 운전 경험과 연관된 주관적 지표(감정의 긍정 정도, 감정의 세기, 방해감, 만족도)와 운전 성능과 연관된 객관적 지표(차로 내 위치의 표준편차, 조향 반전 비율, 횡 속도의 제곱평균제곱근)를 모두 수집하여 분석에 활용하였다. 실험 결과, TOR이 증가할수록 시스템의 차선 유지 능력은 향상되었으나, 3 N∙m 에서는 방해감과 부정적 감성이 유의하게 증가하였다. 그러나, 2 N∙m과 3N∙m 의 TOR은 신뢰와 만족도 측면에서 유의미한 차이가 발견되지 않았다. 한편, 가장 높은 DEV 조건인 0.80 m 는 가장 높은 횡속도를 기록하여 불안정한 주행 성능을 보였고, 감성, 신뢰, 만족도 모든 측면에서 부정적인 영향을 미쳤다. 그러나 0.00 m 와 0.40 m 간에는 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 회귀 분석 결과 2.32 N∙m 의 TOR과 0.27 m 의 DEV 이 가장 높은 만족도를 갖는 최적 설계 파라미터로 나타났다. 두 번째 실험에서는 토크 감쇄 및 성별의 효과가 운전 경험에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 사전 실험을 통해 4 수준의 참조 토크량(Reference torque, TOR)과 3 수준의 감쇄 조건(RED)을 정하고 이를 조합하여 총 12개의 제어 전략을 설계하였다. 토크 감쇄는 햅틱 권한의 수준(Level of Haptic Authority, LoHA)을 운전자의 토크에 따라 실시간으로 조절하는 방식으로 구현하였다. 총 48명(남: 24명, 여: 24명)이 첫 번째 실험과 마찬가지로 고속도로 환경에서 각 제어 전략을 경험한 후 평가하였다. 이차 과업으로는 스피커를 통해 연속적으로 재생되는 5자리 숫자를 연속적으로 휴대폰을 통해 입력하도록 하였다. 주관적 지표(토크세기의 적절성, 감성, 신뢰, 방해감, 만족도)와 객관적 지표(차로 내 위치의 표준편차, 조향 반전 비율, 횡 속도의 제곱평균제곱근, 타이핑 오류, 스트레스 수준)를 모두 수집하여 분석에 활용하였다. 실험 결과, 상대적으로 높은 토크인 3.1 N∙m 와 3.9 N∙m 에서 0.25의 감쇄(RED)를 추가한 조건이 감쇄를 주지 않은 조건에 비해 운전 경험 측면에서 긍정적인 영향을 미쳤다. 그러나 너무 높은 감쇄는 운전 성능을 떨어뜨리게 되어 신뢰와 만족도 저하를 유발하는 것으로 나타났다. 회귀 분석 결과 남성은 2.96 N∙m의 TOR와 0.19의 RED가 가장 높은 만족도를 갖는 설계 값으로 나타났고, 여성은 3.40 N∙m 의 TOR와 0.18의 RED로 나타나 여성이 더 높은 토크를 선호하는 것으로 보인다. 인터뷰 결과에서도 여성은 남성에 비해 높은 토크를 선호하는 경향이 나타났다. 마지막으로, 두 실험을 통해 얻은 실험적 근거들을 토대로 공유형 제어 시스템의 개입에 대한 이론적 경험 모형을 제시하였다. 해당 모형은 시스템의 개입 정도와 사용자의 수용도에 따라 사용자 경험을 5가지 유형으로 나누어 설명하였다. 시스템 개입의 정도를 정량적으로 판단하기 위해 신뢰-방해를 기반으로 하는 분석 프레임워크를 제안하였으며, 실험2의 사용자 응답 데이터를 통해 최적의 경험을 설계하기 위한 적용 가능성을 살펴보았다. 본 학위 논문은 신뢰할 수 있으면서 방해감을 최소화하는 시스템을 설계하기 위한 핵심적인 단서를 제공할 것이라 판단되며, 나아가 인간-기계 상호작용과 사용자 경험 측면에서 공유형 제어에 대한 이해를 넓힐 것으로 기대된다.

A lane-keeping assistance system (LKAS) is a shared control that cooperates with the driver to achieve a common goal. In LKAS, the steering wheel is used both as an input device that accepts the driver’s operation and as an output device that performs the operation of the system concurrently. The driver can feel the intervention of the system, and the system constantly calculates the desired torque in consideration of the driver’s operation; as a result, the driver and the system interact. The experience of the driver through the steering wheel can vary significantly depending on the steering-control strategy of the system. When the control of the system is too strong, it shows excellent lane-keeping performance, but drivers can be overwhelmed or disturbed by the intervention torque correcting even the driver’s normal steering control. When the control of the system is too weak, it can alleviate the feeling of disturbance, but lane-keeping performance cannot be guaranteed, and drivers do not trust the system. The control strategy must be optimized to be trustworthy but unobtrusive. For this dissertation, empirical models of the driving experience were built by consulting the results from two experiments in a simulator environment, and then the models were used to guide optimization of design parameters. First, a simplified LKAS with a commercial steering handle was implemented using Unity 3D software. In addition, design elements (magnitude of torque, deviation in starting control, and torque reduction) related to the driver’s sensations of intrusion by the system were selected based on the preliminary study, and were implemented to operate in the simulator environment. The present study encompassed two experiments to achieve the research goal. The first experiment quantified the effects of reference torque (TOR) and the deviation in starting control (DEV) on the driving experience. Nine control strategies (3 TOR  3 DEV) were designed as a control strategy. Eighteen drivers participated in evaluating each strategy on a driving simulator of a highway environment. Results showed that as TOR increased, the lane-keeping performance was improved. TOR of 3 N∙m evoked feelings of high disturbance and negative emotions, but TOR of 2 N∙m and 3 N∙m TOR did not induce significantly different feelings of trust and satisfaction. DEV of 0.80 m yielded unstable lane keeping, and evoked negative effects on pleasure, trust, and satisfaction. DEV = 0.00 m and 0.40 m did not significantly differ in their effects on all. A regression model of the aspect of satisfaction recommended TOR = 2.32 N∙m and DEV = 0.27 m as the optimal design parameters. The second experiment quantified the effects of torque reduction (RED) on the driving experience and sought a strategy that could reduce the feelings of disturbance while maintaining a high level of trust. Twelve strategies (4 TOR  3 RED) were designed as a control strategy. RED is the extent to which the torque is attenuated by adjusting the level of haptic authority (LoHA) in real time according to the torque generated by the driver. Twelve control strategies were designed as a prototype. Forty-eight drivers participated in evaluating each strategy in the same simulated environment as the first experiment. The results showed that the condition of adding a certain amount of reduction (0.25 RED) to a relatively high TOR (3.10 N∙m and 3.90 N∙m) had positive effects on appropriateness of torque amount, pleasure, trust, and satisfaction. However, excessive RED degraded lane-keeping performance and caused a decrease in trust and satisfaction. A regression model of satisfaction suggested that TOR = 2.96 N∙m and RED = 0.19 for males, and TOR = 3.40 N∙m TOR and RED = 0.18 for females were optimal design parameters. In the interview session, women also tended to favorably accept a higher TOR than did men. Finally, a theoretical model for shared control was developed based on the experimental evidence from empirical studies. The model described a user experience (UX) that depends on the level of intervention and the extent of a user’s acceptance of the system. To design the best experience, a trust-disturbance framework was proposed to identify the level of the system’s intervention. This study is expected to provide key data for designing a lateral semi-autonomous vehicle that is trustworthy and unobtrusively comfortable. Furthermore, it is expected to expand understanding of shared control in human–machine interaction.