Accelerating Cooperative Planning for Automated Vehicles with Learned Heuristics and Monte Carlo Tree Search

Efficient driving in urban traffic scenarios requires foresight. The observation of other traffic participants and the inference of their possible next actions depending on the own action is considered cooperative prediction and planning. Humans are well equipped with the capability to predict the actions of multiple interacting traffic participants and plan accordingly, without the need to directly communicate with others. Prior work has shown that it is possible to achieve effective cooperative planning without the need for explicit communication. However, the search space for cooperative plans is so large that most of the computational budget is spent on exploring the search space in unpromising regions that are far away from the solution. To accelerate the planning process, we combined learned heuristics with a cooperative planning method to guide the search towards regions with promising actions, yielding better solutions at lower computational costs

Motion Planning for Autonomous Vehicles in Partially Observable Environments

Unsicherheiten, welche aus Sensorrauschen oder nicht beobachtbaren Manöverintentionen anderer Verkehrsteilnehmer resultieren, akkumulieren sich in der Datenverarbeitungskette eines autonomen Fahrzeugs und führen zu einer unvollständigen oder fehlinterpretierten Umfeldrepräsentation. Dadurch weisen Bewegungsplaner in vielen Fällen ein konservatives Verhalten auf. Diese Dissertation entwickelt zwei Bewegungsplaner, welche die Defizite der vorgelagerten Verarbeitungsmodule durch Ausnutzung der Reaktionsfähigkeit des Fahrzeugs kompensieren. Diese Arbeit präsentiert zuerst eine ausgiebige Analyse über die Ursachen und Klassifikation der Unsicherheiten und zeigt die Eigenschaften eines idealen Bewegungsplaners auf. Anschließend befasst sie sich mit der mathematischen Modellierung der Fahrziele sowie den Randbedingungen, welche die Sicherheit gewährleisten. Das resultierende Planungsproblem wird mit zwei unterschiedlichen Methoden in Echtzeit gelöst: Zuerst mit nichtlinearer Optimierung und danach, indem es als teilweise beobachtbarer Markov-Entscheidungsprozess (POMDP) formuliert und die Lösung mit Stichproben angenähert wird. Der auf nichtlinearer Optimierung basierende Planer betrachtet mehrere Manöveroptionen mit individuellen Auftrittswahrscheinlichkeiten und berechnet daraus ein Bewegungsprofil. Er garantiert Sicherheit, indem er die Realisierbarkeit einer zufallsbeschränkten Rückfalloption gewährleistet. Der Beitrag zum POMDP-Framework konzentriert sich auf die Verbesserung der Stichprobeneffizienz in der Monte-Carlo-Planung. Erstens werden Informationsbelohnungen definiert, welche die Stichproben zu Aktionen führen, die eine höhere Belohnung ergeben. Dabei wird die Auswahl der Stichproben für das reward-shaped Problem durch die Verwendung einer allgemeinen Heuristik verbessert. Zweitens wird die Kontinuität in der Reward-Struktur für die Aktionsauswahl ausgenutzt und dadurch signifikante Leistungsverbesserungen erzielt. Evaluierungen zeigen, dass mit diesen Planern große Erfolge in Fahrversuchen und Simulationsstudien mit komplexen Interaktionsmodellen erreicht werden

Probabilistic Motion Planning for Automated Vehicles

This thesis targets the problem of motion planning for automated vehicles. As a prerequisite for their on-road deployment, automated vehicles must show an appropriate and reliable driving behavior in mixed traffic, i.e. alongside human drivers. Besides the uncertainties resulting from imperfect perception, occlusions and limited sensor range, also the uncertainties in the behavior of other traffic participants have to be considered. Related approaches for motion planning in mixed traffic often employ a deterministic problem formulation. The solution of such formulations is restricted to a single trajectory. Deviations from the prediction of other traffic participants are accounted for during replanning, while large uncertainties lead to conservative and over-cautious behavior. As a result of the shortcomings of these formulations in cooperative scenarios and scenarios with severe uncertainties, probabilistic approaches are pursued. Due to the need for real-time capability, however, a holistic uncertainty treatment often induces a strong limitation of the action space of automated vehicles. Moreover, safety and traffic rule compliance are often not considered. Thus, in this work, three motion planning approaches and a scenario-based safety approach are presented. The safety approach is based on an existing concept, which targets the guarantee that automated vehicles will never cause accidents. This concept is enhanced by the consideration of traffic rules for crossing and merging traffic, occlusions, limited sensor range and lane changes. The three presented motion planning approaches are targeted towards the different predominant uncertainties in different scenarios, while operating in a continuous action space. For non-interactive scenarios with clear precedence, a probabilistic approach is presented. The problem is modeled as a partially observable Markov decision process (POMDP). In contrast to existing approaches, the underlying assumption is that the prediction of the future progression of the uncertainty in the behavior of other traffic participants can be performed independently of the automated vehicle\u27s motion plan. In addition to this prediction of currently visible traffic participants, the influence of occlusions and limited sensor range is considered. Despite its thorough uncertainty consideration, the presented approach facilitates planning in a continuous action space. Two further approaches are targeted towards the predominant uncertainties in interactive scenarios. In order to facilitate lane changes in dense traffic, a rule-based approach is proposed. The latter seeks to actively reduce the uncertainty in whether other vehicles willingly make room for a lane change. The generated trajectories are safe and traffic rule compliant with respect to the presented safety approach. To facilitate cooperation in scenarios without clear precedence, a multi-agent approach is presented. The globally optimal solution to the multi-agent problem is first analyzed regarding its ambiguity. If an unambiguous, cooperative solution is found, it is pursued. Still, the compliance of other vehicles with the presumed cooperation model is checked, and a conservative fallback trajectory is pursued in case of non-compliance. The performance of the presented approaches is shown in various scenarios with intersecting lanes, partly with limited visibility, as well as lane changes and a narrowing without predefined right of way

An Overview about Emerging Technologies of Autonomous Driving

Since DARPA started Grand Challenges in 2004 and Urban Challenges in 2007, autonomous driving has been the most active field of AI applications. This paper gives an overview about technical aspects of autonomous driving technologies and open problems. We investigate the major fields of self-driving systems, such as perception, mapping and localization, prediction, planning and control, simulation, V2X and safety etc. Especially we elaborate on all these issues in a framework of data closed loop, a popular platform to solve the long tailed autonomous driving problems

Optimal scheduling of connected and autonomous vehicles at a reservation-based intersection.

Reservation-based intersection control has been evaluated with better performance over traditional signal controls in terms of intersection safety, efficiency, and emission. Controlling connected and autonomous vehicles (CAVs) at a reservation-based intersection in terms of improving intersection efficiency is performed via two factors: trajectory (speed profile) and arrival time of CAVs at the intersection. In an early stage of the reservation-based intersection control, an intersection controller at the intersection may fail to find a feasible solution for both the trajectory and arrival time for a CAV at a certain planning horizon. Leveraging a deeper understanding of the control problem, reservation-based intersection control methods are able to optimize both trajectory and arrival time simultaneously while overcoming the infeasible condition. Furthermore, in order to achieve real-time control at the reservation-based intersection, a scheduling problem of CAV crossing the intersection has been widely modeled to optimize the intersection efficiency. Efficient solution algorithms have been proposed to overcome the curse of dimensionality. However, a control methodology consisting of trajectory planning and arrival time scheduling that can overcome the infeasible condition has not been explicitly explained and defined. Furthermore, an optimal control framework for joint control of the trajectory planning and arrival time scheduling in terms of global intersection efficiency has not been theoretically established and numerically validated; and mechanisms of how to reduce the time complexity meanwhile solving the scheduling problem to an optimal solution are not fully understood and rigorously defined. In this dissertation, a control method that eliminates the infeasible problem at any planning horizon is first explicitly explained and defined based on a time-speed-independent trajectory planning and scheduling model. Secondly, this dissertation theoretically defines the optimal control framework via analyzing various control methods in terms of intersection capacity, throughput and delay. Furthermore, this dissertation theoretically analyzes the mechanism of the scheduling problem and designs an exact algorithm to further reduce the time complexity. Through theoretical analyses of the properties of the scheduling problem, the reasons that the time complexity can be reduced are fundamentally explained. The results first validate that the defined control framework can adapt to extremely high traffic demand scenarios with feasible solutions at any planning horizon for all CAVs. Under extensive sensitivity analyses, the theoretical definition of the optimal control framework is validated in terms of maximizing the intersection efficiency. Moreover, numerical examples validate that a proposed scheduling algorithm finds an optimal solution with lower computation time and time complexity

Learning Behavior Models for Interpreting and Predicting Traffic Situations

In this thesis, we present Bayesian state estimation and machine learning methods for predicting traffic situations. The cognitive ability to assess situations and behaviors of traffic participants, and to anticipate possible developments is an essential requirement for several applications in the traffic domain, especially for self-driving cars. We present a method for learning behavior models from unlabeled traffic observations and develop improved learning methods for decision trees

Cooperative multi-sensor tracking of vulnerable road users in the presence of missing detections

This paper presents a vulnerable road user (VRU) tracking algorithm capable of handling noisy and missing detections from heterogeneous sensors. We propose a cooperative fusion algorithm for matching and reinforcing of radar and camera detections using their proximity and positional uncertainty. The belief in the existence and position of objects is then maximized by temporal integration of fused detections by a multi-object tracker. By switching between observation models, the tracker adapts to the detection noise characteristics making it robust to individual sensor failures. The main novelty of this paper is an improved imputation sampling function for updating the state when detections are missing. The proposed function uses a likelihood without association that is conditioned on the sensor information instead of the sensor model. The benefits of the proposed solution are two-fold: firstly, particle updates become computationally tractable and secondly, the problem of imputing samples from a state which is predicted without an associated detection is bypassed. Experimental evaluation shows a significant improvement in both detection and tracking performance over multiple control algorithms. In low light situations, the cooperative fusion outperforms intermediate fusion by as much as 30%, while increases in tracking performance are most significant in complex traffic scenes

Distributed Planning for Self-Organizing Production Systems

Für automatisierte Produktionsanlagen gibt es einen fundamentalen Tradeoff zwischen Effizienz und Flexibilität. In den meisten Fällen sind die Abläufe nicht nur durch den physischen Aufbau der Produktionsanlage, sondern auch durch die spezielle zugeschnittene Programmierung der Anlagensteuerung fest vorgegeben. Änderungen müssen aufwändig in einer Vielzahl von Systemen nachgezogen werden. Das macht die Herstellung kleiner Stückzahlen unrentabel. In dieser Dissertation wird ein Ansatz entwickelt, um eine automatische Anpassung des Verhaltens von Produktionsanlagen an wechselnde Aufträge und Rahmenbedingungen zu erreichen. Dabei kommt das Prinzip der Selbstorganisation durch verteilte Planung zum Einsatz. Die aufeinander aufbauenden Ergebnisse der Dissertation sind wie folgt: 1. Es wird ein Modell von Produktionsanlagen entwickelt, dass nahtlos von der detaillierten Betrachtung physikalischer Produktionsprozesse bis hin zu Lieferbeziehungen zwischen Unternehmen skaliert. Im Vergleich zu existierenden Modellen von Produktionsanlagen werden weniger limitierende Annahmen gestellt. In diesem Sinne ist der Modellierungsansatz ein Kandidat für eine häufig geforderte "Theorie der Produktion". 2. Für die so modellierten Szenarien wird ein Algorithmus zur Optimierung der nebenläufigen Abläufe entwickelt. Der Algorithmus verbindet Techniken für die kombinatorische und die kontinuierliche Optimierung: Je nach Detailgrad und Ausgestaltung des modellierten Szenarios kann der identische Algorithmus kombinatorische Fertigungsfeinplanung (Scheduling) vornehmen, weltweite Lieferbeziehungen unter Einbezug von Unsicherheiten und Risiko optimieren und physikalische Prozesse prädiktiv regeln. Dafür werden Techniken der Monte-Carlo Baumsuche (die auch bei Deepminds Alpha Go zum Einsatz kommen) weiterentwickelt. Durch Ausnutzung zusätzlicher Struktur in den Modellen skaliert der Ansatz auch auf große Szenarien. 3. Der Planungsalgorithmus wird auf die verteilte Optimierung durch unabhängige Agenten übertragen. Dafür wird die sogenannte "Nutzen-Propagation" als Koordinations-Mechanismus entwickelt. Diese ist von der Belief-Propagation zur Inferenz in Probabilistischen Graphischen Modellen inspiriert. Jeder teilnehmende Agent hat einen lokalen Handlungsraum, in dem er den Systemzustand beobachten und handelnd eingreifen kann. Die Agenten sind an der Maximierung der Gesamtwohlfahrt über alle Agenten hinweg interessiert. Die dafür notwendige Kooperation entsteht über den Austausch von Nachrichten zwischen benachbarten Agenten. Die Nachrichten beschreiben den erwarteten Nutzen für ein angenommenes Verhalten im Handlungsraum beider Agenten. 4. Es wird eine Beschreibung der wiederverwendbaren Fähigkeiten von Maschinen und Anlagen auf Basis formaler Beschreibungslogiken entwickelt. Ausgehend von den beschriebenen Fähigkeiten, sowie der vorliegenden Aufträge mit ihren notwendigen Produktionsschritten, werden ausführbare Aktionen abgeleitet. Die ausführbaren Aktionen, mit wohldefinierten Vorbedingungen und Effekten, kapseln benötigte Parametrierungen, programmierte Abläufe und die Synchronisation von Maschinen zur Laufzeit. Die Ergebnisse zusammenfassend werden Grundlagen für flexible automatisierte Produktionssysteme geschaffen -- in einer Werkshalle, aber auch über Standorte und Organisationen verteilt -- welche die ihnen innewohnenden Freiheitsgrade durch Planung zur Laufzeit und agentenbasierte Koordination gezielt einsetzen können. Der Bezug zur Praxis wird durch Anwendungsbeispiele hergestellt. Die Machbarkeit des Ansatzes wurde mit realen Maschinen im Rahmen des EU-Projekts SkillPro und in einer Simulationsumgebung mit weiteren Szenarien demonstriert