Nachweislich sichere Bewegungsplanung für autonome Fahrzeuge durch Echtzeitverifikation

This thesis introduces fail-safe motion planning as the first approach to guarantee legal safety of autonomous vehicles in arbitrary traffic situations. The proposed safety layer verifies whether intended trajectories comply with legal safety and provides fail-safe trajectories when intended trajectories result in safety-critical situations. The presented results indicate that the use of fail-safe motion planning can drastically reduce the number of traffic accidents.Die vorliegende Arbeit führt ein neuartiges Verifikationsverfahren ein, mit dessen Hilfe zum ersten Mal die verkehrsregelkonforme Sicherheit von autonomen Fahrzeugen gewährleistet werden kann. Das Verifikationsverfahren überprüft, ob geplante Trajektorien sicher sind und generiert Rückfalltrajektorien falls diese zu einer unsicheren Situation führen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung des Verfahrens zu einer deutlichen Reduktion von Verkehrsunfällen führt

Graceful Navigation for Mobile Robots in Dynamic and Uncertain Environments.

The ability to navigate in everyday environments is a fundamental and necessary skill for any autonomous mobile agent that is intended to work with human users. The presence of pedestrians and other dynamic objects, however, makes the environment inherently dynamic and uncertain. To navigate in such environments, an agent must reason about the near future and make an optimal decision at each time step so that it can move safely toward the goal. Furthermore, for any application intended to carry passengers, it also must be able to move smoothly and comfortably, and the robot behavior needs to be customizable to match the preference of the individual users. Despite decades of progress in the field of motion planning and control, this remains a difficult challenge with existing methods. In this dissertation, we show that safe, comfortable, and customizable mobile robot navigation in dynamic and uncertain environments can be achieved via stochastic model predictive control. We view the problem of navigation in dynamic and uncertain environments as a continuous decision making process, where an agent with short-term predictive capability reasons about its situation and makes an informed decision at each time step. The problem of robot navigation in dynamic and uncertain environments is formulated as an on-line, finite-horizon policy and trajectory optimization problem under uncertainty. With our formulation, planning and control becomes fully integrated, which allows direct optimization of the performance measure. Furthermore, with our approach the problem becomes easy to solve, which allows our algorithm to run in real time on a single core of a typical laptop with off-the-shelf optimization packages. The work presented in this thesis extends the state-of-the-art in analytic control of mobile robots, sampling-based optimal path planning, and stochastic model predictive control. We believe that our work is a significant step toward safe and reliable autonomous navigation that is acceptable to human users.PhDMechanical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/120760/1/jongjinp_1.pd

Design and validation of decision and control systems in automated driving

xxvi, 148 p.En la última década ha surgido una tendencia creciente hacia la automatización de los vehículos, generando un cambio significativo en la movilidad, que afectará profundamente el modo de vida de las personas, la logística de mercancías y otros sectores dependientes del transporte. En el desarrollo de la conducción automatizada en entornos estructurados, la seguridad y el confort, como parte de las nuevas funcionalidades de la conducción, aún no se describen de forma estandarizada. Dado que los métodos de prueba utilizan cada vez más las técnicas de simulación, los desarrollos existentes deben adaptarse a este proceso. Por ejemplo, dado que las tecnologías de seguimiento de trayectorias son habilitadores esenciales, se deben aplicar verificaciones exhaustivas en aplicaciones relacionadas como el control de movimiento del vehículo y la estimación de parámetros. Además, las tecnologías en el vehículo deben ser lo suficientemente robustas para cumplir con los requisitos de seguridad, mejorando la redundancia y respaldar una operación a prueba de fallos. Considerando las premisas mencionadas, esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el diseño y la implementación de un marco para lograr Sistemas de Conducción Automatizados (ADS) considerando aspectos cruciales, como la ejecución en tiempo real, la robustez, el rango operativo y el ajuste sencillo de parámetros. Para desarrollar las aportaciones relacionadas con este trabajo, se lleva a cabo un estudio del estado del arte actual en tecnologías de alta automatización de conducción. Luego, se propone un método de dos pasos que aborda la validación de ambos modelos de vehículos de simulación y ADS. Se introducen nuevas formulaciones predictivas basadas en modelos para mejorar la seguridad y el confort en el proceso de seguimiento de trayectorias. Por último, se evalúan escenarios de mal funcionamiento para mejorar la seguridad en entornos urbanos, proponiendo una estrategia alternativa de estimación de posicionamiento para minimizar las condiciones de riesgo

Autonomous Golf Cars for Public Trial of Mobility-on-Demand Service

We detail the design of autonomous golf cars which were used in public trials in Singapore’s Chinese and Japanese Gardens, for the purpose of raising public awareness and gaining user acceptance of autonomous vehicles. The golf cars were designed to be robust, reliable, and safe, while operating under prolonged durations. Considerations that went in to the overall system design included the fact that any member of the public had to not only be able to easily use the system, but to also not have the option to use the system in an unintended manner. This paper details the hardware and software components of the golf cars with these considerations, and also how the booking system and mission planner facilitated users to book for a golf car from any of ten stations within the gardens. We show that the vehicles performed robustly throughout the prolonged operations with a small localization variance, and that users were very receptive from the user survey results.Singapore. National Research Foundatio

Design and validation of decision and control systems in automated driving

xxvi, 148 p.En la última década ha surgido una tendencia creciente hacia la automatización de los vehículos, generando un cambio significativo en la movilidad, que afectará profundamente el modo de vida de las personas, la logística de mercancías y otros sectores dependientes del transporte. En el desarrollo de la conducción automatizada en entornos estructurados, la seguridad y el confort, como parte de las nuevas funcionalidades de la conducción, aún no se describen de forma estandarizada. Dado que los métodos de prueba utilizan cada vez más las técnicas de simulación, los desarrollos existentes deben adaptarse a este proceso. Por ejemplo, dado que las tecnologías de seguimiento de trayectorias son habilitadores esenciales, se deben aplicar verificaciones exhaustivas en aplicaciones relacionadas como el control de movimiento del vehículo y la estimación de parámetros. Además, las tecnologías en el vehículo deben ser lo suficientemente robustas para cumplir con los requisitos de seguridad, mejorando la redundancia y respaldar una operación a prueba de fallos. Considerando las premisas mencionadas, esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el diseño y la implementación de un marco para lograr Sistemas de Conducción Automatizados (ADS) considerando aspectos cruciales, como la ejecución en tiempo real, la robustez, el rango operativo y el ajuste sencillo de parámetros. Para desarrollar las aportaciones relacionadas con este trabajo, se lleva a cabo un estudio del estado del arte actual en tecnologías de alta automatización de conducción. Luego, se propone un método de dos pasos que aborda la validación de ambos modelos de vehículos de simulación y ADS. Se introducen nuevas formulaciones predictivas basadas en modelos para mejorar la seguridad y el confort en el proceso de seguimiento de trayectorias. Por último, se evalúan escenarios de mal funcionamiento para mejorar la seguridad en entornos urbanos, proponiendo una estrategia alternativa de estimación de posicionamiento para minimizar las condiciones de riesgo

Clothoid-based Planning and Control in Intelligent Vehicles (Autonomous and Manual-Assisted Driving)

[EN] Nowadays, there are many electronic products that incorporate elements and features coming from the research in the field of mobile robotics. For instance, the well-known vacuum cleaning robot Roomba by iRobot, which belongs to the field of service robotics, one of the most active within the sector. There are also numerous autonomous robotic systems in industrial warehouses and plants. It is the case of Autonomous Guided Vehicles (AGVs), which are able to drive completely autonomously in very structured environments. Apart from industry and consumer electronics, within the automotive field there are some devices that give intelligence to the vehicle, derived in most cases from advances in mobile robotics. In fact, more and more often vehicles incorporate Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), such as navigation control with automatic speed regulation, lane change and overtaking assistant, automatic parking or collision warning, among other features. However, despite all the advances there are some problems that remain unresolved and can be improved. Collisions and rollovers stand out among the most common accidents of vehicles with manual or autonomous driving. In fact, it is almost impossible to guarantee driving without accidents in unstructured environments where vehicles share the space with other moving agents, such as other vehicles and pedestrians. That is why searching for techniques to improve safety in intelligent vehicles, either autonomous or manual-assisted driving, is still a trending topic within the robotics community. This thesis focuses on the design of tools and techniques for planning and control of intelligent vehicles in order to improve safety and comfort. The dissertation is divided into two parts, the first one on autonomous driving and the second one on manual-assisted driving. The main link between them is the use of clothoids as mathematical formulation for both trajectory generation and collision detection. Among the problems solved the following stand out: obstacle avoidance, rollover avoidance and advanced driver assistance to avoid collisions with pedestrians.[ES] En la actualidad se comercializan infinidad de productos de electrónica de consumo que incorporan elementos y características procedentes de avances en el sector de la robótica móvil. Por ejemplo, el conocido robot aspirador Roomba de la empresa iRobot, el cual pertenece al campo de la robótica de servicio, uno de los más activos en el sector. También hay numerosos sistemas robóticos autónomos en almacenes y plantas industriales. Es el caso de los vehículos autoguiados (AGVs), capaces de conducir de forma totalmente autónoma en entornos muy estructurados. Además de en la industria y en electrónica de consumo, dentro del campo de la automoción también existen dispositivos que dotan de cierta inteligencia al vehículo, derivados la mayoría de las veces de avances en robótica móvil. De hecho, cada vez con mayor frecuencia los vehículos incorporan sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS por sus siglas en inglés), tales como control de navegación con regulación automática de velocidad, asistente de cambio de carril y adelantamiento, aparcamiento automático o aviso de colisión, entre otras prestaciones. No obstante, pese a todos los avances siguen existiendo problemas sin resolver y que pueden mejorarse. La colisión y el vuelco destacan entre los accidentes más comunes en vehículos con conducción tanto manual como autónoma. De hecho, la dificultad de conducir en entornos desestructurados compartiendo el espacio con otros agentes móviles, tales como coches o personas, hace casi imposible garantizar la conducción sin accidentes. Es por ello que la búsqueda de técnicas para mejorar la seguridad en vehículos inteligentes, ya sean de conducción autónoma o manual asistida, es un tema que siempre está en auge en la comunidad robótica. La presente tesis se centra en el diseño de herramientas y técnicas de planificación y control de vehículos inteligentes, para la mejora de la seguridad y el confort. La disertación se ha dividido en dos partes, la primera sobre conducción autónoma y la segunda sobre conducción manual asistida. El principal nexo de unión es el uso de clotoides como elemento de generación de trayectorias y detección de colisiones. Entre los problemas que se resuelven destacan la evitación de obstáculos, la evitación de vuelcos y la asistencia avanzada al conductor para evitar colisiones con peatones.[CA] En l'actualitat es comercialitzen infinitat de productes d'electrònica de consum que incorporen elements i característiques procedents d'avanços en el sector de la robòtica mòbil. Per exemple, el conegut robot aspirador Roomba de l'empresa iRobot, el qual pertany al camp de la robòtica de servici, un dels més actius en el sector. També hi ha nombrosos sistemes robòtics autònoms en magatzems i plantes industrials. És el cas dels vehicles autoguiats (AGVs), els quals són capaços de conduir de forma totalment autònoma en entorns molt estructurats. A més de en la indústria i en l'electrònica de consum, dins el camp de l'automoció també existeixen dispositius que doten al vehicle de certa intel·ligència, la majoria de les vegades derivats d'avanços en robòtica mòbil. De fet, cada vegada amb més freqüència els vehicles incorporen sistemes avançats d'assistència al conductor (ADAS per les sigles en anglés), com ara control de navegació amb regulació automàtica de velocitat, assistent de canvi de carril i avançament, aparcament automàtic o avís de col·lisió, entre altres prestacions. No obstant això, malgrat tots els avanços segueixen existint problemes sense resoldre i que poden millorar-se. La col·lisió i la bolcada destaquen entre els accidents més comuns en vehicles amb conducció tant manual com autònoma. De fet, la dificultat de conduir en entorns desestructurats compartint l'espai amb altres agents mòbils, tals com cotxes o persones, fa quasi impossible garantitzar la conducció sense accidents. És per això que la recerca de tècniques per millorar la seguretat en vehicles intel·ligents, ja siguen de conducció autònoma o manual assistida, és un tema que sempre està en auge a la comunitat robòtica. La present tesi es centra en el disseny d'eines i tècniques de planificació i control de vehicles intel·ligents, per a la millora de la seguretat i el confort. La dissertació s'ha dividit en dues parts, la primera sobre conducció autònoma i la segona sobre conducció manual assistida. El principal nexe d'unió és l'ús de clotoides com a element de generació de trajectòries i detecció de col·lisions. Entre els problemes que es resolen destaquen l'evitació d'obstacles, l'evitació de bolcades i l'assistència avançada al conductor per evitar col·lisions amb vianants.Girbés Juan, V. (2016). Clothoid-based Planning and Control in Intelligent Vehicles (Autonomous and Manual-Assisted Driving) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/65072TESI

Vehicle and Traffic Safety

The book is devoted to contemporary issues regarding the safety of motor vehicles and road traffic. It presents the achievements of scientists, specialists, and industry representatives in the following selected areas of road transport safety and automotive engineering: active and passive vehicle safety, vehicle dynamics and stability, testing of vehicles (and their assemblies), including electric cars as well as autonomous vehicles. Selected issues from the area of accident analysis and reconstruction are discussed. The impact on road safety of aspects such as traffic control systems, road infrastructure, and human factors is also considered

Modelling drivers’ braking behaviour and comfort under normal driving

The increasing growth of population and a rising number of vehicles, connected to an individual, demand new solutions to reduce traffic delays and enhance road safety. Autonomous Vehicles (AVs) have been considered as an optimal solution to overcome those problems. Despite the remarkable research and development progress in the area of (semi) AVs over the last decades, there is still concern that occupants may not feel safe and comfortable due to the robot-like driving behaviour of the current technology. In order to facilitate their rapid uptake and market penetration, ride comfort in AVs must be ensured.Braking behaviour has been identified to be a crucial factor in ride comfort. There is a dearth of research on which factors affect the braking behaviour and the comfort level while braking and which braking profiles make the occupants feel safe and comfortable. Therefore, the primary aim of this thesis is to model the deceleration events of drivers under normal driving conditions to guide comfortable braking design. The aim was achieved by exploiting naturalistic driving data from three projects: (1) the Pan-European TeleFOT (Field Operational Tests of Aftermarket and Nomadic Devices in Vehicles) project, (2) the Field Operational Test (FOT) conducted by Loughborough University and Original Equipment Manufacturer (OEM), and (3) the UDRIVE Naturalistic Driving Study.A total of about 35 million observations were examined from 86 different drivers and 644 different trips resulting in almost 10,000 deceleration events for the braking features analysis and 21,600 deceleration events for the comfort level analysis. Since deceleration events are nested within trips and trips within drivers, multilevel mixed-effects linear models were employed to develop relationships between deceleration value and duration and the factors influencing them. The examined factors were kinematics, situational, driver and trip characteristics with the first two categories to affect the most the deceleration features. More specifically, the initial speed and the reason for braking play a significant role, whereas the driver’s characteristics, i.e. the age and gender do not affect the deceleration features, except for driver’s experience which significantly affects the deceleration duration.An algorithm was developed to calculate the braking profiles, indicating that the most used profile follows smooth braking at the beginning followed by a harder one. Moreover, comfort levels of drivers were analysed using the Mixed Multinomial Logit models to identify the effect of the explanatory factors on the comfort category of braking events. Kinematic factors and especially TTC and time headway (THW) were found to affect the most the comfort level. Particularly, when TTC or THW are increased by 1 second, the odds of the event to be “very comfortable” are respectively 1.03 and 4.5 times higher than being “very uncomfortable”. Moreover, the driver’s characteristic, i.e. age and gender affect significantly the comfort level of the deceleration event. Findings from this thesis can support vehicle manufacturers to ensure comfortable and safe braking operations of AVs.</div