A Learning-based Stochastic MPC Design for Cooperative Adaptive Cruise Control to Handle Interfering Vehicles

Vehicle to Vehicle (V2V) communication has a great potential to improve reaction accuracy of different driver assistance systems in critical driving situations. Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC), which is an automated application, provides drivers with extra benefits such as traffic throughput maximization and collision avoidance. CACC systems must be designed in a way that are sufficiently robust against all special maneuvers such as cutting-into the CACC platoons by interfering vehicles or hard braking by leading cars. To address this problem, a Neural- Network (NN)-based cut-in detection and trajectory prediction scheme is proposed in the first part of this paper. Next, a probabilistic framework is developed in which the cut-in probability is calculated based on the output of the mentioned cut-in prediction block. Finally, a specific Stochastic Model Predictive Controller (SMPC) is designed which incorporates this cut-in probability to enhance its reaction against the detected dangerous cut-in maneuver. The overall system is implemented and its performance is evaluated using realistic driving scenarios from Safety Pilot Model Deployment (SPMD).Comment: 10 pages, Submitted as a journal paper at T-I

Experimental Testbed for Swarming and Cooperative Robotic Networks

This document describes an innovative cooperative robotics multi-vehicle testbed, featuring a flexible architecture that enables the system to be rapidly adapted to different applications. It also offers tools to reduce development and implementation time. The testbed consists of ten non-holonomic car-like robots networked together to share sensor information. Each vehicle features an on-board computer for local control, and a network of devices that can be suited with a variety of hot-swappable sensors depending on the application. The entire system is integrated with Player, an open source sensor server compatible with Gazebo, a 3D world simulator. Control algorithms can be evaluated in simulation mode and then ported to the real vehicle with virtually no code change. We present a flexible and complete system that serves the study of Cooperative Control, Hybrid and Embedded Systems, Sensor Networks, Networked Control and that can be used in an extensive range of applications.School of Electrical & Computer Engineerin

Intelligent Transportation Systems, Hybrid Electric Vehicles, Powertrain Control, Cooperative Adaptive Cruise Control, Model Predictive Control

Information obtainable from Intelligent Transportation Systems (ITS) provides the possibility of improving the safety and efficiency of vehicles at different levels. In particular, such information has the potential to be utilized for prediction of driving conditions and traffic flow, which allows us to improve the performance of the control systems in different vehicular applications, such as Hybrid Electric Vehicles (HEVs) powertrain control and Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC). In the first part of this work, we study the design of an MPC controller for a Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) system, which is an automated application that provides the drivers with extra benefits, such as traffic throughput maximization and collision avoidance. CACC systems must be designed in a way that are sufficiently robust against all special maneuvers such as interfering vehicles cutting-into the CACC platoons or hard braking by leading cars. To address this problem, we first propose a Neural- Network (NN)-based cut-in detection and trajectory prediction scheme. Then, the predicted trajectory of each vehicle in the adjacent lanes is used to estimate the probability of that vehicle cutting-into the CACC platoon. To consider the calculated probability in control system decisions, a Stochastic Model Predictive Controller (SMPC) needs to be designed which incorporates this cut-in probability, and enhances the reaction against the detected dangerous cut-in maneuver. However, in this work, we propose an alternative way of solving this problem. We convert the SMPC problem into modeling the CACC as a Stochastic Hybrid System (SHS) while we still use a deterministic MPC controller running in the only state of the SHS model. Finally, we find the conditions under which the designed deterministic controller is stable and feasible for the proposed SHS model of the CACC platoon. In the second part of this work, we propose to improve the performance of one of the most promising realtime powertrain control strategies, called Adaptive Equivalent Consumption Minimization Strategy (AECMS), using predicted driving conditions. In this part, two different real-time powertrain control strategies are proposed for HEVs. The first proposed method, including three different variations, introduces an adjustment factor for the cost of using electrical energy (equivalent factor) in AECMS. The factor is proportional to the predicted energy requirements of the vehicle, regenerative braking energy, and the cost of battery charging and discharging in a finite time window. Simulation results using detailed vehicle powertrain models illustrate that the proposed control strategies improve the performance of AECMS in terms of fuel economy by 4\%. Finally, we integrate the recent development in reinforcement learning to design a novel multi-level power distribution control. The proposed controller reacts in two levels, namely high-level and low-level control. The high-level control decision estimates the most probable driving profile matched to the current (and near future) state of the vehicle. Then, the corresponding low-level controller of the selected profile is utilized to distribute the requested power between Electric Motor (EM) and Internal Combustion Engine (ICE). This is important because there is no other prior work addressing this problem using a controller which can adjust its decision to the driving pattern. We proposed to use two reinforcement learning agents in two levels of abstraction. The first agent, selects the most optimal low-level controller (second agent) based on the overall pattern of the drive cycle in the near past and future, i.e., urban, highway and harsh. Then, the selected agent by the high-level controller (first agent) decides how to distribute the demanded power between the EM and ICE. We found that by carefully designing a training scheme, it is possible to effectively improve the performance of this data-driven controller. Simulation results show up to 6\% improvement in fuel economy compared to the AECMS

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

Validation of trajectory planning strategies for automated driving under cooperative, urban, and interurban scenarios.

149 p.En esta Tesis se estudia, diseña e implementa una arquitectura de control para vehículos automatizados de forma dual, que permite realizar pruebas en simulación y en vehículos reales con los mínimos cambios posibles. La arquitectura descansa sobre seis módulos: adquisición de información de sensores, percepción del entorno, comunicaciones e interacción con otros agentes, decisión de maniobras, control y actuación, además de la generación de mapas en el módulo de decisión, que utiliza puntos simples para la descripción de las estructuras de la ruta (rotondas, intersecciones, tramos rectos y cambios de carril)Tecnali

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

Laser-Based Detection and Tracking of Moving Obstacles to Improve Perception of Unmanned Ground Vehicles

El objetivo de esta tesis es desarrollar un sistema que mejore la etapa de percepción de vehículos terrestres no tripulados (UGVs) heterogéneos, consiguiendo con ello una navegación robusta en términos de seguridad y ahorro energético en diferentes entornos reales, tanto interiores como exteriores. La percepción debe tratar con obstáculos estáticos y dinámicos empleando sensores heterogéneos, tales como, odometría, sensor de distancia láser (LIDAR), unidad de medida inercial (IMU) y sistema de posicionamiento global (GPS), para obtener la información del entorno con la precisión más alta, permitiendo mejorar las etapas de planificación y evitación de obstáculos. Para conseguir este objetivo, se propone una etapa de mapeado de obstáculos dinámicos (DOMap) que contiene la información de los obstáculos estáticos y dinámicos. La propuesta se basa en una extensión del filtro de ocupación bayesiana (BOF) incluyendo velocidades no discretizadas. La detección de velocidades se obtiene con Flujo Óptico sobre una rejilla de medidas LIDAR discretizadas. Además, se gestionan las oclusiones entre obstáculos y se añade una etapa de seguimiento multi-hipótesis, mejorando la robustez de la propuesta (iDOMap). La propuesta ha sido probada en entornos simulados y reales con diferentes plataformas robóticas, incluyendo plataformas comerciales y la plataforma (PROPINA) desarrollada en esta tesis para mejorar la colaboración entre equipos de humanos y robots dentro del proyecto ABSYNTHE. Finalmente, se han propuesto métodos para calibrar la posición del LIDAR y mejorar la odometría con una IMU

Dynamic obstacles avoidance algorithms for unmanned ground vehicles

En las últimas décadas, los vehículos terrestres no tripulados (UGVs) están siendo cada vez más empleados como robots de servicios. A diferencia de los robots industriales, situados en posiciones fijas y controladas, estos han de trabajar en entornos dinámicos, compartiendo su espacio con otros vehículos y personas. Los UGVs han de ser capaces de desplazarse sin colisionar con ningún obstáculo, de tal manera que puedan asegurar tanto su integridad como la del entorno. En el estado del arte encontramos algoritmos de navegación autónoma diseñados para UGVs que son capaces de planificar rutas de forma segura con objetos estáticos y trabajando en entornos parcialmente controlados. Sin embargo, cuando estos entornos son dinámicos, se planifican rutas más peligrosas y que a menudo requieren de un mayor consumo de energía y recursos, e incluso pueden llegar a bloquear el UGV en un mínimo local. En esta tesis, la adaptación de algunos algoritmos disponibles en el estado del arte para trabajar en entornos dinámicos han sido planteados. Estos algoritmos incluyen información temporal tales como los basados en arcos de curvatura (PCVM y DCVM) y los basados en ventanas dinámicas (DW4DO y DW4DOT). Además, se ha propuesto un planificador global basado en Lattice State Planner (DLP) que puede resolver situaciones donde los evitadores de obstáculos reactivos no funcionan. Estos algoritmos han sido validados tanto en simulación como en entornos reales, utilizando distintas plataformas robóticas, entre las que se incluye un robot asistente (RoboShop) diseñado y construido en el marco de esta tesis

Recent Advances in Multi Robot Systems

To design a team of robots which is able to perform given tasks is a great concern of many members of robotics community. There are many problems left to be solved in order to have the fully functional robot team. Robotics community is trying hard to solve such problems (navigation, task allocation, communication, adaptation, control, ...). This book represents the contributions of the top researchers in this field and will serve as a valuable tool for professionals in this interdisciplinary field. It is focused on the challenging issues of team architectures, vehicle learning and adaptation, heterogeneous group control and cooperation, task selection, dynamic autonomy, mixed initiative, and human and robot team interaction. The book consists of 16 chapters introducing both basic research and advanced developments. Topics covered include kinematics, dynamic analysis, accuracy, optimization design, modelling, simulation and control of multi robot systems