Topology Reasoning for Driving Scenes

Understanding the road genome is essential to realize autonomous driving. This highly intelligent problem contains two aspects - the connection relationship of lanes, and the assignment relationship between lanes and traffic elements, where a comprehensive topology reasoning method is vacant. On one hand, previous map learning techniques struggle in deriving lane connectivity with segmentation or laneline paradigms; or prior lane topology-oriented approaches focus on centerline detection and neglect the interaction modeling. On the other hand, the traffic element to lane assignment problem is limited in the image domain, leaving how to construct the correspondence from two views an unexplored challenge. To address these issues, we present TopoNet, the first end-to-end framework capable of abstracting traffic knowledge beyond conventional perception tasks. To capture the driving scene topology, we introduce three key designs: (1) an embedding module to incorporate semantic knowledge from 2D elements into a unified feature space; (2) a curated scene graph neural network to model relationships and enable feature interaction inside the network; (3) instead of transmitting messages arbitrarily, a scene knowledge graph is devised to differentiate prior knowledge from various types of the road genome. We evaluate TopoNet on the challenging scene understanding benchmark, OpenLane-V2, where our approach outperforms all previous works by a great margin on all perceptual and topological metrics. The code would be released soon

Predictive Techniques for Scene Understanding by using Deep Learning in Autonomous Driving

La conducción autónoma es considerada uno de los más grandes retos tecnológicos de la actualidad. Cuando los coches autónomos conquisten nuestras carreteras, los accidentes se reducirán notablemente, hasta casi desaparecer, ya que la tecnología estará testada y no incumplirá las normas de conducción, entre otros beneficios sociales y económicos. Uno de los aspectos más críticos a la hora de desarrollar un vehículo autónomo es percibir y entender la escena que le rodea. Esta tarea debe ser tan precisa y eficiente como sea posible para posteriormente predecir el futuro de esta misma y ayudar a la toma de decisiones. De esta forma, las acciones tomadas por el vehículo garantizarán tanto la seguridad del vehículo en sí mismo y sus ocupantes, como la de los obstáculos circundantes, tales como viandantes, otros vehículos o infraestructura de la carretera. En ese sentido, esta tesis doctoral se centra en el estudio y desarrollo de distintas técnicas predictivas para el entendimiento de la escena en el contexto de la conducción autónoma. Durante la tesis, se observa una incorporación progresiva de técnicas de aprendizaje profundo en los distintos algoritmos propuestos para mejorar el razonamiento sobre qué está ocurriendo en el escenario de tráfico, así como para modelar las complejas interacciones entre la información social (distintos participantes o agentes del escenario, tales como vehículos, ciclistas o peatones) y física (es decir, la información geométrica, semántica y topológica del mapa de alta definición) presente en la escena. La capa de percepción de un vehículo autónomo se divide modularmente en tres etapas: Detección, Seguimiento (Tracking), y Predicción. Para iniciar el estudio de las etapas de seguimiento y predicción, se propone un algoritmo de Multi-Object Tracking basado en técnicas clásicas de estimación de movimiento y asociación validado en el dataset KITTI, el cual obtiene métricas del estado del arte. Por otra parte, se propone el uso de un filtro inteligente basado en información contextual de mapa, cuyo objetivo es monitorizar los agentes más relevantes de la escena en el tiempo, representando estos agentes filtrados la entrada preliminar para realizar predicciones unimodales basadas en un modelo cinemático. Para validar esta propuesta de filtro inteligente se usa CARLA (CAR Learning to Act), uno de los simuladores hiperrealistas para conducción autónoma más prometedores en la actualidad, comprobando cómo al usar información contextual de mapa se puede reducir notablemente el tiempo de inferencia de un algoritmo de tracking y predicción basados en métodos físicos, prestando atención a los agentes realmente relevantes del escenario de tráfico. Tras observar las limitaciones de un modelo de predicción basado en cinemática para la predicción a largo plazo de un agente, los distintos algoritmos de la tesis se centran en el módulo de predicción, usando los datasets Argoverse 1 y Argoverse 2, donde se asume que los agentes proporcionados en cada escenario de tráfico ya están monitorizados durante un cierto número de observaciones. En primer lugar, se introduce un modelo basado en redes neuronales recurrentes (particularmente redes LSTM, Long-Short Term Memory) y mecanismo de atención para codificar las trayectorias pasadas de los agentes, y una representación simplificada del mapa en forma de posiciones finales potenciales en la carretera para calcular las trayectorias futuras unimodales, todo envuelto en un marco GAN (Generative Adversarial Network), obteniendo métricas similares al estado del arte en el caso unimodal. Una vez validado el modelo anterior en Argoverse 1, se proponen distintos modelos base (sólo social, incorporando mapa, y una mejora final basada en Transformer encoder, redes convolucionales 1D y mecanismo de atención cruzada para la fusión de características) precisos y eficientes basados en el modelo de predicción anterior, introduciendo dos nuevos conceptos. Por un lado, el uso de redes neuronales gráficas (particularmente GCN, Graph Convolutional Network) para codificar de una forma potente las interacciones de los agentes. Por otro lado, se propone el preprocesamiento de trayectorias preliminares a partir de un mapa con un método heurístico. Gracias a estas entradas y una arquitectura más potente de codificación, los modelos base serán capaces de predecir distintas trayectorias futuras multimodales, es decir, cubriendo distintos posibles futuros para el agente de interés. Los modelos base propuestos obtienen métricas de regresión del estado del arte tanto en el caso multimodal como unimodal manteniendo un claro compromiso de eficiencia con respecto a otras propuestas. El modelo final de la tesis, inspirado en los modelos anteriores y validado en el más reciente dataset para algoritmos de predicción en conducción autónoma (Argoverse 2), introduce varias mejoras para entender mejor el escenario de tráfico y decodificar la información de una forma precisa y eficiente. Se propone incorporar información topológica y semántica de los carriles futuros preliminares con el método heurístico antes mencionado, codificación de mapa basada en aprendizaje profundo con redes GCN, ciclo de fusión de características físicas y sociales, estimación de posiciones finales en la carretera y agregación de su entorno circundante con aprendizaje profundo y finalmente módulo de refinado para mejorar la calidad de las predicciones multimodales finales de un modo elegante y eficiente. Comparado con el estado del arte, nuestro método logra métricas de predicción a la par con los métodos mejor posicionados en el Leaderboard de Argoverse 2, reduciendo de forma notable el número de parámetros y operaciones de coma flotante por segundo. Por último, el modelo final de la tesis ha sido validado en simulación en distintas aplicaciones de conducción autónoma. En primer lugar, se integra el modelo para proporcionar predicciones a un algoritmo de toma de decisiones basado en aprendizaje por refuerzo en el simulador SMARTS (Scalable Multi-Agent Reinforcement Learning Training School), observando en los estudios como el vehículo es capaz de tomar mejores decisiones si conoce el comportamiento futuro de la escena y no solo el estado actual o pasado de esta misma. En segundo lugar, se ha realizado un estudio de adaptación de dominio exitoso en el simulador hiperrealista CARLA en distintos escenarios desafiantes donde el entendimiento de la escena y predicción del entorno son muy necesarios, como una autopista o rotonda con gran densidad de tráfico o la aparición de un usuario vulnerable de la carretera de forma repentina. En ese sentido, el modelo de predicción ha sido integrado junto con el resto de capas de la arquitectura de navegación autónoma del grupo de investigación donde se desarrolla la tesis como paso previo a su implementación en un vehículo autónomo real

Big Data decision support system

Includes bibliographical references.2022 Fall.Each day, the amount of data produced by sensors, social and digital media, and Internet of Things is rapidly increasing. The volume of digital data is expected to be doubled within the next three years. At some point, it might not be financially feasible to store all the data that is received. Hence, if data is not analyzed as it is received, the information collected could be lost forever. Actionable Intelligence is the next level of Big Data analysis where data is being used for decision making. This thesis document describes my scientific contribution to Big Data Actionable Intelligence generations. Chapter 1 consists of my colleagues and I's contribution in Big Data Actionable Intelligence Architecture. The proven architecture has demonstrated to support real-time actionable intelligence generation using disparate data sources (e.g., social media, satellite, newsfeeds). This work has been published in the Journal of Big Data. Chapter 2 shows my original method to perform real-time detection of moving targets using Remote Sensing Big Data. This work has also been published in the Journal of Big Data and it has received an issuance of a U.S. patent. As the Field-of-View (FOV) in remote sensing continues to expand, the number of targets observed by each sensor continues to increase. The ability to track large quantities of targets in real-time poses a significant challenge. Chapter 3 describes my colleague and I's contribution to the multi-target tracking domain. We have demonstrated that we can overcome real-time tracking challenges when there are large number of targets. Our work was published in the Journal of Sensors

Deep Learning Training and Benchmarks for Earth Observation Images: Data Sets, Features, and Procedures

Deep learning methods are often used for image classification or local object segmentation. The corresponding test and validation data sets are an integral part of the learning process and also of the algorithm performance evaluation. High and particularly very high-resolution Earth observation (EO) applications based on satellite images primarily aim at the semantic labeling of land cover structures or objects as well as of temporal evolution classes. However, one of the main EO objectives is physical parameter retrievals such as temperatures, precipitation, and crop yield predictions. Therefore, we need reliably labeled data sets and tools to train the developed algorithms and to assess the performance of our deep learning paradigms. Generally, imaging sensors generate a visually understandable representation of the observed scene. However, this does not hold for many EO images, where the recorded images only depict a spectral subset of the scattered light field, thus generating an indirect signature of the imaged object. This spots the load of EO image understanding, as a new and particular challenge of Machine Learning (ML) and Artificial Intelligence (AI). This chapter reviews and analyses the new approaches of EO imaging leveraging the recent advances in physical process-based ML and AI methods and signal processing

Multi-Object Tracking System based on LiDAR and RADAR for Intelligent Vehicles applications

El presente Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo el desarrollo de un Sistema de Detección y Multi-Object Tracking 3D basado en la fusión sensorial de LiDAR y RADAR para aplicaciones de conducción autónoma basándose en algoritmos tradicionales de Machine Learning. La implementación realizada está basada en Python, ROS y cumple requerimientos de tiempo real. En la etapa de detección de objetos se utiliza el algoritmo de segmentación del plano RANSAC, para una posterior extracción de Bounding Boxes mediante DBSCAN. Una Late Sensor Fusion mediante Intersection over Union 3D y un sistema de tracking BEV-SORT completan la arquitectura propuesta.This Final Degree Project aims to develop a 3D Multi-Object Tracking and Detection System based on the Sensor Fusion of LiDAR and RADAR for autonomous driving applications based on traditional Machine Learning algorithms. The implementation is based on Python, ROS and complies with real-time requirements. In the Object Detection stage, the RANSAC plane segmentation algorithm is used, for a subsequent extraction of Bounding Boxes using DBSCAN. A Late Sensor Fusion using Intersection over Union 3D and a BEV-SORT tracking system complete the proposed architecture.Grado en Ingeniería en Electrónica y Automática Industria

Traffic Control via Connected and Automated Vehicles: An Open-Road Field Experiment with 100 CAVs

The CIRCLES project aims to reduce instabilities in traffic flow, which are naturally occurring phenomena due to human driving behavior. These "phantom jams" or "stop-and-go waves,"are a significant source of wasted energy. Toward this goal, the CIRCLES project designed a control system referred to as the MegaController by the CIRCLES team, that could be deployed in real traffic. Our field experiment leveraged a heterogeneous fleet of 100 longitudinally-controlled vehicles as Lagrangian traffic actuators, each of which ran a controller with the architecture described in this paper. The MegaController is a hierarchical control architecture, which consists of two main layers. The upper layer is called Speed Planner, and is a centralized optimal control algorithm. It assigns speed targets to the vehicles, conveyed through the LTE cellular network. The lower layer is a control layer, running on each vehicle. It performs local actuation by overriding the stock adaptive cruise controller, using the stock on-board sensors. The Speed Planner ingests live data feeds provided by third parties, as well as data from our own control vehicles, and uses both to perform the speed assignment. The architecture of the speed planner allows for modular use of standard control techniques, such as optimal control, model predictive control, kernel methods and others, including Deep RL, model predictive control and explicit controllers. Depending on the vehicle architecture, all onboard sensing data can be accessed by the local controllers, or only some. Control inputs vary across different automakers, with inputs ranging from torque or acceleration requests for some cars, and electronic selection of ACC set points in others. The proposed architecture allows for the combination of all possible settings proposed above. Most configurations were tested throughout the ramp up to the MegaVandertest

Advances in Automated Driving Systems

Electrification, automation of vehicle control, digitalization and new mobility are the mega-trends in automotive engineering, and they are strongly connected. While many demonstrations for highly automated vehicles have been made worldwide, many challenges remain in bringing automated vehicles to the market for private and commercial use. The main challenges are as follows: reliable machine perception; accepted standards for vehicle-type approval and homologation; verification and validation of the functional safety, especially at SAE level 3+ systems; legal and ethical implications; acceptance of vehicle automation by occupants and society; interaction between automated and human-controlled vehicles in mixed traffic; human–machine interaction and usability; manipulation, misuse and cyber-security; the system costs of hard- and software and development efforts. This Special Issue was prepared in the years 2021 and 2022 and includes 15 papers with original research related to recent advances in the aforementioned challenges. The topics of this Special Issue cover: Machine perception for SAE L3+ driving automation; Trajectory planning and decision-making in complex traffic situations; X-by-Wire system components; Verification and validation of SAE L3+ systems; Misuse, manipulation and cybersecurity; Human–machine interactions, driver monitoring and driver-intention recognition; Road infrastructure measures for the introduction of SAE L3+ systems; Solutions for interactions between human- and machine-controlled vehicles in mixed traffic