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Semantische Situationsrepräsentation und Aktionsbewertung zur Planung von Fahrmanöversequenzen
Hochautomatisiertes Fahren und autonome Fahrzeuge stehen seit einigen Jahren im Fokus der Forschung von Automobilherstellern, Zulieferern aber auch IT-Unternehmen sowie Forschungseinrichtungen. Selbstfahrende Fahrzeuge nehmen ihre Umgebung mittels Sensoren wahr und führen Fahraktionen aus, um ihr Ziel sicher und effizient zu erreichen. Dabei wird häufig ein Modell der Verkehrssituation erstellt, das sowohl aktuelle Sensordaten als auch Hintergrundwissen wie Kartendaten zusammenführt. Darauf aufbauend können dann Fahrmanöver geplant werden, die von der Aktorik des Fahrzeugs ausgeführt werden.
In den letzten Jahren wurden große Fortschritte auf dem Gebiet des hochautomatisierten Fahrens erzielt. Herausforderungen, die sich dabei gezeigt haben, sind das automatisierte Verstehen von komplexen Verkehrssituationen und darauf aufbauend die Generierung von optimalen Fahrstrategien. Automatisierte Fahrzeuge müssen gerade im innerstädtischen Bereich mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Straßentopologien zurechtkommen. Situationsabhängige Speziallösungen stoßen dabei an ihre Grenzen.
Hinzu kommt die durch dynamische Verkehrsteilnehmer induzierte kombinatorische Komplexität im Planungsprozess.
Ziel dieser Arbeit ist die aktive und passive Unterstützung des Fahrers sowie die Bereitstellung von abstrakten Fahrmanöversequenzen für automatisiertes Fahren. Wissenschaftliche Beiträge sind dabei
- eine Abstraktion der Verkehrssituation durch eine relationale, semantische Szenenrepräsentation sowie darauf aufbauend
- Methoden zur effizienten Planung und dynamischen Validierung von Fahrmanöversequenzen.
Durch eine relationale Modellierung kann der Planungsraum für Fahrmanöver an semantischen Grenzen diskretisiert werden. Dies erlaubt eine einheitliche und durch die Reduktion des Raums effiziente Planung. Die Rückführung der semantischen Pläne in eine geometrische Darstellung ermöglicht die dynamische Validierung und Optimierung resultierender Pläne hinsichtlich Energieeffizienz und Komfort.
Hinweise zur optimalen Fahrweise werden als Teil einer Assistenzfunktion dem Fahrer kommuniziert oder für die Trajektorienplanung automatisierter Fahrzeuge zur Verfügung gestellt. Die Verfahren werden sowohl auf synthetischen Daten als auch im realen Fahrversuch evaluiert
Intelligentes Führungskonzept für ein Autonomes Unterwasserfahrzeug in Sondersituationen
AbstractThis thesis introduces a complete and new concept for the control
of an AUV in special situations. Such a special situation occurs when an
Object detected during the mission is tangential to the proposed route; in
such a situation the possible actions are identification or evasion of the
object. The design of the concept had to take into account a number of
practical requirements (Safety, Robustness, Computation time and Optimality
of the solution), for the processes and algorithms; these requirements had
to be met within the hardware and software specifications and operational
constraints of the AUV system. Such specifications include non-holonome,
delayed motion behaviour of the AUV, the available environmental sensors,
the vehicle’s software architecture, development and communication
software. The operational constraints of a AUV may be characterised by
manoeuvres in three dimensional space in adverse conditions with strong
water currents, bad (sonar) visibility and high water pressure; taking into
account safety distances to the seafloor and geographical obstacles,
manmade constructions and debris.The concept developed is of modular
construction and includes components for collision detection, goal
generation, collision avoidance, vehicle guidance for identification tasks
and general vehicle control. A two phase concept was used for the collision
detection; this allows a rapid collision verification through the use of
simple collision tests which leads to a pre-selection of possible collision
candidates. The collision avoidance system, developed during the course of
the research, has a hybrid structure, whereby reactive (Reactive Control)
and planning (Route planning) components work in parallel. The reactive
control takes over the vehicle guidance to avoid the collision,
concurrently the route planning generates a route which will avoid the
obstacle and return the vehicle back on to its original path. Once a route
has been calculated the planning function takes over from the reactive
control to execute the planned route.The new reactive control component
contains a newly developed and original process for construction of
gradient lines that combines the advantages of Harmonic Dipole Potentials
process with the requirements of a path-optimal control which takes into
account the non-holonome, delayed motion behaviour of the vehicle. Due to
the demands of the online generation of a route whilst guaranteeing the
real-time behaviour of the control system as a whole, graph based
techniques for route planning were investigated in the course of the
research. These techniques allow an optimal path according to defined input
to be calculated within a predictable time. Two newly developed techniques
for geometrical graph generation from a configuration space with
elliptic-cylindrical objects and an algorithm for calculating the energy
requirements (inclusive of water-current data) are described in detail.
Even though the guidance concept presented in this thesis was developed for
an autonomous underwater vehicle (AUV), the concept or parts of the concept
are equally applicable to land based or aerial mobile autonomous systems.ZusammenfassungDie vorliegende Arbeit stellt ein vollständiges und neues
Konzept zur Fahrzeugführung in Sondersituationen für ein Autonomes
Unterwasserfahrzeug vor. Eine Sondersituation ist dann gegeben, wenn
während einer Mission Objekte den abzufahrenden Routenplan tangieren. Die
möglichen Handlungen bestehen im Ausweichen oder in der Identifikation
dieser Objekte. Bei der Erstellung des Konzeptes gab es eine Reihe
praxisrelevanter Anforderungen (Sicherheit, Robustheit, Rechenzeit,
Optimalität) an die zu entwickelnden Verfahren und Algorithmen, die unter
den hard- und softwaretechnischen Vorgaben und Arbeitsbedingungen
einzuhalten waren. Solche Vorgaben umfassen das nichtholonome, verzögerte
Bewegungsverhalten des Unterwasserfahrzeuges, die Sensorik zur Bestimmung
der Umwelt, die im Fahrzeug eingesetzte Rechentechnik sowie die zu
verwendende Entwicklungs- und Kommunikationssoftware. Die
Arbeitsbedingungen eines Unterwasserfahrzeuges sind durch ein Manövrieren
im dreidimensionalen Raum bei einer möglichen Seeströmung, schlechter Sicht
und hohem Wasserdruck unter Einhaltung eines Sicherheitsabstandes zum
Meeresbodens und zu den geographischen Hindernissen, technischen Bauten und
Altlasten charakterisiert.Das entwickelte Konzept ist modular aufgebaut und
umfasst Komponenten zur Kollisionsüberwachung, Zielpunktgenerierung,
Kollisionsvermeidung, Fahrzeugführung bei Identifikationsaufgaben sowie zur
Fahrzeugsteuerung. Für die Kollisionsüberwachung wird ein
Zwei-Phasen-Konzept eingesetzt. Dieses Konzept ermöglicht eine schnelle
Kollisionsüberprüfung durch die Verwendung einfacher Kollisionstests zur
Vorselektion möglicher Kollisionskandidaten. Das in dieser Arbeit
entwickelte Kollisionsvermeidungssystem besitzt eine hybride Struktur, bei
der ein reaktiver (Reaktive Steuerung) und ein planender Ansatz
(Wegeplanung) parallel arbeiten. Die Reaktive Steuerung übernimmt die
Führung des Fahrzeuges, während die Wegeplanung einen Routenplan generiert.
Steht ein Routenplan zur Verfügung, arbeitet die Wegeplanung diesen ab. Für
die Reaktive Steuerung wurde ein neues Verfahren zur geometrischen
Konstruktion von Gradientenlinien entwickelt. Es verbindet die Vorteile des
von Guldner entwickelten Verfahrens der Harmonischen Dipolpotentiale mit
der Forderung einer wegoptimalen Fahrweise unter Berücksichtigung des
nichtholonomen, verzögerten Bewegungsverhaltens des Fahrzeuges. Durch die
Forderung der online-Erzeugung eines Routenplanes unter Gewährleistung des
Echtzeitverhaltens des Systems wurden graphenbasierte Verfahren für die
Wegeplanung untersucht. Diese Verfahren ermöglichen es, einen optimalen Weg
nach definierten Vorgaben in einer kalkulierbaren Zeit zu ermitteln. Zwei
neu entwickelte Verfahren zur Generierung eines geometrischen Graphen aus
einem Konfigurationsraum mit elliptischen Objektzylindern sowie ein
Algorithmus zur Bestimmung der Fahrtkosten unter Einbeziehung der
Strömungsinformation werden detailliert beschrieben. Obgleich das in dieser
Arbeit vorgestellte Führungskonzept für ein Autonomes Unterwasserfahrzeug
entwickelt wurde, können Teile dieser Arbeit auch für boden- und
luftgeführte Autonome Mobile Systeme angewandt werden.Auch im Buchhandel erhältlich:
Intelligentes Führungskonzept für ein autonomes Unterwasserfahrzeug in Sondersituationen / von Mike Joachim Eichhorn
. - Düsseldorf : VDI-Verl., 2007. XIII, 172 S.. : Ill., graph. Darst.
ISBN 978-3-18-512708-3
Preis: 51,30
Modeling and Control of a Cooperative Road Traffic by means of Petri-Nets and Consensus-Algorithms
Die vorliegende Arbeit behandelt die Konzeption eines zukünftigen automatisierten Straßenverkehrs für Autobahnen auf Basis von fahrzeuglokalen Entscheidungsmechanismen und Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation. Der derzeitige Straßenverkehr zeichnet sich durch unterschiedliches und deviantes Fahrzeug- bzw. Fahrerverhalten aus, dessen Konsequenz Phänomene wie Staus und Verkehrsunfälle sind. Die Homogenisierung des Fahrzeugverhaltens soll diese negativen Phänomene eliminieren und durch autonom fahrende Fahrzeuge, die untereinander kommunizieren können, realisiert werden. Hierzu ist der Entwurf einer fahrzeuglokalen homogenen Regelbasis erforderlich, die das spezifizierte Verkehrsverhalten realisiert. Zu diesem Zweck wird der Straßenverkehr als ein Objektsystem auf Basis von Petrinetzen mit zwei Ebenen modelliert. Die Straßennetzebene bildet das globale Verhalten einer Fahrzeuggruppe ab, während die Formationsnetzebene die Interaktionen zwischen den Fahrzeugen repräsentiert. Durch Kombination von Straßen- und Formationsnetzen werden verschiedene Verkehrssituationen generiert. Mit den jeweils assoziierten Formationsnetzen wird eine Erreichbarkeitsanalyse durchgeführt. In jedem Erreichbarkeitsgraphen werden anschließend Zielzustände identifiziert und ein Pfad zu diesen ermittelt, der ein definiertes Gütemaß minimiert und konsekutiven Interaktionen der Fahrzeuge entspricht. Mittels der Analyse fahrzeuglokaler Umgebungsparameter werden die jeweiligen Aktionen der Fahrzeuge zu einer fahrzeuglokalen Regelbasis kombiniert. Zur Koordination der beteiligten Fahrzeuge wird auf dieser Basis ein Kommunikationsprotokoll definiert, das um Konsens-Algorithmen ergänzt wird, welche die Stabilisierung der Formationen sicherstellen. Resultat sind eine Regelbasis und ein Kommunikationsprotokoll, die als verteiltes Regelungssystem ein Verkehrsverhalten erzeugen, das die Straßenkapazität bestmöglich ausnutzt und Unfälle inhärent vermeidet. Ein Rahmenwerk ermöglicht neben der Unterstützung beim Entwurf der Regelbasis auch eine fahrphysikalische Simulation von Fahrzeuggruppen auf begrenzten Fahrbahnabschnitten, sodass das hieraus resultierende Verkehrsverhalten erkennbar wird.This contribution presents a concept of a future automated road traffic for highways, based on vehicle-local decision-making and car2car communication. Present road traffic is characterized by varying and deviant vehicles' and drivers' behavior, that results in phenomena as traffic jams and accidents. A homogenization of the vehicles' behavior shall be a remedy against this, by means of autonomous driving and communicating vehicles. Main objective is the development of a vehicle-local homogenous rule-base realizing a specified traffic behavior. For this purpose road traffic is modeled as an object system by means of Petri Nets, consisting of a system net and an object net. The system net represents the road network, whereas an object net is a representation of a vehicle formation. This concept is used to model different traffic scenarios. For each associated formation net the reachability graph is calculated and analyzed regarding target states and their shortest paths minimizing the predefined cost function. The shortest paths are equivalent to consecutive vehicle interactions, which are furthermore mapped to vehicle-local environmental parameters to construct a well-defined rule-base. For the coordination between the vehicles an associated communication protocol is generated and combined with consensus-algorithms to ensure stability of the vehicle formations. Result is a rule-base realizing a distributed vehicle control which inherently avoids accidents while utilizing full road capacity. According to this, a framework offers, besides support at the rule-base generation, the simulation of the resulting collective behavior of a scalable vehicle formation in certain traffic scenarios with high physical insight
Multisensorielle diskret-kontinuierliche Überwachung und Regelung humanoider Roboter
In der vorliegenden Arbeit wird für eine neue Klasse von humanoiden Robotern ein generisches zweischichtiges diskret-kontinuierliches Regelungskonzept vorgestellt, welches eine operative multisensorielle Überwachung des Roboterumfeldes hinsichtlich störungsbedingter Abweichungen vom geplanten Bewegungsablauf beinhaltet und in der Lage ist, entsprechend zu reagieren. Auf der Grundlage des vorgeschlagenen Konzepts wurden verschiedene perzeptorisch geregelte Grundgeschicklichkeiten implementiert
Entwicklung einer semantischen Missionssteuerung für autonome Inspektionsroboter
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer semantischen Missionssteuerung für autonome Inspektionsroboter, welche es ermöglicht, den Regelkreis bestehend aus Inspektionsplanung, Planausführung, Inspektionsdatenauswertung, Bewertung der Datenauswertungsergebnisse, Entscheidungsfindung und Neuplanung an Bord des Roboters zu schließen
Modulare, verteilte Hardware-Software-Architektur für humanoide Roboter
Humanoide Roboter sind hochkomplexe Systeme. Sie zeichnen sich durch ein sehr heterogenes Sensor- und Aktorsystem aus, welches wiederum sehr hohe und breit gefächerte Anforderungen an die verwendete Architektur stellt.
Es wird sowohl der Entwurf einer funktionalen Steuerungsarchitektur, das verwendete Softwarerahmenwerk als auch die Abbildung auf eine dezidierte Hardwarearchitektur beschrieben
Modulare, verteilte Hardware-Software-Architektur für humanoide Roboter
Humanoide Roboter sind hochkomplexe Systeme. Sie zeichnen sich durch ein sehr heterogenes Sensor- und Aktorsystem aus, welches wiederum sehr hohe und breit gefächerte Anforderungen an die verwendete Architektur stellt.
Es wird sowohl der Entwurf einer funktionalen Steuerungsarchitektur, das verwendete Softwarerahmenwerk als auch die Abbildung auf eine dezidierte Hardwarearchitektur beschrieben
Proceedings of the 2009 Joint Workshop of Fraunhofer IOSB and Institute for Anthropomatics, Vision and Fusion Laboratory
The joint workshop of the Fraunhofer Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation IOSB, Karlsruhe, and the Vision and Fusion Laboratory (Institute for Anthropomatics, Karlsruhe Institute of Technology (KIT)), is organized annually since 2005 with the aim to report on the latest research and development findings of the doctoral students of both institutions. This book provides a collection of 16 technical reports on the research results presented on the 2009 workshop