Design, Field Evaluation, and Traffic Analysis of a Competitive Autonomous Driving Model in a Congested Environment

Recently, numerous studies have investigated cooperative traffic systems using the communication among vehicle-to-everything (V2X). Unfortunately, when multiple autonomous vehicles are deployed while exposed to communication failure, there might be a conflict of ideal conditions between various autonomous vehicles leading to adversarial situation on the roads. In South Korea, virtual and real-world urban autonomous multi-vehicle races were held in March and November of 2021, respectively. During the competition, multiple vehicles were involved simultaneously, which required maneuvers such as overtaking low-speed vehicles, negotiating intersections, and obeying traffic laws. In this study, we introduce a fully autonomous driving software stack to deploy a competitive driving model, which enabled us to win the urban autonomous multi-vehicle races. We evaluate module-based systems such as navigation, perception, and planning in real and virtual environments. Additionally, an analysis of traffic is performed after collecting multiple vehicle position data over communication to gain additional insight into a multi-agent autonomous driving scenario. Finally, we propose a method for analyzing traffic in order to compare the spatial distribution of multiple autonomous vehicles. We study the similarity distribution between each team's driving log data to determine the impact of competitive autonomous driving on the traffic environment

Interactive Prediction and Planning for Autonomous Driving: from Algorithms to Fundamental Aspects

Inevitably, autonomous vehicles need to interact with other road participants in a variety of highly complex or critical driving scenarios. It is still an extremely challenging task even for the forefront companies or institutes to enable autonomous vehicles to interactively predict the behavior of others, and plan safe and high-quality motions accordingly. The major obstacles are not just originated from prediction and planning algorithms with insufficient performances. Several fundamental problems in the fields of interactive prediction and planning still remain open, such as formulation, representation and evaluation of interactive prediction methods, motion dataset with densely interactive driving behavior, as well as interface of interactive prediction and planning algorithms. The aforementioned fundamental aspects of interactive prediction and planning are addressed in this dissertation along with various kinds of algorithms. First, generic environmental representation for various scenarios with topological decomposition is constructed, and a corresponding planning algorithm is designed by combining graph search and optimization. Hard constraints in optimization-based planners are also incorporated into the training loss of imitation learning so that the policy net can generate safe and feasible motions in highly constrained scenarios. Unified problem formulation and motion representation are designed for different paradigms of interactive predictors such as planning-based prediction (inverse reinforcement learning), as well as probabilistic graphical models (hidden Markov model) and deep neural networks (mixture density network), which are utilized for the prediction/planning interface design and prediction benchmark. A framework combing decision network and graph-search/optimization/sample-based planner is proposed to achieve a driving strategy which is defensive to potential violations of others, but not overly conservatively to threats of low probabilities. Such driving strategy is achieved via experiments based on the aforementioned interactive prediction and planning algorithms with proper interface designed. These predictors are also evaluated from closed loop perspective considering planning fatality when using the prediction results instead of pure data approximation metrics. Finally, INTERACTION (INTERnational, Adversarial and Cooperative moTION) dataset with highly interactive driving scenarios and behavior from international locations is constructed with interaction density metric defined to compare different datasets. The dataset has been utilized for various behavior-related research areas such as prediction, planning, imitation learning and behavior modeling, and is inspiring new research fields such as representation learning, interaction extraction and scenario generation

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

Belief State Planning for Autonomous Driving: Planning with Interaction, Uncertain Prediction and Uncertain Perception

This work presents a behavior planning algorithm for automated driving in urban environments with an uncertain and dynamic nature. The algorithm allows to consider the prediction uncertainty (e.g. different intentions), perception uncertainty (e.g. occlusions) as well as the uncertain interactive behavior of the other agents explicitly. Simulating the most likely future scenarios allows to find an optimal policy online that enables non-conservative planning under uncertainty