Gekapselte Trajektorienfolgeregelung für autonomes Fahren

Die Bewegungsregelung als Teil der autonomen Fahrzeugführung besteht aus den beiden Teilfunktionen der Bewegungsplanung und Bewegungsausführung. Beide wurden im Kontext von Fahrerassistenzsystemen und Anwendungen aus der Robotik bereits intensiv untersucht, jedoch haben bestehende Ansätze gemein, dass sie häufig auf einen spezifischen Anwendungsfall zugeschnitten sind sowie die beiden Teilfunktionen als Einheit betrachten und daher integriert entwickeln. Als Gegenentwurf zu integrierten Systemarchitekturen haben modulare, serviceorientierte Architekturen für Kraftfahrzeuge zunehmend an Bedeutung gewonnen, mit den Zielen, die resultierende Systemkomplexität zu senken, die Wiederverwertbarkeit von entwickelten Modulen in verschiedenen Anwendungen zu fördern sowie die Wart- und Updatebarkeit der Fahrzeuge zu verbessern. Die Modularisierung kann dabei auch auf die Bewegungsregelung angewendet werden und ermöglicht durch funktionale Trennung der Bewegungsplanung und –ausführung die konsequente Kapselung der ausführenden Fahrdynamik- und Trajektorienregelung (FTR), mit dem Ziel der Minimierung von Abhängigkeiten innerhalb des konsistenten Gesamtsystems. Dies legt die Grundlage für eine dynamische Rekonfiguration der Dienste im Fahrzeug, basierend auf dem derzeitigen Betriebsmodus. Neben den genannten Vorteilen führt die Entkopplung der beiden Teilfunktionen der Bewegungsregelung zu neuartigen Herausforderungen wie inkonsistenten Lokalisierungsinformationen, einer grundlegenden Asynchronität der Funktionen und der Notwendigkeit, die Bewegungsplanung möglichst ohne fahrzeugspezifische Adaptionen zu gestalten. Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen einer gekapselten FTR auf die autonome Fahrzeugführung und präsentiert Lösungen, um die resultierenden Herausforderungen zu beherrschen. Aufbauend auf einer Anforderungsdefinition an die betrachtete FTR liegt als Ergebnis der Arbeit zunächst eine Analyse der Herausforderungen für die Bewegungsregelung innerhalb der definierten Systemarchitektur vor. Durch die Trennung der planenden und ausführenden Ebene führen inkonsistente Lokalisierungsinformationen zu unerwünschtem Verhalten wie einer systematischen Regelabweichung. Die Arbeit stellt den Lösungsraum dar, um solche Effekte zu vermeiden. So wird u. a. gezeigt, dass eine zusätzliche Lokalisierungsangleichung in Form einer Posen-Offsetkorrektur erforderlich ist, um den Einfluss abweichender Lokalisierungsinformationen auf die Regelgüte zu minimieren. Die Planung kinematisch und dynamisch nicht umsetzbarer Trajektorien hat einen negativen Einfluss auf die Fahrzeugführung und muss daher verhindert werden. Es wird dargelegt, dass über eine Rückmeldung von kinematischen und dynamischen Grenzen an die Bewegungsplanung sichergestellt werden kann, dass die Planungsebene nur erfüllbare Aufgaben an die FTR stellt und dass der Planungsalgorithmus darüber hinaus nicht an das betrachtete Fahrzeug adaptiert werden muss. Anforderungen hinsichtlich der Unabhängigkeit von einer konkreten Planungsinstanz sowie der Robustheit ggü. Planungslatenzen und Asynchronitäten werden durch die Definition einer geeigneten Trajektorienschnittstelle erfüllt. Die Schnittstelle ermöglicht darüber hinaus die Ausnutzung der Kenntnis zukünftiger Systemzustände im Rahmen einer prädiktiven Vorsteuerung, wodurch eine Umsetzung des transienten Fahrzeugverhaltens im offenen Regelkreis ermöglicht und somit eine Anpassung der Bewegungsplanung auf die nachgelagerte Aktorik verhindert wird. Auf Basis der zuvor identifizierten Handlungsbedarfe wird eine Referenzarchitektur und -implementierung für die FTR entwickelt sowie in Versuchen mit Simulationen und Realfahrzeugen nachgewiesen, dass die zuvor identifizierten Herausforderungen mit den aufgezeigten Lösungen beherrscht werden können. Mit der Arbeit wird somit die Grundlage für informierte Entscheidungen über die Fahrzeug-Systemarchitektur gelegt, da die mit einer funktionalen Trennung der planenden und ausführenden Ebene verbundenen Vor- bzw. Nachteile transparent ersichtlich sind

Encapsulated trajectory tracking control for autonomous vehicles

The motion control of autonomous vehicles with a modular, service-oriented system architecture poses new challenges, as trajectory-planning and -execution are independent software functions. In this paper, requirements for an encapsulated trajectory tracking control are derived and it’s shown that key differences to conventional vehicles with an integrated system architecture exist, requiring additional attention during controller design. A novel, encapsulated control architecture is presented that incorporates multiple extensions and support functions, fulfilling the derived requirements. It allows the application within the modular architecture without loss of functionality or performance. The controller considers vehicle stability and enables the yaw motion as an independent degree of freedom. The concept is applied and validated within the vehicles of the UNICARagil research project, that feature the previously described system architecture to increase flexibility of application by dynamically interconnecting services based on the current use-case

Automation of the UNICARagil Vehicles

The German research project UNICARagil is a collaboration between eight universities and six industrial partners funded by the Federal Ministry of Education and Research. It aims to develop innovative modular architectures and methods for new agile, automated vehicle concepts. This paper summarizes the automation approach of the driverless vehicle concept and its modular realization within the four demonstration vehicles to be built by the consortium. On-board each vehicle, this comprises sensor modules for environment perception and modelling, motion planning for normal driving and safe halts, as well as the respective control algorithms and base functionalities like precise localization. A control room and cloud functionalities provide off-board support to the vehicles, which are additionally addressed in this paper

Gekapselte Trajektorienfolgeregelung für autonomes Fahren

Die Bewegungsregelung als Teil der autonomen Fahrzeugführung besteht aus den beiden Teilfunktionen der Bewegungsplanung und Bewegungsausführung. Beide wurden im Kontext von Fahrerassistenzsystemen und Anwendungen aus der Robotik bereits intensiv untersucht, jedoch haben bestehende Ansätze gemein, dass sie häufig auf einen spezifischen Anwendungsfall zugeschnitten sind sowie die beiden Teilfunktionen als Einheit betrachten und daher integriert entwickeln. Als Gegenentwurf zu integrierten Systemarchitekturen haben modulare, serviceorientierte Architekturen für Kraftfahrzeuge zunehmend an Bedeutung gewonnen, mit den Zielen, die resultierende Systemkomplexität zu senken, die Wiederverwertbarkeit von entwickelten Modulen in verschiedenen Anwendungen zu fördern sowie die Wart- und Updatebarkeit der Fahrzeuge zu verbessern. Die Modularisierung kann dabei auch auf die Bewegungsregelung angewendet werden und ermöglicht durch funktionale Trennung der Bewegungsplanung und –ausführung die konsequente Kapselung der ausführenden Fahrdynamik- und Trajektorienregelung (FTR), mit dem Ziel der Minimierung von Abhängigkeiten innerhalb des konsistenten Gesamtsystems. Dies legt die Grundlage für eine dynamische Rekonfiguration der Dienste im Fahrzeug, basierend auf dem derzeitigen Betriebsmodus. Neben den genannten Vorteilen führt die Entkopplung der beiden Teilfunktionen der Bewegungsregelung zu neuartigen Herausforderungen wie inkonsistenten Lokalisierungsinformationen, einer grundlegenden Asynchronität der Funktionen und der Notwendigkeit, die Bewegungsplanung möglichst ohne fahrzeugspezifische Adaptionen zu gestalten. Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen einer gekapselten FTR auf die autonome Fahrzeugführung und präsentiert Lösungen, um die resultierenden Herausforderungen zu beherrschen. Aufbauend auf einer Anforderungsdefinition an die betrachtete FTR liegt als Ergebnis der Arbeit zunächst eine Analyse der Herausforderungen für die Bewegungsregelung innerhalb der definierten Systemarchitektur vor. Durch die Trennung der planenden und ausführenden Ebene führen inkonsistente Lokalisierungsinformationen zu unerwünschtem Verhalten wie einer systematischen Regelabweichung. Die Arbeit stellt den Lösungsraum dar, um solche Effekte zu vermeiden. So wird u. a. gezeigt, dass eine zusätzliche Lokalisierungsangleichung in Form einer Posen-Offsetkorrektur erforderlich ist, um den Einfluss abweichender Lokalisierungsinformationen auf die Regelgüte zu minimieren. Die Planung kinematisch und dynamisch nicht umsetzbarer Trajektorien hat einen negativen Einfluss auf die Fahrzeugführung und muss daher verhindert werden. Es wird dargelegt, dass über eine Rückmeldung von kinematischen und dynamischen Grenzen an die Bewegungsplanung sichergestellt werden kann, dass die Planungsebene nur erfüllbare Aufgaben an die FTR stellt und dass der Planungsalgorithmus darüber hinaus nicht an das betrachtete Fahrzeug adaptiert werden muss. Anforderungen hinsichtlich der Unabhängigkeit von einer konkreten Planungsinstanz sowie der Robustheit ggü. Planungslatenzen und Asynchronitäten werden durch die Definition einer geeigneten Trajektorienschnittstelle erfüllt. Die Schnittstelle ermöglicht darüber hinaus die Ausnutzung der Kenntnis zukünftiger Systemzustände im Rahmen einer prädiktiven Vorsteuerung, wodurch eine Umsetzung des transienten Fahrzeugverhaltens im offenen Regelkreis ermöglicht und somit eine Anpassung der Bewegungsplanung auf die nachgelagerte Aktorik verhindert wird. Auf Basis der zuvor identifizierten Handlungsbedarfe wird eine Referenzarchitektur und -implementierung für die FTR entwickelt sowie in Versuchen mit Simulationen und Realfahrzeugen nachgewiesen, dass die zuvor identifizierten Herausforderungen mit den aufgezeigten Lösungen beherrscht werden können. Mit der Arbeit wird somit die Grundlage für informierte Entscheidungen über die Fahrzeug-Systemarchitektur gelegt, da die mit einer funktionalen Trennung der planenden und ausführenden Ebene verbundenen Vor- bzw. Nachteile transparent ersichtlich sind

Predictive feedforward control architecture for the encapsulated motion control of automated vehicles

The motion control of automated vehicles consists of the two sub-functions trajectory planning and execution. Within modular, service-oriented system architectures, the encapsulation of the two sub-functions allows the exploitation of architectural advantages. The resulting loose coupling leads to challenges such as a fundamental asynchrony. To achieve a desirable transient behavior during trajectory execution, the use of planned future system states through predictive feedforward control is required. In this paper, such a feedforward control architecture based on FIR filters is presented and experimentally validated. The method allows to execute the transient vehicle behavior open-loop and thus to overcome the aforementioned challenges

Encapsulated trajectory tracking control for autonomous vehicles

The motion control of autonomous vehicles with a modular, service-oriented system architecture poses new challenges, as trajectory-planning and -execution are independent software functions. In this paper, requirements for an encapsulated trajectory tracking control are derived and it’s shown that key differences to conventional vehicles with an integrated system architecture exist, requiring additional attention during controller design. A novel, encapsulated control architecture is presented that incorporates multiple extensions and support functions, fulfilling the derived requirements. It allows the application within the modular architecture without loss of functionality or performance. The controller considers vehicle stability and enables the yaw motion as an independent degree of freedom. The concept is applied and validated within the vehicles of the UNICARagil research project, that feature the previously described system architecture to increase flexibility of application by dynamically interconnecting services based on the current use-case

Encapsulated trajectory tracking control for autonomous vehicles

The motion control of autonomous vehicles with a modular, service-oriented system architecture poses new challenges, as trajectory-planning and -execution are independent software functions. In this paper, requirements for an encapsulated trajectory tracking control are derived and it’s shown that key differences to conventional vehicles with an integrated system architecture exist, requiring additional attention during controller design. A novel, encapsulated control architecture is presented that incorporates multiple extensions and support functions, fulfilling the derived requirements. It allows the application within the modular architecture without loss of functionality or performance. The controller considers vehicle stability and enables the yaw motion as an independent degree of freedom. The concept is applied and validated within the vehicles of the UNICARagil research project, that feature the previously described system architecture to increase flexibility of application by dynamically interconnecting services based on the current use-case

Verfahren zur Korrektur von inkonsistenten Lokalisierungsdaten in modularen technischen Systemen

Automatisiert gesteuerte, mobile Systeme verfügen über eine planende und eine ausführende Instanz, die sowohl integriert als auch unabhängig voneinander vorliegen können. Beide benötigen Informationen über die aktuelle Pose des Systems. Um ein unerwünschtes Systemverhalten zu verhindern, ist es notwendig, dass beide Instanzen identische (konsistente) Informationen über die aktuelle Pose des Systems erhalten. Am Beispiel eines automatisiert gesteuerten Fahrzeugs wird ein Verfahren vorgeschlagen, das ermöglicht, für Planung und Regelung inkonsistente Lokalisierungsdaten zu verwenden. Dazu wird der Offset der ermittelten Posen bestimmt, überwacht und korrigiert. Außerdem werden die Effekte von Sprüngen der Pose im Rahmen der Sensordatenfusion auf die Bewegungsregelung unterdrückt und ein Beitrag zur Selbstwahrnehmung des Systems geleistet