Supra-maneuver, autonomous vehicle guidance in urban settings using the example of the project Stadtpilot

In der vorliegenden Arbeit wird ein System zur manöverübergreifenden autonomen Fahrzeugführung in realer städtischer Umgebung vorgestellt, das auf der praktischen Erfahrung aus der Teilnahme an der DARPA Urban Challenge beruht und im Projekt Stadtpilot weiter vertieft wurde. Die Analyse englisch- und deutschsprachiger Veröffentlichungen hat gezeigt, dass sich die autonome Fahrzeugführung bisher vorrangig auf ausgewählte Szenarien wie autobahnähnliche Umgebungen oder Geländefahrten und auf selektierte Fahrmanöver beschränkt hat. Das Verhalten der Fahrzeuge ergibt sich dabei meist durch eine Aneinanderreihung unterschiedlicher Fahrmanöver. Die Umgebungsbedingungen des Braunschweiger Stadtrings sind hingegen für ein ausschließlich manöverbasiertes autonomes Fahren aufgrund der hohen Anzahl an gefahrenen Fahrmanövern pro Streckenlänge sowie der großen Menge an verschiedenen Situationsvarianten sehr vielfältig. Ziel ist daher eine manöverübergreifende Optimierung aufeinanderfolgender Fahrmanöver sowie eine Kombination unterschiedlicher Konzepte zur Entscheidungsfindung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dafür ein System zur Umsetzung von Fahrentscheidungen etabliert, das manöverübergreifend und unabhängig vom gewählten Verfahren zur Entscheidungsfindung Trajektorien in Bezug auf Krümmung und Krümmungsänderung optimiert. Die resultierenden Trajektorien minimieren im Vergleich zu klassischen Verfahren die Lenkaktivität und die Querbeschleunigung bei autonomen Fahrten. Die entwickelten Ansätze wurden mit den Versuchsfahrzeugen Caroline in der DARPA Urban Challenge und mit Leonie auf dem Braunschweiger Stadtring erfolgreich getestet. In einer Weltpremiere wurde Leonie im Oktober 2010 der Öffentlichkeit vorgestellt und befuhr ein Teilstück des Braunschweiger Stadtrings mehrfach autonom im alltäglichen Straßenverkehr. Das in dieser Arbeit vorgestellte System zur manöverübergreifenden autonomen Fahrzeugführung hat dazu einen entscheidenden Beitrag geleistet.This thesis introduces an approach for the supra-maneuver, autonomous vehicle guidance that realizes complex and precise autonomous driving maneuvers in real urban settings. The approach is based on the experience of the Technische Universität Braunschweig with its participation in the DARPA Urban Challenge and was enhanced within the ‘Stadtpilot’-project. The analysis of English and German publications and proceedings has shown that research on autonomous vehicles was up to now mainly focused on highway or off-road scenarios and selected driving scenarios. The behavior of the vehicles resulted from a sequence of different maneuvers. Compared to highly structured surroundings like highway scenarios, driving autonomously on Braunschweig’s inner ring road is too complex to fulfill all requirements with a single maneuver based approach due to its high frequency of driven maneuvers and the numerousness of varied situations. A combination of different approaches for the decision finding as well as a supra-maneuver optimization is therefore suggested. As a result, a method was introduced in the context of the ‘Stadtpilot’-project that generates curvature optimized trajectories independent from the way driving decisions are found. The trajectories minimize the steering activity and the lateral accelerations compared to established approaches. The developed method was tested successfully with the autonomous vehicle Caroline within the DARPA Urban Challenge and with Leonie on Braunschweig’s inner ring road. In a world premiere Leonie’s skills were presented in October 2010 to the public, while Leonie drove a section of Braunschweig’s inner ring road fully autonomously in normal traffic repeatedly. The introduced system of a supra-maneuver optimization of path-planned sections has contributed to this success significantly

Segmentübergreifende Bahnplanung mittels eines analytischen Optimierungsverfahrens für die autonome Fahrzeugführung auf dem Braunschweiger Stadtring

Mit dem Projekt Stadtpilot stellt sich die TU Braunschweig der Herausforderung, autonom in der komplexen Umgebung des Braunschweiger Stadtrings zu fahren. Die besonderen Umgebungsbedingungen stellen höchste Anforderungen an die einzelnen Teilmodule und damit auch an die Bahnplanung. Im Rahmen des Projekts ist ein neuartiges analytisches Optimierungsverfahren entwickelt worden, das segmentübergreifend krümmungs- und krümmungsänderungsoptimierte Trajektorien mit dem Ziel berechnet, eine für die Gesamtstrecke fahrdynamisch optimierte Sollbahn zu ermitteln. Damit werden gleichzeitig die Spurtreue und der Fahrkomfort erhöht. In dieser Arbeit wird der Algorithmus vorgestellt und die Wirksamkeit anhand eines typischen Fahrmanövers präsentiert

Entwicklungsbegleitendes Simulations- und Testkonzept für autonome Fahrzeuge in städtischen Umgebungen

Das Projekt "Stadtpilot" hat das Ziel, aufbauend auf den Erfahrungen der DARPA Urban Challenge den Braunschweiger Stadtring vollständig autonom zu befahren. Im Rahmen des Projektes wird zur Gewährleistung der Sicherheit im öffentlichen Straßenverkehr ein entwicklungsbegleitendes Simulations- und Testkonzept umgesetzt. Das Konzept beinhaltet die Definition von festen Grundsätzen, die sowohl für die einzelnen Komponenten und ihre Bestandteile als auch für das Gesamtsystem erfüllt sein müssen. Neben der manuellen Erzeugung von Testfällen wird die automatisierte Evaluierung und Testfallgenerierung vorgestellt, in die insbesondere definierte Gütemaße und explizit zugelassene Fehlertoleranzen einfließen. Dadurch wird schon in einer sehr frühen Phase die Entwicklung robuster Module gefördert. Das Testkonzept wird ergänzt durch eine Verkehrssimulation. Dabei entstehen aus dem simulierten Verkehrsfluss kontinuierlich neue Testszenarien, so dass die Testtiefe nochmals erhöht werden kann. Erst wenn das System durch ein solches Testkonzept ausgereift ist, kann eine Erprobung unter realen Bedingungen erfolgen

Caroline - ein autonom fahrendes Fahrzeug im Stadtverkehr

We have previously shown that the physiological size of postsynaptic currents maximises energy efficiency rather than information transfer across the retinothalamic relay synapse. Here, we investigate information transmission and postsynaptic energy use at the next synapse along the visual pathway: from relay neurons in the thalamus to spiny stellate cells in layer 4 of the primary visual cortex (L4SS). Using both multicompartment Hodgkin-Huxley-type simulations and electrophysiological recordings in rodent brain slices, we find that increasing or decreasing the postsynaptic conductance of the set of thalamocortical inputs to one L4SS cell decreases the energy efficiency of information transmission from a single thalamocortical input. This result is obtained in the presence of random background input to the L4SS cell from excitatory and inhibitory corticocortical connections, which were simulated (both excitatory and inhibitory) or injected experimentally using dynamic-clamp (excitatory only). Thus, energy efficiency is not a unique property of strong relay synapses: even at the relatively weak thalamocortical synapse, each of which contributes minimally to the output firing of the L4SS cell, evolutionarily-selected postsynaptic properties appear to maximise the information transmitted per energy used

Development of Software for Open Autonomous Automotive Systems in the Stadtpilot-Project

Abstract—Following the successful participation in the DARPA Urban Challenge with the CarOLO-Project, the Stadtpilot-Project aims at implementing and evaluating autonomous driving with passenger vehicles in regular urban traffic on the inner city ring road of Braunschweig. Transferring autonomous driving from an artificial urban environment as in the Urban Challenge in 2007 to regular urban traffic has a major impact on the quality requirements for both hardware and software systems to be developed. This paper focuses on the development process of the safety-critical software – including functions, architecture and tests for prototyping open autonomous systems in urban traffic. The key issue is to establish flexibility in development and openness for Car-to-Car (C2C) and Car-to-Infrastructure (C2I) communication while still guaranteeing a high level of safety. This paper points out new techniques and lessons learned used with respect to the current standards in the field of functional safety for automotive systems (esp. ISO/DIS 26262)

Kooperative Optimierung von Lichtsignalsteuerung und Fahrzeugführung

Notwendige Halte an Lichtsignalanlagen und die damit verbundenen Brems- und Beschleunigungsvorgänge beeinflussen wesentlich die Emissionen des städtischen Kraftfahrzeugverkehrs. Weniger Halte bedeuten daher neben einem gleichmäßigeren Verkehrsfluss und weniger Wartezeitverlusten auch geringere Auswirkungen auf die Umwelt. Der Beitrag stellt ein kooperatives System aus Assistenzsystem und Lichtsignalsteuerung, dessen Komponenten und die zur Anwendung kommenden Verfahren vor, das auf die positive Beeinflussung des Verkehrsablaufs an Knotenpunkten städtischer Netze zielt. Dabei werden erste Ergebnisse der Umsetzung dargestellt. Ferner erfolgen eine Übersicht der vorgesehenen Untersuchungen sowie ein Ausblick auf die erwarteten Potentiale des Systems

Der Stadtpilot: autonomes Fahren auf dem Braunschweiger Stadtring

Autonomes Fahren wurde auf Autobahnen seit Anfang der neunziger Jahre in verschiedenen Projekten erforscht. Einen neuen Höhepunkt erreichte die Forschung an autonomen Fahrzeugen durch die DARPA Urban Challenge 2007. Erstmals stellte sich damit die Forschung der Herausforderung, autonomes Fahren auf eine stadtähnliche Umgebung zu übertragen. Die TU Braunschweig hat erfolgreich mit dem Forschungsfahrzeug Caroline an der DARPA Urban Challenge teilgenommen und qualifizierte sich zusammen mit 11 der ursprünglich 89 Teams für das Finale der Urban Challenge. Die gesammelten Erfahrungen im Bereich des Autonomen Fahrens werden gegenwärtig in einem Folgeprojekt mit dem Namen Stadtpilot vertieft. Ein Zusammenschluss aus drei Fachbereichen der TU hat sich zum Ziel gesetzt, den Braunschweiger Stadtring autonom zu befahren. Im Rahmen dieses Beitrages werden die grundlegenden Szenarien und Inhalte des Projektes dargestellt. Der Beitrag beschreibt die besonderen Herausforderungen des Stadtringszenarios an das System und die einzelnen Module