Co-Design von Erreichbarkeitsanalyse und Trajektorienplanung für Kollisionsvermeidungssysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Althoff
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252614982

Kollisionsvermeidungssysteme für Straßenfahrzeuge, die potentiell die komplette Kontrolle des Fahrzeugs übernehmen, müssen große Herausforderungen meistern. Dazu zählen die unsicheren Messungen der Umgebung, die unsichere zukünftige Bewegung anderer Verkehrsteilnehmer und der oftmals kleine Lösungsraum für sichere Bewegungen. Da Kollisionsvermeidungssysteme nur auslösen sollten, sobald es fast keine Möglichkeit mehr für den Fahrer gibt das Fahrzeug in einen sicheren Zustand zu bringen, ist der kleine Lösungsraum gewollt. Während man Bewegungsplanung generell als relativ gut erforscht betrachten kann, ist die Lage speziell in Notfallsituationen ganz anders: Umso kleiner der Lösungsraum ist, umso länger benötigen aktuelle Bewegungsplaner um eine Lösung zu finden. Dies widerspricht der Notwendigkeit von kurzen Rechenzeiten in Notfallsituationen, so dass sichere Lösungen oftmals nicht mehr gefunden werden und ein Unfall unvermeidbar ist. Im Gegensatz dazu ist eine Erreichbarkeitsanalyse umso schneller, je kleiner der Lösungsraum ist (eine Erreichbarkeitsanalyse ermittelt die Menge aller möglichen Lösungen eines dynamischen Systems). In diesem Projekt entwickeln wir ein neuartiges Co-Design von Erreichbarkeitsanalyse und Bewegungsplanern, um in gefährlichen Situationen sichere Trajektorien mit geringen Rechenzeiten zu finden. Durch die Verwendung von Erreichbarkeitsmengen kann der Suchraum von graphenbasierten und gradientenbasierten Planern beschnitten werden. Mit Hilfe von Erreichbarkeitsmengen werden auch Engstellen detektiert, um sicherzustellen, dass diese ohne Kollisionen sicher durchquert werden. Weiterhin werden wir automatisch sichere Zustände herleiten, in denen ein Fahrzeug für unbestimmte Zeit verweilen kann ohne eine Kollision zu verursachen. Dadurch lassen sich sichere Bewegungspläne für unendliche Zeithorizonte realisieren. Um weiter Rechenzeit zu sparen, verfolgen wir das Ziel unsichere Bewegungspläne zu reparieren, d.h. es werden nur kritische Teile ausgetauscht, so dass Kollisionsüberprüfungen nur an reparierten Stellen neu durchzuführen sind.Das vorgeschlagene Konzept wird intensiv mit Hilfe automatisch generierter, kritischer Situationen (und deren Fortschreiten) getestet. Die dazu notwendige automatische Testfallgenerierung wird im Rahmen des Projekts entwickelt und auf einem Server bereitgestellt, so dass andere Forscher ihre eigenen Bewegungsplaner testen können. Dies würde erstmalig ein Benchmarking ermöglichen, da es bisher keine standardisierten Tests für automatisierte Straßenfahrzeuge gibt. Die Resultate können auch für autonome Fahrzeuge eingesetzt werden, um sichere Lösungen in kritischen Situationen zu garantieren. Auch andere neuartige, intelligente Systeme, die einen sicheren Betrieb garantieren müssen, wie z.B. teilautomatisierte Medizinroboter, kollaborative Produktion mit Menschen und Robotern, sowie Smart Grids profitieren von unseren Ergebnissen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen