Modellprädiktive Regelung für die integrierte Bewegungsplanung und -regelung von automatisierten Fahrzeugen

• Antragsteller: Professor Dr. Georg Schildbach
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Verkehrs- und Transportsysteme, Intelligenter und automatisierter Verkehr
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460891204

Das Ziel des Projekts ist es, die grundlegende Methodik der modellprädiktiven Regelung (MPC) in Bezug auf das autonome Fahren zu erweitern. In zahlreichen Projekten wurde MPC bereits als vielversprechender Ansatz für die Trajektorienfolgeregelung identifiziert. Der hauptsächliche Vorteil liegt in dem ganzheitlichen und intuitiven Ansatz für die Regelung nichtlinearer Mehrgrößensysteme mit Eingangs- und Zustandsbeschränkungen. Dennoch hat MPC aus verschiedenen Gründen noch keinen Einzug in die industriellen Systeme gehalten. Allem voran ist MPC für seinen hohen Rechenaufwand bekannt und zudem relativ aufwändig zu implementieren. Die Forschung dieses Projekts soll dazu dienen, diese Nachteile abzubauen sowie die Vorteile weiter zu stärken. Insbesondere soll dabei der Ansatz des szenario-basierten MPC (SCMPC), an dem der Antragsteller bereits intensiv gearbeitet hat, weiter ausgebaut und gestärkt werden. Außerdem soll der funktionelle Umfang von MPC von der reinen Trajektorienfolgeregelung um die vorangehende Manöverplanung erweitert werden. Dies führt zu einer Vereinfachung der Software-Architektur und einer Reduktion vorhandener Schnittstellen. Ferner kann die Stärke des MPC in der Berücksichtigung von Beschränkungen ausgenutzt und explizite Sicherheitsgarantien für das geregelte System gegeben werden. Um übervorsichtiges Verhalten des Fahrzeugs zu vermeiden ist es wichtig, das Verhalten des umliegenden Verkehrs richtig zu interpretieren und zu antizipieren. Dazu wird im Rahmen des SCMPC das zukünftige Verhalten anderer Verkehrsteilnehmer durch Szenarien prädiziert. Die Grundidee ist, dass das wahrscheinliche Verhalten sowie die inhärente Unsicherheit durch ein Bündel von Szenarien dargestellt wird. Dieser Ansatz ist intuitiv, rechentechnisch effizient und einfach umzusetzen, da direkt empirische Daten direkt verarbeitet werden können. Ferner lassen sich damit theoretische Sicherheitsgarantien ableiten, die im Rahmen des Projekts erweitert werden sollen.In einem zweiten Teil des Projekts soll eine Toolbox entworfen werden, welche die einfache Implementierung des SCMPC auf verschiedenen Systemen ermöglicht. Die Toolbox soll ferner dabei helfen, die Rechenkomplexität zu reduzieren. Dazu werden effiziente Algorithmen auf dem derzeitigen Stand der Technik speziell für die kombinierte Manöverplanung und Trajektorienfolgeregelung zugeschnitten. Ein integrierter Code Generator dient dazu, fertigen und eigenständigen C Code zu erzeugen, der direkt auf den meisten Steuergeräten verwendet werden kann. Zur Bedienung soll ein Graphical User Interface (GUI) entwickelt werden, durch das viele der Schwierigkeiten bei der Implementierung umgangen werden. Dadurch werden die numerischen Probleme vollständig von der Funktionsentwicklung abstrahiert.Insgesamt wird durch das Projekt sowohl der derzeitige Stand der Technik des MPC mit Blick auf das automatisierte Fahren erweitert, als auch seine industrielle Anwendbarkeit gefördert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen