[論文レビュー] Robust Supervisors for Intersection Collision Avoidance in the Presence of Uncontrolled Vehicles

Heejin Ahn, Andrea Rizzi+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2016

Formal Methods in Verification参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、測定誤差、モデル化されていないダイナミクス、不確実性を考慮した、人間が運転する車両と制御不能な車両を含む交差点における集中型衝突回避の正確で効率的なロバストな監視者を提案する。監視者はスケジューリングに基づく検証手法を用い、安全な車両入力を特定し、衝突を防ぐために必要な場合にのみ介入する。シミュレーションおよびRCカーを用いたラボ実験による検証が行われている。

ABSTRACT

We present the design and validation of a centralized controller, called a supervisor, for collision avoidance of multiple human-driven vehicles at a road intersection, considering measurement errors, unmodeled dynamics, and uncontrolled vehicles. We design the supervisor to be least restrictive, that is, to minimize its interferences with human drivers. This performance metric is given a precise mathematical form by splitting the design process into two subproblems: verification problem and supervisor-design problem. The verification problem determines whether an input signal exists that makes controlled vehicles avoid collisions at all future times. The supervisor is designed such that if the verification problem returns yes, it allows the drivers' desired inputs; otherwise, it overrides controlled vehicles to prevent collisions. As a result, we propose exact and efficient supervisors. The exact supervisor solves the verification problem exactly but with combinatorial complexity. In contrast, the efficient supervisor solves the verification problem within a quantified approximation bound in polynomially bounded time with the number of controlled vehicles. We validate the performances of both supervisors through simulation and experimental testing.

研究の動機と目的

• 人間が運転する車両と制御不能な車両を含む交差点での衝突を防止する、制限を最小限に抑えた集中型監視者を設計すること。
• 監視者設計において、測定誤差、モデル化されていないダイナミクス、制御不能な車両の挙動といった不確実性を適切に取り入れること。
• 正確かつ効率的な近似解法を提供することで、計算効率と安全性のバランスを図ること。
• シミュレーションおよびRC車両を用いた実世界実験を通じて、監視者の性能を検証すること。

提案手法

• 監視者は二段階のプロセスとして設計される：まず、安全な入力が存在するかを確認する検証問題を解き、必要に応じてのみ上書きを実行する。
• 検証問題は、衝突回避条件と同等であることが証明された、挿入された停止時間（IIT）スケジューリング問題に再定式化される。
• 正確な監視者はIIT問題を正確に解くが、組み合わせ的複雑性を有する。一方、効率的な監視者は有界近似を用いることで多項式時間の複雑性を達成する。
• 不確実性の境界は、区間ベースの摂動および測定誤差集合を用いてモデル化され、実験的実現可能性のための経験的切り捨てが施される。
• 監視者は境界誤差を伴う状態推定を用い、軌道が「悪い集合」（衝突領域）に進入するかどうかを判断する。
• 実験的検証では、事前に定義された経路に従うRCカーを用いた物理的テストベッドが使用され、衝突が差し迫った場合にのみ監視者が介入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人間が運転する車両の間で交差点での衝突を防ぐ集中型監視者を設計可能か？ その際、運転手の入力への干渉を最小限に抑えることができるか？
• RQ2 測定誤差、モデル化されていないダイナミクス、制御不能な車両の挙動といった不確実性を、衝突回避制御系に形式的に組み込む方法は何か？
• RQ3 このような監視者において、計算複雑性と安全性のパフォーマンスのトレードオフはどのように評価できるか？
• RQ4 検証問題の効率的近似は、保守性の定量的境界を保ちながら安全性を維持できるか？
• RQ5 境界付き摂動および初期状態の実現可能性が限界にあるような実世界の制約下で、監視者はどのように動作するか？

主な発見

• 正確な監視者は、シミュレーションおよびラボ実験の両方で、必要な場合にのみ介入することで、すべての交差点での衝突を防止した。
• 効率的な監視者は、正確な監視者とほぼ同一の安全性を達成しながら、著しく短縮された計算時間で動作し、定量的な近似境界を維持した。
• 509件の実験的軌道のうち15件では、切り捨てられた摂動境界と状態推定値との不一致により、監視者が車両の停止を強制した。これは測定値の切り捨てに起因する制限を示している。
• 軌道の2次元プロットから、監視者が線形軌道が悪い集合に進入する際に正確に介入していることが確認され、的確かつ必要な上書きが行われていることが裏付けられた。
• 監視者は、制御不能な車両の位置境界が交差点に入り始めるのとちょうど同時に、最後に制御される車両の位置境界が交差点から脱出するように、車両を適切に調整した。
• 実験結果から、制御不能な車両と境界付き不確実性が存在する状況下でも、監視者が安全性を維持していることが確認され、理論的枠組みが実世界環境で妥当であることが検証された。