[논문 리뷰] Autonomous Vehicle Speed Control for Safe Navigation of Occluded Pedestrian Crosswalk

Sarah M. Thornton|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 18.

Autonomous Vehicle Technology and Safety참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 센서 한계로 인해 숨겨진 보행자가 존재하는 가림막이 있는 보행자 횡단보도를 주행하는 자율주행차를 위한 부분 관측 가능 마르코프 결정 과정(POMDP) 기반 속도 제어 정책을 제안한다. QMDP 근사법을 사용하여 2차원 점유 격자에서 관측 불가능한 타일 수를 기반으로 차량 속도를 동적으로 조절함으로써, 기준 및 오라클 방법에 비해 불확실한 상황에서의 안전성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Both humans and the sensors on an autonomous vehicle have limited sensing capabilities. When these limitations coincide with scenarios involving vulnerable road users, it becomes important to account for these limitations in the motion planner. For the scenario of an occluded pedestrian crosswalk, the speed of the approaching vehicle should be a function of the amount of uncertainty on the roadway. In this work, the longitudinal controller is formulated as a partially observable Markov decision process and dynamic programming is used to compute the control policy. The control policy scales the speed profile to be used by a model predictive steering controller.

연구 동기 및 목표

• 센서 한계로 인해 취약한 도로 이용자가 숨겨질 수 있는 가림막이 있는 횡단보도에서 자율주행차 주행의 안전 문제를 해결한다.
• 큰 차량에 의한 가림으로 인한 보행자 존재 불확실성을 고려하여, 기존 계획 수립 방법이 안전하게 다룰 수 없는 상황을 대비한다.
• 환경 불확실성에 기반해 차량 속도를 실시간으로 조절하는 실시간, 적응형 속도 제어 정책을 개발한다.
• 부분 관측 가능성 하에서 믿음 기반 의사결정을 통합하여 기준 및 오라클 접근 방식을 초월한다.
• 완전한 경로 계획 없이도 가림막이 있는 환경에서 더 안전하고 보수적인 주행을 가능하게 한다.

제안 방법

• 세로 속도 제어 문제를 POMDP로 공식화하며, 상태에는 보행자 존재 여부와 가림 상태가 포함된다.
• 환경을 2차원 점유 격자로 표현하며, 삼중 값(점유됨, 비어 있음, 관측 불가능, 가림으로 인해 발생함)을 사용한다.
• 관측 불가능한 타일 수를 제어 정책에 影향을 주는 핵심 불확실성 지표로 추적한다.
• 계산 복잡도를 감소시키기 위해 POMDP를 효율적으로 해결하기 위해 QMDP(Q-값 메시지 전달) 근사법을 적용한다.
• POMDP에서 유도된 속도 스케일링 요소를 실시간 궤적 추적을 위한 모델 예측 제어(MPC) 프레임워크에 통합한다.
• 집합축 모델을 사용해 차량 동역학을 시뮬레이션하고, 숨겨진 및 노출된 보행자가 있는 시나리오 전반에서 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가림막으로 인해 보행자 존재 여부가 불확실한 상황에서 자율주행차는 어떻게 안전하게 횡단보도를 통과할 수 있는가?
• RQ2 실시간 관측 불확실성에 기반해 차량 속도를 동적으로 조절할 수 있는 제어 정책은 무엇인가?
• RQ3 가림막이 있는 상황에서 POMDP 기반 접근 방식은 오라클 및 기준 방법에 비해 안전성과 주행 유연성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 QMDP 근사법은 실시간 자율주행차 제어에서 POMDP 문제에 대해 실현 가능한 해결책을 제공할 수 있는가?
• RQ5 관측 불가능한 타일 수는 가림막 주행 중 보수적인 속도 결정을 이끄는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• POMDP 기반 정책은 가림막이 있는 횡단보도 시나리오를 성공적으로 통과했지만, 기준 및 오라클 방법에 비해 속도 변화가 더 크고 진행 속도가 느렸다.
• POMDP 정책을 사용한 차량은 가림막 차량을 둘러싸는 데 거의 성공했으며, 이는 불확실성 하에서 경계심 있지만 기능적인 행동을 보였음을 시사한다.
• 이동 중 관측 불가능한 타일 수가 크게 증가했으며, 최고치로 4,000에 도달했으며, 이는 환경의 높은 불확실성을 반영한다.
• 기준 방법은 보행자를 조기에 탐지해 더 부드러운 속도 전이와 횡단보도에서의 성공적인 정지를 달성했으며, 속도 조절 측면에서 POMDP를 능가했다.
• 오라클 방법은 완벽한 센서 성능을 갖춰 최적의 성능을 보였으며, 일관된 속도와 정확한 정지를 유지했으며, 성능 기준으로서 기능했다.
• POMDP 정책은 믿음 기반 제어가 불확실성을 다룰 수 있음을 입증했지만, 정확도 향상을 위해 관측 모델의 보완이 더 필요하다.