[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种精确且高效的集中式监督控制器，用于在涉及人工驾驶车辆和无控车辆的交叉路口实现防撞，考虑了测量误差、未建模动力学和不确定性。监督控制器采用基于调度的验证方法，确定安全的车辆输入，仅在必要时才进行干预，通过仿真和使用遥控车在实验室环境中的实验进行验证。

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.

研究动机与目标

• 设计一种限制最少的集中式监督控制器，以防止涉及人工驾驶车辆和无控车辆的交叉路口发生碰撞。
• 在监督控制器设计中考虑测量误差、未建模动力学和无控车辆行为等不确定性。
• 通过提供精确解和基于近似的高效解，平衡计算效率与安全性。
• 通过仿真和使用遥控车在实验平台上的真实世界实验，验证监督控制器的性能。

提出的方法

• 监督控制器设计为两阶段过程：首先求解验证问题，以检查是否存在安全输入；仅在必要时才进行干预。
• 将验证问题重新表述为插入空闲时间（IIT）调度问题，已证明其与防撞条件等价。
• 精确监督控制器精确求解IIT问题，但具有组合复杂度；高效监督控制器使用有界近似，实现多项式时间复杂度。
• 使用基于区间的扰动和测量误差集合对不确定性边界进行建模，并通过经验截断以确保实验可行性。
• 监督控制器使用具有有界误差的状态估计，以判断轨迹是否进入“坏集”（碰撞区域）。
• 实验验证使用在物理实验平台上沿预设路径行驶的遥控车，监督控制器仅在碰撞即将发生时才进行干预。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种集中式监督控制器，在防止人工驾驶车辆在交叉路口发生碰撞的同时，最小化对驾驶员输入的干扰？
• RQ2 如何将测量误差、未建模动力学和无控车辆行为等不确定性正式纳入防撞控制器设计？
• RQ3 此类监督控制器在计算复杂度与安全性性能之间存在何种权衡？
• RQ4 验证问题的高效近似是否能保持安全性，并对保守性提供量化边界？
• RQ5 在存在有界扰动和初始可行性受限等现实约束条件下，监督控制器的表现如何？

主要发现

• 精确监督控制器在仿真和实验室实验中均成功防止了所有交叉路口碰撞，且仅在必要时才进行干预。
• 高效监督控制器在计算时间显著减少的情况下，实现了与精确监督控制器几乎相同的防护性能，并保持了可量化的近似边界。
• 在509条实验轨迹中的15条中，监督控制器因截断扰动边界与状态估计之间的不兼容而强制车辆停止，表明测量截断带来的局限性。
• 轨迹的二维投影显示，监督控制器仅在直线轨迹将进入坏集时才进行干预，证实了干预的精准性和必要性。
• 监督控制器成功协调了车辆，使得最后一条受控车辆的位置边界在无控车辆位置边界进入交叉路口后刚好离开，确保了安全的通行顺序。
• 实验结果证实，即使在存在无控车辆和有界不确定性的情况下，监督控制器仍能保持安全，验证了理论框架在真实世界环境中的有效性。