Architekturen und Algorithmen für kooperative Automobile

Dankert, Jens; Kowalewski, Stefan; Eckstein, Lutz

doi:10.18154/RWTH-2021-07491

Architekturen und Algorithmen für kooperative Automobile = Architectures and algorithms for cooperative vehicles

Dankert, Jens

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jens Dankert

ImpressumAachen : Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource

ReiheSchriftenreihe Automobiltechnik ; 242/21

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Eckstein, Lutz (Thesis advisor)^RWTH* ; Kowalewski, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-07-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-07491
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/824263/files/824263.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Kraftfahrzeuge (ika) (414110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Algorithmen (frei) ; Architektur (frei) ; Planung (frei) ; algorithms (frei) ; architecture (frei) ; cooperative vehicles (frei) ; kooperative Fahrzeuge (frei) ; planning (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Einhergehend mit dem Einsatz moderner Technologien und zunehmender Automatisierung in Richtung der SAE Stufen 4 & 5 erfolgen auch Bestrebungen im Bereich der Kommunikation zwischen Fahrzeugen untereinander sowie mit Infrastruktur, um sogenannte Intelligent Traffic Systems (ITS) zu bilden. Diese ermöglichen neuartige, kooperative Funktionen, die zumeist mit erheblichen Anforderungen an Rechenleistung und Kommunikationsparameter wie Reichweite, Latenz und Durchsatz verbunden sind. Die Anforderungen und die damit verbundene Komplexität schwanken dabei je nach Art und Anzahl der Verkehrsteilnehmer sowie Verkehrssituation teilweise erheblich. Im Rahmen dieser Arbeit werden Architekturen und Algorithmen für kooperative Fahrzeuge entwickelt, die eine ganzheitliche Betrachtung des Themenkomplex ermöglichen und flexibel anpassbar sein sollen. Es wird eine Architektur entworfen, die insbesondere das Konzept der Local Traffic Systems (LTS) als übergeordnete Gruppen zueinander relevanter Verkehrsteilnehmer vorschlägt. Hierbei wird zwischen der Verkehrsebene zur Verwaltung der LTS und der allgemeinen Missionsplanung, der Bahnführungsebene für taktische Manöverentscheidungen und der Stabilisierungsebene zur Trajektorienverfolgung unterschieden. Für jede Ebene werden entsprechende Algorithmen und Lösungsansätze entworfen. So wird auf Verkehrsebene neben einer Modellierung des Umfelds ein Suchalgorithmus zur Gruppenbildung sowie die notwendigen Verwaltungsmechanismen zur Bildung und Auflösung von LTS beschrieben. Auf Bahnführungsebene findet eine Fokussierung auf abstrakte, taktische Manöver statt. Diese werden beschrieben sowie zwei Ansätze zur Planung kooperativer Manöver entwickelt. Auf Stabilisierungsebene werden drei Verfahren zur Verfolgung von Trajektorien vorgestellt. Im Rahmen einer simulativen Validierung werden alle Verfahren gemäß der gewählten Forschungsmethodik auf verschiedenen Integrationsleveln untersucht. Es zeigt sich, dass bis auf die Echtzeitfähigkeit des umgesetzten modellprädiktiven Regelungsverfahrens alle Anforderungen erfüllt werden können. Somit ist das realisierte System prinzipiell auch in Feldversuchen einsetzbar, sofern eine ausreichend performante Kommunikationsschnittstelle gewährleistet werden kann. Insgesamt kann gezeigt werden, dass die entworfene Architektur und die zugehörigen Algorithmen geeignet sind, um zukünftige kooperative Fahrfunktionen und Fahrzeuge zu unterstützen.

Along with the use of modern technologies and increasing automation in the direction of SAE levels 4 & 5, efforts are also being made in the area of communication between vehicles and with infrastructure to form so-called Intelligent Traffic Systems (ITS). These enable new types of cooperative functions, most of which place considerable demands on computing power and communication parameters such as range, latency and throughput. The requirements and the associated complexity vary considerably depending on the type and number of road users and the traffic situation. Within the scope of this work, architectures and algorithms for cooperative vehicles are developed, which aim to enable a holistic view of the complex of topics and be flexibly adaptable. An architecture is designed, which in particular takes into account the concept of Local Traffic Systems (LTS) as superordinate groups of mutually relevant traffic participants. Here, a distinction is made between the traffic layer for LTS management and general mission planning, the trajectory control layer for tactical maneuver decisions, and the stabilization layer for trajectory tracking. For each layer, corresponding algorithms and solution approaches are designed. Thus, at the traffic layer, in addition to a modeling of the environment, a search algorithm for group formation as well as the necessary management mechanisms for the formation and resolution of LTS are described. At the trajectory control layer, there is a focus on abstract, tactical maneuvers. These are described as well and two approaches to planning cooperative maneuvers are developed. At the stabilization layer, three methods for trajectory tracking are presented. In the context of a simulative validation, all procedures are examined at different levels of integration according to the chosen research methodology. It is shown that, except for the real-time capability of the implemented model predictive control method, all requirements can be met. Thus, the realized system can in principle also be used in field tests, provided that a sufficiently performant communication interface can be guaranteed. Overall, it can be shown that the designed architecture and the associated algorithms are suitable to support future cooperative driving functions and vehicles.

OpenAccess:
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